夯筑土遗址群锚拉拔试验系统

摘要

本发明公开了一种夯筑土遗址群锚拉拔试验系统，包括群锚锚固机构、加载机构以及数据采集与处理系统；所述群锚锚固机构包括夯土箱，在夯土箱内夯筑有夯土层，所述夯土层中设置有多个锚孔，所述多个锚孔相对于夯土层中心轴线呈等间距均匀布置；锚孔内设置有锚杆，所述锚杆与锚孔之间设置有锚固浆液；所述夯土箱包括箱座和设置在箱座上方沿竖直方向排列的多个箱体单元，所述箱体单元包括四个呈矩形排列的槽钢，相邻两个槽钢通过锁紧器固定连接；所述加载机构为锚杆施加拉力，并通过数据采集与处理系统监测锚固力、锚杆应变和位移。

说明书

技术领域

本发明属于文物保护中夯筑土遗址加固的锚固技术领域，特别涉及一种夯筑土遗址群锚拉拔试验系统。

背景技术

夯筑土遗址作为中国古代重要的建筑类型一直延续至今，由于多年受自然环境因素及人类活动的严重威胁，夯筑土遗址本体和载体出现了多种地质灾害，最常见的如纵横交错、大小不同的裂隙，将岩土体切割成许多大小不同的危土体，特别是平行于遗址本体的裂隙将土体切割开，造成倾倒和坍塌，使土遗址遭到严重破坏。基于文物保护“不改变原状、最低限度干预、使用恰当的保护技术”的原则，在夯筑土遗址保护加固中，全长粘结型锚杆锚固技术因其隐蔽性好、施工扰动程度小、有效控制变形与裂隙发展、调动土体自身承载性能等优点成为夯筑土遗址力学稳定性控制的最有效手段。

目前现有的单锚拉拔测试系统的研究成果，无法反映夯筑土遗址多根锚杆锚固状态下的受力机制，平均单根锚固力及经验性锚固设计方法，存在“过度加固或不足加固”的潜在威胁，如现在岩土工程中群锚设计中关于锚杆长度、锚杆间距、锚杆边距、锚杆数量均有明确的设计方法，但现有的设计方法不适用于夯筑土遗址。不当的加固设计改变了夯筑土遗址的应力分布，对夯筑土遗址造成新的伤害，严重制约夯筑土遗址锚固设计的科学化。

对于夯筑土遗址锚固效果的评估，考虑到遗址的价值，室内足尺物理模拟拉拔试验依然是最直观、最可靠的测试方法，但是现有单锚拉拔试验无法真实反映群锚效果。而目前在夯筑土遗址锚固加固研究领域尚未出现有关群锚拉拔试验的室内模拟试验系统，这就迫切需要进行此空白的研发工作。因此，开发一种可用于研究夯筑土遗址锚杆锚固群锚效应的室内拉拔试验系统，对于夯筑土遗址锚固加固设计的应用性研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有夯筑土遗址拉拔试验均为单锚拉拔的缺陷，提供了一种夯筑土遗址群锚拉拔试验系统。

本发明提供的技术方案为：

一种夯筑土遗址群锚拉拔试验系统，包括群锚锚固机构、加载机构以及数据采集与处理系统；

所述群锚锚固机构包括夯土箱，在夯土箱内夯筑有夯土层，所述夯土层中设置有多个锚孔，所述多个锚孔相对于夯土层中心轴线呈等间距均匀布置；锚孔内设置有锚杆，所述锚杆与锚孔之间设置有锚固浆液；

