CN112098211B - 一种模拟多锚耦合作用的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及岩土工程领域，具体提供一种模拟多锚耦合作用的实验装置及方法。所述模拟多锚耦合作用的实验装置包括透明模型箱，在透明模型箱中包括多个在同一竖直平面上平行、且相对于模型箱边缘倾斜设置的锚杆；还包括弧形开孔条带和外部加载装置，所述弧形开孔条带上沿弧形方向开设多个开孔，所述锚杆通过钢绞线穿过开孔与外部加载装置连接，外部加载装置控制钢绞线的收缩；还包括透射光源与相机。解决现有技术中对于锚杆对周围土体的变形及位移影响被简化成平面应变问题，不能准确的反映锚杆对周围土体的真实影响。

Description

一种模拟多锚耦合作用的实验装置及方法

技术领域

本公开涉及岩土工程领域，具体提供一种模拟多锚耦合作用的实验装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然构成现有技术。

长期以来，为了解决高边坡支护问题，各种支挡结构应运而生，其中，扶壁式、锚杆、锚定板、加筋土挡土墙都是路基/路堑中常用的支挡结构种类。其中，锚杆、锚定板、加筋土式挡土墙的基本结构形式都是在墙背处安装锚杆/锚杆锚定板/拉筋，用锚杆等结构提供的拉力来平衡边坡滑移产生的下滑力。这些挡墙结构都常用于墙身较高的路堑墙和路肩墙中。而在工程中，尤其是锚杆、加筋土式挡土墙中，锚杆/拉筋往往布置较为密集，由此不可避免的会产生相互的影响，拉拔过程中，通过对其周围土体的塑性区的影响，从而影响到极限承载力的发挥。因此，研究密集群体支护条件下的群锚效应问题便很有存在意义。

虽然目前工程上已经有不少的工程案例运用了锚定板式挡土墙，加筋土式挡墙，但考虑到试验的可行性，而在现有的试验技术中，在室内通过模型试验进行模拟时，其应力往往可以通过压力计测定，支护结构的位移则常常使用LVDT测定。但发明人发现，关于锚板周边、沿加筋土条带周围的土体在这种状况下的变形和位移则缺乏适当的测量形式，往往这类问题被简化为平面应变问题，但这种平面应变分析方式的缺点在于其无法研究土体中位移场的情况，无法对实验装置内部的土体进行非侵入式观测。

发明内容

针对现有技术中对于锚杆对周围土体的变形及位移影响被简化成平面应变问题，不能准确的反映锚杆对周围土体的真实影响，本公开提出了一种模拟多锚耦合作用的实验装置及方法，直接模拟施工过程中锚杆拉拔，对土体进行观察，能够准确反应锚杆拉拔对周围土体的真实影响。

本公开一个或一些实施方式中，提供一种模拟多锚耦合作用的实验装置，包括透明模型箱，在透明模型箱中包括多个在同一竖直平面上平行、且相对于模型箱边缘倾斜设置的锚杆；还包括弧形开孔条带和外部加载装置，所述弧形开孔条带上沿弧形方向开设多个开孔，所述锚杆通过钢绞线穿过开孔与外部加载装置连接，外部加载装置控制钢绞线的收缩；还包括透射光源与相机。

本公开一个或一些实施方式中，提供一种模拟多锚耦合作用的实验方法，所述方法在上述模拟多锚耦合作用的实验装置内进行，包括如下步骤：

在透明模型箱上绘出数个均匀的点以供后期图像处理；

按照预先计算好的角度，调整固定升降装置的位置；

向模型箱内填筑土，填筑至最下方锚杆最底部高度时，放置最下方锚杆，用固定升降装置固定，再依次填充第二根锚杆的最底部高度，将第二根锚杆用固定装置固定，直至所有锚杆固定好，填充结束；

每根锚杆连接的钢绞线被外部加载装置拉直，

开启透射光源，对土体进行透射，在透明模型箱内产生光斑，开启外部加载装置开关，对钢绞线进行拉拔，带动锚杆拉拔，该过程被相机拍摄，经图像处理后即得。

本公开一个或一些实施方式中，提供上述模拟多锚耦合作用的实验装置或权利要求上述模拟多锚耦合作用的实验方法在测试斜拉群锚拉拔过程中土体产生的位移场和矢量图中的应用。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1)本公开涉及模型试验中利用填筑土锚杆拉拔试验的试验装置及方法，可以通过改变埋置深度、双锚单锚相互作用从而对锚杆受拉后的应变变形状态进行多因素变量的分析和整合，由此可以分析锚土间的相互作用。本公开所述装置巧妙设置弧形开孔条带与搭接杆，既可以做到减少模型试验安装锚杆时对土体的扰动，又可以通过观测群锚拉拔过程中土体三维变形过程中的任一切面达到预测土体三维变形场的效果，且存在观测不同角度，不同高度处布置的锚板拉拔过程中板边土体位移变形的情况。本公开采用的透明土技术可以达成对锚拉式结构中土体变形形式的三维位移的非侵入式观测，且可以进行斜拉群锚效应的研究；

