CN113686666A - 一种开展锚板拉拔的可视化试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开展锚板拉拔的可视化试验装置，包括锚板、试验箱体、强降雨‑干旱极端气候模拟系统、加载系统以及量测系统，试验箱体为前侧面可翻转打开且顶部设置有可抽拉的盖板的箱体结构，强降雨‑干旱极端气候模拟系统包括人工降雨装置以及红外线烤灯，所述加载系统包括加载框架、电作动器、滑轮组以及连接于滑轮组上的钢丝绳，量测系统包括荷载位移传感器、数据采集仪、多层土壤参数检测仪、高像素数码相机以及电脑，本发明以解决以往试验装置由于未对强降雨‑干旱极端气候进行模拟而无法对锚板抗拔承载力的弱化效应进行准确分析的问题并实现锚板在此特殊条件下的多向拉拔试验。

Description

一种开展锚板拉拔的可视化试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及土工模型试验装置技术领域，具体涉及一种开展锚板拉拔的可视化试验装置及试验方法。

背景技术

锚板作为一种提供抗拔力的基础形式，因其具有施工简便、经济性好、承载能力强等优势，迄今已在通讯塔、输电塔等高耸构筑物、锚板挡土墙等边坡工程中得到了广泛应用。

我国国土面积广阔，地质条件复杂多样，在某些土质条件下，若强降雨与干旱交替，往往会使得土体处于干湿循环状态，产生大量裂隙，导致其力学性能下降，在工程建设期间极易发生开裂或滑动破坏。锚板埋置深度与土体干湿循环影响深度之间的大小关系决定了地基的弱化模式，锚板埋置倾角在一定的埋深范围内也会影响锚板的极限承载力，因此有必要对强降雨-干旱极端气候交替频发下锚板基础多向拉拔破坏进行深入研究。

然而，当前关于锚板拉拔问题的室内研究通常针对砂土，较少涉及黏土，且尚未对强降雨-干旱极端气候进行模拟，因此，试验装置尚未考虑到土体的干湿循环效应，同时，也未曾对处于此特殊条件下锚板的多向拉拔进行试验研究，因此无法对锚板抗拔承载力在强降雨-干旱极端气候交替频发下的规律进行分析。因此，本发明提出一种可模拟强降雨-干旱极端气候交替频发下锚板基础多向拉拔承载弱化效应的可视化试验装置，并提出具体的试验方法以解决上述问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

提出一种开展锚板拉拔的可视化试验装置及试验方法，以解决以往试验装置由于未对强降雨-干旱极端气候进行模拟而无法对锚板抗拔承载力的弱化效应进行准确分析的问题并实现锚板在此特殊条件下的多向拉拔试验。

(二)技术方案

本发明通过如下技术方案实现：本发明提出了一种开展锚板拉拔的可视化试验装置，包括锚板、试验箱体、强降雨-干旱极端气候模拟系统、加载系统以及量测系统，所述试验箱体为前侧面可翻转打开且顶部设置有可抽拉的盖板的箱体结构，试验箱体的左右两侧分别设置有一储水槽，储水槽的内侧面设置有透水土工布，储水槽侧壁与透水土工布接触部位设置有水位控制孔，所述强降雨-干旱极端气候模拟系统包括人工降雨装置以及红外线烤灯，所述加载系统包括加载框架、电作动器、滑轮组以及连接于滑轮组上的钢丝绳，所述钢丝绳的一端连接电作动器且另一端连接锚板，所述量测系统包括荷载位移传感器、数据采集仪、多层土壤参数检测仪、高像素数码相机以及电脑，所述荷载位移传感器一端连接电作动器且另一端连接数据采集仪，所述多层土壤参数检测仪预埋于试验箱体内，所述高像素数码相机用于自动拍摄锚板拉拔过程图像，所述荷载位移传感器、多层土壤参数检测仪以及高像素数码相机分别连接数据采集仪，所述数据采集仪将所采集数据传递至电脑。