所述夯土箱包括箱座和设置在箱座上方沿竖直方向排列的多个箱体单元，所述箱体单元包括四个呈矩形排列的槽钢，相邻两个槽钢通过锁紧器固定连接；

所述加载机构为锚杆施加拉力，并通过数据采集与处理系统监测锚固力、锚杆应变和位移。

优选的是，所述加载机构包括：

加载板，其上设置有开孔，通过所述开孔将加载板与锚杆固定；

传力杆，其下端通过万向节与加载板中部连接；所述传力杆周向上布置有螺纹；

反力架，所述传力杆上端从所述反力架上穿过；

液压油缸，其设置在所述反力架上，并使传力杆从所述液压油缸穿过；

手持旋转锚头，其设置在所述液压油缸上方，所述手持旋转锚头与传力杆上的螺纹相配合，以将传力杆锁紧；

油泵，其与所述液压油缸连接，以为液压油缸提供压力。

优选的是，所述反力架包括两个平行布置的竖梁，在竖梁的上部自上而下设置有多个固定板，横梁放置在左右两个固定板上并保持横梁水平。

优选的是，所述竖梁下端设置有角撑，所述竖梁底部还设置有自动调平支座和移动轮。

优选的是，所述数据采集与处理系统包括：

应变片，其附着在锚杆上，以测量锚杆的应变；

应力传感器，其设置在液压油缸与手持旋转锚头之间，以测量锚固力；

位移测量装置，其包括吸附在应力传感器外柱表面的磁性表座，和固定在横梁上并与磁性表座连接的位移传感器，以测量锚杆的位移；

数显仪，其与所述应力传感器和位移传感器连接；

应变采集仪，其与所述应变片连接；

数据处理器，其与所述数显仪和应变采集仪连接。

优选的是，所述夯土箱底部设置有自动调平支座。

优选的是，所述锚孔设置有2-4个。

优选的是，所述锚杆采用木锚杆、楠竹锚杆、楠竹加筋复合锚杆和玻璃纤维锚杆中的一种。

优选的是，所述油泵为手动油泵。

优选的是，所述夯土层、加载板、传力杆、液压油缸、应力传感器的轴线同轴布置。

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(1)所有仪器与配件均为钢制，可以满足目前夯筑土遗址锚固加固用所有锚杆拉拔试验的刚度要求。

(2)反力架为可拆卸装置，横梁可通过横梁支座调节高度、跨度，可以满足不同长度锚杆的拉拔问题。

(3)夯土箱为可拆卸装置，每层为四条槽钢拼接，由紧锁器嵌锁，可分层夯筑，解决古代夯土建筑叠加夯筑工艺；可以按需求增加或减少槽钢层数，夯筑不同数量夯层，满足不同锚固深度问题。

(4)加载板上表面设置肋板，保证拉拔试验过程中加载板刚度与强度；加载板分为4孔式加载板和3孔式加载版，可以满足2、3、4根锚杆同时拉拔的群锚问题；开孔从加载板中心至边缘，可以解决锚杆间距问题。

(5)传力杆与加载板为双节式万向节连接，可以使钢制加载板在任意方向偏转，满足群锚拉拔试验时拉拔力均匀分布于每根锚杆，有效防止现有模型拉拔时由于应力分布不均匀，导致的锚杆间相对扭曲变形。

(6)反力架与夯土箱底部的自动调平支座，可以在重力作用下自动调节水平，解决试验场地地面不平整问题。

(7)拉拔试验过程中，锚固机构的锚固力、位移、杆体与浆体界面应变能通过计算机清楚的实时显示。

(8)加载板不直接放置于夯土箱之上，可以直接观测夯层表面的破坏情况与数据测量，整个系统是完全开放式，有利于试验数据分析。

附图说明

图1为本发明所述的夯筑土遗址群锚拉拔试验系统总体结构示意图。

图2为本发明所述的群锚锚固机构结构示意图。

图3为本发明所述的夯土箱主视拆卸图。

图4为本发明所述的箱体单元俯视图。

图5为本发明所述的箱体单元俯视拆卸图。

图6为本发明所述的反力架主视图。

图7为本发明所述的反力架左视图

图8为本发明所述的四孔加载板俯视图。

图9为本发明所述的三孔加载板俯视图。

图10为本发明所述的传力杆结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种夯筑土遗址群锚拉拔试验系统，包括群锚锚固机构、加载机构以及数据采集与处理系统。

一并参阅图2，所述群锚锚固机构包括夯土箱101、在夯土箱101中夯筑有夯土层102，在夯土层102中设置有2-4个锚孔，并且这些锚孔相对于夯土层102中心轴线呈等间距均匀布置。在每一个锚孔内均设置测试用的锚杆103，在锚杆103与锚孔之间设置有锚固浆液104，以将夯土层102与锚杆103固定连接。所述夯土箱101底部设置有自动调平支座105，其能够使夯土箱101始终保持水平状态。

如图3所示，所述夯土箱101包括箱座106和多个箱体单元107，所述箱座106设置在底部，并且自动调平支座105设置在箱座106的底端。多个箱体单元107依次罗列在箱座106的上方。一并参阅图4、图5，所述箱体单元107包括四个呈矩形排列的槽钢108，相邻两个槽钢108通过锁紧器109固定连接，形成一个箱体单元107。可以根据夯土层102的厚度来设置箱体单元107的层数。

如图1所示，所述加载机构包括反力架201、加载板202、传力杆203、手持旋转锚头204、万向节205、液压油缸206以及液压油泵207。

如图6、图7所示，所述反力架201包括两个平行布置的竖梁208，在竖梁208的上部，自上而下设置有多个固定板209，横梁210放置在固定板209上并保持横梁210水平。通过使横梁210放置在不同位置的固定板209上实现了调节横梁210上下的位置。所述竖梁208和横梁210均采用工字钢。所述竖梁208下部设置有角撑211，用于增强竖梁208的稳定性。在竖梁208的底部还设置有自动调平支座212和移动轮213。在横梁210上设置有肋板214，以增强横梁210的强度。手持旋转锚头204设置在横梁210上方的中部。

