框架锚杆边坡锚固结构地震响应控制试验装置及施工方法

摘要

框架锚杆边坡锚固结构地震响应控制试验装置及施工方法，模型箱（2）内装有框架（6）和土体（32），土体（32）内埋设普通锚杆（10）和控制锚杆（11），框架（6）设置在土体（32）前，锚具（26）和垫板（27）将穿过框架（6）的普通锚杆（10）和控制锚杆（11）锚固框架（6）上，形成模拟支护边坡，框架（6）和土体（32）之间安装加速度计（30）和土压力盒（31），框架（6）上安装位移传感器（29），普通锚杆（10）和控制锚杆（11）的自由段贴有应变片（28），通过通讯线（5）将应变片（28）、加速度计（30）和土压力盒（31）与动态数据采集仪（4）连接，再与电脑（3）连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种框架锚杆边坡锚固结构地震响应控制试验装置，主要用于框架锚杆锚固边坡在地震作用下震动响应控制特性的试验研究，属于岩土工程振动控制领域。

背景技术

地震诱发的边坡滑动是主要的滑坡灾害类型之一，在山区和丘陵地带，地震诱发的滑坡往往具有分布广，数量多，危害大等特点。滑坡的发生，给人民的生命财产带来巨大的威胁和灾难。因此，地震荷载作用下，边坡的动力稳定性问题是岩土工程和地震工程界共同关注的难点问题。地震诱发滑坡的原因主要表现在：一方面，地震力的作用，使斜坡体承受的惯性力发生改变，触发了滑动；另一方面，地震力的作用，造成地表变形和裂缝的增加，降低了岩土体的力学强度指标，引起了地下水位的上升和径流条件的改变，进一步创造了滑坡。为了减轻地震诱发的滑坡灾害对人类生活的影响，人们采用抗震设防的思想来抵御震害。

锚喷支护结构属于轻型柔性支挡结构，由于自身轻、柔的特点在边坡工程治理中得到广泛的应用。传统的锚喷支护结构抗震设计方法主要以增大支护结构刚度或增设隔震层的方式来抵御地震作用，然而，当地震作用超过一定的限值，被动的增加刚度或增设隔震层的支护结构仍可能出现过大的变形、甚至破坏，导致支护体的失稳垮塌。随着科技的进步，传统的抗震设计方法越来越难满足现阶段提出的更严格抗震安全性和适用性要求。针对现有锚喷支护结构难以自我调整抵御地震作用的缺点，专利号：201310668635.4提出了一种带有半主动变阻尼控制装置的锚管，专利号：201310666447.8提出了一种半主动变刚度耗能减震控制锚杆。

目前，地震作用下的边坡稳定性计算大多采用拟静力法和动力有限元法，但这些方法都远未达到成熟的程度，而地震作用下边坡的控制还处于探索阶段，为了进一步了解地震作用下边坡失稳机制，为边坡地震稳定性分析提供科学依据，首先必须对地震作用下边坡的动力特性和动力响应规律进行研究，掌握带有控制装置的锚喷支护结构的控制效果和控制锚杆的最优施设位置，这不仅是工程建设实践发展的要求，也是工程设计理念从被动控制向半主动控制转变的客观需要，具有重要的经济意义和实践价值。由于地震灾害突发性强，猝不及防，破坏性大，现场试验难以实现，人们还不能对地震进行准确的预测，必须通过寻找一种能够控制参数的室内相似模拟试验的方法和装置来获取相关技术参数。

发明内容

本发明目的是提供一种框架锚杆边坡锚固结构地震响应控制试验装置及施工方法。

本发明是框架锚杆边坡锚固结构地震响应控制试验装置及施工方法，其装置包括振动台1、模型箱2、框架6、普通锚杆10、控制锚杆11，模型箱2通过螺栓23与振动台1连接，模型箱2内装有框架6和土体32，土体32内埋设普通锚杆10和控制锚杆11，框架6设置在土体32前，锚具26和垫板27将穿过框架6的普通锚杆10和控制锚杆11锚固框架6上，形成模拟支护边坡，框架6和土体32之间安装加速度计30和土压力盒31，框架6上安装位移传感器29，普通锚杆10和控制锚杆11的自由段贴有应变片28，通过通讯线5将应变片28、加速度计30和土压力盒31与动态数据采集仪4连接，再与电脑3连接，通讯线5将位移传感器29和控制锚杆11的变阻尼装置15与电脑3连接。

