框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置及施工方法
【專利摘要】框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置及施工方法，模型箱（2）內裝有框架（6）和土體（32），土體（32）內埋設普通錨桿（10）和控制錨桿（11），框架（6）設置在土體（32）前，錨具（26）和墊板（27）將穿過框架（6）的普通錨桿（10）和控制錨桿（11）錨固框架（6）上，形成模擬支護邊坡，框架（6）和土體（32）之間安裝加速度計（30）和土壓力盒（31），框架（6）上安裝位移傳感器（29），普通錨桿（10）和控制錨桿（11）的自由段貼有應變片（28），通過通訊線（5）將應變片（28）、加速度計（30）和土壓力盒（31）與動態數據采集儀（4）連接，再與電腦（3）連接。
【專利說明】框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置及施工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置，主要用于框架錨桿錨固邊坡在地震作用下震動響應控制特性的試驗研究，屬于巖土工程振動控制領域。
【背景技術】
[0002]地震誘發的邊坡滑動是主要的滑坡災害類型之一，在山區和丘陵地帶，地震誘發的滑坡往往具有分布廣，數量多，危害大等特點。滑坡的發生，給人民的生命財產帶來巨大的威脅和災難。因此，地震荷載作用下，邊坡的動力穩定性問題是巖土工程和地震工程界共同關注的難點問題。地震誘發滑坡的原因主要表現在:一方面，地震力的作用，使斜坡體承受的慣性力發生改變，觸發了滑動；另一方面，地震力的作用，造成地表變形和裂縫的增加，降低了巖土體的力學強度指標，引起了地下水位的上升和徑流條件的改變，進一步創造了滑坡。為了減輕地震誘發的滑坡災害對人類生活的影響，人們采用抗震設防的思想來抵御震害。
[0003]錨噴支護結構屬于輕型柔性支擋結構，由于自身輕、柔的特點在邊坡工程治理中得到廣泛的應用。傳統的錨噴支護結構抗震設計方法主要以增大支護結構剛度或增設隔震層的方式來抵御地震作用，然而，當地震作用超過一定的限值，被動的增加剛度或增設隔震層的支護結構仍可能出現過大的變形、甚至破壞，導致支護體的失穩垮塌。隨著科技的進步，傳統的抗震設計方法越來越難滿足現階段提出的更嚴格抗震安全性和適用性要求。針對現有錨噴支護結構難以自我調整抵御地震作用的缺點，專利號:201310668635.4提出了一種帶有半主動變阻尼控制裝置的錨管，專利號:201310666447.8提出了一種半主動變剛度耗能減震控制錨桿。
[0004]目前，地震作用下的邊坡穩定性計算大多采用擬靜力法和動力有限元法，但這些方法都遠未達到成熟的程度，而地震作用下邊坡的控制還處于探索階段，為了進一步了解地震作用下邊坡失穩機制，為邊坡地震穩定性分析提供科學依據，首先必須對地震作用下邊坡的動力特性和動力響應規律進行研究，掌握帶有控制裝置的錨噴支護結構的控制效果和控制錨桿的最優施設位置，這不僅是工程建設實踐發展的要求，也是工程設計理念從被動控制向半主動控制轉變的客觀需要，具有重要的經濟意義和實踐價值。由于地震災害突發性強，猝不及防，破壞性大，現場試驗難以實現，人們還不能對地震進行準確的預測，必須通過尋找一種能夠控制參數的室內相似模擬試驗的方法和裝置來獲取相關技術參數。
【發明內容】
[0005]本發明目的是提供一種框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置及施工方法。
