一种动力作用下散粒料锚固效应物理模型试验装置及方法

摘要

一种动力作用下散粒料锚固效应物理模型试验装置及方法，便于开展相关领域的室内试验。其装置包括框架组件、动力加载组件和锚固实施组件。其优点在于：本发明提供了一进行动力作用下散粒料使用锚杆锚固开展锚固效应研究的装置，填补了该领域试验装置的空白；本发明的长方体框架结构简单、易于操作，长方体框架两侧为透明材质板便于在试验中观察试验现象；本发明有利于促进动力作用下散粒料锚固效应研究的室内试验的开展，从而对高堆石坝锚杆抗震提供一定理论依据，促进对高堆石坝锚杆抗震效应的进一步认识，推进国家规范的制定。

说明书

技术领域

本发明涉及地质灾害试验模型技术领域，具体的说是一种动力作用下散粒料锚固效应物理模型试验装置及方法。

背景技术

近年来在我国西南地震断裂带附近地区已建、在建或拟建一大批高土石坝，其中许多堆石坝坝高达到了200-300m级，地震烈度多在Ⅷ-Ⅸ度之间（如拟建的如美水电站堆石坝最大坝高315m，设计地震加速度0.32g）。由于坝高、库大，且筑坝材料堆石体为多种材料组成的散粒料，一旦遭遇超强震而失事，不仅会造成重大经济损失，而且对下游所形成的次生灾害将造成难以估量的人民生命财产损失。

自1972年法国首次在堆石坝填筑过程中采用加固技术后，许多堆石坝也一直采用加锚技术来提高堆石坝边坡抗震稳定。我国《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定：“设计地震烈度为9度的地区坝顶附近的上下游坝坡以上缓下陡或采用加筋堆石表面钢筋网或大块石堆筑等加固措施。”根据堆石坝工程设计经验，在坝体上部1/4坝高范围内采取加筋措施是经济有效的方法，可有效防止地震过程中坝顶堆石体的松动或滑落，改善坝体的整体稳定性。

虽然加锚措施是较为经济有效的方法，已成为高土石坝抗震加固设计中的主要方法之一，但目前能说明高堆石坝锚杆抗震加固效应的监测资料很少。 

在室内试验研究方面，国内外学者很少涉及散粒料锚固效应的试验研究，特别是极少涉及动力作用下使用锚杆进行锚固的散粒料锚固效应的试验研究。

发明内容

本发明的目的是针对上述现状设计一种动力作用下散粒料锚固效应物理模型试验装置及方法，便于开展相关领域的室内试验。

一种动力作用下散粒料锚固效应物理模型试验装置，包括框架组件、动力加载组件和锚固实施组件；

所述框架组件为长方体框架33，长方体框架33底部设有框架底板5，长方体框架33左、右两侧为横向日字形框架双层结构，双层结构之间插有透明材质板7；长方体框架33后侧设有用于插入锚固定位板8的插槽，在插槽外侧还设有纵向平行导轨12，支撑小梁11两端分别设置在导轨12内，支撑小梁11可沿导轨12上下滑动；所述框架底板5上开有多个螺孔4，所述螺孔4为通孔，用于通过螺栓34与动力加载组件连接；

所述动力加载组件为振动台1，设置于框架组件下方，用于提供试验时所需的动力；

所述的锚固实施组件包括锚固定位板8、锚具定位杆24和锚具25；所述锚固定位板8上开有多个圆孔10，锚具定位杆24的锚固端设有槽孔28，所述锚固端穿过圆孔10并水平搁置在支撑小梁11上，用于与锚具25尾部相连接。

所述用于插入锚固定位板8的插槽由长方体框架33后侧左右的立柱3和引导板17构成，引导板17与立柱3所在平面相平行。

所述纵向平行导轨12由四根小立柱19构成，所述四根小立柱19两两平行设置在长方体框架33后侧的左右两侧。

所述支撑小梁11的左、右两端设有螺栓21和垫片22。

所述锚具定位杆24由定位杆杆体27和把手26组成；所述定位杆杆体27一端开有槽孔28，定位杆杆体27另一端与把手26相连。

所述的锚具25由锚具尾部29、锚具杆体30、垫片31和螺母32组成；锚具杆体30的一端为锚具尾部29，锚具尾部29的横断面形状与定位杆杆体27所开槽孔28的形状匹配；锚具杆体30的另一端设有外螺纹，垫片31和螺母32通过外螺纹与锚具杆体30相连；所述垫片31具有一定的大小，能满足试验锚固的要求；所述螺母32在试验时旋入，用于对锚具25施加预应力。

