CN112681403B - 一种可以改变锚杆角度的模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种可以改变锚杆角度的模型试验装置，包括模型箱、扩大头锚杆模型、加载系统和数据采集系统；模型箱的前外壁面和后外壁面分别对应设有两个参照定位点，模型箱的右壁面开设有十九个沿竖直方向上下依次排布的圆形通孔；模型箱内填装有土体，土体内埋设有扩大头锚杆模型，扩大头锚杆模型分为锚固段和自由段，锚固段的位置位于参照点处，自由段的右端从模型箱右侧面的圆形通孔中穿出；加载系统包括加压装置和拉力装置，数据采集系统包括拉力传感器、位移传感器、计算机和数据采集仪。本发明还提供一种可以改变锚杆角度的模型试验装置的试验方法。本发明为深入探究扩大头锚杆模型在不同角度拉力荷载情况下的受力机制及变形机理提供有效的帮助。

Description

一种可以改变锚杆角度的模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种抗拔试验装置，尤其涉及一种可以改变锚杆角度的模型试验装置及试验方法。

背景技术

桩锚支护体系中常用于将支护结构所承受的荷载，然而在沿江沿海软土地区地基土的强度低，且城市基坑朝大、深方向发展，传统锚杆由于极限承载力较小控制变形能力弱，严重制约了其应用推广。扩大头锚杆的出现解决了传统锚杆极限承载力不足的问题。

随着地下空间的快速发展，扩大头锚杆在深基坑支护、边坡加固等工程中的应用将越来越广泛。目前国内外学者对于扩大头锚杆的试验研究大多为竖向作用下的抗拔试验研究，但是深基坑支护及边坡加固等实际工程中的扩大头锚杆大多为近水平向受力。因此，研究近水平情况时不同角度荷载作用下扩大头锚杆的受力机制及变形机理具有十分重要的意义。本试验装置结构简单、操作便捷，为深入了解上述研究提供有效的帮助。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供一种可以改变锚杆角度的模型试验装置及试验方法。

本发明的第一个方面提供一种可以改变锚杆角度的模型试验装置，包括模型箱、扩大头锚杆模型、加载系统和数据采集系统；

所述模型箱为顶部开口的透明箱体，模型箱的前外壁面和后外壁面分别对应设有两个参照定位点，两个参照定位点之间的连线为参照线，参照线上设有参照点；模型箱的右壁面开设有十九个沿竖直方向上下依次排布的圆形通孔，其中排在第十位的圆形通孔的圆心与参照点的连线为水平线，排在第一位的圆形通孔的圆心与参照点的连线与水平线的夹角为45度，排在第十九位的圆形通孔的圆心与参照点的连线与水平线的夹角为-45度，每两个相邻圆形通孔的圆心到参照点的连线之间的夹角的绝对值为5度；

模型箱内填装有土体，土体内埋设有扩大头锚杆模型，扩大头锚杆模型分为锚固段和自由段，锚固段为中心具有钻孔的圆柱体，自由段为螺旋杆，所述螺旋杆的右部表面为磨光面；自由段的左端穿过锚固段后与螺帽连接，螺帽的尺寸大于锚固段钻孔的尺寸；锚固段的位置位于参照点处，自由段的右端从模型箱右侧面的圆形通孔中穿出；

所述加载系统包括加压装置和拉力装置，模型箱内的土体顶面盖设有薄钢板，薄钢板的面积略小于模型箱顶部开口的面积；模型箱的顶部架设有反力架框架，反力架框架上设有垂直向下延伸以向薄钢板加载施压的加压装置，加压装置的加压端与薄钢板的上表面接触；自由段的右端连接有用于拉拔扩大头锚杆模型的拉力装置；

所述数据采集系统包括拉力传感器、位移传感器、计算机和数据采集仪，自由段位于箱体外侧的部分设有拉力传感器和位移传感器；拉力传感器、位移传感器分别与数据采集仪电连接，数据采集仪和拉力装置分别与计算机电连接。

进一步，所述模型箱由矩形的模型箱框架和块钢化玻璃板组装而成，模型箱框架的底部四个角通过三角铁片焊接有圆形固定钢板7，圆形固定钢板与模型箱的底面平行，圆形固定钢板上设有若干螺孔，螺孔内穿设有用于与地面固定连接的固定螺栓。