[0006]本發明是框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置及施工方法，其裝置包括振動臺1、模型箱2、框架6、普通錨桿10、控制錨桿11，模型箱2通過螺栓23與振動臺I連接，模型箱2內裝有框架6和土體32，土體32內埋設普通錨桿10和控制錨桿11，框架6設置在土體32前，錨具26和墊板27將穿過框架6的普通錨桿10和控制錨桿11錨固框架6上，形成模擬支護邊坡，框架6和土體32之間安裝加速度計30和土壓力盒31，框架6上安裝位移傳感器29，普通錨桿10和控制錨桿11的自由段貼有應變片28，通過通訊線5將應變片28、加速度計30和土壓力盒31與動態數據采集儀4連接，再與電腦3連接，通訊線5將位移傳感器29和控制錨桿11的變阻尼裝置15與電腦3連接。
[0007]本發明的框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置的施工方法，其步驟為:
(1)根據相似比確定框架6、普通錨桿10和錨桿12的幾何尺寸；
(2)預制框架6:支模板、綁扎鋼筋和澆筑混凝土，同時預留普通錨桿10、錨桿12和加長桿21的出孔；
(3)預制普通錨桿10和錨桿12:根據計算錨固段的長度，用PVC管作為模板，將普通錨桿10和錨桿12插入PVC管內，澆筑混凝土，形成錨固段，養護完成后，拆掉PVC管；在自由段貼應變片28，并用絕緣膠帶包扎保護；
(4)組裝變阻尼裝置15:在內裝單桿活塞20的液壓缸16內充填油液17，用旁通管路18將電液伺服閥19和液壓缸16連接，充滿油液17并排氣調試，并在外套上護罩25 ；
(5)組裝控制錨桿11:在錨桿12的相應位置焊接擋板13，將變阻尼裝置15用螺栓23固定在錨桿12的擋板13上，用套筒22連接加長桿21和單桿活塞20的活塞桿；
(6)將框架6吊到模型箱2內，按設計傾斜一定的角度，并用繩子暫時固定，在模型箱內2從底向上裝土體32到最底層普通錨桿10孔的位置，將普通錨桿10從模型箱2內向框架6外穿出，并用墊板27和錨具26錨固；
(7)在框架6的面板9后，與最底層普通錨桿10的同一高度位置，安裝加速度計30和土壓力盒31 ；
(8)安裝控制錨桿11:將控制錨桿11和加長桿21同時穿出框架6，將墊板27套在加長桿21上并用螺帽24錨固在框架6上；依次將墊板27、錨固彈簧14套在錨桿12上，并用錨具26錨固在框架6上；
(9)繼續向模型箱2內裝土體32，直到從下向上的第二層普通錨桿10和控制錨桿11，重復步驟(7)、步驟(8)完成普通錨桿10和控制錨桿11的安裝；
(10)將連接應變片28、加速度計30、土壓力盒31的通訊線5與動態數據采集儀4連接；將變阻尼裝置15、位移傳感器29，動態數據采集儀4的通訊線5與電腦3連接；
(11)將模型箱2用吊車吊到振動臺I上，并用螺栓23將其固定于振動臺I上；
(12)輸入不同加速度值的地震波進行試驗測試。
[0008]本發明的有益效果是:針對上述存在的問題，本發明的目的是提供一種結構簡單，操作方便，適用于室內邊坡振動控制模擬試驗的一種框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置，通過該裝置能直接測出半主動控制作用的錨噴支護邊坡的設計參數，并掌握其動力特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是本發明的結構示意圖，圖2是圖1中的框架6的正立面的結構示意圖，圖3是圖2中的A-A剖面示意圖，圖4是圖1中的控制錨桿11的結構示意圖。【具體實施方式】
[0010]下面結合附圖和具體實例對本發明的特征作更進一步描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限制本發明的范圍。
[0011]本發明是一種框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置，包括振動臺1、模型箱2、框架6、普通錨桿10、控制錨桿11和土體32構成，模型箱2通過螺栓23與振動臺I連接，模型箱2內裝有框架6和土體32，土體32內埋設普通錨桿10和控制錨桿11，框架6設置在土體32前，錨具26和墊板27將穿過框架6的普通錨桿10和控制錨桿11錨固框架6上，形成模擬支護邊坡，框架6和土體32之間安裝加速度計30和土壓力盒31，框架6上安裝位移傳感器29，普通錨桿10和控制錨桿11的自由段貼有應變片28，通過通訊線5將應變片28、加速度計30和土壓力盒31與動態數據采集儀4連接，再與電腦3連接，通訊線5將位移傳感器29和控制錨桿11的變阻尼裝置15與電腦3連接。
