一种岩溶区桩-锚结构稳定性测试用模拟装置及试验方法

1.本发明涉及深基坑工程桩-锚结构稳定性测试技术领域，尤其所涉及一种岩溶区桩-锚结构稳定性测试用模拟装置及试验方法。


背景技术：

2.随着城市高层建筑、地铁和市政工程建设的发展,出现越来越多的深基坑工程。这就需要采用桩-锚围护结构，提高支护结构的稳定性以及减小变形，但岩土工程问题复杂多变，在岩溶发育区的桩-锚结构稳定性问题尚需深入研究。因此，探寻一种岩溶区桩-锚结构稳定性测试的模拟装置及其试验方法，通过研究其失稳破坏的全过程和对其试验数据的分析，为今后岩溶发育区桩-锚结构的设计理论和施工方法提供一定的借鉴，并保障其实际应用的安全可靠非常必要。目前，一些学者采用不同的方法来实现对桩锚体系稳定性能的试验，例如，张领帅等人2019基于相似理论，采用可分层抽出式挡板的方式模拟实际基坑开挖，实现基坑桩锚支护体系的物理模拟；徐连坤等人2022采用手动释放锚杆的方式模拟局部锚杆失效，实现了桩锚支护基坑连续破坏的试验。以上试验装置不能研究锚索穿越溶洞锚固力减弱机理以及模拟岩溶区桩-锚结构失稳破坏的全过程。现场原位试验方法虽然可以进行桩-锚结构稳定性研究，但成本较高，且模型不能重复利用，无法进行多组试验模拟。。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提出一种能够模拟岩溶区桩-锚结构失稳破坏的全过程，从而为实际桩-锚结构的设计与施工提供准确的实验数据，并保障其在实际应用中安全可靠的岩溶区桩-锚结构稳定性测试用模拟装置。
4.为达到上述目的，本发明提出一种岩溶区桩-锚结构稳定性测试用模拟装置，包括试验箱模组、加载装置和量测装置；
5.试验箱模组包括箱体、锚索、光弹材料、围护桩、气囊组件和溶洞模拟组件；
6.围护桩插设于箱体内，以围护桩为分割线，箱体分隔为左右两个区域，左右两个腔室的底部相互连通；右区域内填充满光弹材料，左区域的底部填充光弹材料，气囊组件填充于左区域光弹材料上方；
7.至少一根锚索插接于右区域，锚索的一端穿过右区域的侧壁与外侧的拉力限制器钩紧，在锚索轴力达到力限值后拉力限制器自动脱开；锚索的另一端穿过锚垫板，通过锚头与同围护桩固定；溶洞模拟组件预埋于右区域的光弹材料内；
8.加载装置通过千斤顶向右区域的光弹材料试压；量测装置包括贴于围护桩上的第一应变传感器、全息摄像机和pc机，第一应变传感器、全息摄像机均与pc机信号连接。
9.进一步的，箱体的前后两面为钢化玻璃，便于全息摄像机记录箱体内光弹材料的状态变化。
10.进一步的，围护桩的端部通过冠梁与箱体的端部相连接。
11.进一步的，气囊组件为五层气囊结构。
12.进一步的，溶洞模拟组件包括水泵、单向阀、三通阀、安全阀、水桶和充水膜袋；
13.充水膜袋预埋于右区域的光弹材料内，充水膜袋通过管道连通三通阀，三通阀还连通水泵和水桶；
14.单向阀设于三通阀和水泵的连接管道上，安全阀设于管道上用于调控水压。
15.进一步的，在锚索的任意位置，预埋多个充水膜袋从而包围该区段锚索，多个充水膜袋排水后，在索身周围形成空腔，模拟锚索穿越溶洞的情况。
16.进一步的，加载装置包括支架、轨道、移动装置、千斤顶、加载钢板和第二应变传感器；
17.轨道架构于支架上，移动装置活动连接于轨道上，实现顺着轨道的导向位移，千斤顶的底部固定在移动装置上，千斤顶的顶杆端焊接加载钢板；第二应变传感器换向布置于千斤顶的顶杆上。
18.进一步的，光弹材料中添加粘液，从而配制出等效岩土混合料。
19.本发明还提出一种岩溶区桩-锚结构稳定性试验方法，包括以下步骤：
20.步骤1：据试验需要，装配模拟装置；
21.步骤2：在光弹材料注入模型箱的同时，对气囊组件充入不同大小的气压，模拟基坑未开挖情况下的荷载分布；
22.步骤3：在光弹材料内埋设充水膜袋，按指定的要求将光弹材料压实捣密后排水，模拟溶洞。
23.步骤4：静置24小时后将模型箱搬到加载装置上，调试好全息摄像设备，开始试验；
