CN210737631U - 铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置，剪切模型箱置于土工离心机的离心机挂篮上，数据采集通道增加装置上设有多个数据线接口，每个数据线接口通过屏蔽线与对应的应变型数据采集通道连接，每个数据线接口分别通过多个转换频道连接对应的屏蔽线接口，每个转换频道的开启和关闭通过电台控制，所有屏蔽线接口通过屏蔽线与对应的应变传感器连接；路堑边坡模型的坡面设置有铰链式锚索框架梁，横梁和纵梁之间通过铰接构件连接，锚索固定梁内撑于剪切模型箱内，所有铰接构件均通过预应力锚索与锚索固定梁固定连接。本实用新型能够模拟铰链式锚索框架梁加固边坡的柔性支护、预应力施加，克服数据采集通道数量受限的问题。

Description

铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置

技术领域

本实用新型属于岩土工程技术领域，涉及一种铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置。

背景技术

我国是地质灾害多发的国家之一，每年的滑坡、崩塌等地质灾害造成的损失和人员伤亡是很大的，地震作用下更甚。土质边坡滑坡是其中发生率最高的，尤其是红黏土、膨胀土等特殊土质，主要发生在湖南、贵州、云南等地。对于此类边坡，预应力锚索框架梁为目前使用比较广泛的一种边坡支挡结构；当前，结构一般采用钢筋混凝土浇筑而成，因其为刚性结构，降雨导致支护土体产生较大变形，产生膨胀力，易破坏，不能实现框架梁柔性支护的特点，故提出了铰链式锚索框架梁加固土质边坡。为了进一步了解该结构加固土质边坡的作用机理、边坡稳定性分析、失稳机制提供科学的依据，必须对加固后边坡的动力特性以及响应规律进行深入的研究。

预应力锚索框架梁加固边坡的动力模型试验，是用来检验该支护结构力学性能的重要手段，而常规的室内动力模型试验不能模拟原型的应力应变水平。动力离心模型试验须把原型材料或替代材料按一定原型缩放比尺制作而成的试验模型放置于由快速运转的离心机生成的高速离心力场中，通过提高模型的自重体积力，使模型所处应力状态水平与原型相同，然后对振动台输入相应的地震参数，从而使模型呈现与原型相似的变形和破坏过程。

目前，在动力模型试验中，所采用的模型箱可以是柔性模型箱、刚性模型箱以及层状的剪切模型箱。比于刚性和柔性模型箱，剪切式模型箱可以模拟半无限土体在地震作用下的剪切效应和边界条件，是此类综合离心振动试验获得有效试验数据的关键。剪切模型箱作为一种组合式的模型箱，在高速离心场的作用，一般不允许对模型箱进行外部改造。在锚索的张拉过程中，先要将锚索的一端伸入土体固定，对于设置有基岩的动力模型试验，锚索固定段设置在基岩内；而对于土质边坡，难以固定锚索，给锚索预应力的施加带来困难。

离心机作为进行动力模型试验的一种仪器装置，本身就带有可以进行数据采集的系统，但是其可以用于动力试验数据采集的通道数量有限(电压通道32组，电流通道16组，应变通道16组)，当试验中需要测试的传感器数量超过离心机上相应数据采集通道的数量时，给数据采集工作带来了很大的困难。现有解决方法如下：(1)按现有的数据采集装置直接增加；通道增加的费用是1.2万元/通道，厂家购置和安装所需时间是半年至一年，增加96通道费用为115.2万元。此外，利用现有离心机进行模型试验时，没有合适的位置用于安装增加的数据采集装置，需拆除离心机原有采集系统，重新规划采集通道，对离心机的初始配重进行调整，操作复杂，成本高。(2)带数据存储功能的高频率现地采集设备；该设备需要与剪切模型箱一起运动，安装要求高；在离心场及模拟地震情况下，难以保证其正常工作；若试验数据未采集到的，存在无法补救的风险；另外，使用该设备还需要在试验开始前打开采集设备进行采集，试验结束离心机停稳，在确保安全后才能结束采集，无效数据量非常多。(3)高频率采集(5KHz)及无线传输装置；如东华测试4通道的DH5921无线采集模块，成本高，需要利用外设的数据采集系统进行采集数据，难以保证数据的完整性和稳定传输。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置，能够模拟铰链式锚索框架梁加固边坡的柔性支护、预应力施加，克服数据采集通道数量受限的问题，准确测定铰链式锚索框架梁加固边坡在离心场及模拟地震情况下变形受力特征及边坡动力相应，为装配式框架梁加固土质边坡的稳定性分析等提供科学的依据，解决了现有技术存在的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置，包括剪切模型箱、土工离心机、数据采集系统；所述剪切模型箱内填筑有路堑边坡模型，剪切模型箱置于土工离心机的离心机挂篮上，数据采集系统包括数据采集通道增加装置，数据采集通道增加装置上设有多个数据线接口，每个数据线接口通过屏蔽线与对应的应变型数据采集通道连接，每个数据线接口分别通过多个转换频道连接对应的屏蔽线接口，每个转换频道的开启和关闭通过电台控制；所有屏蔽线接口通过屏蔽线与对应的应变传感器连接；所述路堑边坡模型的坡面设置有铰链式锚索框架梁，铰链式锚索框架梁包括多个横梁、纵梁和铰接构件，横梁和纵梁相互垂直，横梁和纵梁之间通过铰接构件连接，所述路堑边坡模型内部设有水平放置且平行于坡面的锚索固定梁，锚索固定梁内撑于剪切模型箱内，所有铰接构件均通过预应力锚索与锚索固定梁固定连接。

