CN115791402B - 一种多向耦合可视化的桩锚加载装置及桩锚加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多向耦合可视化的桩锚加载装置及桩锚加载方法，包括模型箱体组件、侧向加压组件、多向耦合导轨组件和竖向加载组件。本发明的有益效果是：通过变形面板以及侧向加压装置给模型内部土体进行不同梯度的应力加压并测出对应区域的侧向土压力大小；通过调整两个半环型反力架及下部连接电机的导管，使得加载方向可以沿试验箱上半部球面的任意方向，使电机位置可以在该半球空间内任意调整，对构件实现不同位置、方向的拉拔试验；加载板设置有多个孔位，除了可进行传统的单个构件的拉拔试验，还可以对群锚，桩间在拉拔过程中的相互作用进行研究；集多功能、位移可视化等多种优点于一身，大大加快了试验的进程。

Description

一种多向耦合可视化的桩锚加载装置及桩锚加载方法

技术领域

本发明涉及一种桩锚加载装置，具体为一种多向耦合可视化的桩锚加载装置及桩锚加载方法，属于岩土工程实验装置技术领域。

背景技术

随着城市发展的不断推进，锚杆(索)支护和桩支护技术在基坑工程和边坡支护工程中广泛应用。目前，对于锚杆及桩支护的研究有现场试验、室内模型试验、数值模拟等方法。相对于现场实验，室内模型试验具有易操作、低成本等优点，能准确地揭示结构与周围土体的相互作用机理，为实际的工程提供理论参考。

为明晰锚杆(索)及桩的锚固效果、抗浮，抗拔能力，研究者们常对不同尺寸、类型的锚/桩结构在不同的土体类型、不同土体密实度、不同的埋入深度进行研究。但传统的试验箱存在着诸多的缺陷，不能呈现对构建加载过程中构件与周围土体颗粒的运动轨迹，无法进行可视化试验，亦无法直观地揭示拉拔构件与土体相互作用的机理；对构件施加力的方向单一，对构件施加外力往往只是竖直或者水平方向，无法有效结合实际工程在模型实验中对构件施加合适方向的力；无法开展在饱和土体在的拉拔试验，往往需要额外的装置对试验予以辅助；另外，传统的拉拔箱多是对单个构件进行试验，而实际工程中，尤其是锚杆、抗浮桩往往布置得较为密集，从而产生相互影响，因而在拉拔过程中，影响到构件极限承载力的发挥。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述至少一个技术问题而提供一种多向耦合可视化的桩锚加载装置及桩锚加载方法，能够真实地实现锚结构、桩结构等与土体作用可视化、加载方向、方式多样化且适用于不同类型土体等研究问题，并且克服以往试验装置功能单一的缺点，具有多功能、操作方便等优点，可节约大量的人力物力和财力。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种多向耦合可视化的桩锚加载装置，包括模型箱体组件、侧向加压组件、多向耦合导轨组件和竖向加载组件。

其中，模型箱体组件位于所述桩锚加载装置的底端，且其包括由前、后、左、右、底五块面板拼接构成的方形状试验箱，所述试验箱的前面板开槽处安装有机玻璃板，并以四道防变形固定钢板予以加固；所述试验箱的右侧面板为可变形面板；所述试验箱的左侧面板由若干槽钢组成，槽钢通过若干紧固螺杆与箱体连接；所述试验箱的后面板装有U型水位指示计和卸砂门；所述卸砂门的上横边通过合页与试验箱后面板所开设通槽的上侧边转动连接，所述卸砂门的两侧竖边以及下横边均通过插板与试验箱后面板所开设通槽的侧边固定连接，所述试验箱的底板装有四个万向轮；

侧向加压组件设置在所述试验箱的右侧面板外侧，用于对所述试验箱的右侧面板加压，且其包括与所述试验箱右侧面板平行状设置的承力面板、加载装置和加载面板，所述承力面板的底端通过支座进行支撑，所述加载装置的底端呈均匀排列状固定在承力面板的内侧面，且所述加载装置的伸缩杆前端均连接有加载面板抵在试验箱的右侧面板上；

多向耦合导轨组件，设置在所述试验箱的上方，且其包括端部固定的半环型反力架以及端部自由的半环型反力架，所述端部固定的半环型反力架与端部自由的半环型反力架呈交叉状设置，所述端部固定的半环型反力架的两端通过螺栓固定于试验箱前后面板的上部中间位置；所述端部自由的半环型反力架的两端通过轴承与试验箱左右面板的上部中间位置转动连接；