本发明的第二个方面提供一种可以改变锚杆角度的模型试验装置的试验方法，包括：

步骤1，将制作成整体的模型箱放置于平地上，使用固定螺栓，通过圆形固定钢板上的螺孔，将模型箱固定在地面上；

步骤2，为了使土体埋置均匀，使用分层干装法将用于模拟地基土体填入固定好的模型箱中；填装至模型箱的一半，即扩大头锚杆模型的锚固段的埋置深度；

步骤3，将作为自由段的螺旋杆穿过锚固段的钻孔，并穿出一部分，使用螺帽连接穿出的螺旋杆，制成试验所需的扩大头锚杆模型；

步骤4，将锚固段对准模型箱前后壁面上的两个参照定位点处以及右侧排在第十位的圆形通孔，此时锚固段处于模型箱正中央；

步骤5，扩大头锚杆模型的自由段从模型箱右侧排在第十位的圆形通孔中穿出，此时扩大头锚杆模型为水平放置；

步骤6，继续使用分层干装法进行填装，直至装满模型箱；

步骤7，将模拟地基的顶面整平、压实，盖上薄钢板；

步骤8，扩大头锚杆模型的自由段穿出模型箱后依次连接拉力传感器、位移传感器，自由段的右端部连接于拉力装置；

步骤9，将拉力传感器、位移传感器、拉力装置与数据采集仪进行连接，数据采集仪与计算机进行连接；

步骤10，通过设置使加压装置输出预设的荷载数值，对薄钢板施加压力，模拟扩大头锚杆模型的预设埋深；

步骤11，使用计算机控制拉力装置，使拉力逐级增加，进行拉拔试验；

步骤12，使用计算机记录不同拉力情况下，拉力传感器、位移传感器传入的数据；

步骤13，完成一组试验后，将模型箱内土体移出，重复上述步骤1至12，仅在步骤5改变自由段穿出的圆形通孔位置，以此改变扩大头锚杆模型的埋置角度；

步骤14，得到不同扩大头锚杆模型角度时的试验数据，对得到的数据进行分析。

本发明的有益效果是：通过调整扩大头锚杆模型的角度，对扩大头锚杆模型进行拉拔试验。为深入探究扩大头锚杆模型在不同角度拉力荷载情况下的受力机制及变形机理提供有效的帮助。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是扩大头锚杆模型的示意图。

图3是数据采集系统的示意图。

图4是圆形固定钢板的示意图。

附图标记说明：1-模型箱；2-扩大头锚杆模型；5-模型箱框架； 6-圆形通孔 ；7-圆形固定钢板；8-锚固段；9-自由段；10-固定螺帽； 11-加压装置；12-拉力装置；13-反力架框架；14-薄钢板；15-拉力传感器；16-位移传感器；17-计算机；18-参照定位点；19-数据采集仪；20-螺孔 ；21-固定螺栓；22-三角铁片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照附图，本发明的第一实施例提供一种可以改变锚杆角度的模型试验装置，包括模型箱1、扩大头锚杆模型2、加载系统3和数据采集系统4；

所述模型箱1为顶部开口的透明箱体，方便埋置土体模拟地基；模型箱1由矩形的模型箱框架5和5块钢化玻璃板拼装而成，使用防水胶对拼接边缘进行胶补缝隙，避免渗漏。模型箱框架的底部四个角通过三角铁片22焊接有圆形固定钢板7，圆形固定钢板7与模型箱1 的底面平行，圆形固定钢板7上设有若干螺孔20，螺孔20内穿设有用于与地面固定连接的固定螺栓21。

模型箱1的前外壁面和后外壁面分别对应设有两个红色的参照定位点18，两个参照定位点18之间的连线为参照线，参照线上设有参照点；模型箱1的右壁面开设有十九个沿竖直方向上下依次排布的圆形通孔6，其中排在第十位的圆形通孔6的圆心与参照点的连线为水平线，排在第一位的圆形通孔6的圆心与参照点的连线与水平线的夹角为45度，排在第十九位的圆形通孔6的圆心与参照点的连线与水平线的夹角为-45度，每两个相邻圆形通孔6的圆心到参照点的连线之间的夹角的绝对值为5度；