进一步的，每个所述横梁或纵梁的两端均设有L型连接端，每个横梁或纵梁的L型连接端分别为活端和紧端，每个铰接构件的铰接部均设有L型连接端，铰接构件的L型连接端设有活端和紧端，横梁、纵梁或铰接构件的活端均设有通孔，横梁、纵梁或铰接构件的紧端均设有螺纹孔，螺纹孔的孔径小于通孔的孔径，每个横梁或纵梁的活端与铰接构件的紧端通过自攻螺丝连接，每个横梁或纵梁的紧端与铰接构件的活端通过自攻螺丝连接；横梁、纵梁的近坡面端部设为圆弧面。

进一步的，所述锚索固定梁的两端加工有螺纹方向相反的第一螺纹孔，第一螺纹孔内分别安装六角头螺栓，锚索固定梁通过两个六角头螺栓内撑于剪切模型箱内，预应力锚索的一端锚固于锚索固定梁上，预应力锚索的另一端穿出铰接构件的中心，预应力施加后与铰接构件固定连接。

进一步的，所述铰接构件的中心设有第二螺纹孔，第二螺纹孔内安装有外六角中空螺栓，预应力锚索采用不锈钢钢绞线，不锈钢钢绞线的外部套设有内壁涂抹润滑剂的有机玻璃管，锚索固定梁上均匀设有多个小孔，不锈钢钢绞线一端穿过小孔并通过锚索固定环与锚索固定梁固定连接，不锈钢钢绞线另一端穿出外六角中空螺栓，预应力施加后与外六角中空螺栓固定连接。

进一步的，所述路堑边坡模型的对应测点设有加速度传感器、位移传感器、轴力传感器、动土压力传感器，土工离心机的离心机数据采集面板上还设有电压型数据采集通道、电流型数据采集通道，电压型数据采集通道与电压型传感器连接，电流型数据采集通道与电流型传感器连接。

进一步的，所述锚索固定梁的高度与剪切模型箱的每层厚度相对应，且小于相邻两根预应力锚索垂直距离，锚索固定梁的宽度和高度相等。

进一步的，所述锚索固定梁转动一周，六角头螺栓沿锚索固定梁的轴向移动的距离与六角头螺栓的芽距相同。

进一步的，所述横梁、纵梁或铰接构件均采用宽10.7mm、高6mm的铝板制得。

本实用新型的有益效果是：

1、能够模拟铰链式锚索框架梁加固边坡的柔性支护；铰链式锚索框架梁包括多个横梁、纵梁和铰接构件，横梁和纵梁相互垂直，横梁和纵梁之间通过铰接构件连接，能够适应土体的膨胀变形，实现锚索框架梁的柔性支护特点，能够很好的模拟原型铰链式锚索框架梁加固土质边坡的应力与应变水平，对掌握装配式框架梁加固边坡在地震作用下的动力响应规律提供理论依据。

2、能够模拟铰链式锚索框架梁加固边坡的预应力施加；路堑边坡模型内部设有水平放置且平行于坡面的锚索固定梁，锚索固定梁内撑于剪切模型箱内，所有铰接构件均通过预应力锚索与锚索固定梁固定连接，降低预应力锚索的张拉难度，且在地震波的作用下，锚索固定梁与剪切模型箱箱体框一起协调变形，能够很好的模拟半无限土体在地震作用下的剪切效应与边界条件。

3、本实用新型基于离心机现有的数据采集系统，利用数据采集通道增加装置对应变型数据采集通道进行拓展，数据采集准确，数据传输稳定、可靠，保证数据存储，防止数据丢失，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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是本实用新型的内撑锚固段的正立面视图。

图2是内撑锚固段的侧立面视图。

图3是内撑锚固段的结构示意图。

图4是带铰链的装配式框架梁模具的结构示意图。

图5是组成带铰链的装配式框架梁模具的构件的结构示意图。

图6是装配式框架梁模具的铰链的结构示意图。

图7是带铰链的装配式框架梁模具柔性支护的结构示意图。

图8是数据采集通道增加装置的结构示意图。

图9是本实用新型实施例中离心振动台输入的El-Centro地震波形图。

图10是本实用新型实施例中离心振动台输入的Taft波形图。

图中，1.锚索固定梁，2.第一螺纹孔，3.六角头螺栓，4.箱体，5.小孔，6.铰链式锚索框架梁，7.第二螺纹孔，8.预应力锚索，9.后边壁，10.头部，11.端部，12.锚索固定环，13.自攻螺丝，14.圆弧面，15.离心机数据采集面板，16.数据采集通道增加装置，17.数据线接口，18.屏蔽线接口，19.横梁，20.纵梁。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置，包括剪切模型箱、土工离心机、数据采集系统；剪切模型箱内填筑有路堑边坡模型，剪切模型箱置于土工离心机的离心机挂篮上，路堑边坡模型的测点处均安装有对应的传感器，所有传感器通过屏蔽线与数据采集系统连接。

