模擬黃土隧道鎖腳錨管端頭受力的加載裝置及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種模擬鎖腳錨管端頭受力的加載裝置及其使用方法，其利用一種加 載裝置對(duì)鎖腳錨管端頭施加豎向荷載來(lái)分析其力學(xué)特性。 二、
【背景技術(shù)】：
[0002] 近年來(lái)，鎖腳錨管在軟弱圍巖隧道施工中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隧道開挖時(shí)，為防止基 底軟化及下臺(tái)階開挖引起支護(hù)結(jié)構(gòu)的下沉，在距拱腳或墻腳一定距離處沿隧道橫向按一定 下插角打入相應(yīng)規(guī)格的鎖腳錨管，并將其端頭與鋼架焊接牢固，進(jìn)而限制鋼架的變形，以充 分發(fā)揮其承載能力。為研究鋼架作用在鎖腳錨管端頭的豎向荷載對(duì)鎖腳錨管受力特性的影 響。就需要對(duì)鋼架的作用力進(jìn)行模擬，來(lái)研究在不同荷載作用下鎖腳錨管的受力特性。傳統(tǒng) 的加載通常采用懸掛重物法、動(dòng)力加載法，但懸掛重物的方法加載角度難以有效控制，容 易發(fā)生傾覆，造成加載結(jié)果缺乏科學(xué)性和準(zhǔn)確性；又由于隧道環(huán)境和試驗(yàn)條件的限制，動(dòng)力 加載通常很難實(shí)現(xiàn)。因此，有必要尋求一種科學(xué)有效的加載方法，來(lái)模擬隧道中鋼架對(duì)鎖腳 錨管端頭的作用力。 三、

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0003] 為了解決上述【背景技術(shù)】中的不足之處，本發(fā)明提供一種模擬鎖腳錨管端頭受力的 加載裝置及其使用方法，來(lái)探知鎖腳錨管受力特性及分布規(guī)律，得出不同圍巖工況下鎖腳 錨管的最優(yōu)物理參數(shù)，其應(yīng)用于實(shí)際，可降低施工難度及成本，有利于保證施工安全和隧道 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種模擬黃土隧道鎖腳錨管端頭受力的 加載裝置，其特征在于：包括加荷裝置和反力裝置，加荷裝置的結(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、斜撐和 立柱，所述的立柱和支撐分別設(shè)置有兩個(gè)，并且相垂直焊接，兩個(gè)立柱之間還設(shè)置有支撐 板，所述的兩個(gè)立柱頂部中間設(shè)置有與其相活動(dòng)連接的橫梁，橫梁的一端設(shè)置有連接件一， 另一端設(shè)置有連接件二，所述的斜撐和立柱的底部與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的上表面連接；
[0005] 所述的反力裝置的結(jié)構(gòu)包括4個(gè)空心方鋼和4個(gè)方形枕木，平行設(shè)置的4個(gè)方形 枕木的兩端分別對(duì)稱設(shè)置有與其相垂直連接的2個(gè)空心方鋼；
[0006] 所述的反力裝置的4個(gè)空心方鋼設(shè)置于加荷裝置的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的上表面，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 上還設(shè)置有千斤頂，所述的4個(gè)空心方鋼與千斤頂分別設(shè)置于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，千斤頂?shù)?上端與連接件二連接。
[0007] 所述的連接件一的結(jié)構(gòu)包括"T"型柱一、空心圓柱與梯形板相連接為一體的異形 體一、"T"型柱二、圓環(huán)一、圓環(huán)二和通過(guò)連接塊連接兩個(gè)相垂直圓環(huán)的異形體二，所述的 "T"型柱一穿設(shè)于異形體一的空心圓柱內(nèi)，圓環(huán)一和圓環(huán)二中穿設(shè)"T"型柱二并與異形體一 的梯形板焊接相切，所述的異形體二中穿設(shè)"T"型柱二并設(shè)置于圓環(huán)一和圓環(huán)二的中間。 [0008] 所述的連接件二的結(jié)構(gòu)包括倒"T"型柱三，所述的倒"T"型柱三的上端穿設(shè)有與 其相垂直連接的"T"型柱四。
[0009] 所述的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的形狀的矩形箱，材質(zhì)為鋼。
[0010] 所述的千斤頂為帶油表的油壓千斤頂。
[0011] 所述的一種模擬黃土隧道鎖腳錨管端頭受力裝置的使用方法，其特征在于：所述 的使用方法的步驟為：
[0012] 首先，孔位鉆孔及鎖腳錨管的安設(shè)；
[0013] 孔位鉆孔：在預(yù)先選定好的試驗(yàn)場(chǎng)地或隧道斷面處，選擇打孔位置，打孔的位置應(yīng) 與加載裝置的高度一致，孔位之間的中心距離應(yīng)保持在60cm以上，鉆孔的深度為錨管長(zhǎng)度 減去35cm，然后采用洛陽(yáng)鏟或鉆孔機(jī)械鉆深孔，鉆孔的角度通過(guò)扣件結(jié)合架管來(lái)實(shí)現(xiàn)，即每 個(gè)孔位沿縱向搭設(shè)兩道橫梁，通過(guò)調(diào)整前后橫梁之間的高度來(lái)確定錨管打設(shè)角度；
