寒区边坡锚固结构的静动力测试装置及组装和测试方法与流程

本发明属于寒区边坡支挡领域，具体应用于寒区边坡锚固结构的静动力的特性测试技术。

背景技术：

寒区的大规模人为工程活动必将进行土方开挖、填土，将进一步加剧寒区边坡稳定性问题。这些问题给寒区工程的建设及运营带来了重大的损失，据统计，从2008~2010年，季节冻融作用造成的滑坡约5万次，直接经济损失高达十几亿，而且冻融滑塌破坏逐渐增加，成为影响道路安全运营的主要威胁。哈尔滨-同江高速公路哈-佳段，在运营期间，每年春季均有大量边坡冻融滑塌出现，对行车安全造成了极大的影响，公路维护费用增至几亿元。所以，对寒区边坡锚固结构的研究具有重要的意义，也是边坡整治和经济建设中一项极其迫切的任务。

在寒区，地震灾害频发，往往会造成大量滑坡以及结构、道路、生命线工程和其他重要设施的重大破坏，造成重大的经济损失；又由于冻土独特的物理、热力学性质以及动力问题的复杂性，使得寒区边坡的地震响应问题变成一个复杂的热、力相互作用的难题，引起了国内外学者的广泛关注。近年来，寒区框架锚杆边坡锚固结构的工作机理在理论、数值分析方面取得了一定的研究成果，但是对于寒区边坡锚固结构的测试技术较少。所以，寻求一种对寒区边坡锚固结构的静动力测试装置极其重要，具有重要的工程意义、实用价值和经济效益。

技术实现要素：

本发明的目的是提供寒区边坡锚固结构的静动力测试装置及组装和测试方法。

本发明是寒区边坡锚固结构的静动力测试装置及组装和测试方法，寒区边坡锚固结构的静动力测试装置，包括测试控温箱1、测试模型16、数据采集系统25、振动台30和双梁桥式吊车；测试控温箱1内装有测试模型16和数据采集系统25，测试控温箱1和振动台30在双梁桥式吊车工作面的下方；测试控温箱1是由密封箱2、控温系统和可拆卸脚轮3构成；密封箱2是由底板4、四周墙体5、顶板6、可开启顶盖7和箱门8构成的长方体；将四周墙体5下侧边与底板4周边通过螺栓31连接，同样方式把顶板6周边与四周墙体5上侧边连接，可开启顶盖7嵌套在顶板6中心开孔内，箱门8安装在短边一侧墙体5上；控温系统是由压缩机组9、吊顶式风机10、电阻加热器11、微型控温器12、散热板13、氟利昂循环管道14、钢梁架15构成；钢梁架15是由角钢焊接而成的箱型钢架；将压缩机组9通过螺栓31固定在密封箱2的顶板6上侧，压缩机组9出口与氟利昂循环管道14一端管口对接，氟利昂循环管道14另一端管口穿过顶板6上的圆形孔与散热板13进口对接，以同样方式连接压缩机组9进口和散热板13出口，散热板13散热面与吊顶式风机10进风口胶结，散热板13吸热面与电阻加热器11传热面胶结，将散热板13及其两侧的吊顶式风机10、电阻加热器11通过螺栓31固定在钢梁架15上，用螺栓31将钢梁架15固定在顶板6下侧；微型控温器12通过螺栓31固定在长边一侧墙体5外侧，分别与压缩机组9、吊顶式风机10、电阻加热器11通过电线串连；底板4下侧四个角上开设螺栓31孔，可拆卸脚轮3通过螺栓31固定在底板4上；测试模型16是由模型箱17及其内的框架锚杆支护结构18、传感器19、土坡32构成；模型箱17是由扩大底板20、竖向和横向方钢管、钢化玻璃21构成的长方体，其上侧和前侧不安装钢化玻璃21；将竖向方钢管焊接在扩大底板20的周边上侧，横向方钢管焊接在竖向方钢管的顶部和中间处，钢化玻璃21用螺丝固定在方钢管上；框架锚杆支护结构18是由框架22、锚杆23和锚具24构成；框架22设置在土坡32前，锚杆23自由段穿过框架22节点处，锚具24穿过框架22临空侧的自由段锚固在框架22上，锚杆23锚固段和传感器19埋置在土坡32内；静态数据采集仪26、动态数据采集仪27分别通过通讯线28与传感器19串连，再与电脑29串连，构成数据采集系统25；将测试模型16放入测试控温箱1内，用通讯线28将静态数据采集仪26与传感器19串连，再与电脑29串连，形成冻融作用下的静力测试装置；拆除所有通讯线28，将冻融作用后的测试模型16通过双梁桥式吊车吊至振动台30上，模型箱17的扩大底板20与振动台30的台面通过螺栓31连接，用通讯线28将动态数据采集仪27与传感器19串连，再与电脑29串联，形成地震波作用下的动力测试装置。

