一种地震荷载下重力式锚碇稳定性研究的模型试验系统及方法与流程

本发明涉及桥梁技术以及地质灾害控制领域，具体涉及一种研究地震荷载下重力式锚碇稳定性的模型试验系统及方法。

背景技术：

锚碇结构作为拉索类桥梁受力系统中的一部分，其本身以及周围岩土体的稳定性在桥梁建设和运营过程中具有重要意义。地震作为工程建设中常见的地质灾害，其产生的动力效应会对桥梁锚锭结构及其周边岩土体产生不良影响，从而影响拉索桥梁整体的稳定性。其中，重力式锚碇结构作为拉索桥梁锚碇中的常见形式，其主要作用是将桥梁塔墩传递过来的主缆拉力传递到相邻岩土层中去，利用其本身的自重产生基底摩擦阻力，以及前侧岩土层所提供的被动压力，从而克服竖向拉力和水平拉力使整个桥梁体系的达到静力平衡，因此决定锚碇结构安全与稳定性的关键因素是相邻岩土层能否提供足够的抗力以限制结构位移。当地震波在锚固的岩土体和浇筑的锚碇结构中传播时，其振动作用会使介质产生动力响应，使锚固周围的岩土体发生不同程度的破裂变形和应力变化，使桥梁锚碇结构发生位移变形和失稳，影响基底摩擦阻力和被动压力，从而破坏桥梁体系的静力平衡，对桥梁主体的安全性产生威胁。

目前关于重力式锚碇稳定性的相关静力学研究研究较多，相比动力荷载作用下重力式锚碇稳定性研究的进展缓慢，仍处于探索阶段。因此，地震荷载作用下重力式锚碇的稳定性研究，是国内外工程地质学界普遍关心而又未解决的前沿和难点课题。地震荷载作用下锚碇的稳定性研究大多采用数值模拟进行分析，数值模拟技术虽然可以更直观地获得锚碇和周围岩土体的振动响应特征，但其计算结果的正确性、可靠性难以保证。因此找到模拟地震荷载下重力式锚碇稳定性的模型试验方法及系统不仅能为数值模拟的研究成果提供科学的参考及验证，所获得的数据又可用于指导实际施工中振动危害的控制，实现研究结果的定性与定量相结合的分析，因而具有重要的理论和实践意义。

技术实现要素：

本发明提供一种模拟地震荷载下重力式锚碇稳定性研究的模型试验系统及方法，其试验过程便于操作，既可实现控制单一变量原则，解决模拟地震振动波动力荷载加载操作性难的问题，又能够客观直接的反映出地震荷载作用下重力式锚碇及其周围岩土体的稳定性变化规律，为锚碇式桥梁运营阶段的安全稳定性评价提供依据。

为实现上述目的，本发明提供了一种模拟地震荷载作用下重力式锚碇稳定性研究的模型试验系统，该系统包括：锚碇系统、荷载系统、量测系统。

其中，所述锚碇系统由试验箱、相似岩土层、锚碇体构成，分别用于模拟实际桥梁重力式锚碇结构、主缆绳以及其周围岩土层；

所述荷载系统包括静力荷载系统和动力荷载系统，静力荷载系统由砝码、门式加载架、滑轮、钢绞线构成，砝码用于提供锚碇体的自重应力以及主缆绳的拉应力，门式加载架通过滑轮转向支点将锚拉力作用在锚碇结构上，相当于拉索桥的塔墩，两根钢绞线相当于设置于大桥两侧的锚索；动力荷载系统由振动台、木板、海绵构成，振动台用于模拟提供不同等级的地震荷载，木板用以承振动台和试验箱，海绵粘贴于试验箱内侧用以吸收边界反射地震波；