如图4-7所示，路堑边坡模型的坡面设置有铰链式锚索框架梁6，铰链式锚索框架梁6包括多个横梁19、纵梁20和铰接构件，横梁19和纵梁20相互垂直，横梁19和纵梁20之间通过铰接构件连接，每个横梁19或纵梁20的两端均设有L型连接端，每个横梁19或纵梁20的L型连接端分别为活端和紧端，每个铰接构件的铰接部均设有L型连接端，铰接构件的L型连接端设有活端和紧端，横梁19、纵梁20或铰接构件的活端均设有通孔，横梁19、纵梁20或铰接构件的紧端均设有螺纹孔，螺纹孔的孔径小于通孔的孔径，每个横梁19或纵梁20的活端与铰接构件的紧端通过自攻螺丝13连接，每个横梁19或纵梁20的紧端与铰接构件的活端通过自攻螺丝13连接；横梁19、纵梁20的近坡面端部设为圆弧面14。

如图1-3所示，所有铰接构件均通过预应力锚索8与锚索固定梁1固定连接，锚索固定梁1水平放置于路堑边坡模型内部且平行于坡面，锚索固定梁1的两端内撑于剪切模型箱内。预应力锚索8采用直径1mm的不锈钢钢绞线(可承载1kN的拉力)模拟，不锈钢钢绞线的外部套设有内壁涂抹润滑剂的有机玻璃管，有机玻璃管的内径3mm；不锈钢钢绞线的一端通过锚索固定环12与锚索固定梁1固定连接，不锈钢钢绞线的另一端从铰接构件中心伸出；有机玻璃管的作用，避免不锈钢钢绞线在上附土体的作用下产生过大的位置偏移，并同时保证不锈钢钢绞线自由段的长度，使其便于张拉，也能够防止土体对不锈钢钢绞线的腐蚀。

锚索固定梁1的两端加工有螺纹方向相反的第一螺纹孔2，第一螺纹孔2内分别安装六角头螺栓3，锚索固定梁1通过两个六角头螺栓3内撑于剪切模型箱内，锚索固定梁1上均匀设有多个小孔5，不锈钢钢绞线另一端穿过小孔5并通过锚索固定环12与锚索固定梁1固定连接。如果锚索固定梁1的两端伸入箱体4对应的限位孔内进行卡接，影响剪切模型箱二次使用，限位孔位置不容易确定准确，且安装锚索固定梁1时会使剪切模型箱产生过大变形，影响对于模型箱的再次使用。因此本实用新型锚索固定梁1两端第一螺纹孔2、六角头螺栓3的设置，操作方便，能够根据铰链式锚索框架梁6的铰接构件所在位置，将锚索固定梁1安装在剪切模型箱内的任意位置，且不会对剪切模型箱造成破坏，降低试验成本。

如图8所示，土工离心机的离心机数据采集面板15上设有电压型数据采集通道、电流型数据采集通道以及应变型数据采集通道，电压型数据采集通道与电压型传感器连接，电流型数据采集通道与电流型传感器连接；数据采集系统包括数据采集通道增加装置16，数据采集通道增加装置16上设有多个数据线接口17，每个数据线接口17通过屏蔽线与对应的应变型数据采集通道连接，每个数据线接口17分别通过多个转换频道连接对应的屏蔽线接口18，每个转换频道的开启和关闭是通过电台来控制；所有屏蔽线接口18通过屏蔽线与对应的应变传感器连接。

本实用新型铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置的试验方法，具体按照以下步骤进行：

S1，基于相似理论，确定相似比，确定边坡模型的几何尺寸、边坡材料、土工离心机的最大试验加速度；

模型用土特性和待检测实际路堑边坡的土特性必须保持一定的相似性，本实用新型实施例在待检测的工程实地取土，其参数如表1所示。在动力试验前测量土体含水率，将土体配制与现场填土相同的含水率37.5％，湿密度为1.8g/cm³。闷料一昼夜后用于试验；按照目标干密度计算每层填土质量。

表1试验用土物理性质

土名	最大干密度	最佳含水率	塑限	液限
					高液限粉土	1.53g/cm<sup>3</sup>	25％	46％	66％

采用TLJ-150A型土工离心机，其理论最大离心加速度为150g，建议选取30g～120g；模型缩尺为原型尺寸的1/70，试验加速度增大至重力加速度的70倍，即可使模型的应力状态与原型一致，试验模型的最大离心加速度为70g，在TLJ-150A型土工离心机的选取范围内；动力试验模拟路堑边坡概况如下：原始边坡的坡比1:2，一级边坡采用锚索框架梁支护高8m，坡比1:1。二级采用抗滑桩，高10m，利用模型缩尺换算出动力试验模型的各部分的尺寸，制作剪切模型箱。