[0014] 鎖腳錨管安設(shè)：進(jìn)行鎖腳錨管安設(shè)時(shí)，應(yīng)先將不粘貼電阻應(yīng)變片的錨管人工插入 鉆孔內(nèi)待孔腔順直平滑后取出，再將貼有電阻應(yīng)變片的鎖腳錨管緩慢送入鉆孔內(nèi)，安放鎖 腳錨管時(shí)注意將管身圓周最上端、最下端平面與孔位最上端、最下端平面重合；
[0015] 然后，用加載裝置對(duì)鎖腳錨管進(jìn)行加載：
[0016] 將加載裝置連接件一的異形體二的上圓環(huán)穿入鎖腳錨管的伸出端，用帶油表的油 壓千斤頂頂起連接件二，根據(jù)千斤頂?shù)挠蛪罕碜x數(shù)對(duì)鎖腳錨管進(jìn)行逐級(jí)加載，每級(jí)荷載增 加0. 5MPa，用電測(cè)法測(cè)定鎖腳錨管在該荷載作用下的受力特性，然后進(jìn)行下一級(jí)加載，當(dāng)鎖 腳錨管的伸出端豎向位移急劇下降且累計(jì)豎向位移達(dá)20cm，或電阻應(yīng)變片所測(cè)得的應(yīng)變急 劇變化時(shí)，即終止加載。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和效果如下：本發(fā)明基于杠桿原理，有針對(duì)性 的提出了一種模擬隧道鎖腳錨管端頭受力的加載方法，來(lái)模擬鋼架對(duì)錨管的作用力。利用 此種方法通過(guò)油壓千斤頂按一定應(yīng)力等級(jí)加載，可以分析鎖腳錨管在不同級(jí)別豎向荷載作 用下的力學(xué)特性和破壞機(jī)理，且加載裝置基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生較大的傾覆及變形，有效的保 證了加載的穩(wěn)定性和可靠性。 四、【附圖說(shuō)明】：
[0018] 圖1為本發(fā)明鉆孔打設(shè)不意圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明加載裝置及反力裝置安裝示意圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明加荷系統(tǒng)杠桿受力示意圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明現(xiàn)場(chǎng)鎖腳錨管安裝圖；
[0022] 圖5為本發(fā)明現(xiàn)場(chǎng)鎖腳錨管與加載裝置連接圖；
[0023] 圖6為本發(fā)明現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加載系統(tǒng)安裝示意圖；
[0024] 圖7為本發(fā)明現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)千斤頂加載示意圖；
[0025] 圖8為本發(fā)明現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加載后鎖腳錨管變形圖；
[0026] 圖9為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖10為本發(fā)明加荷裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖11為本發(fā)明連接件二結(jié)構(gòu)件示意圖；
[0029] 圖12為發(fā)明連接件一示意圖；
[0030] 其中，1 一基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，2-斜撐，3-立柱，4一橫梁，5-千斤頂，6-連接件二，7 -連接 件一，8-空心方鋼，9-方形枕木，10- "T"型柱一，11-異形體一，12- "T"型柱二，13- 圓環(huán)一，14一圓環(huán)二，15-異形體二，16- "T"型柱三，17- "T"型柱四。 五、【具體實(shí)施方式】：
[0031] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：
[0032] 參見(jiàn)圖9-圖12 :-種模擬黃土隧道鎖腳錨管端頭受力的加載裝置，包括加荷裝 置和反力裝置，加荷裝置的結(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)1、斜撐2和立柱3,所述的立柱3和支撐2分 別設(shè)置有兩個(gè)，并且相垂直焊接，兩個(gè)立柱3之間還設(shè)置有支撐板，所述的兩個(gè)立柱3頂部 中間設(shè)置有與其相活動(dòng)連接的橫梁4,橫梁4的一端設(shè)置有連接件一 7,另一端設(shè)置有連接 件二6,所述的斜撐2和立柱3的底部與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)1的上表面連接；
[0033] 所述的反力裝置的結(jié)構(gòu)包括4個(gè)空心方鋼8和4個(gè)方形枕木9,平行設(shè)置的4個(gè)方 形枕木9的兩端分別對(duì)稱設(shè)置有與其相垂直連接的2個(gè)空心方鋼8 ;
