一种用于土体的锚杆动态拉拔试验装置的制作方法

本发明属于岩土锚固工程领域，具体涉及一种用于土体的锚杆动态拉拔试验装置。

背景技术：

锚杆支护作为一种经济、有效的加固方式，被广泛应用于地下工程、边坡工程、结构抗浮工程和深基坑工程。土体锚固依赖埋设在地层中的锚杆与周围土体的抗剪强度传递结构物拉力或加固地层本身，用来保证结构和土体的稳定性。锚杆能成功锚固于地层取决于地层抵抗锚杆被拔出的抗力，其抗力不仅于土体种类有关，还与土体所处应力状态有关。

随着锚杆应用范围的不断扩大，地震效应与重复荷载对锚杆的影响也被提出，锚杆承受地震效应时所承受的地震应力来自于垂直方向的加速度，锚杆所受竖向应力随着振动时会发生变化。锚杆重复荷载主要来自温度变化、潮汐现象、风动压力和波浪荷载，现有研究表明锚杆在承受重复荷载时会引起锚杆的附加位移，并且锚杆附加位移受到荷载振幅的影响，在锚杆承受重复荷载时仅考虑静力荷载的传统设计是不合理的。因此在动态荷载作用下，锚固于不同应力状态的土体中的锚杆锚固性能和动态响应具有重要的研究价值。

无论是研究不同应力状态下锚杆的锚固性能还是动态响应，原位测试和模型试验都是最直接、最有效的手段。但是，原位测试往往受到环境条件的限制和各种不稳定因素的影响，难以开展，室内模型试验与原位测试相比实验的可控性较强，受外界干扰小，有利于发现规律。对于动态荷载作用下锚固在不同应力状态土体中锚杆锚固性能和动力响应的模型试验非常有限，既有的试验装置不能很好模拟实际情况。

开展动态荷载作用下锚固在不同应力状态土体中锚杆锚固性能和动力响应的模型试验难点是：1.对土体加载使土处于既定的应力状态；2.对锚杆进行动态拉拔。为解决问题1，公开号为CN103698215A，公开日期为2014年4月02日的中国专利锚索拉拔试验装置，采用预压装置对土体进行加压，但该装置对土体施加的两个主应力大小相同，和实际情况不符。公开号为CN103398901A，公开日期为2013年11月20日的中国专利一种锚杆室内拉拔试验装置，通过千斤顶对试样加载，能够使其试样主应力大小不同，因土体弹性模量相对岩石较小，该装置对土样施加荷载时土样会产生较大压缩，加载装置难以正常工作，该装置难以适用于土体。为解决问题2，公开号为105510158A，公开日期为2016年4月20日的中国专利锚固体动态拉伸实验装置及实验方法，通过重锤-杠杆装置将重锤自由落体的冲击荷载转换-放大为对锚杆上的冲击荷载，但该装置仅能对锚杆施加冲击荷载，并且在施加重复荷载时存在诸多不便。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种用于土体的锚杆动态拉拔试验装置。

本发明的技术方案是：一种用于土体的锚杆动态拉拔试验装置，包括试验箱，所述试验箱中形成顶部敞开的安装空间，所述安装空间中设置有土样加载装置，所述土样加载装置中形成土样容纳空间，所述土样加载装置上方设置有对锚杆动态拉拔的锚杆动态拉拔装置和监测用的监测装置。

所述试验箱包括底座，所述底座上端设置有装配千斤顶的反力装置，所述底座中形成导向土样加载装置的活动槽，所述底座上端形成圆形通孔，所述圆形通孔中设置有套筒固定装置,所述圆形通孔小于套筒固定装置，圆形通孔的直径略大于测试锚杆，所述套筒固定装置直径大于圆形通孔直径。

所述反力装置围合形成安装空间，所述圆形通孔位于安装空间内，所述套筒固定装置为顶部形成卡扣的圆筒，所述圆筒上端设置有套筒，所述套筒内径为测试锚杆的埋设孔。

所述土样加载装置包括设置在反力装置内侧的千斤顶、由千斤顶驱动的滑动式加载板和套筒。

所述滑动式加载板包括加载板底座，所述加载板底座上端设置有加载板，所述加载板的驱动侧设置有沿加载板横向滑动的滑动板和滚筒，所述滑动板端面形成与千斤顶的伸缩端相固定的伸缩端固定槽，所述加载板底座下端设置有放置在活动槽中的万向轮。