竖向加载组件，用于提供竖向的加载力，并安装在多向耦合导轨组件上，且其包括用于连接构件的加载板、用于提供拉拔力的电机以及带动加载板位置调节的滑轨，所述滑轨咬合在端部自由的半环型反力架两侧所开设的凹槽内，所述滑轨的下方通过导管连接有夹板，所述夹板通过测力计与电机的尾端相连接，所述电机的前端连接在加载板的中心处，所述加载板上开设有若干插孔，所述滑轨上转动连接有卡放在凹槽内的轮轴。

作为本发明再进一步的方案：嵌入所述试验箱前面板的有机玻璃板与箱体连接处以及后面板的卸砂门与箱体的连接处均设置有密封带。

作为本发明再进一步的方案：所述试验箱前面板位于有机玻璃板的四边外侧分别设置有一道防变形固定钢板，避免有机玻璃板在试验过程中破碎或者与试验箱脱离。

作为本发明再进一步的方案：试验过程中，所述卸砂门的插板均处于插入状态，防止在试验过程中试验箱土体的泄漏。

作为本发明再进一步的方案：所述试验箱的四个顶角处上方均设置有激光测距仪，所述试验箱的四个顶角处分别安装有磁吸底座，且所述激光测距仪通过可调节软管与磁吸底座连接。

作为本发明再进一步的方案：所述端部自由的半环型反力架中部开有与端部固定的半环型反力架截面尺寸相同的贯通面，使得端部自由的半环型反力架可通过轮轴沿着端部固定的半环型反力架作扫掠运动。

作为本发明再进一步的方案：所述端部自由的半环型反力架所开设的凹槽内以及端部固定的半环型反力架上均开设有若干组用于穿过定位插销的定位孔。

一种多向耦合可视化的桩锚加载装置，其桩锚加载的方法包括以下步骤：

步骤一、在试验箱内填入一定量的土壤，并加入适量的水使土壤形成模拟态的试验土体，并将待试验的锚杆或桩安插在加载板所开设的插孔；

步骤二、根据试验加载方向的需要，可调整端部自由的半环型反力架相对于端部固定的半环型反力架的位置，并通过定位插销将端部自由的半环型反力架与端部固定的半环型反力架进行连接固定，达到改变加载方向的目的；

步骤三、通过调节导管的长度改变夹板所处的位置，从而改变电机及加载板所处的位置；同时根据加载条件的需要，通过轮轴和滑轨可改变竖向加载组件在端部自由的半环型反力架的位置，并通过多向耦合导轨组件上的凹槽内部的定位孔，用定位插销予以固定，达到改变加载方向及加载位置的目的；

步骤四、试验过程中，通过加载装置同时运动或成组运动，进而带动加载面板对试验箱的右侧变形面板能被整体施压，当它们一排或者一列成组运动时，试验箱的右侧变形面板能被局部施压，对不同高度的土体施加不同的围压，并通过可调节激光测距仪观测试验全过程中土体表面的沉降变化。

本发明的有益效果是：可实现箱体移动，方便装置的挪位；通过试验箱后面板的卸砂门卸载填料，使得试验过程更为简便，可操作空间更大；通过变形面板以及侧向加压装置控制给模型内部土体进行不同梯度的应力加压并测出对应区域的侧向土压力大小，控制更为精准，模式更为灵活多样；通过调整两个半环型反力架及下部连接电机的导管，使得加载方向可以沿试验箱上半部球面的任意方向，并使电机位置可以在该半球空间内任意调整，从而可对构件实现不同位置、方向的拉拔试验；加载板设置有多个孔位，除了可进行传统的单个构件的拉拔试验，还可以对群锚，桩间在拉拔过程中的相互作用进行研究；安装有U型水位指示计，可观测试验箱内土体的饱和状态，可进行饱和土体的模型试验；通过可调节未知的激光测距仪观测试验全过程中土体表面的沉降变化；集多功能、位移可视化等多种优点于一身，且操作难度低、减少了资源的浪费，大大加快了试验的进程。

