CN113008540A - 层状围岩隧道锚模型试验装置及其使用方法 - Google Patents

层状围岩隧道锚模型试验装置及其使用方法 Download PDF

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钟意
贾朝军
龚琛杰
杨剑
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Abstract

本发明公开了层状围岩隧道锚模型试验装置包括可倾斜竖向角度的试验台,试验台内装有隧道锚碇模型和填充在隧道锚碇模型周围现浇模拟围岩层,隧道锚碇模型顶端由牵引机构牵引,试验台内还装有用于监控隧道锚碇模型状态的监控系统。通过可倾斜竖向角度的试验台模拟现浇模拟围岩层在实际现场的岩层倾角,并通过牵引机构测出隧道锚碇模型最大承受拉力,即可计算得出实际锚碇的最大承拉能力。该层状围岩隧道锚模型试验装置不仅简单准确的模拟了实际施工现场的围岩状况,还可模拟测量锚碇的最大承拉能力,既保证了施工安全,又将施工耗损降至最低。本发明的层状围岩隧道锚模型试验装置的使用方法由于使用了该试验装置,因此也具有该试验装置的优点。

Description

层状围岩隧道锚模型试验装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及隧道锚试验装置技术领域,具体涉及层状围岩隧道锚模型试验装置及其使用方法。
背景技术
随着国家经济的发展,悬索桥在我国尤其是中、西部地区交通建设领域的应用越来越多。悬索桥的主缆锚固方式分为重力锚和隧道锚两种。重力锚因其力学原理简单,相关设计理论和方法较为成熟。据统计截止目前,国内外悬索桥隧道锚的设计与应用案例仍然较少,有关工程设计规范及理论严重滞后,究其原因是工程界尚未完全明确隧道锚承载机理,因此极大地阻碍了隧道锚的工程推广与应用。隧道锚作为悬索桥的关键受力部件,其承载性能关系到桥梁结构整体的安全性与可靠性,而且相比重力锚,隧道锚具有经济环保的显著优势。为进一步探究隧道锚承载机理,采用室内模型试验方法研究隧道锚承载后的受力变形特点,揭示影响隧道锚承载性能的内在机制。
但是,目前大多数模型试验都采用均质的岩土体进行试验,无法考虑软弱夹层对隧道锚破坏的影响,而且大多数无法模拟不同的岩层和隧道锚的布置方式,不同的岩层倾向和隧道锚碇布置方向对试验会产生极大的影响,亟需设计相关试验装置开展相关研究,以理清层状围岩的受力破坏机理。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足,提供一种测量准确,安全方便的层状围岩隧道锚模型试验装置及其使用方法。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
层状围岩隧道锚模型试验装置,包括可倾斜竖向角度的试验台,所述试验台内装有隧道锚碇模型和填充在隧道锚碇模型周围现浇模拟围岩层,所述隧道锚碇模型顶端由牵引机构牵引,所述试验台内还装有用于监控隧道锚碇模型状态的监控系统。
上述的层状围岩隧道锚模型试验装置,优选的,所述试验台为多块可拆卸钢板拼接成的试验箱,所述试验箱的底部钢板一端通过铰链固定于地面并可绕铰链自由旋转,所述试验箱顶部相邻的两块钢板互相铰接连接。
上述的层状围岩隧道锚模型试验装置,优选的,所述试验台底部一端连接有千斤顶。
上述的层状围岩隧道锚模型试验装置,优选的,所述试验台一侧装有提供模拟围岩层所需围岩的围岩搅拌机构,所述围岩搅拌机构包括储有原浆液的液浆池,所述液浆池内装有注浆泵,所述注浆泵出料端连接有注浆管,所述注浆管将原浆液汇往混合池,所述混合池内装有搅拌器,所述混合池内还装有将混合浆液泵入试验台的注浆泵。
上述的层状围岩隧道锚模型试验装置,优选的,所述牵引机构包括定滑轮和钢丝绳,所述定滑轮固定连接于可调整高度的三脚架上,所述三脚架固装于地面上,钢丝绳一端连接隧道锚碇模型,另一端连接于地面的千斤顶上。
上述的层状围岩隧道锚模型试验装置,优选的,所述隧道锚碇模型上还装有调整隧道锚碇模型角度和高度的夹持支架。