寒区边坡锚固结构的静动力测试装置的组装和测试方法，其步骤为：

（1）根据相似比确定框架22、锚杆23、土坡32的几何尺寸；

（2）制作测试控温箱1：根据测试试验要求，确定测试控温箱1的尺寸；选用满足要求的聚氨酯保温板、钢板、角钢，并按照设计尺寸加工制作底板4、墙体5、顶板6、可开启顶盖7、箱门8、钢梁架15；在市场上选购满足要求的可拆卸脚轮3、压缩机组9、吊顶式风机10、电阻加热器11、微型控温器12、散热板13、氟利昂循环管道14；通过螺栓31将底板4、四周墙体5、顶板6相互连接，所有连接位置涂抹密封胶，在顶板6中心开孔处安装可开启顶盖7，将箱门8通过合页安装在短边一侧墙体5上；在顶板6上侧用螺栓31固定压缩机组9，压缩机组9出口与氟利昂循环管道14一端管口对接，氟利昂循环管道14另一端管口穿过顶板6上的圆形孔与散热板13进口对接，以同样方式连接压缩机组9进口和散热板13出口，散热板13散热面与吊顶式风机10进风口胶结，散热板13吸热面与电阻加热器11传热面胶结，散热板13及其两侧的吊顶式风机10、电阻加热器11通过螺栓31安装在钢梁架15内，钢梁架15通过螺栓31安装在顶板6下侧；微型控温器12通过螺31固定在长边一侧墙体5上，分别与压缩机组9、吊顶式风机10、电阻加热器11通过电线串连；底板4下侧四个角上开设螺栓31孔，可拆卸脚轮3通过螺栓31固定在底板4上；

（3）制作模型箱17：根据模型的相似比，确定模型箱17的尺寸；选用满足要求的钢板、钢化玻璃21、方钢管，并按照设计尺寸加工制作扩大底板20、横向和竖向方钢管、钢化玻璃21；将竖向方钢管焊接在扩大底板20的周边上，距离扩大底板20相邻两边为200~500mm处焊接四个角上的竖向方钢管，并且四个角上的竖向方钢管顶部焊接吊环，四个角上的竖向方钢管的中间等间距布置竖向方钢管，横向方钢管焊接在竖向方钢管的顶部和中间处，在扩大底板20上开设与振动台30台面固定孔一致的螺栓31孔，钢化玻璃21用螺丝固定在方钢管上，安装成上侧和前侧敞开的模型箱17；

（4）制作框架22：支模板、绑扎钢筋和浇筑混凝土，预留锚杆23出孔；

（5）制作锚杆23：根据设计要求确定锚固段的长度，用pvc管作为模板，将带螺纹的钢筋插入管内，浇筑混凝土，形成锚固段，养护完成后，拆掉pvc管；

（6）贴应变片34：在框架22的节点和跨中位置上贴应变片34，并用绝缘胶带包扎保护；在锚杆23自由段上贴应变片34，并用绝缘胶带包扎保护；

（7）制作土坡32：根据测试试验要求，确定重塑土的含水率和压实度，并制备试验所需的重塑土；在模型箱17内从底向上装重塑土，分层压实，并一边装重塑土一边安装锚杆23、土压力探头33、水分探头35、温度探头36；