进一步的，所述试验箱体的前后侧板采用高透明度的耐高温有机玻璃板。

进一步的，所述人工降雨装置为采用PVC供水管以及若干直角弯头以及三通所连接而成，通过一主供水管实现水分供给，同时通过若干供水管底部的细小出水孔形成降雨效果。

进一步的，所述加载框架包括加载柱以及设置于加载柱上的加载横梁。

进一步的，所述滑轮组包括分别固定于加载横梁底部的第一定滑轮以及第二定滑轮，所述第一定滑轮于加载横梁上位置可调。

一种开展锚板拉拔的可视化试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤1)：将土样过筛，将试验箱体前侧面朝上放置，试验箱体上部插入盖板以方便土样分层填筑；后将透水土工布用胶布固定在试验箱体左右侧壁，然后将土样按压实度90％进行分层填筑，填筑到箱体宽度一半时，放入多层土壤参数监测仪监测含水量；继续分层填筑，填筑工作完成后，用推刀将拆卸掉前侧面的那一面土体抹平；

步骤2)：完成步骤1)后，进行锚板的预埋工作，将锚板放置在试验箱体土体前面中间位置进行定位，用小刀根据锚板的具体形状划出轮廓线，随后根据锚板的形状尺寸与轮廓线抠挖土体，抠挖出土体后，将锚板压入已经挖出的锚板的预埋位置处，锚杆穿过预留孔，用抠挖出的土体填补锚杆周围缝隙，然后根据预估的滑动面影响范围定点布置采砂，然后将试验箱前侧盖紧；

步骤3)：将试验箱体归位，抽出盖板，根据锚板埋置深度确定加载横梁高度，通过螺栓将其栓接在加载柱预留的钻孔上，根据加载方向，调节第一定滑轮的位置，用定滑轮支架上的螺栓将定滑轮栓接在加载横梁底部钻孔上，移动加载框架，使得定滑轮的凹槽面和耐高温有机玻璃试验箱体前玻璃板内侧位于同一平面，钢丝绳穿过固定在加载横梁上的第二定滑轮一端与荷载位移传感器和电作动器相连，另一端与第一定滑轮和锚板相连。

步骤4)：打开人工降雨装置，使土体浸水饱和，根据试验所设计的地基弱化模式开启相应的水位控制孔排水，保持箱体内稳定水位24h以上并由多层土壤参数监测仪监测含水量稳定，开启红外线烤灯模拟气候干旱条件，完成一次强降雨-干旱的交替，即实现一次干湿循环过程；

步骤5)：重复步骤4)模拟强降雨-干旱极端气候交替频发过程，将高像素数码相机固定在三脚架上并置于试验箱体前侧，调节其焦距，并将其调节至合适高度，设置每隔30秒自动拍摄，接着开启电作动器施加荷载，同时开启高像素数码相机拍摄锚板拉拔过程锚周土体的变形情况；

步骤6)：获取锚板拉拔荷载-位移曲线，提取极限承载力，利用电脑中的图像处理软件对试验中所采集的照片进行分析处理，得到锚周土体位移变形场、最大剪应变场，识别滑动面，提取滑动面特征量。

(三)有益效果

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1本发明所提供的一种可模拟强降雨-干旱极端气候交替频发下锚板基础多向拉拔承载弱化效应的可视化试验装置，相较于传统的试验装置，实现了对地基干湿循环弱化模式的有效模拟及控制，实现了设计埋置深度范围内土体的整体均匀弱化模式。