所述加载板、加载板底座的一侧均设置有滑块A，所述加载板的加压侧形成直线滑轨A，所述加载板底座上设置有护住其滑块A的挡土盖，

所述加载板下沿处设置有挡土条。

所述锚杆动态拉拔装置包括承托板，所述承托板上端设置有定滑轮、作动器、固定支架，所述作动器的驱动端与沿固定支架滑动的荷载传递板相连，所述荷载传递板中设置有钢索，所述钢索置于定滑轮的轴向槽中，所述钢索自由端通过锚杆夹具与测试锚杆相连。

所述荷载传递板两侧形成滑块B，所述固定支架处形成直线滑轨B，所述滑块B外侧形成咬合直线滑轨B的凹槽，所述凹槽内侧壁处形成防脱凸起，所述荷载传递板中设置有固定钢索的钢索固定器。

所述底座上端设置有钢管立柱，所述承托板固定在钢管立柱上，所述底座上端还设置有固定反力装置的角钢支撑。

所述监测装置包括设置在锚杆夹具上的位移传感器、测试锚杆外露部分安放的加速度传感器、沿测试锚杆杆身布置应变片、千斤顶伸缩端上布设的荷重传感器。

本发明解决了现有锚杆拉拔试验装置难以为土体施加荷载使处于既定应力状态问题，而且具有锚杆动态拉拔装置，配合布设的传感器，用于研究处于不同应力状态土体中锚杆动态拉拔时的锚固性能和动力响应。

本发明的土样加载系统适用于土体，土体弹性模量相对于岩石较小，承受荷载时压缩量较大，此时滑动式加载板之间发生相对位移，土样加载装置仍可正常工作，将荷载传递至土，使土样处于既定应力状态。

本发明采用作动器对对锚杆进行动态拉拔，解决以往锚杆拉拔试验装置，仅能对锚杆施加线性拉力或者冲击荷载的问题。该加载方式通过向作动器输入荷载时程曲线可对锚杆施加各种动、静荷载。配合布设于系统中的传感器，用于研究处于不同应力状态土体中锚杆动态拉拔时的锚固性能和动力响应。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中试验箱的示意图；

图3是本发明中土样加载装置的示意图；

图4是本发明中锚杆动态拉拔装置的示意图；

图5是本发明中滑动加载板的前视立体图；

图6是本发明中滑动加载板的后视立体图；

图7是本发明中荷载传递板的示意图；

图8是本发明中测试锚杆的示意图；

图9是本发明中土样加载装置的原理图；

其中：

1 试验箱 1-1 底座

1-2 反力装置 1-3 活动槽

1-4 圆形通孔 1-5 套筒固定装置

1-6 角钢支撑 1-7 钢管立柱

2 土样加载装置 2-1 千斤顶

2-2 滑动式加载板 2-2-1 加载板底座

2-2-2 加载板 2-2-3 滑动板

2-2-4 滚筒 2-2-5 伸缩端固定槽

2-2-6 万向轮 2-2-7 挡土盖

2-2-8 挡土条 2-2-9 滑块A

2-2-10 直线滑轨A 2-3 套筒

3 锚杆动态拉拔装置 3-1 锚杆夹具

3-2 钢索 3-3 定滑轮

3-4 作动器 3-5 承托板

3-6 荷载传递板 3-7 固定支架

3-8 直线滑轨B 3-9 滑块B

3-10 钢索固定器 4 监测装置

4-1 位移传感器 4-2 加速度传感器

4-3 应变片 4-4荷重传感器

5 测试锚杆 6 土样

7 胶结料。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

如图1~9所示，一种用于土体的锚杆动态拉拔试验装置，包括试验箱1，所述试验箱1中形成顶部敞开的安装空间，所述安装空间中设置有土样加载装置2，所述土样加载装置2中形成土样容纳空间，所述土样加载装置2上方设置有对锚杆动态拉拔的锚杆动态拉拔装置3和监测用的监测装置4。

所述试验箱1包括底座1-1，所述底座1-1上端设置有装配千斤顶2-1的反力装置1-2，所述底座1-1中形成导向土样加载装置2的活动槽1-3，所述底座1-1上端形成圆形通孔1-4，所述圆形通孔1-4中设置有套筒固定装置1-5,所述圆形通孔1-4小于套筒固定装置1-5，圆形通孔1-4的直径略大于测试锚杆5，所述套筒固定装置1-5直径大于圆形通孔1-4直径。

