靠近锁脚锚管一端的基础结构上。
[0044] 本发明加载装置用于给锁脚锚管进行加载，该加载方法的具体步骤为：
[0045] 首先，孔位钻孔及锁脚锚管的安设。
[0046] 孔位钻孔：在预先选定好的试验场地或隧道断面处，选择打孔位置，打孔的位置根 据加载装置高度和锁脚锚管打设角度确定，孔位之间的中心距离应保持在60cm以上，钻孔 深度根据试验用锁脚锚管的长度确定，钻孔的深度为锚管长度减去35cm，孔位定好后采用 洛阳铲或钻孔机械钻深孔，为保证锁脚锚管打设角度与实验方案预设相同，可通过扣件结 合架管来实现，即每个孔位沿纵向搭设两道横梁，通过调整前后横梁之间的高度确定锚管 打设角度，如图1所示。钻孔时应保证孔腔顺直平滑，不应出现弯曲或偏位。
[0047] 锁脚锚管安设：进行锁脚锚管安设时，应先将不设电阻应变片的锚管人工插入钻 孔内，待孔腔顺直平滑后取出，以应变片受到杂物而损坏，再将贴有电阻应变片的锁脚锚管 缓慢送入钻孔内，安放锁脚锚管时注意将管身圆周最上端、最下端平面与孔位最上端、最下 端平面尽量重合，以便更好的反映管身横截面最大轴向应变和弯矩。
[0048] 然后，用加载装置对锁脚锚管进行加载：
[0049] 加载装置和反力装置是两个单独的构件，加载装置利用杠杆原理采用千斤顶进行 加载，横梁和立柱是整个加载装置的主要受力部分。对于基础结构采用方箱钢结构形式来 保证其结构的稳定；采用连接件二消除千斤顶与横梁的接触问题；横梁与锁脚锚管端头采 用连接件一连接，其一端与锁脚锚管端头连接，另一端与横梁连接。为确保锁脚锚管受力方 向与横梁垂直，将连接件一两端制作成铰接形式，即随着横梁的转动特制连接件一受力方 向始终与横梁垂直。考虑到试验设计荷载及现场条件的要求，采用以配重反力为基础的反 力装置。
[0050] 如图2所示，试验时先将加载装置用重锤悬挂法置于锁脚锚管正下方，把横梁固 定在立柱上，千斤顶就位，将加载装置连接件一 7的异形体二15的上圆环穿入锁脚锚管的 伸出端，用带油表的油压千斤顶顶起连接件二6;然后在反力装置的空心方钢上堆载重物 组成配重反力装置，通过方钢上堆载重物的下压力平衡作用于锁脚锚管端头的作用力。此 时整个加载系统组装完毕。
[0051] 由于锁脚锚管试验多在黄土隧道中进行，在每级荷载作用下锁脚锚管很容易趋于 稳定，因此试验加荷方式采用快速维持荷载法。试验时采用一台手动立式带表油压千斤顶 提供外力，通过杠杆原理将千斤顶上顶力传递到锁脚锚管端头。根据千斤顶的油压表读数 对锁脚锚管进行逐级加载，每级荷载增加0. 5MPa，测定锁脚锚管在该荷载作用下的受力特 性，然后进行下一级加载。当锁脚锚管端头竖向位移急剧下降且累计竖向位移达20cm，或电 阻应变片所测得的应变急剧变化时，即终止加载。
[0052] 锁脚锚管端头竖向荷载与油压千斤顶顶力关系如下：
[0053] 假设油压千斤顶的上顶力为F千，锁脚锚管端头作用力为Fis，且F千与Fis力矩之比 为2:1，其受力如图3所示，由结构力学可知：
[0054]
[0055] 其中Θ为Fis与F+的夹角，Θ由两部分组成，锁脚锚管没有发生水平位移 时的角度，此时sinΘ 锁脚锚管端头竖向位移与杠杆杆臂2L的比值，在加载过程中，锁 脚锚管端头竖向位移为变量，其量值随着加载的持续而变大，杠杆杆臂2L为定值，因此在 加载过程中需对锁脚锚管端头竖向位移进行实时监测。对于θ2,sin02为锁脚锚管端头 水平位移与开孔构件长度的比值，在加载过程中，锁脚锚管端头水平位移为变量，开孔特制 构件为定值，因此在加载过程中需对锁脚锚管端头水平位移进行实时监测。Fiss、FiS7X分别 为：
[0056]
[0057] 实施例：