所述量测系统包括，精密测力计、角度侧量器、微型压力盒、激光测距仪、声波测振仪，精密测力计串联在钢绞线上用于直接测量主缆绳的拉应力，角度测量器用于测量缆绳斜拉角度，微型压力盒预先埋置在锚碇体的岩土层中于测定加载过程中岩土压力的变化，激光测距仪瞄准锚碇体边界用以测量锚碇体的位移和周边岩土体的位移，声波测振仪振动传感器安装在锚碇体表面用以测量激震波的传播速度并与测振仪相连；

其中，门式加载架安装在基座上，钢绞线绕过滑轮后与砝码连接；锚碇体根据相似比参考锚锭原型在岩土层中的空间位置，确定其在相似岩土层中的空间位置进行开挖浇筑。

一种模拟地震荷载下重力式锚碇稳定性研究的模型试验方法，包括以下操作步骤：

1）制作试验模型、布置监测系统：合理概括重力式锚碇结构与周围岩土体的相对空间关系，并考虑模型试验相似理论及其模型试验的实际可操作性，得出基本物理量的相似比尺，选取典型研究模型，并制作与锚碇区域地质条件相似的小比例尺锚碇区域试验模型，考虑现有试验条件的局限以及试验研究的目的，将试验模型简化三立体维模型，并最终以相似材料模拟周围岩体，以钢筋混凝土浇筑试块的形式模拟锚碇结构、以加载砝码模拟锚碇重力和主缆拉力进行研究。

2）加载试验模型、调试监测系统：加载过程分为两个部分：①试验试块初始应力状态加载，通过分析锚碇原型、桥梁主缆原型等，对试验模型初始荷载进行简化分析，然后根据模型试验相似理论对锚碇体的初始应力状态进行计算，并通过门式静力加载装置调整砝码的个数及揽绳斜拉的角度以施加初始重力和拉应力；②试验试块不同地震模拟荷载加载：在初始应力状态平衡后，通过振动台运行时与模型加载系统的相对位置变化，间接的对试验模型施加不同地震模拟荷载，来研究地震荷载下重力式锚碇的动力响应以及稳定性；

3）模型试验测试与数据记录：通过控制砝码个数以及振动台振动的等级大小进行加载测试，获取锚碇体在不同主缆拉力作用下、不同地震荷载作用下的稳定性变化规律，包括主缆拉力的变化、锚碇结构位移、岩土层的应力变化和变形特征。

按上述试验方案，所述步骤1）中试验模型的制作具体包括以下几个工序：

a.确定相似比，

根据第一、第二相似理论和动力相似准则进行参数设计，确定实际工程中原型几何尺寸和装置几何尺寸的几何相似比为l，根据几何相似比，锚碇结构的截面尺寸和埋深按原型尺寸的1/l进行设计；重力加速度相似比cg=1，密度相似比cρ=1，容重相似比cγ=1，岩土体与锚碇结构参数的相似设计，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，实现泊松比、摩擦角的全相似，弹性模量按照原型岩体弹性模量的1l进行设计；同时根据量纲关系保证锚碇结构、岩土体、缆绳动力和静力响应相似，具体设计原则如下：

确定岩土体和锚碇结构相似比如下：

几何相似比：cl=l；

弹性模量相似比：ce=1；

容重相似比：cγ=1；

泊松比、摩擦角相似比：cμ=cϕ=1；

确定静力和动力响应相似比根据：

根据量纲关系：压力=重度×长度,集中力=重度×长度³

则压力相似比cξ=cγ×cl；

集中力相似比ψ=cγ×cl³

应力相似比cσ=l；

速度相似比cv=cl/ct；

时间相似比ct=cs0.5/ca0.5；

位移相似比cs=cl；

加速度相似比ca=1；

b.制作试验箱，由于锚碇结构所处的地层为半无限体，为了尽可能减少模型实验边界效应对模拟真实性的影响，试验箱设计因该满足使得锚碇模型边缘至试验箱内侧之间的距离远大于模型半宽，锚碇前侧土层宽度为模型半宽的3.5倍，在试验箱内侧采用砂浆抹面打光处理，并在试验箱内测粘贴5cm左右厚度的海绵。根据所设定的几何相似比，以实际锚碇原型为参考，确定锚碇体的尺寸、位置及埋深、模拟土层的范围，确定试验箱的尺寸，并按照上述要求制作模型试验箱，标注锚碇中心所在位置。