所述反力装置1-2围合形成安装空间，所述圆形通孔1-4位于安装空间内，所述套筒固定装置1-5为顶部形成卡扣的圆筒，所述圆筒上端设置有套筒2-3，所述套筒2-3内径为测试锚杆5的埋设孔。

所述土样加载装置2包括设置在反力装置1-2内侧的千斤顶2-1、由千斤顶2-1驱动的滑动式加载板2-2和套筒2-3。

所述滑动式加载板2-2包括加载板底座2-2-1，所述加载板底座2-2-1上端设置有加载板2-2-2，所述加载板2-2-2的驱动侧设置有沿加载板2-2-2横向滑动的滑动板2-2-3和滚筒2-2-4，所述滑动板2-2-3端面形成与千斤顶2-1的伸缩端相固定的伸缩端固定槽2-2-5，所述加载板底座2-2-1下端设置有放置在活动槽1-3中的万向轮2-2-6。

所述加载板2-2-2、加载板底座2-2-1的一侧均设置有滑块A2-2-9，所述加载板2-2-2的加压侧形成直线滑轨A2-2-10，所述加载板底座2-2-1上设置有护住其滑块A2-2-9的挡土盖2-2-7，所述加载板2-2-2下沿处设置有挡土条2-2-8。

所述锚杆动态拉拔装置3包括承托板3-5，所述承托板3-5上端设置有定滑轮3-3、作动器3-4、固定支架3-7，所述作动器3-4的驱动端与沿固定支架3-7滑动的荷载传递板3-6相连，所述荷载传递板3-6中设置有钢索3-2，所述钢索3-2置于定滑轮3-3的轴向槽中，所述钢索3-2自由端通过锚杆夹具3-1与测试锚杆5相连。

所述荷载传递板3-6两侧形成滑块B3-9，所述固定支架3-7处形成直线滑轨B3-8，所述滑块B3-9外侧形成咬合直线滑轨B3-8的凹槽，所述凹槽内侧壁处形成防脱凸起，所述荷载传递板3-6中设置有固定钢索3-2的钢索固定器3-10。

所述底座1-1上端设置有钢管立柱1-7，所述承托板3-5固定在钢管立柱1-7上，所述底座1-1上端还设置有固定反力装置1-2的角钢支撑1-6。

所述监测装置4包括设置在锚杆夹具3-1上的位移传感器4-1、测试锚杆5外露部分安放的加速度传感器4-2、沿测试锚杆5杆身布置应变片4-3、千斤顶2-1伸缩端上布设的荷重传感器4-4。

本发明中所述滑动式加载板2-2为四个，沿逆时针方向的顺序，滑动式加载板2-2的端面顶住下一个滑动式加载板2-2的侧壁。

一种适用于土体的锚杆室内动态拉拔系统，由试验箱1、土体加载装置2、锚杆动态拉拔装置3、监测装置4构成。

所述试验箱1由底座1-1、反力装置1-2、锚杆固定装置1-4、套筒固定装置1-5、角钢支撑1-6、钢管立柱1-7构成。

所述土体加载装置2由四块滑动式加载板2-2、千斤顶2-1、套筒2-3构成。

所述锚杆动态拉拔系统3包括锚杆夹具3-1、钢索3-2、定滑轮3-3、作动器3-4、荷载传递板3-6、固定支架3-7、直线滑轨B3-8、滑块B3-9、钢索固定器3-10构成。

所述监测装置4包括位移传感器4-1、加速度传感器4-2、应变片4-3、荷重传感器4-4。

所述带底座1-1有固定反力装置1-2的卡槽，底座1-1上部带有活动槽1-3，在一定范围内，可供滑动式加载板2-2在底座1-1上于水平方向自由移动。所述圆形通孔1-4位于活动槽1-3所围出区域中心，用于试验时给测试锚杆5定位。

所述套筒固定装置1-5为固定于底座1-1的圆筒，圆筒上有卡扣和套筒2-3连接，套筒2-3的作用是在填筑土样6时预留出测试锚杆5埋设孔，在土样6填筑完成后移去，为避免摘除套筒2-3时土样6发生剪切破坏，应在套筒上涂抹润滑剂，以减少和土样6间的摩擦力。