24.步骤5：通过调节千斤顶的位置千斤顶顶推加载钢板，对模拟岩土材料施加指定的均匀面荷载；
25.步骤6：待加载稳定后，自上而下将单向膨胀气囊组放气模拟基坑开挖，记录桩身应变传感器的数据，同时进行全息拍照，当模拟岩土体出现滑移面时，停止试验。
26.进一步的，所述步骤1包括以下步骤：
27.步骤1.1选定模型试验的相似比，从而确定箱体内部净空尺寸，进而焊制模型箱体；
28.步骤1.2据试验需要，按照试验相似比配置模拟岩土的光弹材料，将配置好的材料注入到四周涂有润滑油脂的模型箱体中；
29.步骤1.3光弹材料填充至指定要求的深度后，在模型箱中间插入铝管模拟围护桩，并保证围护桩插入的垂直度和一定的间距，并在围护桩顶安装冠梁；
30.步骤1.4在围护桩侧面安装并固定好第一应变传感器；
31.步骤1.5将锚索一端锚固在围护桩上，另一端通过挂钩与拉力限制器固定，并根据溶洞分布设定不同的力限值
32.与现有技术相比，本发明的优势之处在于：
33.1、本发明的模型能再现基坑开挖工况并可设置任意的荷载情况，复现原型岩土的应力场。
34.2、本发明的模型可实现对锚索穿越溶洞锚固力减弱的模拟，可对锚索的锚固机理及其影响因素进行深入研究分析，为今后岩土体中桩-锚体系的设计理论和施工方法提供
一定的技术支持。
35.3、本发明的模型能够实现岩土体变形与受力可视化；能够进行岩溶区域桩-锚结构稳定性测试，清晰体现桩-锚围护结构失稳后可能出现的岩土体最不利滑移面。
附图说明
36.图1是本发明中试验装置总体主视图。
37.图2是本发明中试验装置总体左视图。
38.图3是本发明中试验装置总体俯视图。
39.图4是本发明中试验装置a-a截面图。
40.图5是本发明中试验装置b-b截面图。
41.图6是本发明中拉力限制器主视图。
42.图7是本发明中拉力限制器左视图。
43.图8是本发明中应变传感器布置示意图。
44.图9是本发明中锚索示意图。
45.图10是本发明中膜袋充排水装置示意图。
46.附图中的标注说明：1—螺母2—钢垫板3—螺栓4—型钢柱5—型钢垫板6—溶洞7—拉力限值器8—锚垫板9—岩土材料10—加载钢板11—顶杆12—钢板13—螺栓14—螺栓15—钢板16—车轮17—千斤顶18—应变传感器19—冠梁20—锚头21—锚垫板22—锚索23—围护桩24—高压气囊组25—试验箱外壳26—型钢梁27—角钢连接件28—螺栓29—型钢梁30—角钢连接件31—型钢板32—滑块33—钢支架34—摩擦块35—螺钉36—弹簧37—钢钩38—应变传感器39—pc机40—水泵41—单向止水阀42—安全阀43—三通44—水桶45—全息摄影机。
具体实施方式
47.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。
48.本发明提出一种岩溶区桩-锚结构稳定性测试用模拟装置，包括试验箱模组、加载装置和量测装置，如图1-图5的机构所示：
49.试验箱模组：由钢板焊制的箱体25构成试验箱的主体，箱体前后两面为钢化玻璃；箱体内部盛放试验用的光弹材料9；如图9所示，试验用锚索22一端与钢钩37连接，与拉力限制器7固定，另一端穿过锚垫板21与锚头20同围护桩23固定；拉力限制器7固定在试验箱外侧，一端伸出与锚垫板8锚索22钩紧，在锚索22轴力达到力限值后拉力限制器7自动脱开，使锚索22位移过大失效；围护桩23由铝管组成，底部一端插入在光弹材料9中，顶部一端安装冠梁19；单向膨胀气囊组24分为五层固定在围护桩23内侧，通过调整气压模拟基坑开挖工况及任意荷载情况；溶洞6采用充水膜袋提前埋入光弹材料9中，如图10所示，充水膜袋通过管道连通三通阀43，三通阀43还连通水泵40和水桶44；单向阀41设于三通阀43和水泵40的连接管道上，高压水通过单向止水阀41向膜袋充水，并由安全阀42控制水压，材料填充密实后排水形成溶洞6；围护桩身23粘贴应变传感器38。
50.如图6和图7所示，拉力限制器7包括滑块32、钢支架33、摩擦块34、螺钉35、弹簧36
