锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递试验装置及方法与流程

本发明涉及隧道工程领域，具体涉及一种锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递试验装置及方法。

背景技术：

软弱地层隧道施工过程中围岩稳定性差，易发生大幅沉降甚至塌方，通常采用分部开挖法进行施工。在分部开挖时，隧道拱脚地基对上部初期支护的支撑面积很小，每延米一般均小于0.3m²，特别是对于初期支护中的型钢钢架而言，其与隧道拱脚地基的接触面积更小，一般在0.06m²以下，从而导致隧道拱脚地基往往存在较大的应力集中，而软弱地层隧道拱脚地基承载力往往十分有限，不足以承担上部荷载，会造成拱脚和隧道整体沉降，对隧道稳定性十分不利。

锁脚锚管可以起到抑制隧道钢架下沉、分担隧道拱脚地基荷载，从而提高隧道拱脚地基稳定性的目的。锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载的传递情况直接影响到隧道拱脚地基的稳定性。为确保隧道拱脚地基的稳定性，在锁脚锚管设计时，就需要了解锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载的传递情况，并揭示不同锁脚锚管支护参数下隧道拱脚地基荷载的传递特性，进而确保锁脚锚管支护参数设计的合理性。

由于隧道现场环境复杂，干扰因素众多，通过现场试验研究锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递特性，不仅费时费力，而且试验结果误差较大。通过数值模拟、解析方法等理论分析方法则由于在研究时存在过多的简化，则难以有效且准确地反映锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载的传递特性。而对锁脚锚管支护下隧道拱脚地基进行模拟加载，则不受场地、隧道环境的限制和复杂因素的干扰，同时也不存在分析时简化过多的问题，是研究锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递特性的理想手段。但是，目前尚缺乏针对锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递的试验装置及方法。鉴此，有必要研发一种锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递试验装置及方法。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递试验装置及方法，能够揭示不同锁脚锚管支护参数、不同加载条件下隧道拱脚地基荷载的传递特性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递试验装置，其特征在于，包括：型钢钢架、锁脚锚管、千斤顶、压力传感器、反力架、堆载箱；

所述型钢钢架和所述锁脚锚管之间借助连接件进行焊接连接；所述千斤顶设置在所述型钢钢架的顶部，所述压力传感器设置在所述型钢钢架的底部和地基之间；所述反力架放置于地面上，所述堆载箱放置于所述反力架上；所述千斤顶的上部顶在所述反力架靠近锁脚锚管一侧的横梁下缘的中心处，可确保在对钢架实现加载的同时，在堆载重力和千斤顶竖向力的共同作用下，反力架左右两侧为对称受力，避免反力架和堆载箱发生倾覆、失稳，从而确保加载安全，并保证加载效果。

进一步地，在所述型钢钢架的顶部焊接第一连接钢板，所述第一连接钢板用作放置所述千斤顶的平台；所述试验装置还包括第二连接钢板和第三连接钢板，所述压力传感器设置在所述第二连接钢板和所述第三连接钢板之间，所述第二连接钢板的上缘和所述型钢钢架的底部连接，所述压力传感器的上缘与所述第二连接钢板的下缘相连，所述压力传感器的下缘与所述第三连接钢板的上缘相连，所述第三连接钢板的下缘和所述地基接触。

进一步地，所述型钢钢架和所述锁脚锚管之间的连接件为l形连接件或环形连接件，即采用隧道设计和施工中型钢钢架与锁脚锚管的实际连接方式，而未作任何近似、简化处理，确保了型钢钢架与锁脚锚管之间荷载传递的真实性。

进一步地，所述反力架由工字钢或h型钢焊接而成，在所述反力架的上表面四条边沿上分别焊接钢肋，以防止堆载箱在反力架上发生侧滑。

所述堆载箱形状为长方体或正方体；将堆载箱置于反力架时，靠近锁脚锚管一侧的堆载大于远离锁脚锚管一侧的堆载，以有利于反力架在千斤顶伸长过程中的稳定性。

一种锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递的试验方法，采用所述试验装置作为模拟试验平台，所述方法包括：

(1)在垂直边坡或隧道洞壁上进行锁脚锚管的钻孔作业，搭建锁脚锚管支护下对隧道拱脚地基进行加载的所述模拟试验平台；

(2)模拟试验平台搭建完成后，对千斤顶进行加压，在千斤顶伸长的过程中，利用反力架提供的反力，对型钢钢架进行竖向加载；在型钢钢架产生竖向位移的过程中，型钢钢架和锁脚锚管、拱脚地基之间发生荷载传递，利用数据采集仪对型钢钢架底部和地基之间的压力传感器进行数据采集，实现对锁脚锚管支护下型钢钢架基底的地基荷载的测试；

