一种格构锚固技术大型物理模型试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种格构锚固技术大型物理模型试验方法，其以均质黄土为滑坡介质，通过逐层夯实的方法填筑滑坡模型，并预设滑带，锚杆采用打孔现浇的方式完成，格构梁采用细石混凝土预制；布设传感器测试格构锚固体系在滑坡下滑过程中从受力到破坏全过程中的性状，通过坡顶垂直加载的方式使滑坡发生滑动，记录格构锚固体系在滑坡作用下从受力到破坏的变形破坏特性。本发明有效实现锚杆锚固段的循环利用，能够在短时间内快速、多次、高效的实现格构锚固体系从安设到加载破坏的变形破坏全过程模型试验。
【专利说明】一种格构锚固技术大型物理模型试验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于复合抗滑体系试验【技术领域】，涉及一种抗滑体系试验方法，尤其是一种格构锚固技术大型物理模型试验方法。
【背景技术】
[0002]格构锚固是起源于日本的一种新型滑坡防治技术，具有施工快速、兼顾深层加固与表层护坡、外形美观、易于坡面绿化等特点，在国内外滑坡应急抢险中得到了广泛的应用。但目前格构锚固技术的设计理论研究滞后于工程应用，对其作用机理、破坏模式仍没有统一的认识，实际工程中多采用经验设计，常导致设计上的不合理，这就阻碍了格构锚固技术的进一步推广应用。
[0003]由于格构锚固体系属于复合抗滑体系，在其抗滑过程中锚杆、格构梁及边坡岩土体相互作用，其受力机理复杂，单纯的理论分析、数值模拟方法均很难反映实际受力与变形特点。大型物理模型试验方法可通过将原工况同比例缩小，在试验过程中精确控制作用环境、滑坡下滑力及抗滑力，实现格构锚固体系在正常工作直至失效全过程中受力、变形的精确量测，真实、直观的反映变形破坏模式，是目前格构锚固体系最有效的研究方法之一。通过大型物理模型试验，可明确格构锚固体系与边坡岩土体的相互作用，辨析锚杆及格构梁的抗滑作用分配，总结格构锚固体系的受力变形趋势，为格构锚固体系设计方法的建立提供合理建议。
[0004]现有的格构锚固技术模型试验很少，已有的格构锚固模拟试验有两种:
[0005]I)格构锚固技术室内模型试验，通常在室内模型箱内进行，将模型格构梁放置在土坡上，在梁底部一定深度埋置土压力计，然后用千斤顶模拟锚索预应力对格构梁进行单节点加载，并测量该深度的土压力值的方式模拟。(参考文献:刘晶晶，赵其华，彭社琴，等.预应力锚索格构梁作用下边坡土中应力分布的室内模型试验研究[J].水文地质工程地质，2006(4):15-18.)
[0006]由于场地及尺寸限制，试验比例很小，模型试验的质量相似、荷载相似、介质物理性质相似、边界条件相似等一系列关键要求很难满足，试验精度相应降低；
[0007]2)格构锚固技术现场试验。格构锚固技术现场试验以实际工程为依托，选择典型工点，按工程进度施工锚索框架结构，同时埋设相应的测试元器件，展开现场试验研究工作。(参考文献:齐明柱.预应力锚索框架结构的现场原型试验研究[D].[北京]:铁道部科学研究院，2007.)
[0008]由于现场试验是在实际边坡治理工程中进行的，因此仅能测试正常使用过程中格构锚固体系的变形受力性状，无法研究在变形破坏过程中的特征，很难获取有效的试验数据，无法分析格构锚固体系的变形规律及破坏方式。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种格构锚固技术大型物理模型试验方法，其采用套管锚杆施工法，在每次试验后仅更换发生变形破坏的锚杆自由段及滑体部分，而未发生变形破坏的锚杆锚固段、灌浆体及滑床部分则不必更换，有效实现锚杆锚固段、试验滑床的循环利用，能够在短时间内快速、多次、高效的实现格构锚固体系从安设到加载破坏的变形破坏全过程模型试验。
[0010]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0011]该种格构锚固技术大型物理模型试验方法为:以均质黄土为滑坡介质，通过逐层夯实的方法填筑滑坡模型，并预设滑带，锚杆采用打孔现浇的方式完成，格构梁采用细石混凝土预制；布设传感器测试格构锚固体系在滑坡下滑过程中从受力到破坏全过程中的性状，通过坡顶垂直加载的方式使滑坡发生滑动，记录格构锚固体系在滑坡作用下从受力到破坏的变形破坏特性。