附图说明图1为本发明三维正视结构示意图；

图2为本发明三维侧视结构示意图；

图3为本发明平面正视结构示意图；

图4为本发明平面侧视结构示意图；

图5为本发明平面俯视结构示意图；

图6为本发明多向耦合导轨组件结构示意图；

图7为本发明竖向加载组件结构示意图；

图8为本发明侧向加载组件结构示意图；

图9为本发明可调节的激光测距仪结构示意图。

图中：1、试验箱，2、有机玻璃板，3、支座，4、承力面板，5、加载装置，6、螺栓，7、端部固定的半环型反力架，8、磁吸底座，9、电机，10、可调节软管，11、凹槽，12、激光测距仪，13、端部自由的半环型反力架，14、槽钢，15、轴承，16、卸砂门，17、加载板，18、测力计，19、夹板，20、导管，21、定位插销，22、插板，23、U型水位指示计，24、合页，25、加载面板，26、万向轮，27、轮轴，28、滑轨。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1至图9所示，一种多向耦合的位移可视化桩锚加载装置，包括

模型箱体组件，其位于所述位移可视化桩锚加载装置的底端，且其包括由前、后、左、右、底五块面板拼接构成的方形状试验箱1，所述试验箱1的前面板开槽处安装有机玻璃板2，并以四道防变形固定钢板予以加固；所述试验箱1的右侧面板为可变形面板；所述试验箱1的左侧面板由若干槽钢14组成，槽钢14通过若干紧固螺杆与箱体连接；所述试验箱1的后面板装有U型水位指示计23和卸砂门16；所述卸砂门16的上横边通过合页24与试验箱1后面板所开设通槽的上侧边转动连接，所述卸砂门16的两侧竖边以及下横边均通过插板22与试验箱1后面板所开设通槽的侧边固定连接，所述试验箱1的底板装有四个万向轮26；

侧向加压组件，其设置在所述试验箱1的右侧面板外侧，用于对所述试验箱1的右侧面板加压，且其包括与所述试验箱1右侧面板平行状设置的承力面板4、加载装置5和加载面板25，所述承力面板4的底端通过支座3进行支撑，所述加载装置5的底端呈均匀排列状固定在承力面板4的内侧面，且所述加载装置5的伸缩杆前端均连接有加载面板25抵在试验箱1的右侧面板上；

多向耦合导轨组件，其设置在所述试验箱1的上方，且其包括端部固定的半环型反力架7以及端部自由的半环型反力架13，所述端部固定的半环型反力架7与端部自由的半环型反力架13呈交叉状设置，所述端部固定的半环型反力架7的两端通过螺栓6固定于试验箱1前后面板的上部中间位置；所述端部自由的半环型反力架13的两端通过轴承15与试验箱1左右面板的上部中间位置转动连接；

竖向加载组件，其用于提供竖向的加载力，并安装在多向耦合导轨组件上，且其包括用于连接构件的加载板17、用于提供拉拔力的电机9以及带动加载板17位置调节的滑轨28，所述滑轨28咬合在端部自由的半环型反力架13两侧所开设的凹槽11内，所述滑轨28的下方通过导管20连接有夹板19，所述夹板19通过测力计18与电机9的尾端相连接，所述电机9的前端连接在加载板17的中心处，所述加载板17上开设有若干插孔，所述滑轨28上转动连接有卡放在凹槽11内的轮轴27。

实施例二

如图1至图9所示，本实施例中除包括实施例一中的所有技术特征之外，还包括：

嵌入所述试验箱1前面板的有机玻璃板2与箱体连接处以及后面板的卸砂门16与箱体的连接处均设置有密封带，采用密封带进行防水处理，以确保在试验时所注入箱体内的水不会泄露。

所述试验箱1前面板位于有机玻璃板2的四边外侧分别设置有一道防变形固定钢板，防止在试验过程中，由土体及荷载的影响对有机玻璃板2产生形变。

试验过程中，所述卸砂门16的插板22均处于插入状态，防止在试验过程中试验箱1土体的泄漏。

所述试验箱1的四个顶角处上方均设置有激光测距仪12，所述试验箱1的四个顶角处分别安装有磁吸底座8，且所述激光测距仪12通过可调节软管10与磁吸底座8连接，试验过程中可根据需观测土体位置用可调节软管10调整激光测距仪12的位置。

所述端部自由的半环型反力架13中部开有与端部固定的半环型反力架7截面尺寸相同的贯通面，使得端部自由的半环型反力架13可通过轮轴27沿着端部固定的半环型反力架7作扫掠运动。

所述端部自由的半环型反力架13所开设的凹槽11内以及端部固定的半环型反力架7上均开设有若干组用于穿过定位插销8的定位孔。

实施例三

一种多向耦合的位移可视化桩锚加载装置，其桩锚加载方法包括以下步骤：

步骤一、首先在试验箱1内填入一定量的土体，并加入适量的水使试验箱1内土体形成模拟态的试验土体，并将待试验的锚杆或桩安插在加载板17所开设的插孔内；

步骤二、根据试验加载方向的需要，可调整端部自由的半环型反力架13相对于端部固定的半环型反力架7的位置，并通过定位插销21将端部自由的半环型反力架13与端部固定的半环型反力架7进行连接固定，达到改变加载方向的目的；