本发明的框架锚杆边坡锚固结构地震响应控制试验装置的施工方法，其步骤为：

（1）根据相似比确定框架6、普通锚杆10和锚杆12的几何尺寸；

（2）预制框架6：支模板、绑扎钢筋和浇筑混凝土，同时预留普通锚杆10、锚杆12和加长杆21的出孔；

（3）预制普通锚杆10和锚杆12：根据计算锚固段的长度，用PVC管作为模板，将普通锚杆10和锚杆12插入PVC管内，浇筑混凝土，形成锚固段，养护完成后，拆掉PVC管；在自由段贴应变片28，并用绝缘胶带包扎保护；

（4）组装变阻尼装置15：在内装单杆活塞20的液压缸16内充填油液17，用旁通管路18将电液伺服阀19和液压缸16连接，充满油液17并排气调试，并在外套上护罩25；

（5）组装控制锚杆11：在锚杆12的相应位置焊接挡板13，将变阻尼装置15用螺栓23固定在锚杆12的挡板13上，用套筒22连接加长杆21和单杆活塞20的活塞杆；

（6）将框架6吊到模型箱2内，按设计倾斜一定的角度，并用绳子暂时固定，在模型箱内2从底向上装土体32到最底层普通锚杆10孔的位置，将普通锚杆10从模型箱2内向框架6外穿出，并用垫板27和锚具26锚固；

（7）在框架6的面板9后，与最底层普通锚杆10的同一高度位置，安装加速度计30和土压力盒31；

（8）安装控制锚杆11：将控制锚杆11和加长杆21同时穿出框架6，将垫板27套在加长杆21上并用螺帽24锚固在框架6上；依次将垫板27、锚固弹簧14套在锚杆12上，并用锚具26锚固在框架6上；

（9）继续向模型箱2内装土体32，直到从下向上的第二层普通锚杆10和控制锚杆11，重复步骤（7）、步骤（8）完成普通锚杆10和控制锚杆11的安装；

（10）将连接应变片28、加速度计30、土压力盒31的通讯线5与动态数据采集仪4连接；将变阻尼装置15、位移传感器29，动态数据采集仪4的通讯线5与电脑3连接；

（11）将模型箱2用吊车吊到振动台1上，并用螺栓23将其固定于振动台1上；

（12）输入不同加速度值的地震波进行试验测试。

本发明的有益效果是：针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种结构简单，操作方便，适用于室内边坡振动控制模拟试验的一种框架锚杆边坡锚固结构地震响应控制试验装置，通过该装置能直接测出半主动控制作用的锚喷支护边坡的设计参数，并掌握其动力特性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图2是图1中的框架6的正立面的结构示意图，图3是图2中的A-A剖面示意图，图4是图1中的控制锚杆11的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明的特征作更进一步描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限制本发明的范围。

本发明是一种框架锚杆边坡锚固结构地震响应控制试验装置，包括振动台1、模型箱2、框架6、普通锚杆10、控制锚杆11和土体32构成，模型箱2通过螺栓23与振动台1连接，模型箱2内装有框架6和土体32，土体32内埋设普通锚杆10和控制锚杆11，框架6设置在土体32前，锚具26和垫板27将穿过框架6的普通锚杆10和控制锚杆11锚固框架6上，形成模拟支护边坡，框架6和土体32之间安装加速度计30和土压力盒31，框架6上安装位移传感器29，普通锚杆10和控制锚杆11的自由段贴有应变片28，通过通讯线5将应变片28、加速度计30和土压力盒31与动态数据采集仪4连接，再与电脑3连接，通讯线5将位移传感器29和控制锚杆11的变阻尼装置15与电脑3连接。

如图1、图2所示，框架6由横梁7、立柱8和面板9构成。

如图1、图3所示，电脑3内装有控制算法、电液伺服阀19的驱动软件、A/D和D/A数据采集与转换板、放大器和应变测试软件。

如图1、图3、图4所示，控制锚杆11是将变阻尼装置15通过螺栓23和挡板13固定连接在锚杆12上、并用套筒22将加长杆21和变阻尼装置15的单杆活塞20连接，锚杆12和加长杆21分别穿过框架6，在锚杆12上依次套上垫板27、锚固弹簧14，用锚具26将其锚固于框架6上；在加长杆21上套垫板27用螺帽24将其锚固于框架6上。锚固弹簧14的刚度系数为200N/mm~400N/mm；控制锚杆11的直径和长度均大于同一行的普通锚杆10。

如图3、图4所示，变阻尼装置15由旁通管路18连接的液压缸16和电液伺服阀19构成，液压缸16内套有单杆活塞20，并在液压缸16和旁通管路18内填满油液17 。

如图4所示，液压缸16采用单杆活塞20，工作压力为7MPa，液压缸16的尺寸规格：M20X40X100；电液伺服阀19采用流量为20cm³/min~3.5L/min的比例节流伺服阀。

如图1所示，模型箱2为顶部和前部开口的长方体，底板边缘设有与振动台1连接的螺栓孔，顶部设有便于吊动的吊环，模型箱2长3000mm，宽1500mm，高2000mm。

