一种可视化三向加载拉拔试验箱的制作方法

本发明涉及土工模型试验装置技术领域，具体为一种可视化三向加载拉拔试验箱。

背景技术：

锚杆(索)支护技术在土木工程，尤其是在基坑工程，隧道、边坡支护工程中广泛应用。室内常采用拉拔箱试验对不同截面形式、尺寸的锚固结构在不同土体、不同入土深度的情况进行试验研究，以探究锚杆(索)的抗拔力以及其锚固效果。传统的拉拔试验箱存在着诸多的缺陷，传统的拉拔试验箱不能开展可视化试验，不能获得在拉拔过程中锚固段土颗粒的运动轨迹，亦不能探究拉拔过程中机械锚头(如伞形锚)或锚固段周边土体的变形破坏特征与破坏模式，从而无法有效的揭示锚土相互作用机理，这一问题对于锚固设计极为关键。其二，边坡、隧道工程中采用的锚杆(索)其锚固段径向方向受力往往成为最大主应力方向，轴向方向受力常成为最小主应力方向，是典型的三向受力状态。传统的拉拔试验箱一般只能采取顶部加压的方式，不能对三向受力状态进行有效的模拟。另外，传统的拉拔箱多不能开展饱和土体及渗流工况下的拉拔试验，适用范围有限。

技术实现要素：

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种可视化三向加载的拉拔试验箱，不同于传统的拉拔试验箱，该试验箱可以实现锚杆(索)拉拔过程中土体变形与破坏的可视化，可以模拟锚固段地层的真实三向应力状态、饱和土体及渗流环境。通过以上改进，使得该拉拔试验箱适用于获取对不同应力状态与渗流环境下锚杆(索)变形模式、破坏模式与机理以及极限承载力的研究。尤其适合于机械锚杆，如伞形锚锚头切入土体到拉拔破坏全过程土体变形破坏全过程可视化模拟。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可视化三向加载拉拔试验箱,包括底板、填料箱、竖向加载部、横向加载部、拉拔装置、位移量测装置，填料箱，正面设有透明亚克力板，所述填料箱固定在底板与外框架之间，所述外框架包括固定在填料箱侧板两侧的立柱以及固定在立柱之间的横向横梁；

竖向加载部，包含固定在填料箱的上方的横向横梁上的一拖四同步液压千斤顶；

横向加载部，包含安装在填料箱左侧和右侧的气压加载装置；

拉拔装置，包含锚杆拉拔仪、拉杆、反力板，纵向横梁垂直固定在所述横向横梁上方，所述锚杆拉拔仪安装在反力板中段上作为一个整体可拆卸安装在纵向横梁上；

位移量测装置安装在所述拉拔装置上方；

优选的，所述可视化三向加载拉拔试验箱还包括注排水系统，包括设在填料箱盖板的中间注水拉拔双用孔，在填料箱的左面设有排水阀门，同时外接流量计，整个填料箱做防水处理。

优选的，所述底板上设有凹槽，透明亚克力板固定在凹槽中，透明亚克力板表面位于左右侧板之间等距设有若干固定横向钢条穿过填料箱对透明亚克力板进行固定，顶部和底部固定工字钢，相邻的横向钢条之间间隔固定竖向钢条。

优选的,所述的气压加载装置包括长800mm，宽200mm，高1200mm的方形气囊，所述方形气囊由四个长200mm，宽200mm，高1200mm的腔组成，四个腔的中部相通，气囊配有气压表，上方气囊盖板开孔接充气泵。

优选的，所述位移量测装置包括千分表、活动支架和竖向支杆，所述竖向支杆固定在反力板上，活动支架可通过螺栓固定在竖向支杆上，可在支杆上上下移动，活动支架配有夹具，夹具夹紧千分表，竖向支杆和锚杆拉拔仪均安装在锚杆拉拔仪反力板上作为一个整体可拆卸，可在竖向横梁的前端和中间进行安装。

优选的，所述填料箱背面的后侧钢板为两块钢板咬合拼接安装。

优选的，所述的填料箱盖板中间和前端分别设有注水拉拔双用孔和拉拔专用孔，可实现全尺寸和可视化试验的对比。

优选的，所述填料箱尺寸为：长1000mm,宽800mm,高1200mm，内部填料区尺寸为：长800mm,宽800mm,高1200mm。

优选的，所述注水拉拔双用孔半径为50mm，拉拔专用孔的半径为30mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明机构简单，所使用的零件主要是钢材、螺栓、透明亚克力板等，造价便宜。