2)本公开中采用CCD工业相机和PIV数字图像处理技术来观测土体内部的位移，精度较高、制备试样，进行试验所需的时间较短，有利于科研效率的提升。

3)在实际施工过程中，保证斜拉群锚与水平面或挡墙、桩的垂直面有相同的角度是很重要的，为了研究群锚相互作用的影响机理及塑性区、土体流场的发展，本公开所述装置符合现实的施工过程中的锚固体系与支挡结构之间的关系。

4)在锚板拉拔试验中，通常的思想是给予锚固结构一个固定的速度，而在实验室中，想要同时对两个斜拉的锚杆施加相同的速度比较困难。因为由于电机的重量和工作机理的问题，常用电机只能沿一个方向前进或后退，如果锚杆采用整体不易弯折的钢材，那么电机就要与锚杆的倾斜程度有一个相同的角度，这在实验室内的模型试验中基本无法实现，因此这种情况下是无法采用固定的电机作为加载方式的，所以本公开采用钢绞线，结合外部加载装置实现加载过程，避免电机倾斜给进或后退。

5)钢绞线穿过单独加工的弧形条带，弧形条带的开孔位置根据工况的安排预先计算好，挡板顶部放有一根可以调节高度的杆也是同样的原因，调整它的高度配合弧形条带的开孔可以在不同的工况下也保证上下两根杆的平行。穿过条带后，上下两条钢绞线链条过滑轮，滑轮放置在水平位置固定横梁的不同高度处，横梁中间开孔，链条可以穿过，这样，只要在底部下垂的钢绞线边加入一个新的滑轮，斜拉的锚杆就可以通过水平方式加载。

附图说明

构成本公开一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为实施例1所述模拟多锚耦合作用的实验装置结构图。

图2为实施例1所述锚杆-钢绞线连接件结构图。

图3为实施例1所述挡板结构图。

图4为实施例1所述弧形开孔条带结构图。

图5为实施例1所述模拟多锚耦合作用的实验装置的侧视简图。

图6为实施例1带有外部加载装置的模拟多锚耦合作用的实验装置的侧视简图。

其中：1.工业CCD相机；2.激光光源；3.透明模型箱；4.弧形开孔条带；5.钢绞线；6.锚杆；7.可移动挡板；8.模型箱底部凹槽；9.模型箱外侧玻璃板；10.模型箱侧面玻璃板；11.连接结构；12.顶部盖板；13.连接件；14.螺栓；15.搭接杆；16.高度调整架；17.弧形条带开孔；18.条带底座。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本公开一个或一些实施方式中，提供一种模拟多锚耦合作用的实验装置，包括透明模型箱，在透明模型箱中包括多个在同一竖直平面上平行、且相对于模型箱边缘倾斜设置的锚杆；还包括弧形开孔条带和外部加载装置，所述弧形开孔条带上沿弧形方向开设多个开孔，所述锚杆通过钢绞线穿过开孔与外部加载装置连接，外部加载装置控制钢绞线的收缩；还包括透射光源与相机。

优选的，透明模型箱可以用玻璃等坚韧透明的材质。

优选的，所述相机为CCD工业相机，CCD工业相机可以提供迅速自动的摄像方法，拍摄间隔大约在5-30秒每张。

优选的，所述透射光源为激光光源，所述激光光源可采用He-Ne激光器，这一激光器常用于医学手段，需利用激光器形成面状光，穿过模型箱中填筑的土颗粒并形成对应的激光散斑场。

优选的，所述弧形开孔条带的弧形为标准圆形的一部分，且弧形大于或等于180度，弧形开孔条带的开口朝向透明模型箱。弧形大于或等于180度可以满足锚杆所有的倾斜方式。

优选的，还包括固定升降装置，固定升降装置控制锚杆的位置。

优选的，所述固定升降装置位于透明模型箱上，包括固定板，所述固定板的两侧有高度调整架，所述高度调整架上有搭接杆，每根锚杆对应一根搭接杆。固定升降装置保证锚杆初始状态不给填筑土带来压力，模拟真实情况，避免带来实验误差。