(3)沿型钢钢架竖向进行逐级加载，对拱脚地基荷载和地基沉降分别进行测试，分析竖向加载和地基荷载、地基沉降之间的关系；

(4)改变锁脚锚管支护参数，并考虑锁脚锚管和型钢钢架的连接形式以及考虑锁脚锚管是否注浆，按步骤(1)-(3)反复试验，进行不同锁脚锚管支护参数、不同加载条件下隧道拱脚地基荷载传递特性的评估，揭示锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递特性。

进一步地，在步骤(1)中，采用风动凿岩机或潜孔钻机在垂直边坡或隧道洞壁上进行锁脚锚管的钻孔作业。

进一步地，步骤(4)中，所述锁脚锚管支护参数包括锁脚锚管的长度、打设角度、直径和数量。

本发明的有益技术效果：

现有技术中通过现场测试、数值模拟或者解析方法，来研究锁脚锚管支护下隧道拱脚地基的荷载传递，由于受现场条件限制和复杂因素影响，以及数值模拟和解析方法往往存在较多的假设，使得现有技术中的方法难以准确、有效地反映锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载的真实传递情况。本发明所述方法，一方面，搭建了锁脚锚管支护下对隧道拱脚地基进行加载的模拟试验平台，该试验平台不受场地限制、且干扰因素少，可避免隧道现场试验环境复杂、干扰因素众多对试验结果的影响；该试验平台中千斤顶的上部顶在反力架靠近锁脚锚管一侧的横梁下缘的中心处，千斤顶的轴线与型钢钢架的轴线在竖向保持一致，可确保整个加载过程中荷载始终保持竖直向下，从而可实现对隧道竖向荷载的真实模拟；另一方面，钢架与锁脚锚管、拱脚地基之间的连接条件未作任何的简化和假定，完全与隧道现场实际情况一致，确保了模拟加载试验过程中钢架与锁脚锚管、拱脚地基之间荷载传递的真实性。此外，利用本发明的试验方法，可以分析不同锁脚锚管支护参数、不同加载条件下隧道拱脚地基荷载的传递特性。

附图说明

图1为本发明实施例中锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递的模拟试验平台示意图；

图2为本发明实施例中千斤顶、型钢钢架、锁脚锚管、压力传感器之间的连接示意图；

图3为本发明实施例中压力传感器与第二、第三连接钢板的连接示意图；

图4为本发明实施例中反力架示意图；

图5为本发明实施例中堆载箱示意图；

附图标记：1-型钢钢架；2-锁脚锚管；3-反力架；4-压力传感器；5-堆载箱；6-千斤顶；7-环向连接件；8-第一连接钢板；9-第二连接钢板；10-第三连接钢板；11-钢肋。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

针对现有技术中通过现场测试、数值模拟或者解析方法，来研究锁脚锚管支护下隧道拱脚地基的荷载传递。由于受现场条件限制和复杂因素影响，以及数值模拟和解析方法往往存在较多的假设，使得现有技术中的方法难以准确、有效地反映锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载的真实传递情况。

本发明实施例提供一种锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递试验装置，用于揭示锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载的传递特性。如图1所示，所述试验装置包括：型钢钢架1、锁脚锚管2、千斤顶6、压力传感器4、反力架3、堆载箱5；所述型钢钢架1和所述锁脚锚管2之间借助连接件进行焊接连接；所述千斤顶6设置在所述型钢钢架1的顶部，所述压力传感器4设置在所述型钢钢架1的底部和地基之间；所述反力架3放置于地面上，所述堆载箱5放置于所述反力架3上；所述千斤顶6的上部顶在所述反力架3靠近锁脚锚管2一侧的横梁下缘的中心处。

优选地，在所述型钢钢架的顶部焊接第一连接钢板8，所述第一连接钢板用作放置所述千斤顶的平台；所述试验装置还包括第二连接钢板9和第三连接钢板10，所述压力传感器设置在所述第二连接钢板9和所述第三连接钢板10之间，所述压力传感器的上缘与所述第二连接钢板的下缘相连，所述压力传感器的下缘与所述第三连接钢板的上缘相连，所述第三连接钢板的下缘与所述地基接触。

优选地，所述型钢钢架和所述锁脚锚管之间的连接件为l形连接件或环形连接件。所述反力架由工字钢或h型钢焊接而成，在所述反力架的上表面四条边沿上分别焊接钢肋，以防止堆载箱在反力架上发生侧滑。所述堆载箱形状为长方体或正方体；将堆载箱置于反力架时，靠近锁脚锚管一侧的堆载大于远离锁脚锚管一侧的堆载，以利于反力架在千斤顶伸长过程中的稳定性。