和钢钩37；滑块32置于摩擦块34钢支架33的平台之间，摩擦块34钢支架33的平台之间通过弹簧36提供预应力，钢钩37和滑块32相连接，通过调节螺钉35的向下位移量，从而调节摩擦块34相对滑块32的摩擦力，当锚索22的轴力达到大于摩擦力时，滑块移动，从而可以调控锚索22轴力的力限值。
51.加载装置：由型钢板制成的底座31构成试验仪的基础；型钢柱4与底座31通过角钢连接件30螺栓连接；型钢梁29与型钢柱4通过角钢连接件27连接，并且通过螺栓28进行固定；工字钢梁26通过螺栓3和钢垫板2固定，螺栓3和钢垫板2通过螺母1进行锁紧；由型钢板制成的垫板5支撑试验箱主体；工字钢梁26内固定有工字钢滑车，由钢垫板15与螺栓14紧固；车轮16采用螺栓13与钢垫板15固定，通过车轮16可实现滑车与下方千斤顶17沿工字钢梁26的轴向移动；钢垫板12焊接在钢垫板15下部，并与千斤顶17固定；在千斤顶顶杆11环向布置应变传感器18，通过测量仪表测量千斤顶压力确定试验荷载，可使试验采用分级加载的方式进行；加载钢板10与千斤顶顶杆11焊接，实现对光弹材料9施加均布荷载。
52.量测装置：包括全息摄像机45，固定在桩身侧面的应变传感器38以及pc机39等组成，如图8所示，且应变传感器38所测数据通过数据线连接到终端pc机39上保存，经处理后可得到桩身的变形和轴力等信息，全息摄像机45拍摄光弹材料9得到的全息底片通过pc机39进行分析得到土体变形和内部应力等信息。
53.本发明的工作过程和工作原理如下：
54.(1)选定模型试验的相似比，从而确定箱体内部净空尺寸，进而焊制模型箱主体。
55.(2)据试验需要，按照试验相似比配置模拟岩土的光弹材料，将配置好的材料注入到四周涂有润滑油脂的模型箱中。
56.(3)光弹材料填充至指定要求的深度后，在模型箱中间插入铝管模拟围护桩，并保证围护桩插入的垂直度和一定的间距，并在围护桩顶安装冠梁。
57.(4)在围护桩侧面安装并固定好应变传感器。
58.(5)将锚索一端锚固在围护桩上，另一端通过挂钩与拉力限制器固定，并根据溶洞分布设定不同的力限值，由于原型桩锚结构中锚索布置密集，而锚索自身直径小，无法在试验中实现相应地缩小，试验锚杆可按与设计拉拔力相等原则进行一定的等效，即在试验中用一根粗锚索代替若干根细锚索，确定其直径。
59.(6)在光弹材料内埋设充水膜袋，按指定的要求将光弹材料压实捣密后排水，模拟溶洞。
60.(7)在光弹材料注入模型箱的同时，对单向膨胀气囊组充入不同大小的气压，模拟基坑未开挖情况下的荷载分布。
61.(8)静置24小时后将模型箱搬到加载装置上，调试好全息摄像设备，开始试验。
62.(9)通过调节加载装置上的工字钢滑车，使加载钢板刚好位于模拟岩土材料的正上方，千斤顶顶推加载钢板，对模拟岩土材料施加指定的均匀面荷载。
63.(10)待加载稳定后，自上而下将单向膨胀气囊组放气模拟基坑开挖，记录桩身应变传感器的数据，同时进行全息拍照，当模拟岩土体出现滑移面时，停止试验。
64.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍
属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种岩溶区桩-锚结构稳定性测试用模拟装置，其特征在于，包括试验箱模组、加载装置和量测装置；所述试验箱模组包括箱体、锚索、光弹材料、围护桩、气囊组件和溶洞模拟组件；所述围护桩插设于所述箱体内，以所述围护桩为分割线，所述箱体分隔为左右两个区域，左右两个腔室的底部相互连通；右区域内填充满所述光弹材料，左区域的底部填充所述光弹材料，所述气囊组件填充于所述左区域光弹材料上方；至少一根所述锚索插接于所述右区域，所述锚索的一端穿过所述右区域的侧壁与外侧的拉力限制器钩紧，在所述锚索轴力达到力限值后所述拉力限制器自动脱开；所述锚索的另一端穿过锚垫板，通过锚头与所述同围护桩固定；所述溶洞模拟组件预埋于所述右区域的光弹材料内；所述加载装置通过千斤顶向所述右区域的光弹材料试压；所述量测装置包括贴于所述围护桩上的第一应变传感器、全息摄像机和pc机，所述第一应变传感器、全息摄像机均与所述pc机信号连接。