专利名称：地下工程模型试验中预制锚杆施作的定位装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种地下工程模型试验中预制锚杆施作的定位装置及方法，属于试验模型领域。
背景技术：
地下工程模型试验是对地下工程进行仿真模拟，指导地下工程设计和施工的一种有效的方法和手段。地下工程模型试验是按照相似比和相似理论将实际工程按照一定的比例缩小成一个模型，并对模型体进行相应的操作以模拟实际工程。因此，在按照相似理论进行缩小时，应尽量保证实际工程中的技术手段，例如:喷射混凝土、打锚杆等能够在模型试验中得到体现。通过理论及实践分析，在地下工程模型试验中施作系统锚杆时，实行提前预埋或者在隧道开挖过程中打设，对结果的影响并不大，但是在大型模型试验中，由于隧道孔径较小，洞身较长，难以在隧道开挖过程中及时打设系统锚杆，而相对的，采用预制预埋的方式，即在填料过程中，预先在固定位置埋设系统锚杆，操作相对较为简单，所以进行相关实验时，多采用预制预埋的方式。而将系统锚杆准确的插入到设计好的位置是试验结果准确可靠的前提，但是由于模型的尺寸的限制以及进行模型试验时的工具的限制，对系统锚杆的定位有一定的难度。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种地下工程模型试验中预制锚杆施作的定位装置及方法。本发明结构简单、定位准确、操作方便、价格便宜，能够准确高效的完成系统锚杆的梅花形布设。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:地下工程模型试验中预制锚杆施作的定位装置，包括拱形模具、定向工具、成孔工具和锚杆定位工具；所述拱形模具上设有若干列错位排布的定位孔，所述定位孔与定向工具嵌套配合，所述定向工具设有贯穿其轴线的定向孔，所述定向工具以定向孔的孔径分为小孔径定向工具和大孔径定向工具两种；所述成孔工具与小孔径定向工具嵌套配合；所述锚杆定位工具与大孔径定向工具嵌套配合。所述拱形模具为木制,其长度为20cm,分布有5列定位孔,定位孔直径为Icm,各列定位孔间距为4cm，第一列和最后一列定位孔与模型边界的间距为2cm，实现了各列定位孔的等间距操作，从而保证了打设的锚杆的等间距操作；所述拱形模具包括拱形模具I和拱形模具II，拱形模具I的奇数列等间距设5个定位孔，偶数列等间距设6个定位孔；拱形模具II的奇数列等间距设6个定位孔，偶数列等间距设5个定位孔，各列定位孔错位排布，实现了定位孔的梅花状布设。所述定向工具为一上、下不等径的柱状结构，下半段与定位孔等直径、且与拱形模具等厚度，上半段的直径大于定位孔孔径；所述小孔径定向工具的定向孔孔径为1.8mm，大孔径定向工具的定向孔孔径为2_，两者分别配合成孔工具及锚杆定位工具，进行嵌套，实现成孔和锚杆打设，从而保证锚杆与土体之间的摩擦和挤压。所述定向工具的下半段长2cm,上半段长Icm,直径较定位孔孔径略大,方便定向工具与木制模具定位孔嵌套定位。所述成孔工具为顶部有柱状顶帽的钢针状结构；所述成孔工具的直径为1.8mm,长度为Ilcm，与1.8_孔径的定向工具，S卩小孔径定向工具嵌套配合，实现8cm深锚孔的准确定位和打设。所述锚杆定位工具为顶部有柱状顶帽的钢针状结构；所述锚杆定位装置的直径为
2.0mm,长度与定向工具相同，即3cm,与2.0mm孔径的定向工具，即大孔径定向工具嵌套配合，实现锚杆的准确定位与打设。地下工程模型试验中预制锚杆施作的定位方法，具体步骤如下:I)在模型试验填料过程中，沿洞身延伸按照拱形模具的尺寸堆砌夯实成长方体土体，按照模具的形状，修切出模具的形状；2)将拱形模具I安放在修切成的土体的端部，使拱形模具I与土体完全接触；3)将小孔径定向工具，嵌套在木制拱形模具的定位孔上，将成孔工具以挤压锤击的方式沿定向孔打入土体，形成锚孔；4)取出成孔工具及小孔径定向工具，安置大孔径定向工具，将对应直径的锚杆以挤压的方式打入锚孔，当锚杆的尾部与定向工具上部端面持平时，用锚杆定位工具沿定向孔将锚杆按压至土体中，从而实现锚杆的准确定位；5)取出锚杆定位工具及大孔径定向工具，将拱形模具II安置在土体上，使之与拱形模具I的边界紧密接触，重复步骤3)、步骤4);6)取出锚杆定位工具及大孔径定向工具，将拱形模具I安置在土体上，使之与拱形模具II的边界紧密接触。重复步骤3)、步骤4);7)重复步骤5)、步骤6)直到锚杆打设完成。所述步骤3) 4)中，小孔径定向工具是定向孔孔径为1.8mm的定向工具。所述步骤4) 6)中，大孔径定向工具是定向孔孔径为2.0mm的定向工具，锚杆的直径为2.0mm。