步骤三、通过调节导管20的长度改变夹板19所处的位置，从而改变电机9及加载板17所处的位置；同时根据加载条件的需要，通过轮轴27和滑轨28可改变竖向加载组件在端部自由的半环型反力架13的位置，并通过多向耦合导轨组件上的凹槽11内部的定位孔，用定位插销21予以固定，达到改变加载方向及加载位置的目的；

步骤四、试验过程中，可通过加载装置5同时运动或成组运动，进而带动加载面板25对试验箱1的右侧变形面板能被整体施压，当它们一排或者一列成组运动时，试验箱1的右侧变形面板能被局部施压，对不同深度的土体施加梯度加压，并通过可调节激光测距仪12观测试验全过程中土体表面的沉降变化。

实施例一提供的一种多向耦合的位移可视化桩锚加载装置，当进行加载时可实现全过程位移可视化。以研究透明土(由矿物油和硅粉混合而成，工程性质类似天然黏土)中的锚杆为例，为实现位移可视化，将透明土分层铺设，并在土体层之间铺设标志性颗粒，在模型箱后面板放置白色聚乙烯薄板，便于观察土颗粒位移变化。通过传力杆可对锚杆进行拉拔试验，同时用单反相机进行间隔拍摄，获得在锚杆在拉拔全过程时间段的图像，并利用粒子图像测试技术(PIV)对图像进行处理，分析锚杆周围的土体剪应变场和位移场，揭示土－锚的相互作用机理，研究了密实度和转化埋深对桩锚结构的影响。

实施例四

一种多向耦合的位移可视化桩锚加载装置是在实施例一的基础上进行的优化方案。以锚板为例，当研究不同埋置深度的锚板的承载机理时，侧向加压装置可进行不同梯度下的应力加压，实现对锚板结构的不同受力环境的模拟，根据模型实验的相似比等效为不同埋置深度的应力状态，从而真实地反映出不同埋置深度下锚板的承载特性。

实施例五

一种多向耦合的位移可视化桩锚加载装置，以基坑中采用锚杆支护的工程为例，当研究以一定倾斜角度埋置锚杆的抗拔机理时，通过多向耦合导轨装置以及加载装置上的导轨、凹槽、轮轴、螺栓及定位插销改变电机在模型箱上部圆球空间内的位置，从而真实地反映出不同拉拔方向下锚杆的抗拔特性。

实施例六

一种多向耦合的位移可视化桩锚加载装置，以讨论群桩间相互作用机理为例，根据加载板上孔位的间距大小调整群桩间的桩位设置，基于群桩的拉拔试验得到上拔力-位移关系曲线，通过研究抗拔力变化，分析群桩之间的相互作用，进行群桩效应研究。

实施例七

一种多向耦合的位移可视化桩锚加载装置，以讨论桩在拉拔实验中对桩周土体影响为例，根据模型箱四个顶角安装的激光测距仪可得到桩在拉拔试验全过程中，桩周土体的沉降量与桩体位移关系，进行桩土之间相互作用的研究。

实施例八

一种多向耦合的位移可视化桩锚加载装置是在实施例一至实施例五，基础上进行的优化方案。实施例一至实施例五提供的一种多向耦合的位移可视化桩锚结构多功能模型试验箱还包括排水系统。模型箱体做防水处理。实施例一至实施例五所提供的一种位移可视化的桩锚结构多功能试验装置，可通过注水进行饱和土体及渗流条件下的结构加载试验。可通过U型水位指示计反映土体是否饱和。同时也可以研究不同水位下结构的性能，通过调节试验箱注水量，并观测U型水位指示计所示水位变化情况，真实地模拟了水位变化情况。

工作原理：能够真实地实现锚结构、桩等结构与土体作用可视化，加载方向及方式多样化且适用于不同类型土体等研究问题，并且克服以往试验装置功能单一的缺点。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种多向耦合可视化的桩锚加载装置，其特征在于：包括模型箱体组件，位于所述桩锚加载装置的底端，且其包括由前、后、左、右、底五块面板拼接构成的方形状试验箱（1）；所述试验箱（1）的右侧面板为可变形面板；所述试验箱（1）的左侧面板由若干槽钢（14）组成，槽钢（14）通过若干紧固螺杆与箱体连接；所述试验箱（1）的后面板装有U型水位指示计（23）和卸砂门（16）；所述卸砂门（16）的上横边通过合页（24）与试验箱（1）后面板所开设通槽的上侧边转动连接，所述卸砂门（16）的两侧竖边以及下横边均通过插板（22）与试验箱（1）后面板所开设通槽的侧边固定连接，所述试验箱（1）的底板装有四个万向轮（26）；