优选的，所述固定板上有可拆卸底座，所述弧形开孔条带与可拆卸底座固定连接。便于调整弧形开孔条带的位置。

本公开一个或一些实施方式中，提供一种模拟多锚耦合作用的实验方法，所述方法在上述模拟多锚耦合作用的实验装置内进行，包括如下步骤：

在透明模型箱上绘出数个均匀的点以供后期图像处理；

按照预先计算好的角度，调整固定升降装置的位置；

向模型箱内填筑土，填筑至最下方锚杆最底部高度时，放置最下方锚杆，用固定升降装置固定，再依次填充第二根锚杆的最底部高度，将第二根锚杆用固定装置固定，直至所有锚杆固定好，填充结束；

每根锚杆连接的钢绞线被外部加载装置拉直，

开启透射光源，对土体进行透射，在透明模型箱内产生光斑，开启外部加载装置开关，对钢绞线进行拉拔，带动锚杆拉拔，该过程被相机拍摄，经图像处理后即得。

优选的，所述土体可以为透明土，或对沙土进行漂白，可以更好的产生光斑。

优选的，所述透明模型箱上方包括顶部盖板，土填筑过程完成后，将顶部盖板盖于透明模型箱上。避免外界环境对实验土体带来干扰。

优选的，所述土壤中掺入感光颗粒。便于更好的产生光斑

优选的，通过观测光斑的运动情况来测试土体位移变形情况。

优选的，使用PIV数字图像处理技术进行处理

本公开一个或一些实施方式中，提供上述模拟多锚耦合作用的实验装置或权利要求上述模拟多锚耦合作用的实验方法在测试斜拉群锚拉拔过程中土体产生的位移场和矢量图中的应用。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种多锚耦合作用的实验装置，包括透明模型箱3，在透明模型箱3中包括多个在同一竖直平面上平行、且相对于模型箱边缘倾斜设置的锚杆6；还包括弧形开孔条带4和外部加载装置，所述弧形开孔条带4上沿弧形方向开设多个开孔，所述弧形开孔条带4的弧形为标准圆形的一部分，且弧形大于或等于180度，弧形开孔条带4的开口朝向透明模型箱3。如图6所示，所述锚杆6通过钢绞线5穿过开孔与外部加载装置连接，外部加载装置控制钢绞线的收缩；具体通过滑轮控制，即上下两条钢绞线5穿过滑轮，滑轮放置在竖直杆的不同高度处，这样，只要在底部下垂的钢绞线边加入一个新的滑轮，斜拉的锚杆就可以通过水平方式加载，钢绞线末端可以连接到电机上。还包括激光光源2与CCD相机1。

所述固定升降装置位于透明模型箱上，包括固定板，所述固定板的两侧有高度调整架，所述高度调整架上有搭接杆，每根锚杆对应一根搭接杆。

透明模型箱3上侧位置的弧形开孔条带4沿透明模型箱3方向延伸，与下方模型箱底部凹槽8和可以插入模型箱底部凹槽8中的可移动挡板7与搭接杆15(可一定范围内调整高度)配合，使得靠下方的锚杆6可以与上方的锚杆6以与水平方向夹角相同的情况搭接在搭接杆15上；所述弧形开孔条带4的开孔17两两为一组布置较为接近，目的在于保证双锚拉拔时的角度的一致性；所述钢绞线与所述锚杆通过所述连接器11连接在一起。

模型箱外侧玻璃板9、模型箱侧面玻璃板10作用在于提供一个透明的截面用以穿过激光和拍摄对应的图像以便后期使用数字图像技术处理，

顶部盖板12为一个有一定长度宽度的有机玻璃盖板，但在中间开有一个较窄小槽以供锚杆穿过，盖板的作用在于其可以封闭空气进入，保证透明土的透明性，同时保证了锚杆的穿过。

其中，连接锚杆与钢绞线通过图2的方式来实现，连接件13为一个环形开孔金属接头，一侧开有可穿过丝杠的孔，锚杆穿过小孔并用螺栓固定，钢绞线绑在环状金属体上。挡土板顶部的可移动挡板7形式如图3所示，搭接杆15通过高度调整架16调整位置，可通过四根螺栓来调整并固定其位置。

实施例2

本实施例提供一种多锚耦合作用的实验方法，所述方法在实施例1所述的多锚耦合作用的实验装置中进行，包括如下步骤：

1)在模型箱外侧玻璃板9上用油性笔绘出数个均匀的长方形点以供后期图像处理。

2)将预制的与模型箱底部凹槽8大小相同的垫板放置在模型箱底部凹槽8内，其后按计算所得的尺寸放置透明模型箱3的可移动挡板7，将所述弧形开孔条带4的条带底座18放置在可移动挡板7中心，与四方开孔对其，并用螺栓和螺母固定，微调可移动挡板7两侧的高度调整架16，使搭接杆15调整到预定位置，向透明模型箱3内填筑土，填筑至相应的最底部锚杆最低处高度时，用钢绞线5将斜拉的锚杆6连接完成后，按照预先计算好的角度，搭接在所述可移动挡板7顶部的搭接杆15上，用钢绞线5绑住连接件13，通过弧形开孔条带4连接外部加载装置；继续填筑透明土至第二块锚杆6最底处的高度之后，将斜拉的锚杆6放置在透明模型箱3内，搭接在对应搭接杆15上，高处末端从弧形开孔条带4穿过，固定在外部加载装置上；继续填筑土，直至所有锚杆6填筑完成。