2、本发明可进行可视化拉拔(根据对称性取锚固结构一半)试验和全尺寸拉拔试验。可视化拉拔试验利用前方透明亚克力板实现试验过程的可视化观测，可通过图像测速piv技术记录试验中土颗粒的运动轨迹和锚土相互作用过程，揭示锚固机理。全尺寸试验结果可对可视化试验结果进行对比和校核。

3、本发明通过三向加载(两侧气压加载、上部千斤顶加载)，可模拟锚固段的真实三向受力状态。

4、本发明通过注排水系统，可模拟锚固体所处的饱和土体与渗流环境。

附图说明

图1是本发明构整体结构示意图；

图2是本发明填料箱透视图；

图3是本发明竖向钢条的局部放大图；

图4是本发明填料箱后方挡板的结构图；

图5是本发明气压加载装置结构图；

图6是本发明用于实验的伞形锚结构示意图；

其中:1-填料箱、2-透明亚克力板、3-底板、4-立柱、5-横向横梁、6-纵向横梁、7-一拖四同步液压千斤顶、8-方形气囊、9-气压表、10-气囊盖板、11-锚杆拉拔仪、12-拉杆、13-反力板、14-注水拉拔双用孔、15-拉拔专用孔、16-排水阀门、17-流量计、18-横向钢条、19-支撑横杆、20-竖向钢条、21-千分表、22-活动支架、23-竖向支杆、24-填料箱后侧钢板、25-伞形锚锚头、26-伞形锚锚爪、27-伞形锚连杆、28-填料箱盖板、29-伞形锚。

具体实施方式

本发明提供一种可视化三向加载拉拔试验箱，该试验箱可以实现锚杆(索)拉拔过程中土体变形与破坏的可视化，可以模拟锚固段地层的真实三向应力状态、饱和土体及渗流环境。

本发明实施例所提供的技术方案为解决上述技术问题，其总体思路如下：

一种可视化三向加载拉拔试验箱，包括底板、填料箱、竖向加载部、横向加载部、拉拔装置、位移量测装置，

填料箱，正面设有透明亚克力板，上方设有填料箱盖板，所述填料箱盖板前端设有拉拔孔，所述填料箱固定在底板与外框架之间，所述外框架包括固定在填料箱侧板两侧的立柱以及固定在立柱之间的横向横梁；

竖向加载部，包含固定在填料箱的上方的横向横梁上的一拖四同步液压千斤顶；

横向加载部，包含安装在填料箱左侧和后侧的气压加载装置；

拉拔装置，包含锚杆拉拔仪、拉杆、反力板，纵向横梁垂直固定在所述横向横梁上方，所述锚杆拉拔仪安装在反力板中段上作为一个整体安装在纵向横梁上；

位移量测装置安装在所述拉拔装置上方。

本发明进行可视化拉拔(根据对称性取锚固结构一半)试验。可视化拉拔试验利用前方透明亚克力板实现试验过程的可视化观测，可通过图像测速piv技术记录试验中土颗粒的运动轨迹和锚土相互作用过程，揭示锚固机理。通过三向加载(两侧气压加载、上部千斤顶加载)，可模拟锚固段的真实三向受力状态。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

本实施例提供一种可视化三向加载拉拔试验箱，包括底板、填料箱、竖向加载部、横向加载部、拉拔装置、位移量测装置；

其中，填料箱正面安装透明亚克力板，上方设有填料箱盖板，所述填料箱盖板前端设有拉拔专用孔，所述填料箱固定在底板与外框架之间，所述外框架包括固定在填料箱侧板两侧的立柱以及固定在立柱之间的横向横梁；

竖向加载部包含固定在填料箱的上方的横向横梁上的一拖四同步液压千斤顶，一拖四同步液压千斤顶保证每个千斤顶施加的压力相同，四个千斤顶在填料区上方均匀布置，保证施加压力均匀。