[0058] 本次试验主要测试锁脚锚管的受力特性及端头位移，试验在铜（铜川）旬（旬邑） 高速上源子三号隧道附近现场高陡边坡进行，以土质边坡近似隧道中的围岩，以锁脚锚管 端头加载模拟钢架对锚管的作用力，来研究空心锚管在外荷载作用下管身受力分布特性及 变形规律，不考虑注浆效果的影响。本次试验加载的主要步骤如下：
[0059] 步骤一：对现场场地进行布置。试验前首先对打孔处边坡进行适当刷坡处理，然后 清除钻孔位置附近及下方的表层土，最后将地基夯实并整平，防止加载、堆载过程中基础结 构下陷。
[0060] 步骤二：进行孔位钻孔与锁脚锚管安设。本次试验锁脚锚管采用长度3. 5m、直径 42_、壁厚为4_的热乳无缝钢管，锚管预设下插角分别为0°、15°、30°、45°和60°，因 试验现场没有成孔设备且高陡边坡坡脚下方为碎石土，最终采用洛阳铲钻孔，且下插角分 别选取0°和15°。孔位定好后采用长3. 8m的洛阳铲钻四个直径50mm、长3. 3m的深孔，其 中两个孔位下插角为0°，另两个孔位下插角为15°。然后待孔腔顺直平滑后再将贴有电 阻应变片的锁脚锚管缓慢送入钻孔内，如图4所示。
[0061] 步骤三：加载装置及反力装置组装。加载装置和反力装置是两个单独的构件，通过 组合使两者成为一体。首先将基础结构采用重锤悬挂法置于锁脚锚管正下方，然后把横梁 固定在立柱上，千斤顶就位。然后将方形枕木对称置于基础结构的两侧，同时将反力装置中 的四根空心方钢固定在基础结构指定的位置，方钢沿基础结构两侧各伸出1. 75m。最后在方 钢两侧对称堆载重物以提供反压作用，堆载重物就地取材，采用编织袋装土提供反压，此时 整个加载系统组装完毕，如图5、图6所示。
[0062] 步骤四：对锁脚锚管进行加载。如图7所示，本次试验用一台QYL32手动立式带表 油压千斤顶提供外力。带表油压千斤顶技术指标如下：最大起重量为32吨，最大起重高度 为180mm，油表最小刻度尺为0. 5MPa，量程为lOOMPa，精度为0. 4级，标定后油表IMPa对应 的荷载为〇. 4405吨。利用千斤顶对锁脚锚管进行分级加载，每级加载0. 5MPa，当千斤顶油 表示数增加到7MPa时，终止加载。
[0063]结论：随着加载等级的不断增大锚管端头竖向位移也随之增大，管周土出现剥离 和变形，锚管开始发生弯曲变形。试验加载完毕后将锁脚锚管拔出，经测量对比可知，锁脚 锚管仅在靠近端头位置发生严重的竖向变形，如图8所示。对于0°下插角从距端头45cm 处开始发生屈曲变形，对于15°下插角从距端头37cm处开始发生屈曲变形。
【主权项】
1. 一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力的加载装置，其特征在于：包括加荷装置和反 力装置，加荷装置的结构包括基础结构（1)、斜撑（2)和立柱（3)，所述的立柱（3)和支撑 (2)分别设置有两个，并且相垂直焊接，两个立柱（3)之间还设置有支撑板，所述的两个立 柱（3)顶部中间设置有与其相活动连接的横梁（4)，横梁（4)的一端设置有连接件一（7)， 另一端设置有连接件二（6)，所述的斜撑（2)和立柱（3)的底部与基础结构（1)的上表面连 接； 所述的反力装置的结构包括4个空心方钢（8)和4个方形枕木（9)，平行设置的4个方 形枕木（9)的两端分别对称设置有与其相垂直连接的2个空心方钢（8); 所述的反力装置的4个空心方钢（8)设置于加荷装置的基础结构（1)的上表面，基础 结构（1)上还设置有千斤顶（5)，所述的4个空心方钢（8)与千斤顶（5)分别设置于基础结 构（1)的两侧，千斤顶（5)的上端与连接件二（6)连接。