2.根据权利要求1所述的岩溶区桩-锚结构稳定性测试模拟装置，其特征在于，所述箱体的前后两面为钢化玻璃，便于所述全息摄像机记录箱体内所述光弹材料的状态变化。3.根据权利要求1所述的岩溶区桩-锚结构稳定性测试模拟装置，其特征在于，所述围护桩的端部通过冠梁与所述箱体的端部相连接。4.根据权利要求1所述的岩溶区桩-锚结构稳定性测试模拟装置，其特征在于，所述气囊组件为五层气囊结构。5.根据权利要求1所述的岩溶区桩-锚结构稳定性测试模拟装置，其特征在于，所述溶洞模拟组件包括水泵、单向阀、三通阀、安全阀、水桶和充水膜袋；所述充水膜袋预埋于所述右区域的光弹材料内，所述充水膜袋通过管道连通所述三通阀，所述三通阀还连通所述水泵和水桶；所述单向阀设于所述三通阀和所述水泵的连接管道上，所述安全阀设于管道上用于调控水压。6.根据权利要求5所述的岩溶区桩-锚结构稳定性测试模拟装置，其特征在于，在所述锚索的任意位置，预埋多个所述充水膜袋从而包围该区段锚索，多个所述充水膜袋排水后，在索身周围形成空腔，模拟所述锚索穿越溶洞的情况。7.根据权利要求1所述的岩溶区桩-锚结构稳定性测试模拟装置，其特征在于，所述加载装置包括支架、轨道、移动装置、千斤顶、加载钢板和第二应变传感器；所述轨道架构于所述支架上，所述移动装置活动连接于所述轨道上，实现顺着所述轨道的导向位移，所述千斤顶的底部固定在所述移动装置上，所述千斤顶的顶杆端焊接所述加载钢板；所述第二应变传感器换向布置于所述千斤顶的顶杆上。8.根据权利要求1所述的岩溶区桩-锚结构稳定性测试模拟装置，其特征在于，所述光弹材料中添加粘液，从而配制出等效岩土混合料。9.一种岩溶区桩-锚结构稳定性试验方法，使用如权利要求1-8中任意一项所述的岩溶区桩-锚结构稳定性测试模拟装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：据试验需要，装配模拟装置；步骤2：在光弹材料注入模型箱的同时，对气囊组件充入不同大小的气压，模拟基坑未
开挖情况下的荷载分布；步骤3：在光弹材料内埋设充水膜袋，按指定的要求将光弹材料压实捣密后排水，模拟溶洞。步骤4：静置24小时后将模型箱搬到加载装置上，调试好全息摄像设备，开始试验；步骤5：通过调节千斤顶的位置千斤顶顶推加载钢板，对模拟岩土材料施加指定的均匀面荷载；步骤6：待加载稳定后，自上而下将单向膨胀气囊组放气模拟基坑开挖，记录桩身应变传感器的数据，同时进行全息拍照，当模拟岩土体出现滑移面时，停止试验。10.根据权利要求9所述的岩溶区桩-锚结构稳定性试验方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：步骤1.1选定模型试验的相似比，从而确定箱体内部净空尺寸，进而焊制模型箱体；步骤1.2据试验需要，按照试验相似比配置模拟岩土的光弹材料，将配置好的材料注入到四周涂有润滑油脂的模型箱体中；步骤1.3光弹材料填充至指定要求的深度后，在模型箱中间插入铝管模拟围护桩，并保证围护桩插入的垂直度和一定的间距，并在围护桩顶安装冠梁；步骤1.4在围护桩侧面安装并固定好第一应变传感器；步骤1.5将锚索一端锚固在围护桩上，另一端通过挂钩与拉力限制器固定，并根据溶洞分布设定不同的力限值。

技术总结
本发明提出一种岩溶区桩-锚结构稳定性测试用模拟装置及试验方法，包括试验箱模组、加载装置和量测装置；通过在试验箱模组内部模拟溶洞、锚索、围护桩和基坑开挖的场景，配合加载装置和量测装置为实际桩-锚结构各参数的设计提供准确的实验数据，可为桩-锚结构各参数的设计与施工提供有力的保障。设计与施工提供有力的保障。设计与施工提供有力的保障。


技术研发人员：蒙强 罗贤民 钟立超 黄勇 谢金行 徐前卫 韩宇峰 谢金利 颜慧
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/25