S2，在剪切模型箱内分层填筑路堑边坡模型，埋设相应的传感器；填筑路堑边坡模型包括土体的压实、传感器的埋设、锚索固定梁1的安装与测试以及铰链式锚索框架梁6的固定。

在剪切模型箱内壁画出路堑边坡轮廓线，按照轮廓线压实、填筑路堑边坡；当路堑边坡填筑到预设位置时，埋设相应的传感器；加固边坡动力测试包括加速度、位移、轴力、动土压力和框架梁应变。对于加速度传感器的布置情况，在剪切模型箱外部、模型箱内部中心断面以及平行断面各布置一定数量的加速度传感器，具体可以采用电压型超小型防水单轴加速度计，用于检验振动台台面地震波输入，为计算土体与结构各部位放大效应提供基数，并与振动台加速度对比，测量各部位的地震响应以及检验边界的影响。对于位移传感器的布置情况，分别在中心断面锚索处、横梁跨中处、框架梁分缝处所在的三个断面进行水平与竖直位移测量，具体可以采用电流型直流差动变压器式位移传感器，用于测量铰链式锚索框架梁6的水平位移和竖向位移，水平位移表征的是土质边坡体的水平变形反应，竖向位移表征的是土质边坡体的竖向沉降反应。对于轴力传感器的布置情况，每个锚固点均设有轴力传感器，具体可以采用电压型ZNLBS硬币式微小S型拉力传感器，用于测量每根预应力锚索8预施加的锚固力。动土压力传感器，布置于铰链式锚索框架梁6的3个典型断面、横梁19跨中以及纵梁20跨中，具体可以采用电压型土壤压力传感器，用于测量铰链式锚索框架梁6内部的土压力变化量。本实用新型重点研究铰链式锚索框架梁6结构在横梁19、纵梁20跨中、锚固处弯矩的变化，故单个模型中在横梁19、纵梁20跨中及锚固处的近坡面以及远坡面均设置了半导体应变片。

当路堑边坡填筑到预应力锚索8的预埋位置时，距路堑边坡的后边壁9适当距离开挖平行于坡面的沟槽，预应力锚索8尽量远离坡面，因为在超重力场的影响下，轻微的质量变化都会导致试验结果发生偏差；同时为了便于锚索固定梁1的安装、预应力锚索的固定，预应力锚索8不能紧靠后边壁9；沟槽的宽度为锚索固定梁1的横截面对角线的长度，保证锚索固定梁1能够通过自由的转动来内撑于剪切模型箱中；沟槽的深度为锚索固定梁1底部至小孔5中心的距离，使得小孔5的中心与预应力锚索8在同一水平线上，锚索固定梁1上均匀设有多个小孔5，小孔5的位置与预应力锚索8一一对应，小孔5的中心高程与铰链式锚索框架梁6的铰接构件中心一致，以便预应力的施加。

将锚索固定梁1放置于沟槽内，锚索固定梁1的两端加工有螺纹方向相反的第一螺纹孔2，六角头螺栓3的端部11拧入第一螺纹孔2内，首先使得六角头螺栓3的头部10刚好接触箱体4，然后用两把活动扳手卡住六角头螺栓3的头部10，再用一把最佳开口长度为30mm的活动扳手在锚索固定梁1的中间卡住，朝着后边壁9的方向转动一定角度带动锚索固定梁1与六角头螺栓3之间产生相对转动，由于两枚六角头螺栓3的螺纹方向相反，两端的六角头螺栓3同时向外移动，促使六角头螺栓3的头部10与箱体4产生挤压作用，借助六角头螺栓3与箱体4的摩擦力使锚索固定梁1内撑于剪切模型箱的箱体4之间，预应力锚索8的锚固段与锚索固定梁1连接，预应力锚索8的自由段上套设有机玻璃管，预应力锚索8穿出铰链式锚索框架梁6的铰接构件。

锚索固定梁1转动一周，六角头螺栓3沿锚索固定梁1的轴向移动的距离与六角头螺栓3芽距相同，六角头螺栓3的型号为M10×30，芽距为1.5；锚索固定梁1朝着后边壁9的方向转动一周，两侧的六角头螺栓3即向外拧出1.5mm，从而达到挤压箱体4获得摩擦力的作用；摩擦力的大小与接触面的粗糙程度以及物体之间的接触压力有关，首先用砂纸在六角头螺栓3的头部10与箱体4的接触面上制作粗糙面，或者在六角头螺栓3的头部10设置橡胶层；然后通过朝着后边壁9的方向旋转锚索固定梁1达到挤压箱体4以获得摩擦力的作用，每旋转一周，就通过测力计从水平方向测试一下锚索固定梁1与箱体4的摩擦力，直到满足研究要求。锚索固定梁1抗拉能力的测试方法：预应力锚索8模拟现场锚固力650kN，综合考虑并通过相似换算，需要承受的轴力为0.138kN(13.8kg)，直接把九根长度相等的不锈钢钢绞线穿过小孔5，用锚索固定环12把不锈钢钢绞线固定在锚索固定梁1上，再用九个型号一样的测力装置同时向外施加0.138KN的水平力，检验锚索固定梁1的抗拉能力；若不满足，继续把锚索固定梁1朝着后边壁9的方向拧动一周或其倍数，使两端的六角头螺栓3同时向外移动，增加挤压箱体4的作用力，以便满足试验要求；继续填土，重复上述操作完成第二组、第三组锚索固定梁1的安装。其中，第一组、第二组以及第三组锚索固定梁1的所锚定的预应力锚索8的有效长度依据边坡坡率成线性变化。