c.制作岩土材料，根据锚碇原型，按照加权平均算法计算出实际土层的主要物理力学参数的平均值，按照确定的相似比例值求得模型试验中的土层相似材料的物理参数，分别以配方量混合各组分得到岩土相似材料，分层放入制备好的试验箱中进行锤击夯实，当岩土材料放置到锚碇体埋置深度时，在确定的锚碇体中心正下方的岩土体中埋置压力测试盒。

d.制作锚碇体，根据锚碇原型相似所确定的锚碇体的几何尺寸、位置，在上述试验箱的岩土材料中用铲子开挖稍大于锚碇体尺寸边缘约5cm左右的基坑，并放入木板做的锚碇体模具。根据锚碇原型，按照确定的相似比例值求得的锚碇体中的钢筋相似材料，将钢筋相似材料进行绑扎，并将其与两根一端带有弯钩的钢筋焊接放入锚碇模具中，并确保两弯钩的位置位于锚碇体上表面的中心线位置。根据已确定的材料相似比值，将以配方量混合各组分的得到的混凝土材料倒入锚碇制作模具中进行浇筑并养护，浇筑时将上述弯钩露出，以作为静力加载的连接点。

e.土方回填，在钢筋混凝土锚碇体养护一定龄期达到强度要求后，根据监测需求，在锚碇体的受拉一侧、上表面分别粘贴垂直、水平应变片，并将土压力盒布置在锚碇体四周的岩土体中，留出连接线与记录测试仪器的接头。监测装置布置完毕以后，将土方进行小心回填夯实，回填夯实过程中需要确保监测仪器的完整有效。回填稳定后，在锚碇体上表面安装声波测振仪，将多个激光测距仪分别瞄准锚碇体上表面前、后、左、右边缘。

按上述方案，所述步骤2）中试验装置荷载施加的具体操作流程为：

a.放置试验箱，将上述试验箱放置在振动台的木板上，保持静力荷载施加装置放在振动台外并且保持可以水平移动。

b.施加静力荷载，将钢绞线与锚碇结构连接，并在其中分别串联两个精密测力计，用以测定锚索在克服了摩阻力后实际施加在锚碇结构上的拉力，计算锚碇结构在运营阶段承受的最大锚碇拉力设计值p0，根据相似理论通过上述门式加载架等效施加相应的砝码重力，施加时可以按照1倍、1.5倍、2倍、2.5倍p0逐级施加，根据实际锚碇原型，调节加载门架的放置位置，以改变钢绞线的斜拉角度到指定角度。

c.施加动力荷载，保持上述静力加载装置不动，待测力计示数稳定后，根据锚碇原型场地地震烈度，调节振动台参数，逐级施加相应的等效地震荷载，其中加载时间控制为每级施加5s。

按上述方案，所述步骤3）中进行模型试验测试时，共进行4组不同静力荷载下的动力荷载试验，每组静力荷载下施加不同的四级地震动力荷载。具体实施流程如下：

a.调节测试系统，测试之前，首先控制静力荷载大小为p0与斜拉角度不变，保持测力计实数的稳定，调节加载系统达到静力平衡。打开测试仪器，调节测试仪器初始状态，准备测试记录。

b.加载测试，采用控制单一变量的方式，首先控制静力斜拉荷载为一级p0，打开振动台逐级施加地震荷载，共4级，加载过程到结束后进行数据采集读取相应测试仪器的示数。

c.重复试验，恢复上述锚碇体于试验箱初始标记位置，回填夯实，改变静力荷载的大小1.5倍、2倍、2.5p0，分别逐级施加地震荷载，并按照上述流程进行测试与数据采集步骤。