[0012]进一步的，以上通过测量预先粘贴在锚杆钢筋、格构梁内配筋上或格构梁混凝土表面的电阻应变计或安装钢筋计获得滑坡过程中格构梁及锚杆的应变值；并在坡顶和坡脚位置布设位移计测试坡体位移；在格构梁横梁与竖肋的节点处、格构梁跨中易发生大变形破坏的部位埋设土压力计测试土压力变化；在锚头安装锚索拉力计测试锚固力大小。
[0013]以上所述的格构锚固技术大型物理模型试验方法，具体包括以下步骤:
[0014]I)夯筑滑床
[0015]将黄土过筛，保证黄土土质、含水量均匀；将黄土按25cm/层分层夯实,每层夯实后将土层表面进行刮毛处理，再夯筑下一层黄土，直至达到设计高度；
[0016]2)铺设滑面
[0017]在夯筑好的滑体上根据试验设计削滑面，应保证滑面光滑、平整，在削好的滑面上铺设滑面材料；
`[0018]3)布设锚杆
[0019]在滑面上依据格构梁的跨长，锚杆长度及倾角确定锚杆的位置并打孔，逐一将上下成对粘贴贴有电阻应变计的锚杆锚固段放入钻孔，保证锚杆处于钻孔中心位置，并用水泥砂浆灌浆，养护，将锚杆自由段与锚固段用套管连接；
[0020]4)测试
[0021]模型试验过程中，采用垂直加载的方式使滑坡发生滑动，测试格构锚固体系在滑坡作用下从受力到破坏的变形破坏特性；试验中为控制坡顶加载量，试验中采用沙袋加载，每次加载后静置0.5h开始测试数据，测试内容包括位移、锚杆拉力、土压力及计构件的应变，测试间隔为2h，待数据稳定后即可进行下一次加载，直至格构锚固体系发生破坏为止。
[0022]进一步的，上述步骤I)中，参考西安地区Q4黄土的天然含水量及容重，黄土容重设计值取20KN ? m_3，含水量设计值取15%，试验过程中为保证试验用黄土的均匀性，应保证黄土容重范围为20±0.5KN ? nT3，含水量为15±1%。
[0023]进一步的，上述步骤2)中，所述滑面材料为双层聚乙烯薄膜。经过前期测试发现聚乙烯薄膜的层间摩擦模拟滑体与滑床的滑动摩擦最为相似，且受土体含水量等外界因素干扰小，因此试验中采用双层聚乙烯薄膜模拟滑面。
[0024]进一步的，上述步骤3)中，在滑面确定锚杆的位置打孔的具体方法为:依据试验中格构梁的跨长、锚杆长度及倾角，在滑面上确定各锚孔的位置，通过钻孔(干钻法)打孔，打孔过程中应精确控制打孔的角度(锚杆设计倾角±1° )。[0025]进一步，上述步骤3)中，养护具体为:由于土层锚杆注浆时砂浆会渗入黄土中，为保证试验效果，待注浆完毕后逐一检查各锚孔的砂浆充盈量，若浆液硬化后不能充满锚固体时，应及时进行补浆；灌注锚固段采用自然养护，养护过程中保证坡体及锚杆稳定，28天后即养护完成。
[0026]进一步，步骤3)中，设置锚杆具体为:在滑床内部距滑面1/5锚固长度位置将锚杆分为分离的自由段和锚固段两部分，将锚杆自由段通过内壁加工有螺纹攻丝的钢套管与锚杆锚固段连接。
[0027]进一步，步骤3)中，单次加载所需沙袋重量依据设计加载量及坡顶面积计算。
[0028]本发明具有以下有益效果:
[0029]由于格构锚固体系的破坏常发生在格构梁部分，格构梁的变形破坏是目前研究的重点。而格构锚固体系中锚杆仅发生受力弯曲且弯曲部位主要在滑面附近，滑床中的锚固段则仅受拉力作用，一般不会发生破坏，因此本发明的试验方法中将锚杆设计为锚固段与自由段分开的两部分，采用钢套管将二者相连。滑床部分夯筑完成后，依据试验设计布设锚固段。在每组平行试验中，滑床及锚杆锚固段不动，每次仅更换滑体及相应的锚杆自由段即可。这样即减少了滑床部分土体的多次开挖、夯筑的工程量，同时减少了锚固段的注浆养护期，可在短时间内快速、多次、高效的实现格构锚固体系从安设到加载破坏的变形破坏全过程。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明原件布设示意图；
[0031 ] 图2为图2的A-A剖视图；
[0032]图3为图2的截面图；
[0033]图4为套管锚杆施工法示意图。