小孔5的间距的设置是跟据铰链式锚索框架梁6的第二螺纹孔7之间的间距设置的，第二螺纹孔7的第一个孔中心和最后一个孔中心之间的间距有342mm，对于长度为380mm的锚索固定梁1来说两边只各剩下19mm来制作第一螺纹孔2。但是这点距离明显是不够的，首先，锚索固定梁1与六角头螺栓3之间本身就存在薄弱面，六角头螺栓3的头部10要靠到箱体4上还需要向外拧出10mm的长度，而在本实用新型中，为保证锚索固定梁1与六角头螺栓保持良好的整体性，六角头螺栓3必须有足够的长度在第一螺纹孔2中，所以本实用新型选择螺杆长度为30mm的六角头螺栓3，第一螺纹孔2穿过两端的小孔5，试验中，先固定锚索固定梁1，将六角头螺栓3的头部10内撑于剪切模型箱的箱体4之间，此时，六角头螺栓3不会影响预应力锚索8穿过小孔5。

锚索固定梁1的高与剪切模型箱的每层厚度相对应，且小于相邻两根预应力锚索8垂直距离44mm；锚索固定梁1需要具有足够抗弯刚度，即EI，其中E为材料的模量，I＝b*(h^3)/12，h是截面高，b即截面宽；锚索固定梁1的宽度和高度最好相等，正方形横截面便于第一螺纹孔2的加工以及锚索固定梁1的扭转；六角头螺栓3与锚索固定梁1之间存在薄弱面，六角头螺栓3的头部10与锚索固定梁1的结合程度会影响锚索固定梁1内撑于箱体4的牢固程度，如果锚索固定梁1长度不够，会导致六角头螺栓3伸出来的螺纹长度过长，会导致内撑锚固端与六角头螺栓结合程度变弱，影响整体的抗变形能力，从而使锚索固定梁1在不锈钢钢绞线张拉过程中产生过大变形；如果锚索固定梁1过长，导致在扭转锚索固定梁1时没有的足够的工作空间；综上，本实用新型的锚索固定梁1尺寸为长380×宽30×高30mm。

锚索固定梁1的数量与铰链式锚索框架梁6上第二螺纹孔7的行数相等；所有锚索固定梁1距后边壁9的距离相等，便于定位，有利于掌握预应力锚索8的张拉程度，便于上下设置的预应力锚索8协调变形。

S3，安装铰链式锚索框架梁6，加固边坡；铰接构件的中心设有第二螺纹孔7，M5×8(孔2mm)外六角中空螺栓连接于第二螺纹孔7内，不锈钢钢绞线穿过外六角中空螺栓，通过预应力施加装置对预应力锚索8伸出坡面的一端施加预应力，然后将预应力锚索8与外六角中空螺栓固定连接；

铰链式锚索框架梁6材料的选择：根据EI相似原则以及不同类型模具的单位质量，综合考虑选择了轻质且其抗弯刚度EI与现场材料的EI相似程度高达100％的铝板作为框架梁模拟材料；而且由于本模具是需要实现装配式结构的铰链作用，相对于其它材料来说，铝板在加工铰链时难度较小。

框架梁尺寸为宽0.6m×高0.6m，纵梁20、横梁19间距为3m，每三榀9m为一个框架单元。采用C30钢筋混凝土，弹性模量30GPa，抗弯刚度EI＝3.24e11，密度2400kg/m³，1m横梁19、纵梁20重量为864kg。根据抗弯刚度EI相似、模型缩尺1/70，得出模型材料EI＝1.35e4，重量M＝2.52g。本次对方钢条、方管、铝板进行对比分析，由表2所示。

表2不同材料及型号的抗弯刚度与质量计算分析表

通过表2可知，仅从抗弯刚度EI相似原则，误差<10％可选取方管₆、方钢₁以及铝板₂。考虑材料质量时，采用方钢模拟1m框架梁(模型长L＝14mm)的质量为3.85g，为目标质量153％，可在离心场作用下嵌入土体内，降低锚索预应力作用；采用方管模拟时质量为1.43g，仅为目标质量的57％。采用铝板时质量为2.44g，为目标质量的97％。本实用新型实施例需要模拟装配式框架梁的铰链，不锈钢管、铝合金矩形截面空心管桩和铝合金矩形截面薄壁管，不锈钢管材料由于其硬度较大，故而不便于打磨圆弧面14；铝合金矩形截面空心管桩和铝合金矩形截面薄壁管由于管壁较薄，打磨圆弧面会导致结构受损，局部容易出现应力集中；而且对于空心管桩和薄壁管来说，加工出来的铰链结构会发生由于自攻螺丝13与紧端的嵌挤力不足而导致结构在外力的作用下而解体的现象。