如图1所示，电脑3和动态数据采集仪4放置于振动台1之外。

如图3所示，应变片28贴在普通锚杆10和控制锚杆11的自由段，并用绝缘胶带粘贴保护。

如图1、图2、图3所示，位移传感器29安装在框架6的横梁7上。

如图1、图2所示，控制锚杆11的施设位置能够改变，并通过改变控制锚杆11在框架6上的施设位置，能够对比分析出控制锚杆11的最优布置位置。

如图1、图2、图3所示，锚固弹簧14的作用为实现地震作用下将不稳定土体与稳定土体之间的位移差转化到框架6和控制锚杆11之间，通过对框架6实施控制来减小不稳定土体的相对位移。应变片贴28在普通锚杆10和控制锚杆11上，用于测试地震作用下锚杆的轴力变化；土压力盒31用于测试动土压力的变化；加速度计30用于测试地震作用下边坡的加速度沿坡高的变化规律，并通过相关计算得出的位移与位移传感器29测得的位移进行校核。位移传感器29通过通讯线5连接到电脑3，采集的数据通过电脑3内的数据转换板和控制算法进行分析，输出的信号通过通讯线5传到变阻尼装置15的电液伺服阀19，通过控制电液伺服阀19的开口“大小”来提供阻尼力，实现对框架6的位移控制。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明的施工方法的步骤为：

（1）根据相似比确定框架6、普通锚杆10和锚杆12的几何尺寸；

（2）预制框架6：支模板、绑扎钢筋和浇筑混凝土，同时预留普通锚杆10、锚杆12和加长杆21的出孔；

（3）预制普通锚杆10和锚杆12：根据计算锚固段的长度，用PVC管作为模板，将普通锚杆10和锚杆12插入PVC管内，浇筑混凝土，形成锚固段，养护完成后，拆掉PVC管；在自由段贴应变片28，并用绝缘胶带包扎保护；

（4）组装变阻尼装置15：在内装单杆活塞20的液压缸16内充填油液17，用旁通管路18将电液伺服阀19和液压缸16连接，充满油液17并排气调试，并在外套上护罩25；

（5）组装控制锚杆11：在锚杆12的相应位置焊接挡板13，将变阻尼装置15用螺栓23固定在锚杆12的挡板13上，用套筒22连接加长杆21和单杆活塞20的活塞杆；

（6）将框架6吊到模型箱2内，按设计倾斜一定的角度，并用绳子暂时固定，在模型箱内2从底向上装土体32到最底层普通锚杆10孔的位置，将普通锚杆10从模型箱2内向框架6外穿出，并用垫板27和锚具26锚固；

（7）在框架6的面板9后，与最底层普通锚杆10的同一高度位置，安装加速度计30和土压力盒31；

（8）安装控制锚杆11：将控制锚杆11和加长杆21同时穿出框架6，将垫板27套在加长杆21上并用螺帽24锚固在框架6上；依次将垫板27、锚固弹簧14套在锚杆12上，并用锚具26锚固在框架6上；

（9）继续向模型箱2内装土体32，直到从下向上的第二层普通锚杆10和控制锚杆11，重复步骤（7）、步骤（8）完成普通锚杆10和控制锚杆11的安装；

（10）将连接应变片28、加速度计30、土压力盒31的通讯线5与动态数据采集仪4连接；将变阻尼装置15、位移传感器29，动态数据采集仪4的通讯线5与电脑3连接；

（11）将模型箱2用吊车吊到振动台1上，并用螺栓23将其固定于振动台1上；

（12）输入不同加速度值的地震波进行试验测试。

本发明所提供的试验装置可以模拟地震作用下框架锚杆边坡锚固结构地震响应控制试验，并且安装方便，可控性强，通过调整框架的角度，可实现不同角度边坡的模拟；通过输入不同的地震加速度，可测得不同工况下，框架锚杆柔性支护结构在地震作用下的边坡土压力、锚杆轴力和支护结构的位移等；通过改变控制锚杆的位置，可得出控制锚杆的最优施设位置。本试验装置还能通过控制器通电与否，来实现锚喷支护加固边坡的控制和非控制之间的切换，通过测试这两种不同支护结构加固边坡的技术参数，来对比分析得出控制锚喷支护结构的优越性。

本发明能够促进半主动控制锚喷支护结构在边坡工程中的应用，将为半主动控制锚杆在边坡工程中的设计提供更加合理、有效的参数，可减少由于设计不当造成的重大损失；克服了现场试验无法进行阻碍人们对地震作用下锚喷支护边坡的动力特性认识，推动治理地震诱发的滑坡灾害向半主动控制方向发展。