[0034] 所述的反力裝置的4個(gè)空心方鋼8設(shè)置于加荷裝置的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)1的上表面，基礎(chǔ) 結(jié)構(gòu)1上還設(shè)置有千斤頂5,所述的4個(gè)空心方鋼8與千斤頂5分別設(shè)置于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)1的兩 側(cè)，千斤頂5的上端與連接件二6連接。
[0035] 所述的連接件一 7的結(jié)構(gòu)包括"Τ"型柱一 10、空心圓柱與梯形板相連接為一體的 異形體一 11、"Τ"型柱二12、圓環(huán)一 13、圓環(huán)二14和通過(guò)連接塊連接兩個(gè)相垂直圓環(huán)的異 形體二15,所述的"Τ"型柱一 10穿設(shè)于異形體一 11的空心圓柱內(nèi)，圓環(huán)一 13和圓環(huán)二14 中穿設(shè)Τ"型柱二12并與異形體一 11的梯形板焊接相切，所述的異形體二15中穿設(shè)Τ"型 柱二12并設(shè)置于圓環(huán)一 13和圓環(huán)二14的中間。
[0036] 所述的連接件二6的結(jié)構(gòu)包括倒"Τ"型柱三16,所述的倒"Τ"型柱一 16的上端穿 設(shè)有與其相垂直連接的"Τ"型柱四17。
[0037] 所述的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)1的形狀的矩形箱，材質(zhì)為鋼。
[0038] 所述的千斤頂為帶油表的油壓千斤頂。
[0039] 本實(shí)用新型加載裝置加荷方式采用快速維持荷載法。參見(jiàn)圖3,加荷系統(tǒng)杠桿的 力臂長(zhǎng)度之比為2 :1，通過(guò)千斤頂給杠桿的右端一個(gè)豎直向上的頂力，然后杠桿左端給鎖 腳錨管一個(gè)豎直向下的拉力，最后通過(guò)千斤頂上頂力與油表壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系可算得每級(jí)加載 量。
[0040] 加荷裝置利用杠桿原理通過(guò)千斤頂5進(jìn)行加載，千斤頂5采用油壓千斤頂，杠桿由 橫梁4、立柱3和斜撐2三部分組成。其中橫梁4和立柱3是整個(gè)加荷裝置的主要受力部 分，因此應(yīng)保證其有足夠的強(qiáng)度與剛度。對(duì)于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)1，為保證其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，其構(gòu)造采 用方箱鋼結(jié)構(gòu)形式，采用6cmX8cm、壁厚為4mm的方鋼，上下板面由長(zhǎng)160cm、寬100cm、厚 8mm的鋼板組成。橫梁-4由兩塊長(zhǎng)1. 6m、寬0· 16m、厚12mm的鋼板組成，且沿橫梁縱向每隔 0. 3m焊接一塊厚度為10mm的鋼板，使兩塊鋼板有效的成為一體，立柱3由兩塊高0. 5m、寬 0. 25m、厚20mm的厚鋼板組成，且固定于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)1之上。斜撐2由兩塊高0. 3m、寬0. 15m、 厚10mm的鋼板組成，分別固定于立柱3結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，以防立柱3發(fā)生傾斜；立柱3與橫梁4 采用長(zhǎng)18cm、直徑為40mm的鋼棒連接。如圖11所示，采用連接件二6消除千斤頂與橫梁 的接觸問(wèn)題，倒"T"型柱三16為一個(gè)高120mm、直徑70mm的實(shí)心不銹鋼柱體，然后在倒"T" 型柱三16上端位置制作直徑為42mm的通心孔，最后通過(guò)直徑為40mm的"T"型柱四17將 千斤頂與橫梁連接起來(lái)。如圖12所示，橫梁4與鎖腳錨管端頭采用連接件一 7連接，其一 端與鎖腳錨管端頭連接，另一端與橫梁4連接。為確保鎖腳錨管受力方向與橫梁垂直，將連 接件一 7兩端制作成鉸接形式，即隨著橫梁的轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0041] 本次加載裝置所用千斤頂最大起重高度為18cm，為確保鎖腳錨管端頭豎向位移滿 足最大預(yù)留變形量且滿足堆載時(shí)所需要的空間，杠桿比例設(shè)計(jì)為1 :2,即鎖腳錨管端頭到 鉸接點(diǎn)的距離為1. 〇m，千斤頂?shù)姐q接點(diǎn)的距離為0. 5m，此時(shí)鎖腳錨管豎向位移為千斤頂上 頂距離的兩倍，滿足黃土隧道預(yù)留變形量的要求。
[0042] 2、反力裝置
[0043] 本次加載裝置采用空心方鋼8與方形枕木9,結(jié)合堆載重物組成的結(jié)構(gòu)體系作為 配重反力裝置，即先將方形枕木9對(duì)稱置于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)1的兩側(cè)，然后將方鋼8置于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 1與方形枕木9之上，通過(guò)方鋼上堆載重物的重力平衡作用于鎖腳錨管端頭的作用力。對(duì) 于反力裝置，為充分發(fā)揮其承載特性，以備承受足夠的堆載重物，空心方鋼8結(jié)構(gòu)尺寸為長(zhǎng) 450cm、寬10cm、高10cm、壁厚為4mm，方形枕木9結(jié)構(gòu)尺寸為長(zhǎng)100cm、寬10cm、高10cm。米 用4根方鋼同時(shí)放置在