2相较于以往传统的土体填埋的方式，本试验方法改变试验箱体初始放置方向，避免了水平分层填筑对试验产生的不利影响，大大降低了对土体的扰动程度。

3本发明采用定点布置采砂的方法，提高了红黏土数字图像制斑示踪效果。

4传统的试验观测手段往往很难准确测量锚周土体的真实破坏形态，本试验采用相机及数字图像处理技术，可对锚周土体的变形场进行量化分析，更加直观地提取出滑动面的特征量。

5本发明可实现在强降雨-干旱极端气候交替频发下锚板的多向拉拔试验，试验装置便于操作，方法简单，可对此特殊条件下锚板多向拉拔的试验规律进行深入分析。

附图说明

图1是试验箱体盖板示意图，图中a为预留孔。

图2是本发明结构示意图。

图3为改变试验箱体初始位置示意图。

图4为人工降雨装置与试验箱体连接方式示意图。

1-加载柱，2-加载横梁，3-荷载位移传感器，4-红外线烤灯，5-人工降雨装置，6-第一定滑轮，7-第二定滑轮，8-透水土工布，9-水位控制孔，10-锚板，11- 多层土壤参数监测仪，12-储水槽，14-电作动器，15-高像素数码相机，16-数据采集仪，17-电脑，18-试验箱体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～图4所示的一种开展锚板拉拔的可视化试验装置，包括锚板10、试验箱体18、强降雨-干旱极端气候模拟系统、加载系统以及量测系统，所述试验箱体18为前侧面可翻转打开且顶部设置有可抽拉的盖板的箱体结构，试验箱体的左右两侧分别设置有一储水槽12，储水槽12的内侧面设置有透水土工布8，储水槽12侧壁与透水土工布8接触部位设置有水位控制孔9，所述强降雨-干旱极端气候模拟系统包括人工降雨装置5以及红外线烤灯4，所述加载系统包括加载框架、电作动器14、滑轮组以及连接于滑轮组上的钢丝绳，所述钢丝绳的一端连接电作动器14且另一端连接锚板10，所述量测系统包括荷载位移传感器3、数据采集仪16、多层土壤参数检测仪11、高像素数码相机15以及电脑17，所述荷载位移传感器3一端连接电作动器14且另一端连接数据采集仪16，所述多层土壤参数检测仪11预埋于试验箱体18内，所述高像素数码相机15用于自动拍摄锚板拉拔过程图像，所述荷载位移传感器3、多层土壤参数检测仪11以及高像素数码相机15分别连接数据采集仪16，所述数据采集仪16将所采集数据传递至电脑17。

其中，所述试验箱体18的前后侧板采用高透明度的耐高温有机玻璃板；所述人工降雨装置5为采用PVC供水管以及若干直角弯头以及三通所连接而成，通过一主供水管实现水分供给，同时通过若干供水管底部的细小出水孔形成降雨效果；所述加载框架包括加载柱1以及设置于加载柱1上的加载横梁；所述滑轮组包括分别固定于加载横梁2底部的第一定滑轮6以及第二定滑轮7，所述第一定滑轮6于加载横梁2上位置可调。

具体的，锚板10由钢板制成，试验箱体18主体框架由角钢焊接而成，其左右面和底面焊接2mm钢板，顶部角钢内侧设有凹槽，顶部设置一块 0.5m*0.25m的盖板，盖板可推入凹槽，顶部角钢上侧留有支杆管槽，以便人工降装置支架插入，试验箱体18前后面通过玻璃胶将高透明度的耐高温有机玻璃板(热变形温度大于100℃)固定在角钢框架内侧使其成为一个整体，试验箱体 18的前面与底面之间分别通过两个合页连接，使前侧可翻转打开，以便在改变试验箱体18初始放置方向后填土。玻璃板厚度为2cm，保证其有足够的侧向刚度，同时满足对称性条件。试验箱体18尺寸为0.5m*0.25m*0.75m，试验箱体 18前、后面可视，侧壁由内外两侧组成，中间为储水槽12。(本发明所指“前面”、“后面”尺寸均为0.5m*0.75m，左右面尺寸均为0.5m*0.25m，底面尺寸为0.5m*0.25m)。