（8）安装框架锚杆支护结构18：将框架22吊到模型箱17内，按设计角度倾斜，并用绳子暂时固定，使框架22贴应变片34的一侧与土坡32的临空面相接触；将锚具24穿过框架22临空侧的锚杆23自由段锚固在框架22上，锚杆23锚固段埋在土坡32内；

（9）将百分表37、加速度计38和位移传感器39分层安装在框架22的临空侧节点处；

（10）进行静力测试：①用双梁桥式吊车将测试模型16吊进测试控温箱1，静态数据采集仪26通过通讯线28与已安装的土压力探头33、应变片34、水分探头35、温度探头36串连，再与电脑29串连；②根据相似比确定调节温度值和采集数据的时间；③进行冻融作用下的静力测试；

（11）静力测试结束后，拆除百分表37、静态数据采集仪26以及连接的所有通讯线28；

（12）进行动力测试：①用双梁桥式吊车将测试模型16吊出，并固定在实验室的振动台30上，用螺栓31将模型箱17的扩大底板20与振动台30台面紧固；②通过通讯线28将动态数据采集仪27与已安装的土压力探头33、应变片34、加速度计38、位移传感器39串连，再与电脑29串连；③输入不同加速度值的地震波进行动力测试。

本发明提出的寒区边坡锚固结构的静动力测试装置，结构新颖，安装简单、方便，易于操作；通过测试控温箱的可拆卸脚轮能够将测试控温箱随意移动位置，并且测试控温箱的可开启顶盖设计成可开启式，通过双梁桥式吊车可把测试模型从测试控温箱中快速吊进、吊出，模型箱的扩大底板通过螺栓固定在振动台的台面上。对于寒区边坡锚固结构的冻融、地震作用下的现场试验，其试验环境复杂，各种因素相互影响，给问题的研究带来极大的困难，而且需要投入大量的资金和人力；而对于室内模型试验，其具有可控性和灵活性，是现场试验的一种必要的补充，常用于自然现象的科学问题的研究，也是我们从机理上研究寒区边坡锚固结构的静动力特性重要手段，具有重要的工程意义、实用价值和经济效益。

本发明所提供的寒区边坡锚固结构的静动力测试装置可以进行寒区边坡锚固结构的静动力特性测试：①可测得在框架锚杆锚固作用下的寒区边坡的冻胀位移、土压力、水分、温度以及锚杆和框架的应力；②通过输入不同的地震加速度，可测得不同工况下框架锚杆锚固作用下的寒区边坡的土压力、加速度、位移以及锚杆和框架的应力。

本发明能够促进寒区框架锚杆边坡锚固结构在寒区工程的应用，将为框架锚杆在冻土边坡工程中的设计提供更加合理、有效的参数，可减少由于设计不当造成的巨大损失。克服了现场试验无法进行阻碍人们对寒区地震作用下框架锚杆边坡锚固结构的动力特性认识，为框架锚杆冻土边坡锚固结构的动力分析与抗震设计提供了理论基础。通过室内模型试验研究，能够从机理上阐述寒区框架锚杆边坡锚固结构的静动力特性，从而实现寒区框架锚杆边坡锚固结构的优化设计和科学设计。