[0034]其中:I为滑床；2为滑体；3为锚杆自由段；4为钢套管；5为锚杆锚固段,6为注衆体；7为锚索拉力计；8为位移计；9为位移计固定钢架；10为坡顶加载区域；11为格构梁；12为应变花；13为锚杆；14为滑面；15为应变计；16为土压力计。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0036]参见图1-3:本发明设计一种格构锚固物理模型试验测试方法，该方法以均质黄土为滑坡介质，通过逐层夯实的方法填筑滑坡模型，并预设滑带，通过坡顶垂直加载的方式使滑坡发生滑动，研究格构锚固体系在滑坡作用下从受力到破坏的变形破坏特性。锚杆13采用打孔现浇的方式完成，格构梁11采用细石混凝土预制。在试验过程中，通过加载装置施力使滑体2沿滑面14滑动，依据试验需要布设传感器测试格构锚固体系在滑坡下滑过程中从受力到破坏全过程中的性状，测试方法有通过测量预先粘贴在锚杆13钢筋、格构梁11内配筋上或格构梁11混凝土表面的电阻应变计15、应变花12或安装钢筋计获得滑坡过程中格构梁及锚杆的应变值；在重点部位(坡顶、坡脚)布设位移计8测试坡体位移；在关键部位埋设土压力计(即土压力计16)测试土压力变化；在锚头安装锚索拉力计7测试锚固力大小等。[0037]本试验方法的具体步骤如下:
[0038](I)试验设计及基本参数试验。
[0039]根据试验场地条件及相似理论进行试验设计，包括滑坡模型(坡高、坡度、预设滑面位置)和格构锚固体系模型(格构梁的截面尺寸、跨长、锚杆的直径、锚固长度等)。
[0040]为保证后续试验的顺利进行，采用参数试验验证滑坡模型的合理性，应保证在不加设格构锚固体系时的边坡处在临界平衡状态，使得后续试验中的加载量合理，同时也可通过反算法计算预设滑面的等效抗剪强度，为后续试验数据处理提供计算依据。
[0041](2)夯筑滑床I。将黄土过筛,保证黄土土质、含水量均匀。将均质黄土按25cm/层分层夯实，为保证各层土体间结合良好，每层夯实后将土层表面进行刮毛处理，再夯筑下一层黄土，直至达到设计高度。试验中应确保黄土容重、含水量均匀，推荐值:容重20 ±0.5KN ? m_3，含水量保证在 15 ±1%。
[0042](3)铺设滑面。在夯筑好的滑体上根据试验设计削滑面，应保证滑面光滑、平整，在削好的滑面上铺设滑面材料。所述滑面材料为双层聚乙烯薄膜。
[0043](4)布设锚杆。参见图4，在滑面上依据格构梁的跨长，锚杆长度及倾角确定锚杆的位置并打孔(干钻法)，打孔过程中应精确控制打孔的角度(锚杆设计倾角±1° )。逐一将上下成对粘贴贴有电阻应变计的锚杆锚固段放入钻孔，保证锚杆居与钻孔中心位置，并用水泥砂浆灌浆，养护，将锚杆自由段3与锚固段5用钢套管4连接。在滑面确定锚杆的位置打孔的具体方法为:依据试验中格构梁的跨长、锚杆长度及倾角，在滑面上确定各锚孔的位置，通过钻孔打孔。所述的养护具体为:由于土层锚杆注浆时砂浆会渗入黄土中，为保证试验效果，待注浆完毕后逐一检查各锚孔的砂浆充盈量，若浆液硬化后不能充满锚固体时，应及时进行补浆；灌注锚固段采用自然养护，养护过程中保证坡体及锚杆稳定，28天后即养护完成。
[0044]此步骤中设计了套管锚杆施工法。即在滑床内部距滑面1/5锚固长度位置将锚杆分为分离的自由3和锚固段5两部分，将锚杆自由段3通过内壁加工有螺纹攻丝的钢套管4与锚杆锚固段5连接。使得在平行试验中，每次试验后仅更换发生变形破坏的锚杆自由段3部分，而未发生变形破坏的锚固段5、注浆体6及滑床I部分则不必更换，实现锚杆锚固段5的循环利用能够在短时间内快速、多次、高效的实现格构锚固体系从安设到加载破坏的变形破坏全过程模型试验。
[0045](5)测试:模型试验过程中，采用垂直加载的方式使滑坡发生滑动，测试格构锚固体系在滑坡作用下从受力到破坏的变形破坏特性；试验中为控制坡顶加载量，试验中采用沙袋加载，单次加载所需沙袋重量依据设计加载量及坡顶面积计算。每次加载后静置0.5h开始测试数据，测试内容包括位移、锚杆拉力、土压力计及构件的应变，测试间隔为2h，待数据稳定后即可进行下一次加载，直至格构锚固体系发生破坏为止。