本发明中提供了一个或多个技术方案至少具有如下技术优点和效果：

1、本试验系统可以实现通过对不同试验原型进行简化分析，确定合理相似比例尺从而建立相应的物理试验模型，实现了对不同工程实际的适应性。且通过模拟岩土体的开挖、锚碇体的浇筑、混凝土的养护以及锚碇土方回填等过程，有效的仿真模拟了重力式锚碇的施工过程，更加贴近工程实际。

2、试验模型箱以及动力和静力加载装置的巧妙结合，本装置的克服了振动台承载能力不足、试验模型尺寸过大等实际情况，具有能同时控制静力荷载、动荷载大小的功能，很大程度的实现了试验控制单一变量的原则。通过在钢绞线上串联精密测力计，控制砝码个数以及门式加载架的距离，实现了对试验模型不同拉应力以及斜拉角度状态的模拟，另一方面又保证了锚碇体与弹簧的相对移动，可以有效的量测地震荷载下锚碇体斜拉力的变化规律。其中海绵的加入，实现了锚碇体周围半无限岩体条件的模拟，有效保证得到的地震荷载作用下锚碇体的动响应变化规律的可靠性。

3、通过上述量测系统，实现在动荷载的加载过程中对锚碇体以及其周边岩土体的内力、位移以及振动速度等动力响应数据的动态量测，为进一步揭示地震荷载作用下重力式锚碇稳定性评价提供了试验依据和研究方法，为桥梁工程建设过程中重力式锚碇的安全设计标准提供了科学依据。

附图说明

图1是本发明试验系统模型立体结构示意图。

图中：1-振动台，2-海绵，3-振动传感器，4-锚碇体，5-相似岩土材料，6-试验箱，7-测力计，8-钢绞线，9-滑轮，10-加载架，11-砝码，12-基座，13-压力测试盒。

具体实施方式

下面将结合附图1对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

某重力式锚碇结构，锚碇基础平面尺寸为40m×50m，埋置深度48.0m左右，锚碇自重约800mn，主缆合理力约65mn，缆绳斜拉角度40°，锚碇开挖岩土层为粉质黏土、风化泥质砂岩，场地具有发生m5～6级地震的可能性。现采用上述模型试验系统及方法研究现有工程条件下地震荷载作用下锚碇体的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了一种模拟地震荷载作用下重力式锚碇稳定性研究的模型试验系统，该系统包括：锚碇系统、荷载系统以及量测系统；

其中，所述锚碇系统由试验箱6、相似岩土层5、锚碇体4构成，分别用于模拟实际桥梁重力式锚碇结构、主缆绳以及其周围岩土层；

所述荷载系统包括静力荷载系统和动力荷载系统，静力荷载系统由砝码11、门式加载架10、滑轮9、钢绞线8构成，砝码11用于提供锚碇体4的自重应力以及主缆绳的拉应力，门式加载架10通过滑轮转向支点将锚拉力作用在锚碇结构上，相当于拉索桥的塔墩，两根钢绞线8相当于设置于大桥两侧的锚索；动力荷载系统由振动台1、木板、海绵2构成，振动台1用于模拟提供不同等级的地震荷载，木板用以承振动台1和试验箱6，海绵2用以吸收边界反射地震波；

所述量测系统包括，精密测力计7、角度侧量器、微型压力盒13、激光测距仪、声波测振仪，精密测力计7串联在钢绞线8上用于直接测量主缆绳的拉应力，角度测量器用于测量缆绳斜拉角度，微型压力盒13预先埋置在锚碇体4的岩土层中于测定加载过程中岩土压力的变化，激光测距仪瞄准锚碇体边界用以测量锚碇体的位移和周边岩土体的位移，声波测振仪安装在锚碇体和周围土体表面用以测量激震波的传播速度。