附图说明

图1是本发明的动力测试布置示意图；图2是静力测试布置示意图；图3是测试控温箱的侧视图；图4是测试控温箱的俯视图；图5是测试模型结构示意图；图6是数据采集系统布置示意图；图7是模型箱的侧视图；图8是模型箱的俯视图；图9是框架锚杆支护结构示意图；图10是a-a截面结构示意图。附图标记及对应名称为：测试控温箱1、密封箱2、可拆卸脚轮3、底板4、墙体5、顶板6、可开启顶盖7、箱门8、压缩机组9、吊顶式风机10、电阻加热器11、微型控温器12、散热板13、氟利昂循环管道14、钢梁架15、测试模型16、模型箱17、框架锚杆支护结构18、传感器19、扩大底板20、钢化玻璃21、框架22、锚杆23、锚具24、数据采集系统25、静态数据采集仪26、动态数据采集仪27、通讯线28、电脑29、振动台30、螺栓31、土坡32、土压力探头33、应变片34、水分探头35、温度探头36、百分表37、加速度计38、位移传感器39。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施实例对本发明进一步说明，所举实例只用于解释本发明并非仅限于本实例。在阅读本发明后，凡在本发明原理内所做的等同替换、修改都属于本发明的保护范围。

如图1~图10所示，本发明是寒区边坡锚固结构的静动力测试装置及组装和测试方法，寒区边坡锚固结构的静动力测试装置，包括测试控温箱1、测试模型16、数据采集系统25、振动台30和双梁桥式吊车；测试控温箱1内装有测试模型16和数据采集系统25，测试控温箱1和振动台30在双梁桥式吊车工作面的下方；测试控温箱1是由密封箱2、控温系统和可拆卸脚轮3构成；密封箱2是由底板4、四周墙体5、顶板6、可开启顶盖7和箱门8构成的长方体；将四周墙体5下侧边与底板4周边通过螺栓31连接，同样方式把顶板6周边与四周墙体5上侧边连接，可开启顶盖7嵌套在顶板6中心开孔内，箱门8安装在短边一侧墙体5上；控温系统是由压缩机组9、吊顶式风机10、电阻加热器11、微型控温器12、散热板13、氟利昂循环管道14、钢梁架15构成；钢梁架15是由角钢焊接而成的箱型钢架；将压缩机组9通过螺栓31固定在密封箱2的顶板6上侧，压缩机组9出口与氟利昂循环管道14一端管口对接，氟利昂循环管道14另一端管口穿过顶板6上的圆形孔与散热板13进口对接，以同样方式连接压缩机组9进口和散热板13出口，散热板13散热面与吊顶式风机10进风口胶结，散热板13吸热面与电阻加热器11传热面胶结，将散热板13及其两侧的吊顶式风机10、电阻加热器11通过螺栓31固定在钢梁架15上，用螺栓31将钢梁架15固定在顶板6下侧；微型控温器12通过螺栓31固定在长边一侧墙体5外侧，分别与压缩机组9、吊顶式风机10、电阻加热器11通过电线串连；底板4下侧四个角上开设螺栓31孔，可拆卸脚轮3通过螺栓31固定在底板4上；测试模型16是由模型箱17及其内的框架锚杆支护结构18、传感器19、土坡32构成；模型箱17是由扩大底板20、竖向和横向方钢管、钢化玻璃21构成的长方体，其上侧和前侧不安装钢化玻璃21；将竖向方钢管焊接在扩大底板20的周边上侧，横向方钢管焊接在竖向方钢管的顶部和中间处，钢化玻璃21用螺丝固定在方钢管上；框架锚杆支护结构18是由框架22、锚杆23和锚具24构成；框架22设置在土坡32前，锚杆23自由段穿过框架22节点处，锚具24穿过框架22临空侧自由段锚固在框架22上，锚杆23锚固段和传感器19埋置在土坡32内；静态数据采集仪26、动态数据采集仪27分别通过通讯线28与传感器19串连，再与电脑29串连，构成数据采集系统25；将测试模型16放入测试控温箱1内，用通讯线28将静态数据采集仪26与传感器19串连，再与电脑29串连，形成冻融作用下的静力测试装置；拆除所有通讯线28，将冻融作用后的测试模型16通过双梁桥式吊车吊至振动台30上，模型箱17的扩大底板20与振动台30的台面通过螺栓31连接，用通讯线28将动态数据采集仪27与传感器19串连，再与电脑29串联，形成地震波作用下的动力测试装置。

