CN112432778A - 一种可施加预应力的锚杆相似模型装置及使用方法 - Google Patents

一种可施加预应力的锚杆相似模型装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可施加预应力的锚杆相似模型装置及使用方法，解决了现有技术中无法对锚杆施加预应力的问题，具有可对锚杆相似装置进行预应力施加，并进行监测的有益效果，具体方案如下：一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，包括光杆，光杆一端设置锚定管，另一端设置预紧锚固端头，预紧锚固端头包括支撑架、反力架和预紧螺栓，支撑架设于光杆的环向，反力架与支撑架固定，预紧螺栓的一端通过拉力计与光杆穿过支撑架的一端连接，预紧螺栓的另一端穿过反力架设置并设置预紧螺母。

Description

一种可施加预应力的锚杆相似模型装置及使用方法
技术领域
本发明涉及土木工程领域，尤其是一种可施加预应力的锚杆相似模型装置及使用方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
锚杆在我国的应用已经有六、七十年的历史，这期间在工程领域出现了多种新型锚杆，比如囊压扩体锚杆、多段扩大头锚杆等，其中预应力锚杆由于其主动受力的特点，在控制基坑边坡、支挡结构水平位移方面发挥了很大的作用，是目前岩土工程中应用最广泛的锚杆。
为了研究锚杆的工作机理以及在基坑、边坡支护时的作用，一些锚杆的模型也被开发了出来：公开号为CN 208280193 U的实用新型专利中公开了一种囊压式阔体锚杆模型，公开号为CN 205607771 U的实用新型专利中公开了一种多段扩大头锚杆模型，公开号为CN 207998876 U的实用新型专利中涉及了一种可注浆的空心锚杆模型，在预应力锚杆模型方面，公开号为CN 206876498 U的实用新型专利中虽然涉及了一种能施加预应力的锚杆，但由于其需要假设多个千斤顶，并不适用于基坑开挖模型试验；阎迪设计了一种弹簧加带孔铜条加销栓的预应力施加方法，但这种通过拖动铜条来施加预应力的方式一方面不能有效地模拟预应力均匀施加过程，另一方面也不能对自由段上的预应力进行实时监测，而且很容易因为人工操作对预应力的施加产生较大的影响。
因此，发明人发现，现有锚杆模型不能有效模拟对锚杆预应力的施加，进而影响到试验结果的准确性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，能够对光杆施加预应力，通过合理的构件布置使该模型能较精确地模拟锚杆预应力施加、测量、监测的全过程且更好地模拟预应力锚杆的工作状态，提高试验结果的准确性。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，包括光杆，光杆一端设置锚定管，另一端设置预紧锚固端头，预紧锚固端头包括支撑架、反力架和预紧螺栓，支撑架设于光杆的环向，反力架与支撑架固定，预紧螺栓的一端通过拉力计与光杆穿过支撑架的一端连接，预紧螺栓的另一端穿过反力架设置并设置预紧螺母。
上述锚杆相似模型装置光杆和锚定管可埋设于模型试验箱内进行试验，并可与安装于腰梁的预紧锚固端头连接，通过预紧螺栓和预紧螺母的设置，转动预紧螺母，带动预紧螺栓移动对光杆施加预应力，通过拉力计监测光杆上的预应力变化。
如上所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，所述预紧螺栓通过连接器与所述的拉力计连接；
拉力计为应变式拉力计，应变式拉力计可与应变箱连接，以便进行实时监测。
如上所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，所述连接器为换向环，换向环为环形框，环形框其中两对立侧分别设置豁口，两豁口的设置方向相反，一侧的豁口用于设置所述的预紧螺栓，另一侧的豁口用于设置所述的拉力计；
从一侧看，两侧豁口的重合部分为直径大于所述预紧螺栓杆(预紧螺栓头部外的部分为预紧螺栓杆)的圆，且第一十字固定板导向孔的圆心与该圆的圆心对齐设置。
如上所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，所述支撑架为第一十字固定板，第一十字固定板中心设置用于所述光杆穿过的导向孔，导向孔的两侧分别设置与导向孔相连通的长条孔，以与光杆端部扁平头相适配，扁平头在穿过导向孔后旋转支撑架，避免光杆从导向孔中脱出；