所述反力装置1-2由钢板制作，后固定角钢支撑1-6在加载时为钢板提供反力，钢板上预留孔位，用于固定千斤顶2-1。

所述钢管立柱1-7穿过底座锚固于地面，用于固定锚杆动态拉拔装置3。

所述千斤顶2-1通过螺栓固定于反力装置1-2上，共四只千斤顶2-1按荷载施加方向分为两组，为土样6施加两向主应力，每组千斤顶2-1可施加不同荷载，使土样6所受主应力大小不同，千斤顶2-1为伺服式千斤顶，可精确控制所施加的推力，千斤顶2-1伸缩端安装有荷重传感器4-4，监测千斤顶2-1所施加荷载。

所述滑动式加载板2-2由加载板底座2-2-1、加载板2-2-2、滑块A2-2-9、直线滑轨A2-2-10、挡土盖2-2-7、挡土条2-2-8构成。所述加载板2-2-2固定于加载板底座2-2-1，加载板底座2-2-1下部有万向轮2-2-6，可供滑动加载板2-2在活动槽1-3中自由移动，加载板底座2-2-1尺寸以边缘恰好顶住反力装置1-2为宜，可保证四块滑动加载板2-2放置在底座1-1上时维持稳定。

所述加载板2-2用滑动板2-2-3、滚筒2-2-4结构传递推力，千斤顶2-1同滑动板2-2-3连接，将荷载通过滑动板传递至其后滚筒2-2-4，再传递至加载板2-2-2，所述滑动板2-2-3上带有伸缩端固定槽2-2-5，用于同千斤顶2-1的伸缩端连接，所述滚筒2-2-4固定于加载板2-2-2，与滑动板2-2-3之间可发生切向位移，并将千斤顶2-1荷载传递至加载板2-2-2。

所述滑块A2-2-9固定于加载板2-2-2侧边上部和下部，滑块一方面可使加载板2-2-2之间互相移动，另一方面将力传递至另一加载板2-2-2，使滑动加载板2-2在底座1-1内移动。所述直线滑轨A2-2-10可供加载板侧面滑块A2-2-9滑动，上部直线滑轨A2-2-10无需防护，下部直线滑轨A2-2-10由挡土盖2-2-7保护。所述挡土盖2-2-7位于相邻加载板，覆盖下部直线滑轨A2-2-10，边缘有挡土条2-2-8，用于封闭轨道，防止在填土过程中土样6进入直线滑轨A2-2-10，影响其正常运作。

所述挡土条2-2-8位于加载板底座2-2-1下边缘和挡土盖2-7边缘，加载板底座2-2-7下边缘挡土条2-2-8恰好接触底座，防止土样6进入活动槽1-3，影响万向轮2-2-6移动，挡土条2-2-8有一定柔度，可小范围活动。

所述锚杆夹具3-1由金属制作，一段夹住测试锚杆5外露端部，一端连接钢索3-2。所述钢索3-2受轴向拉力，具有拉伸变形小、强度高等特点。

所述承托板3-5固定于钢管立柱1-7，承托板3-5所处高度可以依据测试锚杆5外露长度调节，承托板3-5上布置定滑轮3-3、作动器3-4、荷载传递板3-6、固定支架3-7。

所述定滑轮3-3固定于承托板3-5靠近测试锚杆7一侧，钢索3-2跨过定滑轮3-3，定滑轮3-3作用是将荷载传递板3-6传来的水平荷载转变为作用在测试锚杆5的拉拔力。

所述作动器3-4通过螺栓固定于承托板3-5，作动器3-4加载杆与荷载传递板3-6连接，所述荷载传递板3-6边缘固定有滑块B3-9，与固定支架3-7上直线滑轨B3-8连接，荷载传递板3-6可通过滑块-直线滑轨结构水平移动，所述钢索固定器3-10将钢索3-2固定在荷载传递板3-6，荷载传递板3-6主要作用是将作动器3-4施加的动荷载传递至钢索3-2。

本发明工作原理如下：

为研究处于不同应力状态土体中锚杆动态拉拔时的锚固性能和动力响应，本发明采用伺服式千斤顶2-1对土样6加载，为解决土体压缩性强，传统锚固拉拔试验系统加压方式不能较好的适用于土体的问题，本发明采用滑动式加载板2-2，通过滑动板和滚筒结构与万向轮2-2-6使得滑动加载板2-2在传递水平推力的同时可在底座1-1上移动，并且滑动式加载板2-2之间可相互移动，即使土样6压缩量较大，土样加载系统2也可正常工作，加载土样至既定应力状态。