故本实施例选用铝板₂作为铰链式锚索框架梁6的横梁19、纵梁20或铰接构件的模拟材料，其弹性模量为70GPa，尺寸为宽10.7mm×高6mm。

横梁19、纵梁20或铰接构件的活端用2.0mm的直柄麻花钻进行钻孔，形成2.0mm通孔；横梁19、纵梁20或铰接构件的紧端先用1.6mm的直柄麻花钻进行钻孔，然后再用M1.8×0.35的直槽丝攻进行攻丝，形成1.8mm螺纹孔。

如图4-6所示，铰接构件包括二铰式构件(M11、M13、M31、M33)、三铰式构件(M12、M21、M23、M32)、四铰式构件(M22)；铰链式锚索框架梁6的四个边角均为二铰式构件，铰链式锚索框架梁6的四个边部均为三铰式构件，铰链式锚索框架梁6的中间为四铰式构件，通过四铰式构件能够扩展铰链式锚索框架梁6的覆盖面积，实现装配式功能，不管是铰链式锚索框架梁6任何一个位置的构件出现了损坏，都能够通过拆卸结构来进行替换，避免对于试验结果产生影响；以四铰式构件(M22)为例，用自攻螺丝13从横梁19的活端拧入构件M22的紧端，由于M22紧端的螺纹孔的尺寸与自攻螺丝的尺寸一样，这样就可以将自攻螺丝13紧固于螺纹孔中；而横梁19活端的通孔尺寸大于自攻螺丝13的直径，横梁19就可以以自攻螺丝13为轴进行转动，形成铰链式锚索框架梁6的铰链结构，自攻螺丝13的型号为M1.8×10。

如图7所示，以横梁19近坡面的活端与紧端打磨成圆弧面14来示意，横梁19、纵梁20近坡面的L型连接端打磨成圆弧面14，使得铰链式锚索框架梁6能够通过其铰链处的紧端与活端的设计以及圆弧面14适应土质边坡的变形，从而实现结构的柔性支护。

S4，称量制作完成的剪切模型箱，总重量G，计算配重(试验模型与配重静距平衡)，用龙门吊将剪切模型箱吊到土工离心机的离心机挂篮上，安装摄像机，开启摄像软件，检查试验室内的情况，确保试验过程仪器和人员的安全，开启离心机监控设备、数据采集设备。

试验采用TLJ-150A型土工离心机，在离心机数据采集面板15上有电压型数据采集通道、电流型数据采集通道以及应变型数据采集通道，将剪切模型箱内布置测点引出的数据线按照其信号传输类型(电压型或电流型)分组编号，并对离心机数据采集面板15上相应的采集通道进行编号，将输出电压信号的传感器连接至电压数据采集通道，将输出电流信号的传感器连接至电流数据采集通道；其中应变型数据采集通道只有16个，分别为YB01、YB02、YB03、YB04、YB05、YB06、YB07、YB08、YB09、YB10、YB11、YB12、YB13、YB14、YB15、YB16；然而本实用新型中加速度、土压力、位移和轴力都是可以直接测得的量，试验中仅需选择特征点来测量；应变型数据测量目的主要是为了推算框架梁所承受的弯矩，在框架梁两面都必须布置应变片，布置测点的密度大，数量多，实际需要采集数据的应变片达70多个，所以对于现有的一次试验来说，应变型数据采集通道的数量是远远不够的，所以要外设能够增加数据采集通道的装置。

本实用新型采用数据采集通道增加装置16，如图8所示，对中间部分的通道进行了省略，包括16个数据线接口17，离心机数据采集面板15的应变型数据采集通道通过屏蔽线与数据线接口17连接，每个数据线接口17分别通过6个转换频道连接对应的屏蔽线接口18，6个转换频道分别为T1、T2、T3、T4、T5和T6，每个转换频道的开启和关闭是通过电台来控制的；所有屏蔽线接口18通过8芯的屏蔽线与每个应变片连接，这样就可以通过多次试验完成更多应变数据的测量。

实际需要采集数据的应变片70多个，以80个为例，每个应变片与屏蔽线连接，每16根屏蔽线为一组，共5组，第1组屏蔽线分别连接16个数据线接口17的转换频道T1对应的屏蔽线接口18上，第2组屏蔽线分别连接16个数据线接口17的转换频道T2对应的屏蔽线接口18上，第3组屏蔽线分别连接16个数据线接口17的转换频道T3对应的屏蔽线接口18上，第4组屏蔽线分别连接16个数据线接口17的转换频道T4对应的屏蔽线接口18上，第5组屏蔽线分别连接16个数据线接口17的转换频道T5对应的屏蔽线接口18上；通过电台控制转换频道T1-T5的开启和关闭，每次试验，仅控制每个数据线接口17连接的6个转换频道中的1个开启，通过5次试验完成80个应变片的数据采集，试验过程中所有的数据传输线都是要求具有屏蔽作用。

S5，输入地震荷载，采集动力试验数据；

给离心振动台分别输入El-Centro地震波、Taft波、简谐波加速度时程，前两种加速度时程曲线如图9～10。其中，El-Centro波作为世界上首条成功记录全过程数据的地震波，具有典型性，其对进行地震方面的研究具有重大意义；而Taft波由于其记录完整、数据可靠，在国内外地震工程中被广泛应用；简谐波对于本研究做数值模拟计算有着至关重要的作用。