具体试验方法：首先将土样过筛，改变试验箱体18初始放置方向(观测面朝上)，试验箱体18上部插入盖板(图1)(方便土样分层填筑)；后将透水土工布8用胶布固定在试验箱体18左右侧壁，然后将土样按压实度90％进行分层填筑，填筑到箱体宽度一半时，放入多层土壤参数监测仪11监测含水量；继续分层填筑，填筑工作完成后，用推刀将拆卸掉前侧面的那一面土体抹平。完成土体填埋工作后，进行锚板10的预埋工作，将锚板10放置在试验箱体18内土体前面中间位置进行定位，用小刀根据锚板的具体形状划出轮廓线，随后根据锚板10的形状尺寸与轮廓线抠挖土体。抠挖出土体后，将锚板10压入已经挖出的锚板的预埋位置处，用抠挖出的土体填补杆周围缝隙，然后根据预估的滑动面影响范围定点布置采砂(注意彩砂数量不能太多，否则将影响试验结果)。将试验箱体18归位，抽出盖板，根据锚板10埋置深度确定加载横梁2高度，通过螺栓将其栓接在加载柱1预留的钻孔上，根据加载方向，调节第一动滑轮6 的位置，用定滑轮支架上的螺栓将定滑轮栓接在加载横梁2底部钻孔上，移动加载框架，使得定滑轮的凹槽面和耐高温有机玻璃试验箱体18前玻璃板内侧位于同一平面，钢丝绳穿过固定在横梁上的第二定滑轮7一端与荷载位移传感器3 和电作动器14相连，另一端与第一定滑轮6与锚板10相连。打开人工降雨装置5，使土体浸水饱和，根据试验所设计的地基弱化模式开启相应的水位控制孔 9排水，保持箱体内稳定水位24h以上并由多层土壤参数监测仪11监测含水量稳定，开启红外线烤灯4模拟气候干旱条件，完成一次强降雨-干旱的交替，即实现一次干湿循环过程。重复模拟强降雨-干旱极端气候交替频发过程，将高像素数码相机15固定在三脚架上并置于试验箱体18前侧，调节其焦距，并将其调节至合适高度，设置每隔30秒自动拍摄，接着开启电作动器14施加荷载，同时开启高像素数码相机15拍摄锚板拉拔过程锚周土体的变形情况。获取锚板拉拔荷载-位移曲线，提取极限承载力，利用图像处理软件对试验中所采集的照片进行分析处理，得到锚周土体位移变形场、最大剪应变场等，识别滑动面，提取滑动面特征量。

如图4所示：人工降雨装置5下方设置支杆，试验箱体18顶部角钢上侧留有支杆管槽，将支杆置于管槽中以连接人工降雨装置5与试验箱体18。试验箱体顶部角钢内侧设有凹槽，顶部设置一块0.5m*0.25m的盖板，在进行上述中土体的填埋工作时，将盖板(图1)推入凹槽。

按本发明所描述的操作方法和操作步骤，本领域的工程技术人员，均可以利用本发明所提出的考虑干湿循环的红黏土地基锚板可视化多向拉拔试验装置进行锚板可视化拉拔试验，满足工程试验精度要求。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (6)

1.一种开展锚板拉拔的可视化试验装置，其特征在于：包括锚板(10)、试验箱体(18)、强降雨-干旱极端气候模拟系统、加载系统以及量测系统，所述试验箱体(18)为前侧面可翻转打开且顶部设置有可抽拉的盖板的箱体结构，试验箱体的左右两侧分别设置有一储水槽(12)，储水槽(12)的内侧面设置有透水土工布(8)，储水槽(12)侧壁与透水土工布(8)接触部位设置有水位控制孔(9)，所述强降雨-干旱极端气候模拟系统包括人工降雨装置(5)以及红外线烤灯(4)，所述加载系统包括加载框架、电作动器(14)、滑轮组以及连接于滑轮组上的钢丝绳，所述钢丝绳的一端连接电作动器(14)且另一端连接锚板(10)，所述量测系统包括荷载位移传感器(3)、数据采集仪(16)、多层土壤参数检测仪(11)、高像素数码相机(15)以及电脑(17)，所述荷载位移传感器(3)一端连接电作动器(14)且另一端连接数据采集仪(16)，所述多层土壤参数检测仪(11)预埋于试验箱体(18)内，所述高像素数码相机(15)用于自动拍摄锚板拉拔过程图像，所述荷载位移传感器(3)、多层土壤参数检测仪(11)以及高像素数码相机(15)分别连接数据采集仪(16)，所述数据采集仪(16)将所采集数据传递至电脑(17)。