如图8、图9所示，所述加载板202呈圆形，其上设置有多个开孔215，所述开孔215的数量与锚杆103的数量相同，所述开孔215为长槽孔，其长度方向沿加载板202的径向方向。所述加载板202上设置有肋板216，用于增强加载板202的强度。通过开孔215将加载板202与多个锚杆103固定。

如图1、图10所示，所述传力杆203上均匀布置螺纹，传力杆203的下端与万向节205连接，万向节205再与加载板202的中部连接。传力杆203的上端从横梁210中心处的孔穿过。液压油缸206安装在横梁210的上方，并且使传力杆203的上端从液压油缸206穿过，手持旋转锚头204设置在液压油缸206的上方，用于将传力杆203锁紧。所述液压油缸206通过液压油管217与液压油泵207连接，所述液压油泵207为手动式油泵，通过按压液压油泵207实现为液压油缸206加压，对传立杆203施加拉力。

如图1、图2所示，所述数据采集与处理系统包括附着于锚杆103上的应变片301、设置于液压油缸206与手持旋转锚头204之间的应力传感器302、与应力传感器302相连接的位移测量装置303、与应力传感器302和位移测量装置303相连接的数显仪304、与应变片301相连接的应变采集仪305、以及与数显仪304和应变采集仪305相连接的数据处理器306。其中，所述位移测量装置303包括吸附在应力传感器302的外柱表面的磁性表座307，以及固定在横梁210上并与磁性表座307连接的位移传感器308。通过位移传感器308能够测量出传力杆的位移。

作为一种优选的，所述夯土箱101、自动调平支座105、反力架201、加载板202、传力杆203、手持旋转锚头204、万向节205均采用钢材料制成。

本发明提供了一种夯筑土遗址群锚拉拔试验系统在使用时，首选需要选择平整场地，放置夯土箱，在夯筑箱重力作用下，自动调平支座将夯土箱自动调整至水平。将夯土分层夯实，首先在夯土箱底层中夯筑夯土层，作为夯土底层，将四条槽钢通过锁紧器拼接成箱体单元，使夯土箱增加一层，并在该层夯筑夯土层，以此类推，直至试验所需夯土层数。除了夯土底层外，在夯土层中预留距夯土箱中心等间距锚孔，夯土层为夯筑土遗址坍塌原状土样，根据夯筑土遗址建筑工艺人工夯筑。

在测试锚杆锚固段粘贴布设应变片，应变片数量视研究要求而定。待夯土层干燥后，向锚孔注入浆液，插入试验锚杆，补满浆体；夯层外预留一定长度锚杆，为拉拔所用。

将液压油缸置于反力架的横梁上，应力传感器置于油缸上，钢制传力杆依次从下向上穿过反力架横梁圆孔、油缸、应力传感器，顶部通过手持旋转锚头旋转锁紧，确保反力架中心孔、液压油缸、应力传感器与传力杆中心线重合。将加载板与传力杆通过两节式万向节连接；将反力架移至夯土箱顶，使锚杆对称穿过加载板开孔中，确保传力杆中心与夯土箱中心重合。将锚具套在锚杆上，放置于加载板上，并用夹片将锚具与测试锚杆紧紧粘结在一起；同时再次旋转顶部钢制手持旋转锚头，以减少试验过程中位移损失。

将与应变片连接的应变导线引出与应变采集仪连接；应变采集仪连接数据处理器，在试验过程中实时监测测试锚杆的应变量。液压油缸通过液压油管与液压手动泵连接，试验过程中由人工对液压油缸手动加压。通过传感器连接线将应力传感器与数显仪连接，实时监测当前应力值。位移计通过磁性表座吸附在应力传感器的外柱表面，再通过传感器连接线将位移传感器与数显仪连接，实时监测当前位移值。将数显仪通过导线与数据处理器连接，记录并储存荷载-位移变化曲线。

进行试验时，对液压油泵手动加压，通过液压油管传递的油压，使油缸内活塞上升，通过传力杆传至加载板，加载板将荷载均匀分散至每根测试锚杆，提供拉拔所需荷载；油缸施荷的反力通过反力架传至地面。拉拔过程中，通过数显仪、应变采集仪、数据处理器控制监测群锚系统锚固力、锚杆位移、杆体与浆体界面应变量；通过试验现象观察记录群锚系统宏观破坏模式，测量破坏间距、边距等数据。通过调节锚杆长度、锚杆直径、锚孔大小、锚杆间距与边距等变量，揭示夯筑土遗址锚杆锚固的群锚效应，为锚固设计提供科学依据。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。