一种利用上述装置的动力作用下散粒料锚固效应试验方法，包括如下步骤：

1、针对研究需求，设计相应的散粒料锚固模型；模型的设计依据相似原理，且针对研究对象取坝轴线下游或上游的区域进行缩尺模拟，模型轮廓呈直角梯形；依据相关工程的锚杆间距，包括垂直向间距、水平向间距，依据相似原理进行缩尺设计或按研究目的自行设计试验锚杆间距；依据相关工程筑坝堆石料的原始级配曲线，对原始级配曲线进行相应的缩尺以满足室内试验对试验散粒料尺寸的要求或按研究目的自行设计试验级配曲线； 

2、制作模型；具体包括如下子步骤：

(2.1)将长方体框架固定在振动台上，根据试验要求选用相应的锚固定位板，在透明材质板上画出设计的模型轮廓线及锚杆位置示意线；

(2.2)将按试验级配曲线筛选的散粒料拌合均匀，平铺于长方体框架内；填筑散粒料过程中，使用木锤或橡皮锤击实散粒料至设计孔隙率或设计密度，并进行修边使模型边坡与模型轮廓线贴合；

(2.3)待填筑散粒料至第一层施加锚具设计高度时，将支撑小梁移动至该设计高度，从长方体框架后部，通过锚固定位板上的圆孔插入锚具定位杆并将锚具定位杆水平搁置在支撑小梁上，并使锚具定位杆带槽孔一端置于模型中的设计位置；将锚具尾部插入槽孔中；

(2.4)继续填筑散粒料至第二层设计高度，设置锚具的过程同步骤(2.3)；安置第一层锚具的垫片、螺母，旋紧螺母使散粒料、垫片、螺母紧密贴合，按试验设计的大小施加预应力，缓慢抽去锚具定位杆；

(2.5)移动支撑小梁至第三层高度，设置锚具的过程同步骤(2.3)，安置第二层锚具的垫片、螺母，旋紧螺母使散粒料、垫片、螺母紧密贴合，按试验设计的大小施加预应力，缓慢抽去锚具定位杆；如此反复直至填筑至模型顶部，安置最后一层锚具的垫片、螺母，旋紧螺母使散粒料、垫片、螺母紧密贴合，按试验设计的大小施加预应力，缓慢抽去锚具定位杆，所有锚具安置完毕；至此模型制作完毕；

3、开启振动台，检查相关试验仪器是否处于正常状态，调试振动台及各相关试验仪器至正常状态，通过控制台输入试验设计的地震波，启动振动台开始试验；

4、观察、记录试验过程中和试验后模型的状态，通过相关仪器设备采集试验数据，例如模型破坏型式、水平位移、竖直位移、锚具应变等；

5、整理、分析试验数据。

模型制作的过程中，可在锚具杆体上布设应变片、模型中布设加速度传感器。

本发明一种动力作用下散粒料锚固效应物理模型试验装置及方法的优点是：

（1）本发明提供了一进行动力作用下散粒料使用锚杆锚固开展锚固效应研究的装置，填补了该领域试验装置的空白；

（2）本发明的长方体框架结构简单、易于操作，长方体框架两侧为透明材质板便于在试验中观察试验现象；

（3）本发明有利于促进动力作用下散粒料锚固效应研究的室内试验的开展，从而对高堆石坝锚杆抗震提供一定理论依据，促进对高堆石坝锚杆抗震效应的进一步认识，推进国家规范的制定。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为图1装置中局部结构放大图。