横向加载部，包含安装在填料箱左侧和后侧的气压加载装置。

拉拔装置，包含锚杆拉拔仪、拉杆、反力板，纵向横梁垂直固定在所述横向横梁上方，所述锚杆拉拔仪安装在反力板中段上作为一个整体安装在纵向横梁上。

位移测量装置安装在所述拉拔装置上方。

实施例1提供的可视化三向加载拉拔试验箱，当进行可视化拉拔试验时(以伞形锚为例)，根据对称性，将伞形锚设计成其原结构的一半并紧贴亚克力透明板，随后对气压加载装置进行预加载，分层填料，每层填筑高度100mm，振捣密实，采用重量控制填料密实度，填料完成后，加盖板，安装千斤顶，施加千斤顶压力，同步对气压加载装置进行分级加压至预设压力，再用锚杆拉拔仪进行拉拔，拉拔过程中用位移量测装置控制拉拔位移，通过锚杆拉拔仪压力表示数读取拉拔力，采用摄影测量设备捕捉全场位移，分析可得土颗粒的运动轨迹和锚土相互作用过程，通过三向加载(两侧气压加载、上部千斤顶加载)，可模拟锚固段的真实三向受力状态。

实施例2：

实施例2提供的一种可视化三向加载拉拔试验箱是在实施例1的基础进行的优化方案，实施例2提供的一种可视化三向加载拉拔试验箱还包括：注排水系统。

所述注排水系统包括设在填料箱盖板中间的注水拉拔双用孔，在填料箱的左面设有排水阀门，同时外接流量计，整个填料箱做防水处理。

实施例2所提供的可视化三向加载拉拔试验箱，不仅分析可得土颗粒的运动轨迹和锚土相互作用过程，通过三向加载(两侧气压加载、上部千斤顶加载)，可模拟锚固段的真实三向受力状态，还可通过注水做饱和土体及渗流条件下的拉拔试验。做渗流条件下的拉拔试验时，通过流量计对流经土体的流量进行精确的量测同时填料箱盖板中间还设有注水拉拔双用孔，将拉拔装置安装在填料盖板中间的注水拉拔双用孔中，夹具夹紧千分表，竖向支杆和锚杆拉拔仪均安装在反力板上作为一个整体在纵向横梁的中间进行安装，将完整的锚固结构固定在拉杆上可以做全尺寸试验，全尺寸试验结果可对可视化试验结果进行对比和校核。

实施例3：

实施例2提供的一种可视化三向加载拉拔试验箱是在实施例1或实施例2的基础进行的优化方案，实施例3提供的一种可视化三向加载拉拔试验箱其中底板上设有凹槽，透明亚克力板固定在凹槽中，透明亚克力板表面位于左右侧板之间等距设有若干固定横向钢条穿过填料箱对透明亚克力板进行固定，顶部和底部固定工字钢，相邻的横向钢条之间间隔固定竖向钢条。填料箱背面的后侧钢板为两块钢板咬合拼接安装。

实施例3中透明亚克力板这样固定，可抵抗其侧向力，确保填料箱在三向加载过程中保持固定，不会对实验结果产生影响，确保了实验结构的准确性。填料箱背面的钢板分成两块，方便装卸填料，并设计成咬合以达到防水效果。

实施例4：

实施例4提供的一种可视化三向加载拉拔试验箱是在实施例1或实施例2的基础进行的优化方案，实施例4提供的一种可视化三向加载拉拔试验箱中，压加载装置包括长800mm，宽200mm，高1200mm的方形气囊，所述方形气囊由四个长200mm，宽200mm，高1200mm的腔组成，四个腔的中部相通，气囊配有气压表，上方气囊盖板开孔接充气泵。

位移量测装置包括千分表、活动支架和竖向支杆，所述竖向支杆焊接在反力板上，活动支架可通过螺栓固定在竖向支杆上，可在支杆上上下移动，活动支架配有夹具，夹具夹紧千分表，试验时，千分表紧靠在拉杆上，用以量测拉拔的位移，千分表达到量程后，移动活动支架，使千分表能够继续量测后续的位移，竖向支杆、锚杆拉拔仪均安装在锚杆拉拔仪反力板上作为一个整体可拆卸，可在竖向横梁的前端和中间进行安装。

实施例4中，竖向支杆和锚杆拉拔仪均安装在锚杆拉拔仪反力板上作为一个整体可拆卸，可在纵向横梁的前端和中间进行安装，可实现可视化试验和全尺寸试验的对比。千分表可对锚杆的拉拔位移进行精确地测量。