在一次试验中，可以完成模拟多个同一波形或不同波形，但两个波形之间需要间歇30s以上，本次离心振动试验地震历时为3s，第一次试验通过电台接通频道T1，一次振动完成后振动台停机1分钟以上，让土质边坡体恢复到地震前的状态，之后再输入同样的地震波并切换到下一个频道进行试验，依次完成应变数据的采集，其它传感器取第一次试验所采集的数据。

试验结束后测量土质边坡体的坡顶沉陷量，并观测记录土质边坡体的破坏模式；将系统停机，移开各类传感器，分阶卸土、移除不锈钢钢绞线和铰链式锚索框架梁6。

本实用新型模拟地震的装配式框架梁加固边坡动力测定方法的技术效果验证：

现有边坡动力模型装置一般采用以下三种方式锚固预应力锚索8：直接把预应力锚索8埋设在土体中，在土质边坡内埋置铝板，在土质边坡内合适位置埋置铝块；与本实用新型的锚索固定梁1进行对比试验，结果如下：

直接把预应力锚索8埋设在土体中，由于预应力锚索8的直径较小，模型土体的抗拉能力不足，很容易被拔出来了，难以施加预应力；在土质边坡内埋置铝板，所有预应力锚索8均固定在铝板上，对预应力锚索8缓慢施加作用力，当力加到0.136KN，土体与铝板之间开始发生了“脱空”现象，因此使用铝板的形式不仅在力的方面不能满足要求，而且还不能模拟土质边坡在地震作用下的剪切效应；在土质边坡内合适位置埋置铝块，每个预应力锚索8与对应的铝块固定连接，对预应力锚索8缓慢施加作用力，当力加到0.003KN，土体与铝块之间就开始发生了“脱空”现象；虽然这种方式能够模拟土质边坡在地震作用下的剪切效应，但是力的方面远远不够；本实用新型中，当力加到1.242KN时，锚索固定梁1与土体的结合程度良好，没有发生“脱空”现象，而且力最大可以加到2.683KN；这种方式不仅在力的方面满足要求，而且还能很好的模拟土质边坡在地震作用下的剪切效应。

本实用新型铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置的优势：

1、横梁19、纵梁20与铰接构件的活端、紧端的设计能够更准确的模拟原型铰链式锚索框架梁加固结构的柔性支护；原型1m，铰链式锚索框架梁6的铰链结构在70g状态下的换算尺寸只有14mm，现有铰链结构尺寸大，难以直接使用，如果铰链结构太大，为了满足整体尺寸，横梁19、纵梁20的尺寸需相应缩小，与原型相似度降低，同时影响横梁19、纵梁20弯矩测量的准确性；铰链式锚索框架梁6包括多个横梁19、纵梁20和铰接构件，横梁19和纵梁20相互垂直，横梁19和纵梁20之间通过铰接构件连接，由于每个横梁19或纵梁20的活端与铰接构件的紧端通过自攻螺丝13连接，每个横梁19或纵梁20的紧端与铰接构件的活端通过自攻螺丝13连接；便于拆卸，铰链处出现破坏，容易修复，任一铰链出现破坏，替换位于活端、紧端的构件及自攻螺丝13即可；铰链处除了自攻螺丝13均为铰链式锚索框架梁6本身材质，与原型相似度高；横梁19、纵梁20的近坡面端部设为圆弧面14，能更好的适应土体的膨胀变形，实现锚索框架梁的柔性支护特点，能够很好的模拟原型铰链式锚索框架梁加固土质边坡的应力与应变水平。

2、能够模拟铰链式锚索框架梁加固结构的预应力施加；在现场实地，预应力锚索8一般都是固定在基岩上，但是由于本模型试验所研究的实地，土质边坡的范围较大，基岩距坡面的位置较远，需要靠锚头通过岩体软弱结构面的孔锚入基岩内，由于预应力锚索8的直径较小，如果是固定在基岩上，预应力锚索8对于单位面积基岩的拉力效果较大，对基岩的强度以及整体性要求较高，如果基岩的强度不足或整体性不好，预应力锚索8的张拉难度就会增大；本实用新型采用锚索固定梁1将预应力锚索8的一端固定于土质边坡内部，锚索固定梁1的两端通过两个六角头螺栓3内撑于剪切模型箱内，在地震波的作用下，锚索固定梁1与剪切模型箱的箱体4一起协调变形，能够很好的模拟半无限土体在地震作用下的剪切效应与边界条件。

3、本实用新型基于离心机现有的数据采集系统，利用数据采集通道增加装置16对应变型数据采集通道进行拓展，虽然在试验时间上是增加了，但是在数据传输上就比无线传输、现场采数据采集设备更稳定、可靠。数据的传输的情况能够在离心机的中控室直接观看，而且成本低，是最符合研究实际情况的，经济且能循环利用，大大增加了其经济效益。