[0012]如圖1、圖2所示，框架6由橫梁7、立柱8和面板9構成。
[0013]如圖1、圖3所示，電腦3內裝有控制算法、電液伺服閥19的驅動軟件、A/D和D/A數據采集與轉換板、放大器和應變測試軟件。
[0014]如圖1、圖3、圖4所示，控制錨桿11是將變阻尼裝置15通過螺栓23和擋板13固定連接在錨桿12上、并用套筒22將加長桿21和變阻尼裝置15的單桿活塞20連接，錨桿12和加長桿21分別穿過框架6，在錨桿12上依次套上墊板27、錨固彈簧14，用錨具26將其錨固于框架6上；在加長桿21上套墊板27用螺帽24將其錨固于框架6上。錨固彈簧14的剛度系數為200N/mnT400N/mm ;控制錨桿11的直徑和長度均大于同一行的普通錨桿10。
[0015]如圖3、圖4所不，變阻尼裝置15由芳通管路18連接的液壓缸16和電液伺服閥19構成，液壓缸16內套有單桿活塞20，并在液壓缸16和旁通管路18內填滿油液17。
[0016]如圖4所示，液壓缸16采用單桿活塞20，工作壓力為7MPa，液壓缸16的尺寸規格:M20X40X100 ;電液伺服閥19采用流量為20cmVmirT3.5L/min的比例節流伺服閥。
[0017]如圖1所示，模型箱2為頂部和前部開口的長方體，底板邊緣設有與振動臺I連接的螺栓孔，頂部設有便于吊動的吊環，模型箱2長3000mm，寬1500mm，高2000mm。
[0018]如圖1所示，電腦3和動態數據采集儀4放置于振動臺I之外。
[0019]如圖3所示，應變片28貼在普通錨桿10和控制錨桿11的自由段，并用絕緣膠帶粘貼保護。
[0020]如圖1、圖2、圖3所示，位移傳感器29安裝在框架6的橫梁7上。
[0021]如圖1、圖2所示，控制錨桿11的施設位置能夠改變，并通過改變控制錨桿11在框架6上的施設位置，能夠對比分析出控制錨桿11的最優布置位置。
[0022]如圖1、圖2、圖3所示，錨固彈簧14的作用為實現地震作用下將不穩定土體與穩定土體之間的位移差轉化到框架6和控制錨桿11之間，通過對框架6實施控制來減小不穩定土體的相對位移。應變片貼28在普通錨桿10和控制錨桿11上，用于測試地震作用下錨桿的軸力變化；土壓力盒31用于測試動土壓力的變化；加速度計30用于測試地震作用下邊坡的加速度沿坡高的變化規律，并通過相關計算得出的位移與位移傳感器29測得的位移進行校核。位移傳感器29通過通訊線5連接到電腦3，采集的數據通過電腦3內的數據轉換板和控制算法進行分析，輸出的信號通過通訊線5傳到變阻尼裝置15的電液伺服閥19，通過控制電液伺服閥19的開口“大小”來提供阻尼力，實現對框架6的位移控制。[0023]如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本發明的施工方法的步驟為:
(1)根據相似比確定框架6、普通錨桿10和錨桿12的幾何尺寸；
(2)預制框架6:支模板、綁扎鋼筋和澆筑混凝土，同時預留普通錨桿10、錨桿12和加長桿21的出孔；
(3)預制普通錨桿10和錨桿12:根據計算錨固段的長度，用PVC管作為模板，將普通錨桿10和錨桿12插入PVC管內，澆筑混凝土，形成錨固段，養護完成后，拆掉PVC管；在自由段貼應變片28，并用絕緣膠帶包扎保護；
(4)組裝變阻尼裝置15:在內裝單桿活塞20的液壓缸16內充填油液17，用旁通管路18將電液伺服閥19和液壓缸16連接，充滿油液17并排氣調試，并在外套上護罩25 ；
(5)組裝控制錨桿11:在錨桿12的相應位置焊接擋板13，將變阻尼裝置15用螺栓23固定在錨桿12的擋板13上，用套筒22連接加長桿21和單桿活塞20的活塞桿；