如上所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，所述反力架包括第二十字固定板，所述预紧螺栓穿过第二十字固定板中心设定距离后通过所述预紧螺母进行固定。
如上所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，所述反力架还包括设于第二十字固定板四悬臂的斜向拉片，第二十字固定板的尺寸小于所述支撑架的尺寸，每一斜向拉片分别连接到支撑架，使得反力架为四向反力架，具有足够的刚度，能保证预应力施加过程的稳定性。
如上所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，所述锚定管外壁涂覆有固定胶，锚定管的直径大于所述光杆的直径，固定胶的设置，提高了锚定管与周围土体材料的粘结作用，增大了抗拔力。
如上所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，所述光杆用于同所述预紧锚固端头连接的一端为扁平头；
且光杆缠绕有透明胶带，以减小无摩擦钢杆与模型试验箱内周围土体材料的摩擦力，从而模拟预应力锚杆的自由段。
如上所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，所述锚定管远离光杆端部内侧设置封堵件，封堵件与锚定管内壁粘结设置，封堵件的设置防止在埋置锚杆相似模型装置的过程中土体材料进入锚定管内部；
封堵件柱体由泡沫双面胶组成，有效封堵锚定管端部。
第二方面，本发明还提供了一种可施加预应力的锚杆相似模型装置的使用方法，能够实现土体开挖过程中对锚杆施加预应力的模拟，并实现监测，包括如下内容：
锚定管涂覆固定胶，并在砂体中滚动，使得砂体附着在锚定管的周侧；
将锚定管和光杆连接，光杆穿过护坡面层、腰梁预留的孔洞；
将组装完成的护坡面层、锚定管和光杆埋入模型试验箱，等待开挖；
当开挖模型试验箱内土体材料至锚杆标高向下一段距离时，将组装完成的预紧锚固端头安装于腰梁，并将拉力计与光杆连接；
转动预紧螺母，带动预紧螺栓上移对光杆施加预应力，通过拉力计外接的应变箱实时监测光杆的预应力变化；
继续开挖至预设深度，并对相应预紧锚固端头的预紧螺栓施加预紧力。
上述本发明的有益效果如下：
1)本发明通过预紧锚固端头中预紧螺栓和预紧螺母的设置，可带动预紧螺栓向上移动，从而对光杆有效地施加预应力实现预应力施加的模拟，而且通过旋转预紧螺母的方式施加预应力，提高了施加预应力的精度；通过拉力计可监测整个基坑开挖过程中光杆上预应力的变化，拉力计可外接应变箱，使试验者可实时监测预应力施加、持荷全过程中的预应力变化。
2)本发明通过换向环的设置，可实现拉力计与预紧螺栓的连接，也实现了预紧锚固端头同光杆的连接，还可以有效地消除预紧螺栓可能出现的转动对拉力计的影响；本发明通过第一十字固定板导向孔两侧设置长条孔，可有效避免光杆在穿过导向孔后的意外脱落。
3)本发明反力架为四向反力架，且有足够的刚度，能保证预应力施加过程的稳定性，减小锚杆相似模型装置偏心的可能。
4)本发明通过整体锚杆相似模型装置的提出，能均匀有效地施加预应力，不仅对相关模型试验的优化、在一定程度上保证试验结果的准确性、可信性，而且对通过条件可控的模型试验研究具体的工程问题有重要意义。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1中本发明预紧锚固端头与光杆连接示意图；
图3为图1中本发明预紧锚固端头设置示意图。
其中，1-1为锚定管，1-2为光杆，1-3为预紧锚固端头，2-1为十字固定板，2-2为应变式拉力计，2-3为换向环，2-4为预紧螺栓，2-5为四向反力架，2-6为预紧螺母，2-7为扁平头，2-8为端头连接孔，3-1为固端铆钉，3-2为牵引挂钩，3-3为锚杆导向孔，3-4为固定螺栓，3-5为固定螺母。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种可施加预应力的锚杆相似模型装置。