配合图9说明土样加载装置如何对压缩性较大的土体进行加载，四台千斤顶2-1同时施加荷载，土样6产生压缩变形，以左侧的滑动式加载板2-2为例说明滑动式加载板在土样压缩时的运动路径。滑动式加载板2-2受到千斤顶2-1传递来的x方向荷载和后侧的滑动式加载板2-2传递而来的y方向荷载，在合力作用下，左侧的滑动式加载板2-2通过万向轮在活动槽1-3中移动。滑动板2-2-3直接承受千斤顶2-1传递来的荷载，并且由于伸缩端固定槽2-2-5约束只产生x方向位移，在左侧的滑动式加载板2-2上其他结构产生y方向位移，该结构可保证即使土样6压缩变形导致左侧的滑动式加载板2-2在活动槽1-3移动时，千斤顶2-1仍能将荷载通过滑动式加载板2-2传递至土样6。

作动器3-4将动荷载直接传递至动荷载传递板3-6，钢索3-2固定于荷载传递板3-6，此时，作动器3-4施加的动荷载传递至钢索3-2，钢索另端连接有锚杆3-2夹具，此时动荷载就由作动器3-4传递至测试锚杆5；荷载传递板3-6与固定支架3-7通过直线滑轨3-8-滑块3-9连接，作动器3-4在施加荷载时千斤顶伸缩端会伸长，作动器3-4将动荷载直接传递至动荷载传递板3-6，此时荷载传递板3-6可在固定支架3-7上滑动，钢索3-2固定于荷载传递板3-6，此时作动器3-4施加的动荷载传递至钢索3-2，钢索另一端连接有锚杆夹具3-1，此时作动器3-4施加的动荷载就转换为对测试锚杆5的动态拉拔。

测试锚杆5所受动荷载类型可通过输入不同荷载-时程曲线来改变，解决以往锚杆拉拔试验系统仅能对锚杆施加线性拉力或者冲击荷载并且难以对锚杆施加循环荷载的问题。

本发明的试验过程如下：

将试验箱的底座1-1通过锚固于地面上，将反力转置1-2拼装并固定于底座1-1，将钢管立柱1-7穿过底座孔洞固定于地面。将滑动加载板2-2安放于底座1-1将套筒2-3通过卡扣在套筒固定装置1-5，于套筒2-3外壁、滑动加载板2-2内壁涂抹润滑剂，以减少土体与套筒2-3和滑动加载板2-2之间摩擦力。填筑第一层土样，压实土样至指定密实度，表层刮毛后填筑下一层土体，直到填筑至指定高度，土样6填筑高度应低于上部直线滑轨A2-2-10。

沿测试锚杆5杆身布置应变片4-3，并对其进行防水处理，去掉套筒2-3，将测试锚杆5放置在圆形通孔1-4，灌注胶结料7，养护至指定强度。锚杆5外露部分安放加速度传感器4-2。

千斤顶2-1施加荷载，使土样6处于预定应力状态，同时读取荷重传感器4-4数据对千斤顶2-1施加荷载的进行监测。

将承托板3-5固定在钢管立柱1-7上合适高度，放置定滑轮3-3、作动器3-4、荷载传递板3-6、固定支架3-7，钢索3-2跨过定滑轮3-3同荷载传递板3-6连接。

将测试锚杆5端部用锚杆夹具3-1夹住，在锚杆夹具3-1上布设位移传感器4-1。开启作动器3-4，对作动器输入荷载时程函数，例如输入周期性荷载以研究荷载循环周数及荷载振幅对锚杆位移的影响，此时需要读取位移传感器4-1数据，通过改变荷载周期与荷载振幅输出周期-位移曲线和振幅-位移曲线，也可研究循环荷载作用下锚杆应变沿长度分布。

本发明解决了现有锚杆拉拔试验装置难以为土体施加荷载使处于既定应力状态问题，而且具有锚杆动态拉拔装置，配合布设的传感器，用于研究处于不同应力状态土体中锚杆动态拉拔时的锚固性能和动力响应。

本发明的土样加载系统适用于土体，土体弹性模量相对于岩石较小，承受荷载时压缩量较大，此时滑动式加载板之间发生相对位移，土样加载装置仍可正常工作，将荷载传递至土，使土样处于既定应力状态。

本发明采用作动器对对锚杆进行动态拉拔，解决以往锚杆拉拔试验装置，仅能对锚杆施加线性拉力或者冲击荷载的问题。该加载方式通过向作动器输入荷载时程曲线可对锚杆施加各种动、静荷载。配合布设于系统中的传感器，用于研究处于不同应力状态土体中锚杆动态拉拔时的锚固性能和动力响应。