(6)將框架6吊到模型箱2內，按設計傾斜一定的角度，并用繩子暫時固定，在模型箱內2從底向上裝土體32到最底層普通錨桿10孔的位置，將普通錨桿10從模型箱2內向框架6外穿出，并用墊板27和錨具26錨固；
(7)在框架6的面板9后，與最底層普通錨桿10的同一高度位置，安裝加速度計30和土壓力盒31 ；
(8)安裝控制錨桿11:將控制錨桿11和加長桿21同時穿出框架6，將墊板27套在加長桿21上并用螺帽24錨固在框架6上；依次將墊板27、錨固彈簧14套在錨桿12上，并用錨具26錨固在框架6上；
(9)繼續向模型箱2內裝土體32，直到從下向上的第二層普通錨桿10和控制錨桿11，重復步驟(7)、步驟(8)完成普通錨桿10和控制錨桿11的安裝；
(10)將連接應變片28、加速度計30、土壓力盒31的通訊線5與動態數據采集儀4連接；將變阻尼裝置15、位移傳感器29，動態數據采集儀4的通訊線5與電腦3連接；
(11)將模型箱2用吊車吊到振動臺I上，并用螺栓23將其固定于振動臺I上；
(12)輸入不同加速度值的地震波進行試驗測試。
[0024]本發明所提供的試驗裝置可以模擬地震作用下框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗，并且安裝方便，可控性強，通過調整框架的角度，可實現不同角度邊坡的模擬；通過輸入不同的地震加速度，可測得不同工況下，框架錨桿柔性支護結構在地震作用下的邊坡土壓力、錨桿軸力和支護結構的位移等；通過改變控制錨桿的位置，可得出控制錨桿的最優施設位置。本試驗裝置還能通過控制器通電與否，來實現錨噴支護加固邊坡的控制和非控制之間的切換，通過測試這兩種不同支護結構加固邊坡的技術參數，來對比分析得出控制錨噴支護結構的優越性。
[0025]本發明能夠促進半主動控制錨噴支護結構在邊坡工程中的應用，將為半主動控制錨桿在邊坡工程中的設計提供更加合理、有效的參數，可減少由于設計不當造成的重大損失；克服了現場試驗無法進行阻礙人們對地震作用下錨噴支護邊坡的動力特性認識，推動治理地震誘發的滑坡災害向半主動控制方向發展。
【權利要求】
1.框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置，包括振動臺(I)、模型箱(2)、框架(6)、普通錨桿(10)、控制錨桿(11)，其特征在于:模型箱(2)通過螺栓(23)與振動臺(I)連接，模型箱(2)內裝有框架(6)和土體(32)，土體(32)內埋設普通錨桿(10)和控制錨桿(11)，框架(6)設置在土體(32)前，錨具(26)和墊板(27)將穿過框架(6)的普通錨桿(10)和控制錨桿(11)錨固框架(6)上，形成模擬支護邊坡，框架(6)和土體(32)之間安裝加速度計(30 )和土壓力盒(31)，框架(6 )上安裝位移傳感器(29 )，普通錨桿(10 )和控制錨桿(11)的自由段貼有應變片(28)，通過通訊線(5)將應變片(28)、加速度計(30)和土壓力盒(31)與動態數據采集儀(4 )連接，再與電腦(3 )連接，通訊線(5 )將位移傳感器(29 )和控制錨桿(11)的變阻尼裝置(15)與電腦(3)連接。
2.根據權利要求1所述的框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置，其特征在于:控制錨桿(11)是將變阻尼裝置(15)通過螺栓(23)和擋板(13)固定連接在錨桿(12)上、并用套筒(22)將加長桿(21)和變阻尼裝置(15)的單桿活塞(20)連接，錨桿(12)和加長桿(21)分別穿過框架(6)，在錨桿(12)上依次套上墊板(27)、錨固彈簧(14)，用錨具(26)將其錨固于框架(6)上；在加長桿(21)上套上墊板(27)用螺帽(24)將其錨固于框架(6)上。
3.根據權利要求1所述的框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置，其特征在于:變阻尼裝置(15)的液壓缸(16)采用單桿活塞(20)，工作壓力為7MPa，液壓缸(16)的尺寸規格:M20X40X100 ;電液伺服閥(19)采用流量為20cm3/mirT3.5L/min的比例節流伺服閥。