其中，门式加载架10安装在基座12上，钢绞线8绕过滑轮9后与砝码11连接。

进一步地，一种模拟地震荷载下重力式锚碇稳定性研究的模型试验方法及系统，包括以下操作步骤：

1）制作试验模型、布置监测系统：合理概括重力式锚碇结构与周围岩土体的相对空间关系，并考虑模型试验相似理论及其模型试验的实际可操作性，得出基本物理量的相似比尺，选取典型研究模型，并制作与锚碇区域地质条件相似的小比例尺锚碇区域试验模型，考虑现有试验条件的局限以及试验研究的目的，将试验模型简化三立体维模型，并最终以相似材料模拟周围岩体，以钢筋混凝土浇筑试块的形式模拟锚碇结构、以加载砝码模拟锚碇重力和主缆拉力进行研究。

2）加载试验模型、调试监测系统：加载过程分为两个部分：①试验试块初始应力状态加载，通过分析锚碇原型、桥梁主缆原型等，对试验模型初始荷载进行简化分析，然后根据模型试验相似理论对锚碇体的初始应力状态进行计算，并通过门式静力加载装置调整砝码的个数及揽绳斜拉的角度以施加初始重力和拉应力；②试验试块不同地震模拟荷载加载：在初始应力状态平衡后，通过振动台运行时与模型加载系统的相对位置变化，间接的对试验模型施加不同地震模拟荷载，来研究地震荷载下重力式锚碇的动力响应以及稳定性；

3）模型试验测试与数据记录：通过控制砝码个数以及振动台振动的等级大小进行加载测试，获取锚碇体在不同主缆拉力作用下、不同地震荷载作用下的稳定性变化规律，包括主缆拉力的变化、锚碇结构位移、岩土层的应力变化和变形特征。

按上述试验方案，所述步骤1）中试验模型的制作具体包括以下几个工序：

a、确定相似比，

根据第一、第二相似理论和动力相似准则进行参数设计，确定实际工程中原型几何尺寸和装置几何尺寸的几何相似比为l=100，根据几何相似比，锚碇结构的截面尺寸和埋深按原型尺寸的1/100进行设计；重力加速度相似比cg=1，密度相似比cρ=1，容重相似比cγ=1，岩土体与锚碇结构参数的相似设计，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，实现泊松比、摩擦角的全相似，弹性模量按照原型岩体弹性模量的l=100进行设计；同时根据量纲关系保证锚碇结构、岩土体、缆绳动力和静力响应相似，具体设计原则如下：

确定岩土体和锚碇结构相似比如下：

几何相似比：cl=100；

弹性模量相似比：ce=1；

容重相似比：cγ=1；

泊松比、摩擦角相似比：cμ=cϕ=1；

确定静力和动力响应相似比根据：

根据量纲关系：压力=重度×长度,集中力=重度×长度3

则压力相似比cξ=cγ×cl；

集中力相似比ψ=cγ×cl³

应力相似比cσ=l；

速度相似比cv=cl/ct；

时间相似比ct=cs0.5/ca0.5；

位移相似比cs=cl；

加速度相似比ca=1；

b、制作试验箱，由于锚碇结构所处的地层为半无限体，为了尽可能减少模型实验边界效应对模拟真实性的影响，试验箱设计因该满足使得锚碇模型边缘至试验箱内侧之间的距离远大于模型半宽，锚碇前侧土层宽度为模型半宽的3.5倍左右，在试验箱内侧采用砂浆抹面打光处理，并在试验箱内测粘贴5cm左右厚度的海绵。根据所设定的几何相似比l=100，以实际锚碇原型为参考，确定试验箱尺寸为：270cm×260cm×155cm，锚碇体的尺寸为：45cm×50cm×50cm，模拟土层的范围260cm×250cm×150cm，按照上述尺寸要求制作模型试验箱，在试验箱底部用记号笔标注锚碇中心所在底面以及锚碇底面轮廓。

c、制作岩土材料，根据锚碇原型，按照加权平均算法计算出实际土层的重度加权平均为19kn/m³，按照确定的容重相似比例值求得模型试验中的土层相似材料的重度为19kn/m³，分别以配方量混合各组分得到岩土相似材料，分层放入制备好的试验箱中进行锤击夯实锤击次数与现场密实度相关，当岩土材料放置到锚碇体埋置深度时50cm时，在确定的锚碇体中心正下方的岩土体中埋置压力测试盒。