所述步骤3)中，锚孔的深度为8cm。本发明通过木制拱形模具的定位孔与小孔径定向工具，成孔工具的嵌套，实现预制锚孔的打设。通过木制拱形模具的定位孔与大孔径定向工具，锚杆，定位工具的嵌套使用，实现锚杆准确定位打设。木制拱形模具，有两个，可交替拼接循环使用，实现了锚杆定位装置定位的准确性和使用的连续性。本发明的有益效果是，I)通过各种工具的嵌套使用，实现了预制锚杆的准确定位和打设，采用梅花状的锚杆分布方式，保证了锚杆锚固作用的充分发挥。2)采用1.8mm孔径定向工具，成孔工具，嵌套使用，打设1.8mm孔径的预制锚孔；采用2mm孔径的定向工具，定位工具，嵌套使用，在1.8mm预制锚孔打设直径2mm的锚杆，保证了锚杆与土体之间的挤压和摩擦，从而确保了锚杆与土体的整体性。3)装置简单，可操作性强，价格便宜。
图1拱形模具示意图；图2成孔工具示意图；图3定向工具示意图；图4锚杆定位工具示意图；图5锚杆平面布设图；其中，1.拱形模具，2.定位孔,3.成孔工具,4.定向工具,5.定向孔,6.锚杆定位工具。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。地下工程模型试验中预制锚杆施作的定位装置，包括拱形模具1、定向工具4、成孔工具3和锚杆定位工具6 ;所述拱形模具I上设有若干列错位排布的定位孔2，所述定位孔2与定向工具4嵌套配合，所述定向工具4设有贯穿其轴线的定向孔5，所述定向工具4以定向孔5的孔径分为小孔径定向工具和大孔径定向工具两种；所述成孔工具3与小孔径定向工具嵌套配合；所述锚杆定位工具6与大孔径定向工具嵌套配合。所述拱形模具I为木制，其长度为20cm,分布有5列定位孔2,定位孔2直径为Icm,各列定位孔2间距为4cm，第一列和最后一列定位孔2与模型边界的间距为2cm，实现了各列定位2孔的等间距操作，从而保证了打设的锚杆的等间距操作；所述拱形模具I包括拱形模具I和拱形模具II，拱形模具I的奇数列等间距设5个定位孔2，偶数列等间距设6个定位孔2 ;拱形模具II的奇数列等间距设6个定位孔2，偶数列等间距设5个定位孔2，各列定位孔2错位排布，实现了定位孔2的梅花状布设。所述定向工具4为一上、下不等径的柱状结构，下半段与定位孔2等直径、且与拱形模具I等厚度，上半段的直径大于定位孔2孔径；所述小孔径定向工具的定向孔5孔径为1.8_，大孔径定向工具的定向孔5孔径为2_，两者分别配合成孔工具3及锚杆定位工具6，进行嵌套，实现成孔和锚杆打设，从而保证锚杆与土体之间的摩擦和挤压。所述定向工具4的下半段长2cm，上半段长1cm，直径较定位孔2孔径略大，方便定向工具4与木制拱形模具I的定位孔2嵌套定位。所述成孔工具3为顶部有柱状顶帽的钢针状结构；所述成孔工具3的直径为
1.8mm,长度为Ilcm,与1.8mm孔径的定向工具4,即小孔径定向工具嵌套配合,实现8cm深锚孔的准确定位和打设。所述锚杆定位工具6为顶部有柱状顶帽的钢针状结构；所述锚杆定位装置6的直径为2.0mm,长度与定向工具4相同，即3cm,与2.0mm孔径的定向工具4,即大孔径定向工具嵌套配合，实现锚杆的准确定位与打设。地下工程模型试验中预制锚杆施作的定位方法，具体步骤如下:I)在模型试验填料过程中，沿洞身延伸按照拱形模具I的尺寸堆砌夯实成长方体土体，按照模具的形状，修切出模具的形状；
2)将拱形模具I安放在修切成的土体的端部，使拱形模具I与土体完全接触；3)将小孔径定向工具，嵌套在木制拱形模具I的定位孔2上，将成孔工具3以挤压锤击等手段沿定向孔打入土体，形成锚孔；4)取出成孔工具3及小孔径定向工具，安置大孔径定向工具，将对应直径的锚杆以挤压的方式打入锚孔，当锚杆的尾部与定向工具4上部端面持平时，用锚杆定位工具6沿定向孔5将锚杆按压至土体中，从而实现锚杆的准确定位；5)取出锚杆定位工具6及大孔径定向工具，将拱形模具II安置在土体上，使之与拱形模具I的边界紧密接触，重复步骤3)、步骤4)；6 )取出锚杆定位工具6及大孔径定向工具，将拱形模具I安置在土体上，使之与拱形模具II的边界紧密接触。重复步骤3)、步骤4);7)重复步骤5)、步骤6)直到锚杆打设完成。步骤3) 4)中，小孔径定向工具是定向孔孔径为1.8mm的定向工具。步骤4) 6)中，大孔径定向工具是定向孔孔径为2.0mm的定向工具，锚杆的直径为 2.0mm。步骤3)中，锚孔的深度为8cm。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式
进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
权利要求