本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，包括锚定管1-1，光杆1-2和预紧锚固端头1-3(下文简称端头)，光杆位于锚定管的中心轴线上，光杆一端与锚定管连接，另一端与预紧锚固端头连接。
锚定管1-1为PVC管材，在管材外壁涂一层固定胶如AB胶，然后将管材在标准砂上滚动一周，使标准砂均匀的附着在管材表面，以增强埋设于模型试验箱内后锚定管1-1与周围土体材料的粘结作用；锚定管远离光杆的端部内侧设置封堵件。
光杆1-2为等直径或带螺纹的金属杆；金属杆一端(与预紧锚固端头连接的一端)为一扁平头2-7，其宽度比金属杆直径大1-3mm，且该扁平头设置端头连接孔2-8，牵引挂钩3-2通过端头连接孔与扁平头连接；金属杆另一端(与锚定管1-1连接的一端)3-4cm为锚定管1-1和光杆1-2的连接区域，其中光杆远离预紧锚固端头一端的2cm范围的区域作为设置封堵件的区域，封堵件的直径近似等于锚定管1-1内壁直径，封堵件设置完成后将封堵件粘结于锚定管1-1内部设定深度处。
光杆从与锚定管连接端至扁平头2-7之间的杆体上均匀缠绕透明胶带，以减小光杆1-2和周围土体材料间的摩擦，模拟预应力锚杆的自由段。
具体地，封堵件为用泡沫双面胶卷成的柱体，当然还可以其他材料如发泡橡胶，该柱体黏在管材内壁上，防止在埋置于模型试验箱的过程中土体材料进入管材内部，将锚定管内在封堵件内侧的1-2cm的空间填满粘接剂如AB胶，保证封堵件设置稳定性和可靠性，整个过程保证锚定管1-1和光杆1-2的轴线位于同一直线上。
参考图2和图3所示，预紧锚固端头1-3包括固定于光杆环向的支撑架，支撑架为第一十字固定板，由PVC板材制成的第一十字固定板2-1是预紧锚固端头1-3的底座，光杆1-2的扁平头通过十字固定板2-1的导向孔3-3伸入预紧锚固端头1-3，第一十字固定板远离光杆的一侧面设置反力架，预紧螺栓的一端穿过反力架设置并与反力架2-5固定，且预紧螺栓的另一端通过连接器与拉力计连接，拉力计设置牵引挂钩。
容易理解的是，导向孔的两侧设置与导向孔相通的长条孔，可保证光杆端部的扁平头可通过导向孔设置。
具体地，反力架包括第二十字固定板，第二十字固定板的四悬臂分别设置斜向拉片，斜向拉片为钢片，第二十字固定板的尺寸小于第一十字固定板的尺寸，斜向拉片的一端与第二十字固定板的一端固定，另一端弯折设置，斜向拉片弯折端设置预留孔，该预留孔与第一十字固定板悬臂预留孔对齐，通过锁紧件进行连接固定；在一些示例中，第二十字固定板与四斜向拉片为整体式钢架。
锁紧件包括固定螺栓3-4和固定螺母3-5，预紧螺栓穿过第二十字固定板中心设定距离后通过预紧螺母2-6进行固定。斜向拉片弯折端设置的预留孔为圆孔，圆孔直径略大于固定螺栓的直径。
第二十字固定板与第一十字固定板相互平行设置，第二十字固定板的四条侧臂所在方向与第一十字固定板的四条侧臂所在方向一致，即两十字固定板相互对正设置；当然，两十字固定板各自相邻两侧臂之间可间隔小于90°的角；两十字固定板的材料均可为PVC板材或其他材料。
第一十字固定板的四条侧臂尺寸相同，悬臂上均有一个位于悬臂中轴线上的预留孔且四个预留孔与第一十字固定板中心的距离相同，第二十字固定板中心设置用于预紧螺栓穿过的孔，该孔的中心与导向孔的中心对正设置。
拉力计为应变式拉力计，其上方为铆钉，下方为牵引挂钩，这两部件均与应变式拉力计连接为整体，进一步地，连接器包括换向环2-3，换向环2-3的一个豁口对准预紧螺栓2-4卡入，然后将应变式拉力计2-2的固端铆钉3-1卡入换向环2-3另一侧的豁口内。
换向环为一矩形钢环，钢环对立的两侧上各有一平行于钢环长度方向的等直径豁口，但豁口方向相反，自上往下看，两豁口的重合部分是一直径略大于铆钉杆和预紧螺栓杆的圆，且圆心与第一十字固定板中间导向孔的圆心对齐；铆钉和预紧螺栓分别通过豁口使其扩大头处于换向环内部，其轴线互相重合；铆钉的铆头与拉力计的主体部分间的空隙稍大于换向环的厚度；牵引挂钩与光杆上端的端头连接孔勾连。
由于预应力在土体开挖后施加，所以当土体开挖至锚杆标高向下一段距离时，将组装好的预紧锚固端头1-3的第一十字固定板安装于腰梁，将应变式拉力计2-2的牵引挂钩3-2穿过光杆1-2的端头连接孔2-8，至此，整个锚杆相似模型装置组装完成，各部件的中心均在同一条直线上。
一种可施加预应力的锚杆相似模型装置的使用方法，包括如下内容：
锚定管1-1涂覆固定胶，并在砂体中滚动，使得砂体附着在锚定管的周侧；