图3为图1装置中局部结构放大图。

图4为图1装置中局部结构放大图。

图5为图1装置中局部结构放大图。

图6为图1装置中局部结构放大图。

图7为图1装置中长方体框架的侧视图。

图8为图7中A-A断面剖视图。

图9为图7中局部结构放大图。

图10为图1装置中长方体框架的俯视图。

图11为图10中的局部结构放大图。

图12为图10中的局部结构放大图。

图13为图1装置中长方体框架的后视图。

图14为图1装置中支撑小梁的结构示意图。

图15为图1装置中长方体框架的前视图。

图16为锚具定位杆和锚具的结构示意图。

图17为锚具定位杆的结构示意图。

图18为锚具的结构示意图。

图19为本发明装置的试验操作过程断面结构示意图。

图中，1—振动台，2—下梁，3—立柱，4—螺孔，5—框架底板，6—前挡板，7—透明材质板，8—锚固定位板，9—后梁，10—圆孔，11—支撑小梁，12—导轨，13—底梁，14—中柱，15—侧梁，16—上梁，17—引导板，18—主板，19—小立柱，20—梁体，21—螺栓，22—垫块，24—锚具定位杆，25—锚具，26—把手，27—定位杆杆体，28—槽孔，29—锚具尾部，30—锚具杆体，31—垫片，32—螺母，33—长方体框架，34—螺栓，35—试验材料，36—试验设计外轮廓线，37—锚具定位线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明：如图1-19所示，一种动力作用下散粒料锚固效应物理模型试验装置，包括框架组件、动力加载组件和锚固实施组件；

框架组件由底部的框架底板5，前部的上梁16、前挡板6，两侧的侧梁15、下梁2、中柱14、透明材质板7，后部的锚固定位板8、后梁9、底梁13、导轨12、支撑小梁11和四角的立柱3相互连接构成。本实施例的框架底板5上开有贯通的螺孔4，螺孔4的布置根据选用的振动台1而定，在进行试验前通过与之相匹配的螺栓34把框架底板与振动台牢固相连。前部的上梁16优选型钢等具有高强度、不易弯曲的材料制成，通过与左右两侧立柱3相连保证长方体框架整体的稳定性。前挡板6置于框架底板5上，左右两侧与立柱3相连接，确保试验过程中散粒料不散落到长方体框架33外侧。两侧的侧梁15、下梁2、中柱14都由平行间隔的内外两部分组成，侧梁15、下梁2与同侧的前后两根立柱3相连，中柱14与侧梁15、下梁2相连，透明材质板7则固定于同侧的侧梁15、下梁2、中柱14间，从而构成长方体框架33的左右两侧。左右两侧的透明材质板7优选有机玻璃板等透光率高、强度高的材料，以便观察试验现象。后部的锚固定位板8上开有贯通的圆孔10，试验时为锚具定位杆24提供通道，圆孔10的布置根据试验方案而定，故当进行不同锚固间距的对比试验时，需要制作有不同圆孔布置的锚固定位板8。当然，也可在不影响试验的情况下，对锚固定位板8分区，每区按试验要求的间距开孔，即可在同一次试验中进行不同锚固间距的散粒料锚固效应的对比试验。锚固定位板8是通过后梁9、底梁13上的引导板17与后侧两立柱3组成的滑槽固定的。后梁9与底梁13在空间上呈对称布置，结构相同，由主板18与连接在主板18上的引导板17组成；后梁9与后侧两立柱3相连接，底梁13与后侧两立柱3及框架底板5相连接。导轨12左右对称的布置在长方体框架33的两侧，是由两根平行布置且有一定间隔的小立柱19组成的，小立柱19的两端分别固定在后梁9和底梁13的主板18上，除了起到轨道的作用外，还起到一定的支撑加固框架的作用。支撑小梁11由两端的螺栓21、垫块22和两端开有槽孔的梁体20构成，梁体20位于左右两侧的导轨12间，垫块22与螺栓21位于另一侧；螺栓21旋入梁体20端部的槽孔中，通过螺栓21的旋入或旋出使垫块22与导轨12贴合或分离，则可以调整支撑小梁11在导轨12上的位置，进而可以对位于不同位置的锚具定位杆24起到支撑作用。位于四角的立柱3，其底部与框架底板5的四角相连接，顶部分别与上梁16、侧梁15、后梁9相连接，横断面相同，均为形状为“F”的异性钢，可由角钢与钢板组合焊接而成。

动力加载组件为振动台1，试验时长方体框架33置于振动台1上，并通过螺栓34与振动台1牢固相连，在试验时提供模拟地震动力。振动台1可根据试验实施者的需求，选择现有技术下的振动台产品，优选三向地震模拟振动台。