上述的层状围岩隧道锚模型试验装置,优选的,所述监控系统包括预埋在模拟围岩层中的内部监测系统和监测施加拉拔荷载的大小以及围岩和隧道锚整体位移的外部监测系统。
一种基于上述层状围岩隧道锚模型试验装置的使用方法,包括以下步骤:
S1:制作隧道锚碇模型,确定隧道锚碇模型的夹持方向和高度,调整隧道锚试验台高度,确定现浇模拟围岩层的倾角,并在隧道锚碇模型上安装外部监测系统;
S2:制作现浇模拟围岩层,分步加注围岩材料,并将内部监测系统预埋在模拟围岩层中;
S3:通过牵引机构施加拉拔力,记录监控系统的监控数据,直至隧道锚碇模型破坏则停止试验。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
本发明的层状围岩隧道锚模型试验装置,包括可倾斜竖向角度的试验台,试验台内装有隧道锚碇模型和填充在隧道锚碇模型周围现浇模拟围岩层,隧道锚碇模型顶端由牵引机构牵引,试验台内还装有用于监控隧道锚碇模型状态的监控系统。通过可倾斜竖向角度的试验台模拟现浇模拟围岩层在实际现场的岩层倾角,并通过牵引机构测出隧道锚碇模型最大承受拉力,即可计算得出实际锚碇的最大承拉能力。该层状围岩隧道锚模型试验装置不仅简单准确的模拟了实际施工现场的围岩状况,还可模拟测量锚碇的最大承拉能力,既保证了施工安全,又将施工耗损降至最低。
本发明的层状围岩隧道锚模型试验装置的使用方法由于使用了该试验装置,因此也具有该试验装置的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为层状围岩隧道锚模型试验装置的结构示意图。
图例说明
1、试验台;2、隧道锚碇模型;3、模拟围岩层;4、牵引机构;41、定滑轮;42、钢丝绳;43、三脚架;5、监控系统;51、内部监测系统;52、外部监测系统;6、围岩搅拌机构;61、注浆泵;62、液浆池;63、混合池;64、注浆管;65、搅拌器;7、夹持支架。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案,下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,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,都属于本申请保护的范围。
如图1所示,本实施例的层状围岩隧道锚模型试验装置,包括可倾斜竖向角度的试验台1,试验台1内装有隧道锚碇模型2和填充在隧道锚碇模型2周围现浇模拟围岩层3,隧道锚碇模型2顶端由牵引机构4牵引,试验台1内还装有用于监控隧道锚碇模型2状态的监控系统5。通过可倾斜竖向角度的试验台1模拟现浇模拟围岩层3在实际现场的岩层倾角,并通过牵引机构4测出隧道锚碇模型2最大承受拉力,即可计算得出实际锚碇的最大承拉能力。该层状围岩隧道锚模型试验装置不仅简单准确的模拟了实际施工现场的围岩状况,还可模拟测量锚碇的最大承拉能力,既保证了施工安全,又将施工耗损降至最低。
本实施例中,试验台1为多块可拆卸钢板拼接成的试验箱,试验箱的底部钢板一端通过铰链固定于地面并可绕铰链自由旋转,试验箱顶部相邻的两块钢板互相铰接连接,便于快速取出已破坏的岩体,进行下一次试验浇筑。
本实施例中,试验台1底部一端连接有千斤顶,通过千斤顶调整试验台1的倾角。
本实施例中,试验台1一侧装有提供模拟围岩层3所需围岩的围岩搅拌机构6,围岩搅拌机构6包括储有原浆液的液浆池62,液浆池62内装有注浆泵61,注浆泵61出料端连接有注浆管64,注浆管64将原浆液汇往混合池63,混合池63内装有搅拌器65,混合池63内还装有将混合浆液泵入试验台1的注浆泵61。围岩搅拌机构6的工作过程即,将所需浆液放入液浆池62,并设有的多个液浆池62,液浆池62内的注浆泵61将浆液泵入注浆管64,若要混合不同的浆液,则打开混合池63对应的阀门,使不同的浆液泵入混合池63,通过搅拌器65搅拌使浆液混合均匀,再通过混合池63的注浆泵61泵入试验台1。
本实施例中,牵引机构4包括定滑轮41和钢丝绳42,定滑轮41固定连接于可调整高度的三脚架43上,三脚架43固装于地面上,钢丝绳42一端连接隧道锚碇模型2,另一端连接于地面的千斤顶上,由千斤顶产生拉动隧道锚碇模型2的拉拔力。