d、制作锚碇体，根据锚碇原型相似所确定的锚碇体的几何尺寸为方形：45cm×50cm×50cm，在上述试验箱的岩土材料中用铲子开挖稍大于锚碇体尺寸边缘约5cm左右的基坑，并放入木板做的吃尺寸为：45cm×50cm×50cm的方形锚碇体模具。根据锚碇原型，按照相似比要求选择直径为5mm的普通钢丝进行绑扎，并将其与两根一端带有弯钩的直径为1cm的钢筋绑扎焊接并放入锚碇模具中，确保两弯钩的位置位于锚碇体上表面的中心线位置。根据已确定的材料相似比值，将以配方量混合各组分的得到的混凝土材料倒入锚碇制作模具中进行浇筑并养护，浇筑时将上述弯钩露出，以作为静力加载的连接点。

e、土方回填，在钢筋混凝土锚碇体养护7天达到强度要求后，根据监测需求，在锚碇体的受拉一侧、上表面分别粘贴垂直、水平应变片，并将土压力盒布置在锚碇体四周的岩土体中，留出连接线与记录测试仪器的接头。监测装置布置完毕以后，将土方进行小心回填夯实，回填夯实过程中需要确保监测仪器的完整有效。回填稳定后，在锚碇体上表面安装声波测振仪，将多个激光测距仪分别瞄准锚碇体上表面前、后、左、右边缘。

按上述方案，所述步骤2)中试验装置荷载施加的具体操作流程为：

a、放置试验箱，将上述试验箱放置在振动台的木板上，保持静力荷载施加装置放在振动台外并且保持可以水平移动。

b、施加静力荷载，将钢绞线与锚碇结构连接，并在其中分别串联两个精密测力计，用以测定锚索在克服了摩阻力后实际施加在锚碇结构上的拉力，计算锚碇结构在运营阶段承受的最大锚碇拉力设计值p0，根据相似理论通过上述门式加载架等效施加相应的砝码重力、和缆绳拉力：

按照上述相似理论,cξ=cγl=190.00,cψ=cγl³=1.9×10⁶

所以锚碇模型重g=原型重÷集中力相似常数=8000×10⁶÷(1.9×10⁶)=421n；

模型锚索力设计值p0=原型主缆拉力÷集中力相似常数=65×10⁶÷(1.9×10⁶)=34n

静力荷载施加时可以按照1倍、1.5倍、2倍、2.5倍p0逐级施加，根据实际锚碇原型，调节加载门架的放置位置，以改变钢绞线的斜拉角度到指定角度40°。

c、施加动力荷载，保持上述静力加载装置不动，待测力计示数稳定后，根据锚碇原型场地地震烈度m5～6级，调节振动台参数，分四次逐级施加相应的等效地震荷载，其中根据时间相似比加载时间控制为每级施加5～10s。

按上述方案，所述步骤3）中进行模型试验测试时，共进行4组不同静力荷载下的动力荷载试验，每组静力荷载下施加不同的四级地震动力荷载。具体实施流程如下：

a、调节测试系统，测试之前，首先控制静力荷载大小为p0=421n与斜拉角度40°不变，保持测力计示数的稳定，调节加载系统达到静力平衡。打开压力测试、位移测试、振动速度测试仪器，调节测试仪器初始状态，准备测试记录。

b、加载测试，采用控制单一变量的方式，首先控制静力斜拉荷载为一级p0=421n，打开振动台按照地震烈度m5～6级分四次逐级施加地震荷载，加载过程到结束后进行数据采集读取相应测试仪器的示数。

c.重复试验，恢复上述锚碇体于试验箱初始标记位置，回填夯实，改变静一组力荷载的大小为1.5p0倍、2倍p0、2.5p0且保持不变，每组分别逐级施加地震荷载，并按照上述流程进行测试与数据采集步骤。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。