1.地下工程模型试验中预制锚杆施作的定位装置，其特征在于，包括拱形模具、定向工具、成孔工具和锚杆定位工具；所述拱形模具上设有若干列错位排布的定位孔，所述定位孔与定向工具嵌套配合，所述定向工具设有贯穿其轴线的定向孔，所述定向工具以定向孔的孔径分为小孔径定向工具和大孔径定向工具两种；所述成孔工具与小孔径定向工具嵌套配合；所述锚杆定位工具与大孔径定向工具嵌套配合。
2.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述拱形模具为木制，其长度为20cm,分布有5列定位孔,定位孔直径为Icm,各列定位孔间距为4cm,第一列和最后一列定位孔与模型边界的间距为2cm ;所述拱形模具包括拱形模具I和拱形模具II，拱形模具I的奇数列等间距设5个定位孔，偶数列等间距设6个定位孔；拱形模具II的奇数列等间距设6个定位孔，偶数列等间距设5个定位孔，各列定位孔错位排布。
3.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述定向工具为一上、下不等径的柱状结构，下半段与定位孔等直径、且与拱形模具等厚度，上半段的直径大于定位孔孔径；所述小孔径定向工具的定向孔孔径为1.8mm，大孔径定向工具的定向孔孔径为2mm，两者分别配合成孔工具及锚杆定位工具。
4.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述定向工具的下半段长2cm，上半段长1cm。
5.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述成孔工具为顶部有柱状顶帽的钢针状结构；所述成孔工具的直径为1.8mm，长度为11cm。
6.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述锚杆定位工具为顶部有柱状顶帽的钢针状结构；所述锚杆定位装置的直径为2.0mm，长度与定向工具相同。
7.利用上述任一项权利要求所述的定位装置实现地下工程模型试验中预制锚杆施作的定位方法，其特征在于，具体步骤如下: 1)在模型试验填料过程中，沿洞身延伸按照拱形模具的尺寸堆砌夯实成长方体土体，按照模具的形状，修切出模具的形状； 2)将拱形模具I安放在修切成的土体的端部，使拱形模具I与土体完全接触； 3)将小孔径定向工具，嵌套在木制拱形模具的定位孔上，将成孔工具以挤压锤击的方式沿定向孔打入土体，形成锚孔； 4)取出成孔工具及小孔径定向工具，安置大孔径定向工具，将对应直径的锚杆以挤压的方式打入锚孔，当锚杆的尾部与定向工具上部端面持平时，用锚杆定位工具沿定向孔将锚杆按压至土体中，从而实现锚杆的准确定位； 5)取出锚杆定位工具及大孔径定向工具，将拱形模具II安置在土体上，使之与拱形模具I的边界紧密接触，重复步骤3)、步骤4); 6)取出锚杆定位工具及大孔径定向工具，将拱形模具I安置在土体上，使之与拱形模具II的边界紧密接触。重复步骤3)、步骤4); 7)重复步骤5)、步骤6)直到锚杆打设完成。
8.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述步骤3) 4)中，小孔径定向工具是定向孔孔径为1.8mm的定向工具。
9.根据权利要求7所述的 定位方法，其特征在于，所述步骤4) 6)中，大孔径定向工具是定向孔孔径为2.0mm的定向工具,锚杆的直径为2.0mm。
10.根据权利要求 7所述的定位方法，其特征在于，所述步骤3)中，锚孔的深度为8cm。
全文摘要
本发明公开了一种地下工程模型试验中预制锚杆施作的定位装置及方法。本发明结构简单、定位准确、操作方便、价格便宜，能够准确高效的完成系统锚杆的梅花形布设。本发明的定位装置包括拱形模具、定向工具、成孔工具和锚杆定位工具；拱形模具上设有若干个定位孔，定位孔与定向工具嵌套配合；定向工具为一上、下不等径的柱状结构，下半段与定位孔等直径、且与拱形模具等厚度，上半段的直径大于定位孔孔径，定向工具的轴线部位设有贯穿整个柱状结构的定向孔，定向工具以定向孔的孔径分为小孔径定向工具和大孔径定向工具两种；成孔工具与小孔径定向工具嵌套配合；锚杆定位工具与大孔径定向工具嵌套配合；拱形模具包括拱形模具I和拱形模具II。
文档编号E21D20/00GK103174443SQ20131010221
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月27日 优先权日2013年3月27日
发明者周宗青, 刘洪亮, 李术才, 张乾青, 李利平, 王凯, 王旌, 陈云娟 申请人:山东大学