2.根据权利要求1所述的一种开展锚板拉拔的可视化试验装置，其特征在于：所述试验箱体(18)的前后侧板采用高透明度的耐高温有机玻璃板。

3.根据权利要求1所述的一种开展锚板拉拔的可视化试验装置，其特征在于：所述人工降雨装置(5)为采用PVC供水管以及若干直角弯头以及三通所连接而成，通过一主供水管实现水分供给，同时通过若干供水管底部的细小出水孔形成降雨效果。

4.根据权利要求1所述的一种开展锚板拉拔的可视化试验装置，其特征在于：所述加载框架包括加载柱(1)以及设置于加载柱(1)上的加载横梁(2)。

5.根据权利要求4所述的一种开展锚板拉拔的可视化试验装置，其特征在于：所述滑轮组包括分别固定于加载横梁(2)底部的第一定滑轮(6)以及第二定滑轮(7)，所述第一定滑轮(6)于加载横梁(2)上位置可调。

6.一种开展锚板拉拔的可视化试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将土样过筛，将试验箱体(18)前侧面朝上放置，试验箱体(18)上部插入盖板以方便土样分层填筑；后将透水土工布(8)用胶布固定在试验箱体(18)左右侧壁，然后将土样按压实度90％进行分层填筑，填筑到箱体宽度一半时，放入多层土壤参数监测仪(11)监测含水量；继续分层填筑，填筑工作完成后，用推刀将拆卸掉前侧面的那一面土体抹平；

2)完成步骤1)后，进行锚板(10)的预埋工作，将锚板(10)放置在试验箱体(18)土体前面中间位置进行定位，用小刀根据锚板的具体形状划出轮廓线，随后根据锚板(10)的形状尺寸与轮廓线抠挖土体，抠挖出土体后，将锚板(10)压入已经挖出的锚板(10)的预埋位置处，锚杆穿过预留孔，用抠挖出的土体填补锚杆周围缝隙，然后根据预估的滑动面影响范围定点布置采砂，然后将试验箱体(18)前侧盖紧；

3)将试验箱体(18)归位，抽出盖板，根据锚板(10)埋置深度确定加载横梁(2)高度，通过螺栓将其栓接在加载柱(1)预留的钻孔上，根据加载方向，调节第一定滑轮(6)的位置，用定滑轮支架上的螺栓将定滑轮栓接在加载横梁(2)底部钻孔上，移动加载框架，使得定滑轮的凹槽面和耐高温有机玻璃试验箱体前玻璃板内侧位于同一平面，钢丝绳穿过固定在加载横梁(2)上的第二定滑轮(7)一端与荷载位移传感器(3)和电作动器(14)相连，另一端与第一定滑轮(6)和锚板(10)相连。

4)打开人工降雨装置，使土体浸水饱和，根据试验所设计的地基弱化模式开启相应的水位控制孔(9)排水，保持箱体内稳定水位24h以上并由多层土壤参数监测仪(11)监测含水量稳定，开启红外线烤灯(4)模拟气候干旱条件，完成一次强降雨-干旱的交替，即实现一次干湿循环过程；

5)重复步骤4)模拟强降雨-干旱极端气候交替频发过程，将高像素数码相机(15)固定在三脚架上并置于试验箱体(18)前侧，调节其焦距，并将其调节至合适高度，设置每隔30秒自动拍摄，接着开启电作动器施加荷载，同时开启高像素数码相机拍摄锚板拉拔过程锚周土体的变形情况；

6)获取锚板拉拔荷载-位移曲线，提取极限承载力，利用电脑(17)中的图像处理软件对试验中所采集的照片进行分析处理，得到锚周土体位移变形场、最大剪应变场，识别滑动面，提取滑动面特征量。

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