如图2~图4所示，密封箱2长1~5m，宽1~5m，高1~5m；密封箱2的底板4、四周墙体5、顶板6由聚氨酯保温板和钢板构成，通过环氧树脂胶将钢板粘结在保温板的任意一侧，密封箱2安装完成后，使钢板位于其外侧，聚氨酯保温板厚30~80mm，容重26～70kg/m³，导热系数0.018～0.023w/（m．k），钢板厚50~100mm；底板4下侧四个角上分别开设4~6个螺栓31孔，螺栓31孔间距为40~80mm，用来安装可拆卸脚轮3；顶板6上侧四个角上装有吊环，中心处开设长方形孔，长方形孔长0.6~3m，宽0.5~2.5m，长方形孔的长宽尺寸比扩大底板（20）大，顶板6上的两个圆形孔并列开设在距离长方形孔短边的200~800mm处，两个圆形孔间距20~50mm；可开启顶盖7由聚氨酯保温板和井字形钢架构成，聚氨酯保温板的长宽与长方形孔长宽尺寸相等，四个角上装有吊环，井字形钢架由角钢焊接而成，并通过螺栓31固定在聚氨酯保温板的上侧，其长宽尺寸比长方形孔大200~400mm；箱门8为聚氨酯保温板，高1.8~2.2m，宽0.6~0.8m，箱门8底距水平地面0.3~0.6m；控温系统的温度调节范围为-50゜c~50゜c；压缩机组9采用3.7kw(5hp)~14.8kw(5hp)的g-0500；吊顶式风机10采用d型系列氟利昂式；微型控温器12精度为-0.5゜c~0.5゜c，距水平地面高度0.8~1m；箱型钢架由角钢端部焊接成长方体，长500~1000mm，宽400~800mm，高200~600mm，用于固定吊顶式风机10、电阻加热器11、散热板13。

如图1、图2、图7、图8所示，模型箱17的高度比密封箱2小400~800mm，竖向方钢管高1.8~3m；扩大底板20采用钢板制成，长0.5~2.5m，宽0.4~2m，厚200~600mm，距离扩大底板20的相邻两边为200~500mm处焊接四个角上的竖向方钢管，并且四个角上的竖向方钢管顶部焊接吊环，四个角上的竖向方钢管中间等间距布置竖向方钢管，其间距尺寸300~600mm，扩大底板20边上预留螺栓31孔，其尺寸与振动台30台面固定孔尺寸一致；钢化玻璃21厚100~300mm。

如图1、图2、图5、图9所示，传感器19由土压力探头33、应变片34、水分探头35、温度探头36、百分表37、加速度计38、位移传感器39组成；土压力探头33安装在框架22和土坡32接触的坡面上，应变片34贴在锚杆23的自由段上和框架22的节点和跨中位置上，水分探头35和温度探头36距坡面距离100~300mm，竖向间隔80~150mm，并列埋置在土坡32内，百分表37、加速度计38和位移传感器39安装在框架22的临空侧节点处。