数据传输稳定、可靠：离心机试验分3个阶段，离心机启动至稳定、稳定试验阶段、试验结束至完全停止。70g离心试验且稳定试验时间为30分钟，试验启动至70g稳定需25分钟、稳定30分钟、关停15分钟，总耗时70分钟；带数据存储功能的高频率现地采集设备是离线的，试验开始前就得打开采集设备进行采集，试验结束确保安全后才能结束采集，即使不考虑离心机离场和进场时间，完成一次70g下运行30分钟的试验采集了70分钟的试验数据；本实用新型的通道增加系统利用电台进行数据采集通道的关停以及不同转换通道的切换，在离心机运行稳定的时候，开始采集数据，当离心机开始关停的时候关闭，极大减小无效数据量；本实用新型数据的传输的情况能够在离心机的中控室直接观看，实时的监控，数据采集准确，保证数据存储，防止数据丢失。

成本低：数据采集通道增加装置16的电路板及其控制方法的开发费用仅需3万元，时间上也只需两个月；如果按现有的数据采集装置直接增加，厂家购置和安装所需时间是半年至一年，增加96通道费用为115.2万元；高频率采集(5KHz)及无线传输装置，成本也过高，需要90多万元。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置，其特征在于，包括剪切模型箱、土工离心机、数据采集系统；所述剪切模型箱内填筑有路堑边坡模型，剪切模型箱置于土工离心机的离心机挂篮上，数据采集系统包括数据采集通道增加装置(16)，数据采集通道增加装置(16)上设有多个数据线接口(17)，每个数据线接口(17)通过屏蔽线与对应的应变型数据采集通道连接，每个数据线接口(17)分别通过多个转换频道连接对应的屏蔽线接口(18)，每个转换频道的开启和关闭通过电台控制，所有屏蔽线接口(18)通过屏蔽线与对应的应变传感器连接；所述路堑边坡模型的坡面设置有铰链式锚索框架梁(6)，铰链式锚索框架梁(6)包括多个横梁(19)、纵梁(20)和铰接构件，横梁(19)和纵梁(20)相互垂直，横梁(19)和纵梁(20)之间通过铰接构件连接，所述路堑边坡模型内部设有水平放置且平行于坡面的锚索固定梁(1)，锚索固定梁(1)内撑于剪切模型箱内，所有铰接构件均通过预应力锚索(8)与锚索固定梁(1)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置，其特征在于，每个所述横梁(19)或纵梁(20)的两端均设有L型连接端，每个横梁(19)或纵梁(20)的L型连接端分别为活端和紧端，每个铰接构件的铰接部均设有L型连接端，铰接构件的L型连接端设有活端和紧端，横梁(19)、纵梁(20)或铰接构件的活端均设有通孔，横梁(19)、纵梁(20)或铰接构件的紧端均设有螺纹孔，螺纹孔的孔径小于通孔的孔径，每个横梁(19)或纵梁(20)的活端与铰接构件的紧端通过自攻螺丝(13)连接，每个横梁(19)或纵梁(20)的紧端与铰接构件的活端通过自攻螺丝(13)连接；横梁(19)、纵梁(20)的近坡面端部设为圆弧面(14)。

3.根据权利要求2所述的一种铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置，其特征在于，所述锚索固定梁(1)的两端加工有螺纹方向相反的第一螺纹孔(2)，第一螺纹孔(2)内分别安装六角头螺栓(3)，锚索固定梁(1)通过两个六角头螺栓(3)内撑于剪切模型箱内，预应力锚索(8)的一端锚固于锚索固定梁(1)上，预应力锚索(8)的另一端穿出铰接构件的中心，预应力施加后与铰接构件固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置，其特征在于，所述铰接构件的中心设有第二螺纹孔(7)，第二螺纹孔(7)内安装有外六角中空螺栓，预应力锚索(8)采用不锈钢钢绞线，不锈钢钢绞线的外部套设有内壁涂抹润滑剂的有机玻璃管，锚索固定梁(1)上均匀设有多个小孔(5)，不锈钢钢绞线一端穿过小孔(5)并通过锚索固定环(12)与锚索固定梁(1)固定连接，不锈钢钢绞线另一端穿出外六角中空螺栓，预应力施加后与外六角中空螺栓固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置，其特征在于，所述路堑边坡模型的对应测点设有加速度传感器、位移传感器、轴力传感器、动土压力传感器，土工离心机的离心机数据采集面板(15)上还设有电压型数据采集通道、电流型数据采集通道，电压型数据采集通道与电压型传感器连接，电流型数据采集通道与电流型传感器连接。

6.根据权利要求4所述的一种铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置，其特征在于，所述锚索固定梁(1)的高度与剪切模型箱的每层厚度相对应，且小于相邻两根预应力锚索(8)垂直距离，锚索固定梁(1)的宽度和高度相等。

7.根据权利要求4所述的一种铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置，其特征在于，所述锚索固定梁(1)转动一周，六角头螺栓(3)沿锚索固定梁(1)的轴向移动的距离与六角头螺栓(3)的芽距相同。

8.根据权利要求4所述的一种铰链式锚索框架梁加固土质边坡动力模型装置，其特征在于，所述横梁(19)、纵梁(20)或铰接构件均采用宽10.7mm、高6mm的铝板制得。

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