基坑模型试验中精确控制锚杆轴力缓慢变化的装置的制作方法

1.本发明涉及基坑模型试验技术领域，特别是一种基坑模型试验中精确控制锚杆轴力缓慢变化的装置。


背景技术：

2.锚杆支护是一种常见的支护形式，由于其锚固结构作用于坑外，使其具有抵抗变形能力强，占用坑内空间小，施工方便的特性，近些年已成为中等深度基坑使用最为频繁的支护形式。但是在实际工程中，由于锚杆支护基坑的设计、施工不当，国内外均发生过锚杆支护体系中因锚杆失效引发的基坑垮塌事故，例如日本、科隆、南宁、深圳等地，造成了非常严重的经济损失和人员伤亡。
3.近年来，众多学者对大量锚杆工程实例或事故案例进行了分析。例如international federation for prestressing(fip)对35个锚杆支护工程案例进行了统计分析，由于锚杆结构由钢绞线及水泥浆的粘结作用传力，因此其质量往往得不到有效保证，其中很多工程中锚杆存在失效的风险，甚至在近些年有些工程发生因锚杆失效而引发基坑整体垮塌事故。研究发现，锚杆失效可能由诸多因素引发，如暴露在外的锚头破坏，筋体锈蚀导致的锚杆钢筋破断，荷载使注浆体与土体之间发生相对滑移，注浆不足使预应力损失或地下水侵蚀导致的土体与锚固段之间的粘结破坏等。
4.由于锚杆支护体系试验的复杂性，目前针对锚杆支护基坑中锚杆失效的模型试验研究开展较少。现阶段针对锚杆失效的试验研究多采用对锚杆直接剪断的方式进行，然而实际工程中的锚杆失效往往具有较强的时间效应，基坑事故往往有较长的预警期，此时间段会伴随着锚杆的逐渐失效而使基坑发生过大变形最终使基坑倒塌，然而现有的试验技术无法使基坑中的锚杆达到缓慢失效的效果，试验结果往往与实际工程现象不符，因此有必要提供一种基坑模型试验中精确控制锚杆轴力缓慢变化的装置，用于基坑锚杆支护模型试验中模拟锚杆轴力缓慢变化的过程。