4.根據權利要求 1所述的框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置，其特征在于:錨固彈簧(14)的剛度系數為200N/mnT400N/mm。
5.根據權利要求1所述的框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置，其特征在于:模型箱(2)為頂部和前部開口的長方體，底板邊緣設有與振動臺(I)連接的螺栓孔，頂部設有吊環。
6.根據權利要求1所述的框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置，其特征在于:電腦(3 )和動態數據采集儀(4 )放置于振動臺(I)之外。
7.根據權利要求1所述的框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置，其特征在于:控制錨桿(11)的施設位置能夠改變。
8.框架錨桿邊坡錨固結構地震響應控制試驗裝置的施工方法，其步驟為: (1)根據相似比確定框架(6)、普通錨桿(10)和錨桿(12)的幾何尺寸； (2)預制框架(6):支模板、綁扎鋼筋和澆筑混凝土，同時預留普通錨桿(10)、錨桿(12)和加長桿(21)的出孔； (3)預制普通錨桿(10)和錨桿(12):根據計算錨固段的長度，用PVC管作為模板，將普通錨桿(10)和錨桿(12)插入PVC管內，澆筑混凝土，形成錨固段，養護完成后，拆掉PVC管；在自由段貼應變片(28)，并用絕緣膠帶包扎保護； (4)組裝變阻尼裝置(15):在內裝單桿活塞(20)的液壓缸(16)內充填油液(17)，用旁通管路(18)將電液伺服閥(19)和液壓缸(16)連接，充滿油液(17)并排氣調試，并在外套上護罩(25)；(5)組裝控制錨桿(11):在錨桿(12)的相應位置焊接擋板(13)，將變阻尼裝置(15)用螺栓(23 )固定在錨桿(12 )的擋板(13 )上，用套筒(22 )連接加長桿(21)和單桿活塞(20 )的活塞桿； (6)將框架(6)吊到模型箱(2)內，按設計傾斜一定的角度，并用繩子暫時固定，在模型箱內(2)從底向上裝土體(32)到最底層普通錨桿(10)孔的位置，將普通錨桿(10)從模型箱(2)內向框架(6)外穿出，并用墊板(27)和錨具(26)錨固； (7 )在框架(6 )的面板(9 )后，與最底層普通錨桿(10 )的同一高度位置，安裝加速度計(30)和土壓力盒(31)； (8)安裝控制錨桿(11):將控制錨桿(11)和加長桿(21)同時穿出框架(6)，將墊板(27)套在加長桿(21)上并用螺帽(24)錨固在框架(6)上；依次將墊板(27)、錨固彈簧(14)套在錨桿(12)上，并用錨具(26)錨固在框架(6)上； (9)繼續向模型箱(2)內裝土體(32)，直到從下向上的第二層普通錨桿(10)和控制錨桿(11)，重復步驟(7 )、步驟(8 )完成普通錨桿(10 )和控制錨桿(11)的安裝； (10)將連接應變片(28)、加速度計(30)、土壓力盒(31)的通訊線(5)與動態數據采集儀(4)連接；將變阻尼裝置(15)、位移傳感器(29)，動態數據采集儀(4)的通訊線(5)與電腦(3)連接； (11)將模型箱(2)用吊車吊到振動臺(I)上，并用螺栓(23)將其固定于振動臺(I)上； (12)輸入不同加速度值的地震波進行試驗測試。
【文檔編號】E02D33/00GK103835324SQ201410129593
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年4月1日 優先權日:2014年4月1日
【發明者】董建華, 王永勝, 董旭光, 王冰霞, 劉彥東, 張媛, 吳意謙, 代濤, 袁方龍, 王浩, 楊志 申請人:蘭州理工大學