3)完成土填筑后，将所述顶部盖板12沿透明模型箱3顶部，并保证顶部盖板12与所述的透明模型箱3内壁紧紧贴合，顶部盖板12的中心孔道应容纳穿出的锚杆6，并用适宜的小木板等遮挡住该孔道外露的其他部分。

4)铺设顶部盖板12完成之后，打开激光光源2进行预热，同时关闭实验室内的窗户等，使得实验室内部较暗。待预热完成后，此时在光线较暗的实验室内，激光发生器2会在模型箱内部形成纵向发光的切面，并产生光斑，若光斑不够强烈可以在配制填筑土时便掺入一些特殊颗粒，此外可以通过漫射器使得激光发生器产生的光线只产生在一个平面上，从而避免光线散射；布置在模型箱前方的工业CCD相机1的作用在于观测该平面显示的光斑运动来代替土体的位移变形。

5)待透明模型箱3内散斑场稳定后，打开加载装置开关，开始对多跟锚杆6进行拉拔，同时启动预先调好焦距的CCD工业相机1使其自动拍摄，每10-30秒拍摄一张透明土散斑照片，之后使用PIV数字图像处理技术进行处理，得到锚杆6在拉拔过程中土体产生的位移场和矢量图情况。

6)关闭工业CCD相机1的拍摄开关，关闭加载装置开关，保存工业CCD相机1拍摄的图片，关闭激光发射器，整理实验器材。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种模拟多锚耦合作用的实验装置，其特征在于，包括透明模型箱，在透明模型箱中包括多个在同一竖直平面上平行、且相对于模型箱边缘倾斜设置的锚杆；

还包括弧形开孔条带和外部加载装置，所述弧形开孔条带上沿弧形方向开设多个开孔，所述锚杆通过钢绞线穿过开孔与外部加载装置连接，外部加载装置控制钢绞线的收缩；

还包括透射光源与相机；

还包括固定升降装置，固定升降装置控制锚杆的位置；

所述固定升降装置位于透明模型箱上，包括固定板，所述固定板的两侧有高度调整架，所述高度调整架上有搭接杆，每根锚杆对应一根搭接杆。

2.如权利要求1所述的模拟多锚耦合作用的实验装置，其特征在于，所述弧形开孔条带的弧形为标准圆形的一部分，且弧形大于或等于180度，弧形开孔条带的开口朝向透明模型箱。

3.如权利要求1所述的模拟多锚耦合作用的实验装置，其特征在于，所述固定板上有可拆卸底座，所述弧形开孔条带与可拆卸底座固定连接。

4.一种模拟多锚耦合作用的实验方法，其特征在于，所述方法在权利要求1-3任一项所述的模拟多锚耦合作用的实验装置内进行，包括如下步骤：

在透明模型箱上绘出数个均匀的点以供后期图像处理；

按照预先计算好的角度，调整固定升降装置的位置；

向模型箱内填筑土，填筑至最下方锚杆最底部高度时，放置最下方锚杆，用固定升降装置固定，再依次填充至 第二根锚杆的最底部高度，将第二根锚杆用固定装置固定，直至所有锚杆固定好，填充结束；

每根锚杆连接的钢绞线被外部加载装置拉直，

开启透射光源，对土体进行透射，在透明模型箱内产生光斑，开启外部加载装置开关，对钢绞线进行拉拔，带动锚杆拉拔，该过程被相机拍摄，经图像处理后即得。

5.如权利要求4所述的模拟多锚耦合作用的实验方法，其特征在于，所述透明模型箱上方包括顶部盖板，土填筑过程完成后，将顶部盖板盖于透明模型箱上。

6.如权利要求4所述的模拟多锚耦合作用的实验方法，其特征在于，所述土中掺入感光颗粒。

7.如权利要求4所述的模拟多锚耦合作用的实验方法，其特征在于，通过观测光斑的运动情况来测试土体位移变形情况。

8.如权利要求4所述的模拟多锚耦合作用的实验方法，其特征在于，使用PIV数字图像处理技术进行处理。

9.权利要求1-3任一项所述的模拟多锚耦合作用的实验装置或权利要求4-8任一项所述的模拟多锚耦合作用的实验方法在测试斜拉群锚拉拔过程中土体产生的位移场和矢量图中的应用。

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