本实施例中,隧道锚碇模型2上还装有调整隧道锚碇模型2角度和高度的夹持支架7。
本实施例中,监控系统5包括预埋在模拟围岩层3中的内部监测系统51和监测施加拉拔荷载的大小以及围岩和隧道锚整体位移的外部监测系统52。内部监测系统51用于实时监测试样在施加拉力前后内部的应力场和位移场情况。
本实施例的层状围岩隧道锚模型试验装置的使用方法,包括以下步骤:
S1:制作隧道锚碇模型2,确定隧道锚碇模型2的夹持方向和高度,调整隧道锚试验台1高度,确定现浇模拟围岩层3的倾角,并在隧道锚碇模型2上安装外部监测系统52;
S2:制作现浇模拟围岩层3,分步加注围岩材料,并将内部监测系统51预埋在模拟围岩层3中;具体步骤为:制作与试验台1形状相同的立方形模具,模具单边尺寸小于试验台1尺寸10cm;分层依次浇筑C20水泥砂浆和土石混合物;每一层的厚度依据现场层状围岩情况确定;在制样过程中需要将传感器预埋进试样中;对浇筑好的试样进行养护并置于试验台1中;围岩模型中埋设了应变片,光纤传感器、微型土压力盒、表层设置了百分表等高灵敏度变形测试装置;
S3:通过牵引机构4施加拉拔力,记录监控系统5的监控数据,直至隧道锚碇模型2破坏则停止试验。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说,在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.层状围岩隧道锚模型试验装置,其特征在于:包括可倾斜竖向角度的试验台(1),所述试验台(1)内装有隧道锚碇模型(2)和填充在隧道锚碇模型(2)周围现浇模拟围岩层(3),所述隧道锚碇模型(2)顶端由牵引机构(4)牵引,所述试验台(1)内还装有用于监控隧道锚碇模型(2)状态的监控系统(5)。
2.根据权利要求1所述的层状围岩隧道锚模型试验装置,其特征在于:所述试验台(1)为多块可拆卸钢板拼接成的试验箱,所述试验箱的底部钢板一端通过铰链固定于地面并可绕铰链自由旋转,所述试验箱顶部相邻的两块钢板互相铰接连接。
3.根据权利要求2所述的层状围岩隧道锚模型试验装置,其特征在于:所述试验台(1)底部一端连接有千斤顶。
4.根据权利要求3所述的层状围岩隧道锚模型试验装置,其特征在于:所述试验台(1)一侧装有提供模拟围岩层(3)所需围岩的围岩搅拌机构(6),所述围岩搅拌机构(6)包括储有原浆液的液浆池(62),所述液浆池(62)内装有注浆泵(61),所述注浆泵(61)出料端连接有注浆管(64),所述注浆管(64)将原浆液汇往混合池(63),所述混合池(63)内装有搅拌器(65),所述混合池(63)内还装有将混合浆液泵入试验台(1)的注浆泵(61)。
5.根据权利要求4所述的层状围岩隧道锚模型试验装置,其特征在于:所述牵引机构(4)包括定滑轮(41)和钢丝绳(42),所述定滑轮(41)固定连接于可调整高度的三脚架(43)上,所述三脚架(43)固装于地面上,钢丝绳(42)一端连接隧道锚碇模型(2),另一端连接于地面的千斤顶上。
6.根据权利要求5所述的层状围岩隧道锚模型试验装置,其特征在于:所述隧道锚碇模型(2)上还装有调整隧道锚碇模型(2)角度和高度的夹持支架(7)。
7.根据权利要求6所述的层状围岩隧道锚模型试验装置,其特征在于:所述监控系统(5)包括预埋在模拟围岩层(3)中的内部监测系统(51)和监测施加拉拔荷载的大小以及围岩和隧道锚整体位移的外部监测系统(52)。
8.一种基于权利要求1-7中任一项所述层状围岩隧道锚模型试验装置的使用方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:制作隧道锚碇模型(2),确定隧道锚碇模型(2)的夹持方向和高度,调整隧道锚试验台(1)高度,确定现浇模拟围岩层(3)的倾角,并在隧道锚碇模型(2)上安装外部监测系统(52);
S2:制作现浇模拟围岩层(3),分步加注围岩材料,并将内部监测系统(51)预埋在模拟围岩层(3)中;
S3:通过牵引机构(4)施加拉拔力,记录监控系统(5)的监控数据,直至隧道锚碇模型(2)破坏则停止试验。
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