如图1、图2、图10所示，土坡32倾角为60゜~80゜；振动台30选用选用两轴向或三轴向的液压式振动台。

如图1~图10所示，寒区边坡锚固结构的静动力测试装置的组装和测试方法，其步骤为：

（1）根据相似比确定框架22、锚杆23、土坡32的几何尺寸；

（2）制作测试控温箱1：根据测试试验要求，确定测试控温箱1的尺寸；选用满足要求的聚氨酯保温板、钢板、角钢，并按照设计尺寸加工制作底板4、墙体5、顶板6、可开启顶盖7、箱门8、钢梁架15；在市场上选购满足要求的可拆卸脚轮3、压缩机组9、吊顶式风机10、电阻加热器11、微型控温器12、散热板13、氟利昂循环管道14；通过螺栓31将底板4、四周墙体5、顶板6相互连接，所有连接位置涂抹密封胶，在顶板6中心开孔处安装可开启顶盖7，将箱门8通过合页安装在短边一侧墙体5上；在顶板6上侧用螺栓31固定压缩机组9，压缩机组9出口与氟利昂循环管道14一端管口对接，氟利昂循环管道14另一端管口穿过顶板6上的圆形孔与散热板13进口对接，以同样方式连接压缩机组9进口和散热板13出口，散热板13散热面与吊顶式风机10进风口胶结，散热板13吸热面与电阻加热器11传热面胶结，散热板13及其两侧的吊顶式风机10、电阻加热器11通过螺栓31安装在钢梁架15内，钢梁架15通过螺栓31安装在顶板6下侧；微型控温器12通过螺31固定在长边一侧墙体5上，分别与压缩机组9、吊顶式风机10、电阻加热器11通过电线串连；底板4下侧四个角上开设螺栓31孔，可拆卸脚轮3通过螺栓31固定在底板4上；

（3）制作模型箱17：根据模型的相似比，确定模型箱17的尺寸；选用满足要求的钢板、钢化玻璃21、方钢管，并按照设计尺寸加工制作扩大底板20、横向和竖向方钢管、钢化玻璃21；将竖向方钢管焊接在扩大底板20的周边上，距离扩大底板20的相邻两边为200~500mm处焊接四个角上的竖向方钢管，并且四个角上的竖向方钢管顶部焊接吊环，四个角上的竖向方钢管的中间等间距布置竖向方钢管，其间距尺寸300~600mm，横向方钢管焊接在竖向方钢管的顶部和中间处，在扩大底板20上开设与振动台30台面固定孔一致的螺栓31孔，钢化玻璃21用螺丝固定在方钢管上，安装成上侧和前侧敞开的模型箱17；

（4）制作框架22：支模板、绑扎钢筋和浇筑混凝土，预留锚杆23出孔；

（5）制作锚杆23：根据设计要求确定锚固段的长度，用pvc管作为模板，将5~8mm带螺纹的钢筋插入管内，浇筑混凝土，形成锚固段，养护完成后，拆掉pvc管；

（6）贴应变片34：在框架22的节点和跨中位置上贴应变片34，并用绝缘胶带包扎保护；在锚杆23自由段上贴应变片34，并用绝缘胶带包扎保护；

（7）制作土坡32：根据测试试验要求，确定重塑土的含水率和压实度，并制备试验所需的重塑土；在模型箱17内从底向上装重塑土，分层压实，并一边装重塑土一边安装锚杆23、土压力探头33、水分探头35、温度探头36；

（8）安装框架锚杆支护结构18：将框架22吊到模型箱17内，按设计倾斜一定角度，并用绳子暂时固定，使框架22贴应变片34的一侧与土坡32的临空面相接触；将锚具24穿过框架22临空侧的锚杆23自由段锚固在框架22上，锚杆23的锚固段埋在土坡32内；

（9）将百分表37、加速度计38和位移传感器39分层安装在框架22的临空侧节点处；

（10）进行静力测试：①用双梁桥式吊车将测试模型16吊进测试控温箱1，静态数据采集仪26通过通讯线28与已安装的土压力探头33、应变片34、水分探头35、温度探头36串连，再与电脑29串连；②根据相似比确定调节温度值和采集数据的时间；③进行冻融作用下的静力测试；

（11）静力测试结束后，拆除百分表37、静态数据采集仪26以及连接的所有通讯线28；

（12）进行动力测试：①用双梁桥式吊车将测试模型16吊出，并固定在实验室的振动台30上，用螺栓31将模型箱17的扩大底板20与振动台30台面紧固；②通过通讯线28将动态数据采集仪27与已安装的土压力探头33、应变片34、加速度计38、位移传感器39串连，再与电脑29串连；③输入不同加速度值的地震波进行动力测试。