[0046]其中土压力计、锚索拉力计采用专用读数仪测数，反光片采用全站仪测量。应变数据需要通过应变测试仪采集，但应变测试仪测点有限(目前的单台应变测试仪测点数一般为40或60个)，而应变测试仪的价格很高(单台应变测试仪的价格在几万-数十万元不等)，因此研发了应变测试集线系统。该应变测试试验系统本质为并联电路,通过该集线系统，可将20个电阻应变计连接到应变测试仪的一个串口，每一回路有单独的控制开关及指示灯，通过船型四角开关控制每一回路的连通状态，即可实现每个电阻应变计的应变值逐一测试，实现了一遍测试仪串口的重复、高效利用。通过应变测试集线系统，可将测点数量放大20倍(本次设计倍数为20倍，试验中可依据具体试验规模调整)。同时,该集线系统对数据干扰小，可与多种测试仪器兼容，性价比高，可根据试验情况灵活安装，更适合大规模批量测试数据。
【权利要求】
1.一种格构锚固技术大型物理模型试验方法，其特征在于，以均质黄土为滑坡介质，通过逐层夯实的方法填筑滑坡模型，并预设滑带，锚杆采用打孔现浇的方式完成，格构梁采用细石混凝土预制；布设传感器测试格构锚固体系在滑坡下滑过程中从受力到破坏全过程中的性状，通过坡顶垂直加载的方式使滑坡发生滑动，记录格构锚固体系在滑坡作用下从受力到破坏的变形破坏特性。
2.根据权利要求1所述的格构锚固技术大型物理模型试验方法，其特征在于，通过测量预先粘贴在锚杆钢筋、格构梁内配筋上或格构梁混凝土表面的电阻应变计或安装钢筋计获得滑坡过程中格构梁及锚杆的应变值；并在坡顶和坡脚位置布设位移计测试坡体位移；在格构梁横梁与竖肋的节点处、格构梁跨中易发生大变形破坏的部位埋设土压力计测试土压力变化；在锚头安装锚索拉力计测试锚固力大小。
3.根据权利要求1或2所述的格构锚固技术大型物理模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)夯筑滑床 将黄土过筛，保证黄土土质、含水量均匀；将黄土按25cm/层分层夯实，每层夯实后将土层表面进行刮毛处理，再夯筑下一层黄土，直至达到设计高度； 2)铺设滑面 在夯筑好的滑体上根据试验设计削滑面，应保证滑面光滑、平整，在削好的滑面上铺设滑面材料； 3)布设锚杆 在滑面上依据格构梁的跨长，锚杆长度及倾角确定锚杆的位置并打孔，逐一将上下成对粘贴有电阻应变计的锚杆锚固段放入钻孔，保证锚杆处于钻孔中心位置，并用水泥砂浆灌浆，养护，将锚杆自由段(3)与锚固段(5)用套管连接；所述套筒为钢套管(4); 4)测试 模型试验过程中，采用垂直加载的方式使滑坡发生滑动，测试格构锚固体系在滑坡作用下从受力到破坏的变形破坏特性；试验中为控制坡顶加载量，试验中采用沙袋加载，每次加载后静置0.5h开始测试数据，测试内容包括位移、锚杆拉力、土压力计及构件的应变，测试间隔为2h，待数据稳定后即可进行下一次加载，直至格构锚固体系发生破坏为止。
4.根据权利要求3所述的格构锚固技术大型物理模型试验方法，其特征在于，步骤I)中，试验中黄土容重20±0.5KN ? nT3，含水量保证在15±1%。
5.根据权利要求3所述的格构锚固技术大型物理模型试验方法，其特征在于，步骤2)中，所述滑面材料为双层聚乙烯薄膜。
6.根据权利要求3所述的格构锚固技术大型物理模型试验方法，其特征在于，步骤3)中，在滑面确定锚杆的位置打孔的具体方法为:依据试验中格构梁的跨长、锚杆长度及倾角，在滑面上确定各锚孔的位置，通过钻孔打孔。
7.根据权利要求3所述的格构锚固技术大型物理模型试验方法，其特征在于，步骤3)中，养护具体为:待注浆完毕后逐一检查各锚孔的砂浆充盈量，若浆液硬化后不能充满锚固体时，应及时进行补浆；灌注锚固段采用自然养护，养护过程中保证坡体及锚杆稳定，28天后即养护完成。
8.根据权利要求3所述的格构锚固技术大型物理模型试验方法，其特征在于，步骤3)中，设置锚杆具体为:在滑床内部距滑面1/5锚固长度位置将锚杆分为分离的自由段和锚固段两部分，将锚杆自由段通过内壁加工有螺纹攻丝的钢套管与锚杆锚固段连接。
9.根据权利要求3所述的格构锚固技术大型物理模型试验方法，其特征在于，步骤3)中，单次加载所需沙袋重量依据设计加载量及坡顶面积计算。
【文档编号】G01M99/00GK103645061SQ201310632109
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】殷跃平, 门玉明, 陈春利, 李滨, 刘洪佳, 刘海南, 韩冬冬, 蔡琳祥, 梁炜, 刘璐, 胡兆江 申请人:长安大学, 中国地质环境监测院