侧向加压组件，设置在所述试验箱（1）的右侧面板外侧，用于对所述试验箱（1）的右侧面板加压，且其包括与所述试验箱（1）右侧面板平行状设置的承力面板（4）、加载装置（5）和加载面板（25），所述承力面板（4）的底端通过支座（3）进行支撑，所述加载装置（5）的底端呈均匀排列状固定在承力面板（4）的内侧面，且所述加载装置（5）的伸缩杆前端均连接有加载面板（25）抵在试验箱（1）的右侧面板上；

多向耦合导轨组件，设置在所述试验箱（1）的上方，且其包括端部固定的半环型反力架（7）以及端部自由的半环型反力架（13），所述端部固定的半环型反力架（7）与端部自由的半环型反力架（13）呈交叉状设置，所述端部固定的半环型反力架（7）的两端通过螺栓（6）固定于试验箱（1）前后面板的上部中间位置；所述端部自由的半环型反力架（13）的两端通过轴承（15）与试验箱（1）左右面板的上部中间位置转动连接；

竖向加载组件，用于提供竖向的加载力，并安装在多向耦合导轨组件上，且其包括用于连接构件的加载板（17）、用于提供拉拔力的电机（9）以及带动加载板（17）位置调节的滑轨（28），所述滑轨（28）咬合在端部自由的半环型反力架（13）两侧所开设的凹槽（11）内，所述滑轨（28）的下方通过导管（20）连接有夹板（19），所述夹板（19）通过测力计（18）与电机（9）的尾端相连接，所述电机（9）的前端连接在加载板（17）的中心处，所述加载板（17）上开设有若干插孔，所述滑轨（28）上转动连接有卡放在凹槽（11）内的轮轴（27）；

嵌入所述试验箱（1）前面板的有机玻璃板（2）与箱体连接处以及后面板的卸砂门（16）与箱体的连接处均设置有密封带；所述试验箱（1）前面板位于有机玻璃板（2）的四边外侧分别设置有一道防变形固定钢板；

试验过程中，所述卸砂门（16）的插板（22）均处于插入状态；

所述试验箱（1）的四个顶角处上方均设置有激光测距仪（12），所述试验箱（1）的四个顶角处分别安装有磁吸底座（8），且所述激光测距仪（12）通过可调节软管（10）与磁吸底座（8）连接；

所述端部自由的半环型反力架（13）中部开有与端部固定的半环型反力架（7）截面尺寸相同的贯通面；所述端部自由的半环型反力架（13）所开设的凹槽（11）内以及端部固定的半环型反力架（7）上均开设有若干组用于穿过定位插销（8）的定位孔。

2.一种基于权利要求1所述一种多向耦合可视化的桩锚加载装置的桩锚加载方法，其特征在于：所述桩锚加载方法包括以下步骤：

步骤一、在试验箱（1）内填入土壤，并加入适量的水使土壤形成模拟态的试验土体，并将待试验的锚杆或桩安插在加载板（17）所开设的插孔内；

步骤二、根据试验加载方向的需要，可调整端部自由的半环型反力架（13）相对于端部固定的半环型反力架（7）的位置，并通过定位插销（21）将端部自由的半环型反力架（13）与端部固定的半环型反力架（7）进行连接固定，达到改变加载方向的目的；

步骤三、通过调节导管（20）的长度改变夹板（19）所处的位置，从而改变电机（9）及加载板（17）所处的位置；同时根据加载条件的需要，通过轮轴（27）和滑轨（28）可改变竖向加载组件在端部自由的半环型反力架（13）的位置，并通过多向耦合导轨组件上的凹槽（11）内部的定位孔，用定位插销（21）予以固定，达到改变加载方向及加载位置的目的；

步骤四、试验过程中，通过加载装置（5）同时运动或成组运动，进而带动加载面板（25）对试验箱（1）的右侧变形面板能被整体施压，当它们一排或者一列成组运动时，试验箱（1）的右侧变形面板能被局部施压，对不同高度的土体施加不同的围压，并通过可调节激光测距仪（12）观测试验全过程中土体表面的沉降变化。