2. 根据权利要求1所述的一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力的加载装置，其特征在 于：所述的连接件一（7)的结构包括"T"型柱一（10)、空心圆柱与梯形板相连接为一体的 异形体一（11)、"T"型柱二（12)、圆环一（13)、圆环二（14)和通过连接块连接两个相垂直 圆环的异形体二（15)，所述的"T"型柱一（10)穿设于异形体一（11)的空心圆柱内，圆环 一（13)和圆环二（14)中穿设"T"型柱二（12)并与异形体一（11)的梯形板焊接相切，所 述的异形体二（15)中穿设"T"型柱二（12)并设置于圆环一（13)和圆环二（14)的中间。3. 根据权利要求1所述的一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力的加载装置，其特征在 于：所述的连接件二（6)的结构包括倒"T"型柱三（16)，所述的倒"T"型柱三（16)的上端 穿设有与其相垂直连接的"T"型柱四（17)。4. 根据权利要求1所述的一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力的加载装置，其特征在 于：所述的基础结构（1)的形状的矩形箱，材质为钢。5. 根据权利要求1所述的一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力的加载装置，其特征在 于：所述的千斤顶为带油表的油压千斤顶。6. 根据权利要求1所述的一种模拟黄土隧道锁脚锚管端头受力装置的使用方法，其特 征在于：所述的使用方法的步骤为： 首先，孔位钻孔及锁脚锚管的安设； 孔位钻孔：在预先选定好的试验场地或隧道断面处，选择打孔位置，打孔的位置应与加 载装置的高度一致，孔位之间的中心距离应保持在60cm以上，钻孔的深度为锚管长度减去 35cm，然后采用洛阳铲或钻孔机械钻深孔，钻孔的角度通过扣件结合架管来实现，即每个孔 位沿纵向搭设两道横梁，通过调整前后横梁之间的高度来确定锚管打设角度； 锁脚锚管安设：进行锁脚锚管安设时，应先将不粘贴电阻应变片的锚管人工插入钻孔 内待孔腔顺直平滑后取出，再将贴有电阻应变片的锁脚锚管缓慢送入钻孔内，安放锁脚锚 管时注意将管身圆周最上端、最下端平面与孔位最上端、最下端平面重合； 然后，用加载装置对锁脚锚管进行加载： 将加载装置连接件一 7的异形体二15的上圆环穿入锁脚锚管的伸出端，用带油表的油 压千斤顶顶起连接件二6,根据千斤顶的油压表读数对锁脚锚管进行逐级加载，每级荷载增 加0. 5MPa，用电测法测定锁脚锚管在该荷载作用下的受力特性，然后进行下一级加载，当锁 脚锚管的伸出端竖向位移急剧下降且累计竖向位移达20cm，或电阻应变片所测得的应变急 剧变化时，即终止加载。
【专利摘要】本发明涉及一种模拟锁脚锚管端头受力的加载装置及其使用方法，其基于杠杆原理，有针对性的提出了一种模拟隧道锁脚锚管端头受力的加载方法，来模拟钢架对锚管的作用力。利用此种方法通过油压千斤顶按一定应力等级加载，可以分析锁脚锚管在不同级别竖向荷载作用下的力学特性和破坏机理，且加载装置基础结构不会发生较大的倾覆及变形，有效的保证了加载的稳定性和可靠性。
【IPC分类】G01M13/00
【公开号】CN105241648
【申请号】CN201510697264
【发明人】罗彦斌, 陈建勋, 李栋, 杨东辉, 于海涛, 刁鹏升
【申请人】长安大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年10月23日