模型箱1内填装有土体，土体内埋设有扩大头锚杆模型2，扩大头锚杆模型2分为锚固段8和自由段9，锚固段8为中心具有钻孔的圆柱体，自由段9为螺旋杆，钻孔尺寸与螺旋杆尺寸一致，螺旋杆的尺寸小于圆形通孔6的尺寸；并且在螺旋杆距离圆形通孔6位置一定范围内对自由段9的杆体进行磨光处理，减小螺旋杆与模型箱1之间的摩擦对试验的影响；自由段9的左端穿过锚固段8后与螺帽10连接，螺帽10的尺寸大于锚固段8钻孔的尺寸；锚固段8的位置位于参照点处，自由段9的右端从模型箱1右侧面的圆形通孔6中穿出；

所述加载系统3包括加压装置11和拉力装置12，模型箱1内的土体顶面盖设有薄钢板14，薄钢板14的面积略小于模型箱1顶部开口的面积；模型箱1的顶部架设有反力架框架13，反力架框架13上设有垂直向下延伸以向薄钢板14加载施压的加压装置11，加压装置 11的加压端与薄钢板14的上表面接触；自由段9的右端连接有用于拉拔扩大头锚杆模型2的拉力装置12；

所述数据采集系统包括拉力传感器15、位移传感器16、计算机17和数据采集仪19，自由段9位于箱体外侧的部分设有拉力传感器15和位移传感器16；拉力传感器15、位移传感器16分别与数据采集仪19电连接，数据采集仪19和拉力装置12分别与计算机17 电连接。

本发明的第二实施例提供一种可以改变锚杆角度的模型试验装置的试验方法，包括：

步骤1，将制作成整体的模型箱1放置于平地上，使用固定螺栓 21，通过圆形固定钢板7上的螺孔20，将模型箱1固定在地面上；

步骤2，为了使土体埋置均匀，使用分层干装法将用于模拟地基土体填入固定好的模型箱1中；填装至模型箱1的一半，即扩大头锚杆模型2的锚固段8的埋置深度；

步骤3，将作为自由段9的螺旋杆穿过锚固段8的钻孔，并穿出一部分，使用螺帽10连接穿出的螺旋杆，制成试验所需的扩大头锚杆模型2；

步骤4，将锚固段8对准模型箱1前后壁面上的两个参照定位点 18处以及右侧排在第十位的圆形通孔6，此时锚固段8处于模型箱1 正中央；

步骤5，扩大头锚杆模型2的自由段9从模型箱1右侧排在第十位的圆形通孔6中穿出，此时扩大头锚杆模型2为水平放置；

步骤6，继续使用分层干装法进行填装，直至装满模型箱1；

步骤7，将模拟地基的顶面整平、压实，盖上薄钢板14；

步骤8，扩大头锚杆模型2的自由段9穿出模型箱1后依次连接拉力传感器15、位移传感器16，自由段9的右端部连接于拉力装置 12；

步骤9，将拉力传感器15、位移传感器16、拉力装置12与数据采集仪19进行连接，数据采集仪19与计算机17进行连接；

步骤10，通过设置使加压装置11输出预设的荷载数值，对薄钢板14施加压力，模拟扩大头锚杆模型2的预设埋深；

步骤11，使用计算机17控制拉力装置12，使拉力逐级增加，进行拉拔试验；

步骤12，使用计算机17记录不同拉力情况下，拉力传感器15、位移传感器16传入的数据；

步骤13，完成一组试验后，将模型箱1内土体移出，重复上述步骤1至12，仅在步骤5改变自由段9穿出的圆形通孔6位置，以此改变扩大头锚杆模型2的埋置角度；

步骤14，得到不同扩大头锚杆模型2角度时的试验数据，对得到的数据进行分析。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种可以改变锚杆角度的模型试验装置，其特征在于：包括模型箱(1)、扩大头锚杆模型(2)、加载系统(3)和数据采集系统；

所述模型箱(1)为顶部开口的透明箱体，模型箱(1)的前外壁面和后外壁面分别对应设有两个参照定位点(18)，两个参照定位点(18)之间的连线为参照线，参照线上设有参照点；模型箱(1)的右壁面开设有十九个沿竖直方向上下依次排布的圆形通孔(6)，其中排在第十位的圆形通孔(6)的圆心与参照点的连线为水平线，排在第一位的圆形通孔(6)的圆心与参照点的连线与水平线的夹角为45度，排在第十九位的圆形通孔(6)的圆心与参照点的连线与水平线的夹角为-45度，每两个相邻圆形通孔(6)的圆心到参照点的连线之间的夹角的绝对值为5度；

