土层锚固体界面应力传递机理试验系统及试验方法

摘要

本发明公开了一种土层锚固体界面应力传递机理试验系统及试验方法，由用于埋设锚固体锚杆和传感器的试验装置、应力和位移量测系统、拉力试验机以及光学采集系统所组成；试验装置为半圆状的立式箱体；使用试验前，首先在锚杆上制作砂浆锚固体，装入立体式箱体中，添加土样，装上活动盖板，构成试验装置；将拉力/位移传感器和微型压力传感器连接数据采集仪表和计算机，将CCD摄像系统对准试验装置的透明面；拉力试验机工作时，数据采集仪采集拉力/位移和压力数据，形成统一的数据文件传送给计算机，同时CCD摄像系统透过试验装置的透明面记录整个试验过程的变化情况和相关数据，本发明为建立及研究土层锚固体界面变形失效规律提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种试验装置，尤其涉及研究土层锚杆锚、锚索锚固机理的试验 装置。

背景技术

土层锚固技术是在土层或破碎的岩体中进行植筋或加固的技术，是近代岩土 工程领域的一项重要组成部分。随着我国大力兴建基础设施，特别是对交通、能 源、水利和城市基础设施建设力度的加大，锚固技术已展示出十分广阔的应用前 景。虽然土层锚固技术的应用范围较广，新的锚固方式(如拉力型、压力型、扩 径型、混合型及其多元形式)不断出现，但对其锚固机理的认识与理论研究却相 对滞后，目前还没有一种可以得到广泛认可的工程设计理论，整体处在经验设计 阶段，还有许多问题有待于进一步解决。由于土体的性质复杂性，土层锚固工程 出现病害甚至失事的现象屡见不鲜，给工程建设带来极大的安全隐患，严重的甚 至造成工程中断、人员伤亡和带来重大的经济损失。因此对土层锚固理论及应用 的研究是有十分重要的意义。

土层锚固体理论研究的基础，首先应该对土层锚固体在荷载的作用下、土层 与锚固体之间的应力及位移分布情况进行试验。在以往的研究工作中，人们进行 了大量的现场测试和宏观实验研究以揭示锚固体的宏观力学行为。当然人们也注 意了锚固体与土接触面的细观特性，M.R.Dyer用光弹试验来考察各种土工合成 材料与“土”相对作用时应力分布模式。该试验所用“土样”为碾碎的硼硅酸玻 璃，试验沉浸在与玻璃具有相同的折射率的液体石蜡中进行，加荷后在圆形偏振 光照射下用偏光镜观察，获得光弹图形进行分析。Y.Yoshimi和T.Kishida进 行剪切试验，在砂土中埋设小铅球，通过X射线来追踪铅球的位置，观察接触 面上颗粒的运动规律。张嘎等建立了跟踪并测量土颗粒运动的细观测量算法，编 制了相应软件，对粗粒土与结构接触面剪切试验过程中的土颗粒运动进行了测 量。这些实验方法都是采用平面方法(平面应力或平面应变)进行的，与锚固系 统的轴对称特性有较大的差异，不能反映锚固体界面变形出现体胀而产生径向压 力的现象。

发明内容

本发明的目的是针对土层锚固体界面应力传递机理研究需要，发明一种土层 锚固体界面应力传递机理试验系统，同时提供该系统试验方法。

技术方案是：一种土层锚固体界面应力传递机理试验系统，其特征在于， 由用于埋设锚固体锚杆和传感器的试验装置、应力和位移量测系统、拉力试验机 以及光学采集系统所组成；其中：

所述的埋设锚固体和传感器的试验装置，包括一个断面为半圆状的立式箱 体，即立式箱体的前面为平面板，其余周面为半圆弧壳体，而且至少平面壳体应 为透明的；立式箱体内盛装有土样，土样的上面设有半圆形的活动盖板，活动盖 板上设有孔，孔的位置应布置在圆心位置，通过孔安装上周围制作有锚固体的锚 杆，立式箱体底面固定上拉杆，拉杆与锚杆在同一轴线上；在立式箱体壁的不同 高度上设有若干导线孔；

所述的应力和位移量测系统，包括设在锚固体上端部的的拉力/位移传感 器、埋设在立式箱体土层中不同高度上的微型压力传感器、连接在上述传感器上 的数据采集仪表、连接在数据采集仪表上的用于数据处理的计算机和图像卡；

所述的拉力试验机设有夹住试验装置锚杆头的上夹具和夹住试验装置拉杆 的下夹具，为试验装置提供试验所需要的拉力；

所述的光学采集系统是设置在试验装置外部的CCD摄像系统，用于采用光 学实验方法观察、监测和计算锚固体和土层的位移场和应变场。

进一步，所述的立式箱体由半圆壳体和透明前档板两部分连接组成，半圆 壳体的两翼和透明前档板通过夹板用螺栓连接在一起。所述的土样箱体上下分别 设置固定和活动盖板，活动盖板的作用是在装入土样后，用螺栓与箱体固定。

进一步，所述的透明平面档板采用钢化玻璃，以便直接观察或采用光学实 验方法观察荷载作用下土样颗粒位移变形应变状态和运动规律。

进一步，所述的锚杆周围制作的锚固体为砂浆材料制作的半圆形断面的锚 固体。

进一步，所述的半圆壳体直径为40mm。

进一步，所述的锚杆采用φ16的螺纹钢筋。

本发明的试验方法是：

第一步、试验前，首先在锚杆上制作砂浆锚固体，在砂浆锚固体上端固定 上拉力/位移传感器，并在立体式箱体中的不同高度上用胶带临时固定上微型压 力传感器，待砂浆锚固体养护28天后将砂浆锚固体锚杆装入立体式箱体中，添 加土样，根据土样密实度的要求依次捣实，然后装上活动盖板，构成试验装置；