将锚定管1-1和光杆1-2连接，并在模型试验箱内设置多层，光杆1-2穿过护坡面层、腰梁预留的孔洞，腰梁预留的孔洞与导向孔的形状相同；
将组装完成的护坡面层、锚定管和光杆埋入模型试验箱，等待开挖；
当开挖模型试验箱内土体材料至锚杆标高向下一段距离时，将组装完成的预紧锚固端头中第一十字固定板安装于腰梁，应变式拉力计与光杆连接；
然后通过转动预紧螺母2-6，使其带动预紧螺栓2-4上移，为锚杆施加预应力，通过应变式拉力计2-2外接的应变箱，即可实现对锚杆上预应力的实时监测；
继续开挖至预设深度，重复上述步骤，将预紧锚固端头安装于腰梁，并对相应预紧锚固端头的预紧螺栓施加预紧力。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，其特征在于，包括光杆，光杆一端设置锚定管，另一端设置预紧锚固端头，预紧锚固端头包括支撑架、反力架和预紧螺栓，支撑架设于光杆的环向，反力架与支撑架固定，预紧螺栓的一端通过拉力计与光杆穿过支撑架的一端连接，预紧螺栓的另一端穿过反力架设置并设置预紧螺母。
2.根据权利要求1所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，其特征在于，所述预紧螺栓通过连接器与所述的拉力计连接；
拉力计为应变式拉力计。
3.根据权利要求2所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，其特征在于，所述连接器为换向环，换向环为环形框，环形框其中两对立侧分别设置豁口，两豁口的设置方向相反，一侧的豁口用于设置所述的预紧螺栓，另一侧的豁口用于设置所述的拉力计；
从一侧看，两侧豁口的重合部分为直径大于所述预紧螺栓杆的圆，且第一十字固定板导向孔的圆心与该圆的圆心对齐设置。
4.根据权利要求3所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，其特征在于，所述支撑架为第一十字固定板，第一十字固定板中心设置用于所述光杆穿过的导向孔，导向孔的两侧分别设置与导向孔相连通的长条孔。
5.根据权利要求1所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，其特征在于，所述反力架包括第二十字固定板，所述预紧螺栓穿过第二十字固定板中心设定距离后通过所述预紧螺母进行固定。
6.根据权利要求5所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，其特征在于，所述反力架还包括设于第二十字固定板四悬臂的斜向拉片，第二十字固定板的尺寸小于所述支撑架的尺寸，每一斜向拉片分别连接到支撑架。
7.根据权利要求1所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，其特征在于，所述锚定管外壁涂覆有固定胶，锚定管的直径大于所述光杆的直径。
8.根据权利要求1所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，其特征在于，所述光杆用于同所述预紧锚固端头连接的一端为扁平头；
且光杆缠绕有透明胶带，以减小光杆与模型试验箱内周围土体材料的摩擦力。
9.根据权利要求1所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置，其特征在于，所述锚定管远离光杆端部内侧设置封堵件，封堵件与锚定管内壁粘结设置；
封堵件为用泡沫双面胶卷成的柱体。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种可施加预应力的锚杆相似模型装置的使用方法，其特征在于，包括如下内容：
锚定管涂覆固定胶，并在砂体中滚动，使得砂体附着在锚定管的周侧；
将锚定管和光杆连接，光杆穿过护坡面层、腰梁预留的孔洞；
将组装完成的护坡面层、锚定管和光杆埋入模型试验箱，等待开挖；
当开挖模型试验箱内土体材料至锚杆标高向下一段距离时，将组装完成的预紧锚固端头安装于腰梁，并将拉力计与光杆连接；
转动预紧螺母，带动预紧螺栓上移对光杆施加预应力，通过拉力计外接的应变箱实时监测光杆的预应力变化；
继续开挖至预设深度，并对相应预紧锚固端头的预紧螺栓施加预紧力。
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