实施例5：

实施例5提供的一种可视化三向加载拉拔试验箱是综合上述实施例而得到的更加优化的方案。

如图1-5所示，实施例5提供一种可视化三向加载拉拔试验箱，包括底板、填料箱、竖向加载部、横向加载部、拉拔装置、位移量测装置，

填料箱1，正面设有透明亚克力板2，所述填料箱1固定在底板3与外框架之间，所述外框架包括固定在填料箱侧板两侧的立柱4以及固定在立柱之间的横向横梁5；

填料箱盖板28，前端设有拉拔专用孔15；

竖向加载部，包含固定在填料箱的上方的横向横梁上的一拖四同步液压千斤顶7；

横向加载部，包含安装在填料箱左侧和后侧的气压加载装置；所述的气压加载装置包括长800mm，宽200mm，高1200mm的方形气囊8，所述方形气囊8由四个长200mm，宽200mm，高1200mm的腔组成，四个腔的中部相通，用一台空压机即可达到供气要求，节约了造价，分成四个腔降低气囊充气后中部鼓胀土体受力不均匀的影响，气囊配有气压表9，上方气囊盖板10开孔接充气泵，。

拉拔装置，包含锚杆拉拔仪11、拉杆12、反力板13，纵向横梁6垂直固定在所述横向横梁5上方，所述锚杆拉拔仪11安装在反力板13中段上作为一个整体安装在纵向横梁6上；

位移测量装置安装在所述拉拔装置上方；

还包括注排水系统，所述注排水系统包括设在填料箱盖板28中间的注水拉拔双用孔14，在填料箱的左面设有排水阀门16，同时外接流量计17，整个填料箱做防水处理。

所述底板3上设有凹槽，透明亚克力板固定在凹槽中，透明亚克力板表面位于左右侧板之间等距设有若干固定横向钢条18穿过填料箱对透明亚克力板2进行固定，顶部和底部固定支撑横杆19，相邻的横向钢条18之间间隔固定竖向钢条20。

所述位移量测装置包括千分表21、活动支架22以及竖向支杆23，所述竖向支杆23固定在反力板13上，活动支架22通过螺栓固定在竖向支杆23上，可在竖向支杆23上上下移动，活动支架22配有夹具，夹具夹紧千分表21，竖向支杆23和锚杆拉拔仪11均安装在反力板13上作为一个整体可拆卸，可在纵向横梁6的前端和中间进行安装。

所述填料箱背面的后侧钢板24为两块钢板咬合拼接安装。

所述填料箱1尺寸为：长1000mm,宽800mm,高1200mm，内部填料区尺寸为：长800mm,宽800mm,高1200mm。

所述注水拉拔双用孔14半径为50mm，拉拔专用孔15的半径为30mm。

如图6所示，根据对称性取伞形锚原结构的一半为新的伞形锚29，整个侧面成一个平面紧贴在透明亚克力板2上，伞形锚锚头25由半径20mm，高40mm半圆锥和半径和高分别为10mm、72mm和20mm、5mm的两个半圆柱组成，伞形锚连杆27由两个半径分别为3mm、5mm的半圆柱和一个长116mm四棱柱组成，其侧向厚度均为10mm，伞形锚连杆27一端焊接在伞形锚锚头25上，一端焊接在长90mm,厚5mm的刀型伞形锚锚爪26上，伞形锚锚爪26用螺栓锚固在拉杆17上。

上述立柱4、横向横梁5、纵向横梁6和支撑横杆17均采用工字钢。

具体的工作过程为：

第一步，按试验要求在填料箱1的指定部位安装设计的伞形锚29；第二步，打开充气泵，使用气压加载装置进行预加载，并通过气压表9控制预加载压力为40kpa；第三步，在填料箱1内分层填料，每层填筑高度100mm，振捣密实，采用重量控制填料密实度；第四步，填料完成后，加盖板28，并安装一拖四同步液压千斤顶7，打开油压泵分级施加千斤顶压力，同步对气压加载装置进行分级加压至预设压力，如需做渗流试验时，打开外接水源，往注水拉拔双用孔14内注水，同时是打开排水阀门16，待排水阀门16有水流流出时再进行下一步操作，并记录拉拔时流量计17的读数；第五步，启动锚杆拉拔仪11进行拉拔，记录其压力表上的拉拔力和千分表21的位移值，千分表21读数达到量程后，调整其位置，同时采用摄影测量设备捕捉全场位移，锚杆拉拔仪11达到最大行程后，调整拉杆12的位置，直至拉拔到指定高度。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为其中的一种实施例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。