第二步、将试验装置安装在拉力试验机上，安装时用拉力试验机的上下夹 具分别夹持住试验装置的锚杆头和拉杆，并保证透明的一面朝外；试验装置固定 后，将拉力/位移传感器和微型压力传感器的导线从导线孔穿出，穿出后连接数 据采集仪表，将数据采集仪表再与图像卡和计算机连接；将CCD摄像系统布置在 试验装置对面，保证摄像头对准试验装置的透明面；

第三步、准备就绪，开始试验，启动拉力试验机，以位移模式进行加载， 数据采集仪采集拉力/位移和压力数据，形成统一的数据文件传送给计算机，进 行比较、计算、分析和处理，以获得随着锚固体荷载和位移的增大产生的径向压 力的变化规律；同时CCD摄像系统透过试验装置的透明面记录整个试验过程的变 化情况和相关数据，再根据相关数据采用光学实验方法计算锚固体和土层的位移 场和应变场，为建立及研究土层锚固体界面变形失效规律提供依据。

本发明的积极效果是：

1.由于采用半圆形立式箱体，能够模拟锚固体荷载传递的轴对称 特征。

2.由于前挡板是透明的，具有试验可视化，能采用直接观察法或 借助于光学实验方法直接观察锚固体在荷载作用下土颗粒的运动规律以及锚固 体和土样的变形及应变状态。

3.通过设置在箱体壁内的微型压力传感器，可获得随着锚固体荷 载和位移的增大产生的径向压力的变化情况。

4.实验工作可在一般常用的材料力学试验机上进行，不需要配置专用实验设 备。

附图说明

图1是本发明的实施例试验装置的主视图；

图2图1的侧视图；

图3是图1的俯视图；

图4是另一实施例立体箱体的俯视图；

图5是本发明实验系统示意图。

图中：1-立式箱体，2-活动盖板，3-锚杆，4-土样5-孔，6-上夹具，7- 传感器导线孔，8-微型压力传感器，9-透明前档板，10-半圆弧壳体，11-夹 板，12-拉杆，13-锚固体，14-拉力试验机，15-图像卡，16-计算机，17-数据 转换仪表，18-光学采集系统，19-拉力/位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行进一步的说明；

如图5所示，一种土层锚固体界面应力传递机理试验系统，由用于埋设锚 固体锚杆和传感器的试验装置、应力和位移量测系统、拉力试验机14以及光学 采集系统18所组成；其中：

所述的埋设锚固体和传感器的试验装置如图1-3所示，包括一个断面为半 圆状的立式箱体1，即立式箱体1的前面为平面板，其余周面为半圆弧壳体10， 而且至少平面壳体应为透明的；立式箱体1内盛装有土样4，土样4的上面设有 半圆形的活动盖板2，活动盖板2上设有孔5，孔5的位置应布置在活动盖板2 的圆心位置，通过孔5安装上周围制作有锚固体13的锚杆3，立式箱体1底面固 定上拉杆12，拉杆12与锚杆3在同一轴线上；在立式箱体1壁的不同高度上设 有若干传感器导线孔7；

所述的应力和位移量测系统，包括设在锚固体13上端部的的拉力/位移传 感器19、埋设在立式箱体土样4中不同高度上的微型压力传感器8、连接在微型 压力传感器8上的数据采集仪表17，连接在数据采集仪表17上的数据处理的计 算机16和图像卡15。

所述的拉力试验机14设有夹住试验装置锚杆3头的上夹具6和夹住试验装 置拉杆12的下夹具，拉力试验机14为试验装置提供试验所需要的拉力；

所述的光学采集系统18是设置在试验装置外部的CCD摄像系统，用于采用 光学实验方法观察、监测和计算锚固体和土层的位移场和应变场；

进一步，所述的立式箱体1如图4所示，由半圆弧壳体10和透明前档板9 两部分连接组成，半圆弧壳体10的两翼和透明前档板9通过夹板11用螺栓连接 在一起。

进一步，锚固体13为砂浆材料制作的半圆形断面的锚固体。

进一步，半圆弧壳体10直径为40mm。

进一步，锚杆3采用φ16的螺纹钢筋。

本发明的试验方法是，

第一步、使用试验前，首先在锚杆3上制作砂浆锚固体13，在砂浆锚固体 13上端固定上拉力/位移传感器19，并在立体式箱体1中的不同高度上用胶带临 时固定上微型压力传感器8，待砂浆锚固体13养护28天后将砂浆锚固体锚杆3 装入立体式箱体1中，添加土样4，根据土样4密实度的要求依次捣实，然后装 上活动盖板2，构成试验装置；

第二步、将试验装置安装在拉力试验机14上，安装时用拉力试验机14的 上夹具6和下夹具分别夹持住试验装置的锚杆3头和拉杆12，并保证透明的一面 朝外；试验装置固定后，将拉力/位移传感器19和微型压力传感器8的导线从导 线孔7穿出，穿出后连接数据采集仪表17，将数据采集仪表17再与图像卡15 和计算机16连接；将CCD摄像系统布置在试验装置对面，保证摄像头对准试验 装置的透明面；

第三步、准备就绪，开始试验，启动拉力试验机14，以位移模式进行加载， 数据采集仪表17采集拉力/位移和压力数据，形成统一的数据文件传送给计算机 16，进行比较、计算、分析和处理，以获得随着锚固体荷载和位移的增大产生的 径向压力的变化规律；同时CCD摄像系统透过试验装置的透明面记录整个试验过 程的变化情况和相关数据，再根据相关数据采用光学实验方法计算锚固体和土层 的位移场和应变场，为建立及研究土层锚固体界面变形失效规律提供依据。