锚固实施组件包括锚具定位杆24和锚具25。锚具定位杆24包括定位杆杆体27和把手26，锚具25包括锚具尾部29、锚具杆体30、垫片31和螺母32。定位杆杆体27截面优选圆形截面，杆体一端开有槽孔28，所开槽孔28横截面与锚具尾部29的截面形状相同，为方形或六边形等；试验时锚具尾部29插入锚具定位杆24的槽孔中，可通过固定把手的方式使锚具杆体30不旋转，同时在锚具25的另一端旋紧螺母32，从而施加预应力。

一种利用上述装置的动力作用下散粒料锚固效应试验方法，包括如下步骤：

一、散粒料锚固试验的设计及模型的制作

1、针对研究需求，设计相应的散粒料锚固模型。模型的设计依据相似原理，且针对研究对象取坝轴线下游或上游的区域进行缩尺模拟，模型轮廓呈直角梯形。依据相关工程的锚杆间距，包括垂直向间距、水平向间距，依据相似原理进行缩尺设计或按研究目的自行设计试验锚杆间距。依据相关工程筑坝堆石料的原始级配曲线，对原始级配曲线进行相应的缩尺以满足室内试验对试验散粒料尺寸的要求或按研究目的自行设计试验级配曲线。使用本发明装置中的锚具25模拟锚杆。

2、模型的制作。将长方体框架33固定在振动台1上，根据试验要求选用相应的锚固定位板8，在透明材质板7上画出设计的模型轮廓线及锚杆位置示意线；将按试验级配曲线筛选的散粒料拌合均匀，平铺于长方体框架33内。填筑散粒料过程中，使用木锤或橡皮锤击实散粒料至设计孔隙率或设计密度，并进行修边使模型边坡与模型轮廓线贴合；待填筑至第一层（由底部算起）施加锚具25设计高度时，将支撑小梁11移动至相应高度，从长方体框架33后部，通过锚固定位板8上的圆孔10插入锚具定位杆24，并使锚具定位杆24带槽孔28一端置于模型中的设计位置；将锚具尾部29插入槽孔中，此时垫片31、螺母32未在锚具杆体30上。继续填筑散粒料至下一层设计高度，填筑过程同上。此时安置第一层锚具的垫片31、螺母32，旋紧螺母使散粒料、垫片31、螺母32紧密贴合，按试验设计的大小施加预应力。对同层所有锚具施加预应力到设计值后，缓慢抽去锚具定位杆24。之后移动支撑小梁11至相应高度，重复以上操作，直至填筑至模型顶高程，所有锚具25安置完毕。至此模型制作完毕。以上模型制作的过程中，可在锚具杆体30上布设应变片、模型中布设加速度传感器等感应装置，但不限于应变片、加速度传感器等感应装置。

二、试验加载

3、开启振动台1，检查相关试验仪器是否处于正常状态，调试振动台1及各相关试验仪器至正常状态，通过控制台输入试验设计的地震波，启动振动台开始试验。

三、数据采集

4、观察、记录试验过程中和试验后模型的状态，通过相关仪器设备采集试验数据，例如模型破坏型式、水平位移、竖直位移、锚具应变等。

四、数据处理

5、整理、分析试验数据。

五、试验结束

6、关闭振动台1电源；

7、散粒料装袋回收，放于指定位置存放或丢弃；

8、回收试验过程中使用的物品，如锚具25、锚具定位杆24等，清洗、保养后放于指定位置存放；

9、移除长方体框架33，清理振动台1；

10、清洗长方体框架33，保养后放于指定位置存放；

本发明的核心在于下梁2、立柱3、框架底板5、前挡板6、透明材质板7、后梁9、支撑小梁11、导轨12、底梁13、中柱14、侧梁15、上梁16和锚固实施组件连接组合而成的装置整体，填补了动力作用下散粒料使用锚杆锚固开展锚固效应研究的试验装置的空白，以便开展相关的研究。但其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：位于导轨12上的支撑小梁11对锚具定位杆24起一定的支撑作用，但不限于该实施例结构，采用其他提供支撑的方式也是可行的；长方体框架两侧的侧梁15、中柱14、下梁2的结构具有内侧、外侧两部分，其目的是为透明材质板提供一种固定方式，但不限于该实施例结构，采用其他提供固定的方式也是可行的。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含着些改动和变形。