技术实现要素：

5.本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基坑模型试验中精确控制锚杆轴力缓慢变化的装置，用于精确模拟锚杆轴力缓慢变化的过程。
6.本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基坑模型试验中精确控制锚杆轴力缓慢变化的装置，包括连接在模拟锚杆上的拉力计和锚杆轴力控制机构，所述锚杆轴力控制机构包括固定底板，在所述固定底板上从下至上依次设有固定螺杆和升降螺杆，所述升降螺杆周向固定轴向滑动地插接在所述固定螺杆上，所述固定螺杆垂直设置在所述固定底板上，所述固定螺杆和所述升降螺杆螺纹旋向相反、螺距不等，在所述固定底板、所述固定螺杆和所述升降螺杆上设有竖向穿线孔，使用时，模拟锚杆的固定端从底部穿入所述竖向穿线孔并固定在所述升降螺杆的上端，在所述固定螺杆上配装有下螺套，在所述升降螺杆上配装有上螺套，所述上螺套和所述下螺套固接，所述下螺套设有驱动
机构，所述驱动机构包括套固在所述下螺套外侧的齿圈，所述齿圈与齿轮啮合，所述齿轮由变频电机驱动，所述变频电机固装在支撑板上，所述支撑板由两根立柱支撑，所述立柱固接在所述固定底板上。
7.在所述固定螺杆顶部设有沿其轴向延伸、沿其直径方向布置的一道插槽，在所述升降螺杆的底部设有与所述插槽吻合的插头，所述插头周向固定轴向滑动地插接在所述插槽内。
8.所述固定螺杆通过法兰与所述固定底板固接。
9.所述上螺套和所述下螺套通过法兰连接。
10.所述齿圈固接在所述下螺套的法兰上。
11.在所述支撑板上设有过孔，所述锚杆轴力控制机构穿过所述过孔。
12.本发明具有的优点和积极效果是：通过巧用螺旋传动机构，并利用变频电机驱动齿轮组进行带动，使升降螺杆能够缓慢、精确地上升或下降，进而使模拟锚杆的轴力随之缓慢、精确地增大或减小，并通过拉力计精确测量，可以动态精确调节模拟锚杆的轴力，从而精确模拟基坑锚杆支护中锚杆施加预应力及轴力缓慢失效的过程。并且本发明结构简单，操作方便，能够精确控制模拟锚杆轴力增大或减小的速率，精确模拟锚杆轴力在实际应用中缓慢变化的过程。
附图说明
13.图1为本发明的结构示意图；
14.图2为本发明应用的示意图。
15.图中：1、上螺套；1-1、法兰；2、下螺套；2-1、法兰；3、升降螺杆；3-1、插头；4、固定螺杆；4-1、插槽；4-2、法兰；5、支撑板；6、齿圈；7、齿轮；8、变频电机；9、立柱；10、固定底板；11、模拟锚杆；12、拉力计；13、模拟支护桩；14、冠梁；15、滑轮。
具体实施方式
16.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
17.请参阅图1～图2，一种基坑模型试验中精确控制锚杆轴力缓慢变化的装置，包括连接在模拟锚杆11上的拉力计12和锚杆轴力控制机构。
18.所述锚杆轴力控制机构包括固定底板10，在所述固定底板10上从下至上依次设有固定螺杆4和升降螺杆3，所述升降螺杆3周向固定轴向滑动地插接在所述固定螺杆4上，所述固定螺杆4垂直设置在所述固定底板10上，所述固定螺杆4和所述升降螺杆3螺纹旋向相反、螺距不等。
19.在所述固定底板10、所述固定螺杆4和所述升降螺杆3上设有竖向穿线孔，使用时，模拟锚杆11的固定端从底部穿入所述竖向穿线孔并固定在所述升降螺杆3的上端。
20.在所述固定螺杆4上配装有下螺套2，在所述升降螺杆3上配装有上螺套1，所述上螺套1和所述下螺套2固接。
21.所述下螺套2设有驱动机构，所述驱动机构包括套固在所述下螺套2外侧的齿圈6，所述齿圈6与齿轮7啮合，所述齿轮7由变频电机8驱动，所述变频电机8固装在支撑板5上，所
述支撑板5由两根立柱9支撑，所述立柱9固接在所述固定底板10上。
22.在本实施例中，所述固定螺杆4与所述升降螺杆3的具体连接结构为，在所述固定螺杆4上部设有沿其轴向延伸、沿其直径方向布置的一道插槽4-1，在所述升降螺杆3的下部设有与所述插槽4-1吻合的插头3-1，所述插头3-1周向固定轴向滑动地插接在所述插槽4-1内。这种结构加工制作方便，连接安装方便。所述固定螺杆4通过法兰4-2与所述固定底板10固接，连接方便，可拆卸，装配性好。所述上螺套1和所述下螺套2通过法兰1-1和2-1连接，装配方便。所述齿圈7固接在所述下螺套的法兰2-1上，便于提高传动的稳定性。在所述支撑板5上设有过孔，所述锚杆轴力控制机构穿过所述过孔，便于提高装置的整体稳定性。
23.请参见图2，上述装置的应用包括以下步骤：
24.1)根据试验要求，将锚杆轴力控制机构固定于设定位置；
25.2)将模拟支护桩13、冠梁14和模拟锚杆11等放置于基坑预定位置，制备模型土体；
26.3)将模拟锚杆11绕过滑轮15后，穿入所述固定底板10、所述固定螺杆4和所述升降螺杆3上的竖向穿线孔，并锚固于所述升降螺杆3的上端，同时在模拟锚杆11上连接拉力计12。调试、架设试验监测设备后，进行试验开挖，开挖到预定深度后停止开挖，并对模拟锚杆轴力等各项检测指标进行检测。开挖过程中可以启动变频电机使下螺套2向下旋转，从而使升降螺杆3缓慢上升，对模拟锚杆轴力精确施加预应力，模拟工程中预应力锚杆的使用。
27.4)开挖完成后，启动变频电机8使下螺套2上升，升降螺杆3缓慢下降，此时模拟锚杆11轴力缓慢减小，模拟工程中锚杆轴力逐渐减小的过程。
28.下面举例说明本发明的工作原理，例如固定螺杆4螺距取1.25mm，升降螺杆3螺距取1.5mm。下螺套2旋转上升一圈带动上螺套1上升1.25mm时，升降螺杆3下降1.5mm，同时由于升降螺杆3随上螺套1上升1.25mm，因此升降螺杆3仅下降0.25mm，此时模拟锚杆11的拉伸长度被回缩0.25mm，轴力随之缓慢减小。同样，下螺套2旋转下降一圈时，升降螺杆3可上升0.25mm，模拟锚杆被拉伸，轴力随之缓慢增大。
29.综上所述，本发明可以模拟基坑锚杆支护体系中，锚杆施加预应力以及基坑开挖完成后，由于地下水渗漏引发土体软化或锚杆腐蚀等作用导致轴力逐渐降低直至锚杆轴力缓慢失效的过程，结构简单，便于操作，可以动态精确调节锚杆轴力，从而模拟锚杆轴力缓慢变化。
30.尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。