参见图2，图2为千斤顶6、型钢钢架1、锁脚锚管2、压力传感器4之间的连接示意图，型钢钢架1与锁脚锚管2之间借助环形连接件7进行焊接连接，千斤顶3放置于与千斤顶6顶部焊接的第一连接钢板8上；在本实施例中，型钢钢架1的型号为i20a工字钢，长度为50cm；锁脚锚管2的管身为热轧无缝钢管，管径为42mm，壁厚3.5mm，长度为4m，与水平面的夹角为15°；千斤顶3为带油表的油压千斤顶，最大载重能力为25吨；第一连接钢板8的尺寸为长24cm、宽22cm，厚2cm。

参见图3，图3为压力传感器与连接钢板的连接示意图，压力传感器4的上缘与第二连接钢板9的下缘相连，压力传感器4的下缘与第三连接钢板10的上缘相连，第三连接钢板10的下缘与地面相连。

参见图4，图4为反力架示意图，优选地，反力架3的长度3m，宽度为2m，高度为1.4m，为防止堆载箱在反力架上发生侧滑，反力架3上表面四条边沿上分别焊接1根截面尺寸为2.5cm×2.5cm的钢肋11。

参见图4，图4为堆载箱示意图，优选地，堆载箱5的尺寸为1.5m×1.5m×1.5m，将堆载箱置于反力架时，靠近锁脚锚管一侧的堆载大于远离锁脚锚管一侧的堆载，以利于反力架在千斤顶伸长过程中的稳定性，在本实施例中，堆载箱5的数量为9个，靠近锁脚锚管一侧6个堆载箱，远离锁脚锚管一侧的3个堆载箱。

本发明实施例还提供一种锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递的试验方法，包括以下步骤：

(1)采用风动凿岩机在一垂直边坡上进行锁脚锚管的钻孔作业，然后搭建上述锁脚锚管支护下对隧道拱脚地基进行加载的模拟试验平台，在其他实施例中，可以采用潜孔钻机或其他作业方式进行钻孔作业，并且在其他实施例中，也可以在隧道洞壁上进行钻孔作业；具体操作时，将锁脚锚管送入钻孔内，锁脚锚管外露的端部与型钢钢架进行焊接连接；按此方法在型钢钢架左右两侧安装1-3组锁脚锚管，每组锁脚锚管数量为2根，将地面整平后，把反力架移置于型钢钢架上方，确保反力架靠近型钢钢架一侧的横梁中心恰位于型钢钢架正上方；将堆载箱置于反力架上，并要求靠近锁脚锚管一侧的堆载大于远离锁脚锚管一侧的堆载；将千斤顶放置于与型钢钢架顶部焊接的钢板上，确保千斤顶与型钢钢架轴线在竖向保持一致，千斤顶上部顶在反力架靠近锁脚锚管一侧横梁下缘的中心处；

(2)模拟试验平台搭建完成后，对千斤顶6进行加压，在千斤顶6伸长的过程中，利用反力架3提供的反力，对型钢钢架1进行竖向加载；在型钢钢架1产生竖向位移的过程中，型钢钢架1与锁脚锚管2、拱脚地基之间发生荷载传递，利用数据采集仪对型钢钢架1底部与地基之间的压力传感器4进行数据采集，实现对锁脚锚管2支护下型钢钢架1基底的地基荷载的测试；

(3)沿型钢钢架1竖向进行逐级加载，对拱脚地基荷载和地基沉降分别进行测试，分析竖向加载与地基荷载、地基沉降之间的关系；

(4)改变锁脚锚管2支护参数，包括锁脚锚管的长度、打设角度、直径，并考虑锁脚锚管2与型钢钢架1的连接形式和锁脚锚管2是否注浆，按上述步骤(1)-(3)反复试验，进行不同锁脚锚管支护参数、不同加载条件下隧道拱脚地基荷载传递特性的评估，揭示锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递特性。

采用以上锁脚锚管支护下隧道拱脚地基荷载传递的试验方法，一方面能够避免隧道现场试验环境复杂、干扰因素众多的影响，并确保整个加载过程中荷载始终保持竖直向下，实现对隧道竖向荷载的真实模拟；另一方面，钢架与锁脚锚管、拱脚地基之间的连接条件未作任何的简化和假定，完全与隧道现场实际情况一致，确保了模拟加载试验过程中钢架与锁脚锚管、拱脚地基之间荷载传递的真实性。此外，利于上述试验方法，可以分析不同锁脚锚管支护参数、不同加载条件下隧道拱脚地基荷载的传递特性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。