模型箱(1)内填装有土体，土体内埋设有扩大头锚杆模型(2)，扩大头锚杆模型(2)分为锚固段(8)和自由段(9)，锚固段(8)为中心具有钻孔的圆柱体，自由段(9)为螺旋杆，所述螺旋杆的右部表面为磨光面；自由段(9)的左端穿过锚固段(8)后与螺帽(10)连接，螺帽(10)的尺寸大于锚固段(8)钻孔的尺寸；锚固段(8)的位置位于参照点处，自由段(9)的右端从模型箱(1)右侧面的圆形通孔(6)中穿出；

所述加载系统(3)包括加压装置(11)和拉力装置(12)，模型箱(1)内的土体顶面盖设有薄钢板(14)，薄钢板(14)的面积略小于模型箱(1)顶部开口的面积；模型箱(1)的顶部架设有反力架框架(13)，反力架框架(13)上设有垂直向下延伸以向薄钢板(14)加载施压的加压装置(11)，加压装置(11)的加压端与薄钢板(14)的上表面接触；自由段(9)的右端连接有用于拉拔扩大头锚杆模型(2)的拉力装置(12)；

所述数据采集系统包括拉力传感器(15)、位移传感器(16)、计算机(17)和数据采集仪(19)，自由段(9)位于箱体外侧的部分设有拉力传感器(15)和位移传感器(16)；拉力传感器(15)、位移传感器(16)分别与数据采集仪(19)电连接，数据采集仪(19)和拉力装置(12)分别与计算机(17)电连接。

2.如权利要求1所述的一种可以改变锚杆角度的模型试验装置，其特征在于：所述模型箱(1)由矩形的模型箱框架(5)和5块钢化玻璃板组装而成，模型箱框架的底部四个角通过三角铁片(22)焊接有圆形固定钢板(7)，圆形固定钢板(7)与模型箱(1)的底面平行，圆形固定钢板(7)上设有若干螺孔(20)，螺孔(20)内穿设有用于与地面固定连接的固定螺栓(21)。

3.如权利要求2所述的一种可以改变锚杆角度的模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括：

步骤1，将制作成整体的模型箱(1)放置于平地上，使用固定螺栓(21)，通过圆形固定钢板(7)上的螺孔(20)，将模型箱(1)固定在地面上；

步骤2，为了使土体埋置均匀，使用分层干装法将用于模拟地基土体填入固定好的模型箱(1)中；填装至模型箱(1)的一半，即扩大头锚杆模型(2)的锚固段(8)的埋置深度；

步骤3，将作为自由段(9)的螺旋杆穿过锚固段(8)的钻孔，并穿出一部分，使用螺帽(10)连接穿出的螺旋杆，制成试验所需的扩大头锚杆模型(2)；

步骤4，将锚固段(8)对准模型箱(1)前后壁面上的两个参照定位点(18)处以及右侧排在第十位的圆形通孔(6)，此时锚固段(8)处于模型箱(1)正中央；

步骤5，扩大头锚杆模型(2)的自由段(9)从模型箱(1)右侧排在第十位的圆形通孔(6)中穿出，此时扩大头锚杆模型(2)为水平放置；

步骤6，继续使用分层干装法进行填装，直至装满模型箱(1)；

步骤7，将模拟地基的顶面整平、压实，盖上薄钢板(14)；

步骤8，扩大头锚杆模型(2)的自由段(9)穿出模型箱(1)后依次连接拉力传感器(15)、位移传感器(16)，自由段(9)的右端部连接于拉力装置(12)；

步骤9，将拉力传感器(15)、位移传感器(16)、拉力装置(12)与数据采集仪(19)进行连接，数据采集仪(19)与计算机(17)进行连接；

步骤10，通过设置使加压装置(11)输出预设的荷载数值，对薄钢板(14)施加压力，模拟扩大头锚杆模型(2)的预设埋深；

步骤11，使用计算机(17)控制拉力装置(12)，使拉力逐级增加，进行拉拔试验；

步骤12，使用计算机(17)记录不同拉力情况下，拉力传感器(15)、位移传感器(16)传入的数据；

步骤13，完成一组试验后，将模型箱(1)内土体移出，重复上述步骤1至12，仅在步骤5改变自由段(9)穿出的圆形通孔(6)位置，以此改变扩大头锚杆模型(2)的埋置角度；

步骤14，得到不同扩大头锚杆模型(2)角度时的试验数据，对得到的数据进行分析。

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