專利名稱：用于模型試驗(yàn)的微型預(yù)應(yīng)力錨索及其埋設(shè)和加載方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隧道、地鐵、地下廠房等地下工程的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的支護(hù)錨具，尤 其是一種用于地下工程的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的微型預(yù)應(yīng)力錨索及其埋設(shè)和加載方法。
背景技術(shù)：
以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)，起源于17世紀(jì)，經(jīng)過幾個(gè)世紀(jì)的發(fā)展和完善，到20世紀(jì) 70年代，得到了空前的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及科學(xué)研究的所有學(xué)科。地下 洞室模型試驗(yàn)正是起始于這一時(shí)期，主要是由于交通、水電等工程中一些地下洞室的規(guī)模越 來越大，需要認(rèn)真研究其圍巖的穩(wěn)定性。這種需要有力地促進(jìn)了地下洞室模型試驗(yàn)的發(fā)展； 反過來，地下洞室模型試驗(yàn)解決了工程實(shí)際中的許多當(dāng)時(shí)難以解決的問題，推動(dòng)了大型地下 洞室工程的建設(shè)。在國內(nèi)，地下洞室模型試驗(yàn)開始于20世紀(jì)70年代末期80年代初期，也是由 于工程建設(shè)的需要而發(fā)展起來的。要進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，就要有相應(yīng)的模型錨固裝置， 因此，下面首先將國內(nèi)一些主要地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的錨索裝置簡單說明一下
(1) 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)(2007年，第26期)介紹了一種由螺栓和銅絲組成的錨索系統(tǒng)， 該裝置由螺栓的進(jìn)程來控制錨索拉力的大小。其存在的主要問題是錨索材料的彈性模量不 能任意調(diào)節(jié)，找到嚴(yán)格符合相似率要求的模型錨索材料是很困難的，在模型試驗(yàn)中需要把實(shí) 際工程中的多根錨索合成一根，不能精確的模擬實(shí)際工程中的錨索分布；在相似率比較大的 模型試驗(yàn)中難以使用；對(duì)模型錨索拉力的控制也不夠精確。
(2) 中國公路學(xué)報(bào)(2004，第3期)介紹了一種由螺栓和繩索組成的錨索系統(tǒng)，該裝置 由滑輪-重物系統(tǒng)施加在繩索上的力來控制錨索拉力的大小。其施加錨索拉力的方法操作復(fù) 雜，在模型試驗(yàn)洞室開挖中很難使用。
(3) 地下空間(2006，第6期)介紹了一種由螺栓和鋼絞線組成的錨索系統(tǒng)，該裝置由 千斤頂來控制錨索拉力的大小。其施加錨索拉力的方法操作復(fù)雜，在模型試驗(yàn)洞室開挖中很 難使用。
上述試驗(yàn)裝置及加載系統(tǒng)普遍存在如下缺點(diǎn)
(1) 所選錨索材料剛度比較固定，不能滿足各種相似率的要求。
(2) 找到嚴(yán)格符合模型材料彈性模量相似率的錨索材料很困難，在模型試驗(yàn)中需要把實(shí) 際工程中的多根錨索合成一根，不能精確的模擬實(shí)際工程中的錨索分布；在相似率比較大的
模型試驗(yàn)中難以使用。
(3) 所選錨索材料剛度一般比較大，在模型試驗(yàn)相似率比較大的情況下，錨索的剛度不
能滿足。
(4) 錨索加載方法比較復(fù)雜，不能滿足在模型試驗(yàn)洞室內(nèi)施工的工況要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠滿足各種模型試驗(yàn)工況要求，使模型 試驗(yàn)中的錨索根數(shù)和位置能夠與實(shí)際工程中一一對(duì)應(yīng)，尺寸能夠盡量小，也能夠盡量大，錨 索預(yù)應(yīng)力的加載方法簡單精確的用于模型試驗(yàn)的微型預(yù)應(yīng)力錨索及其埋設(shè)和加載方法。
本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的 一種用于模型試驗(yàn)的微型預(yù)應(yīng)力錨索，包括 調(diào)節(jié)螺栓、鋼絞線，調(diào)節(jié)螺栓的螺母固定在洞室邊墻上，螺栓旋入螺母中，共同作為錨索頭； 鋼絞線穿過螺栓，并通過一薄片固定在螺栓頭上。鋼絞線的另一端與設(shè)于模型里面的內(nèi)錨固 段里的彈簧相連接。
所述的螺栓上設(shè)有軸向通孔。
所述的內(nèi)錨固段由一個(gè)包有彈簧的封閉系統(tǒng)組成，封閉系統(tǒng)包括殼體、螺絲，殼體的兩 端通過螺絲密封，殼體內(nèi)設(shè)有彈簧，彈簧的一端與其中一個(gè)螺絲固定連接，另一端與穿過另 一螺絲的鋼絞線連接。
所述的螺絲上設(shè)有軸向通孔。
一種用于模型試驗(yàn)的微型預(yù)應(yīng)力錨索的埋設(shè)和加載方法，包括以下步驟
1) 預(yù)埋錨固段，在制作模型預(yù)制塊的模具里鉆孔，確定錨固段在模型預(yù)制塊中的位置， 往模具中填入試驗(yàn)材料，使用壓力機(jī)進(jìn)行壓實(shí)成型，模型預(yù)制塊壓制成功后，錨固段就固定 在指定位置；
2) 安裝錨索頭，在將模型預(yù)制塊砌筑成型模型體時(shí)，錨固段引出的鋼絲繩依次穿過螺母、 螺栓、塑料薄片，在螺栓和塑料薄片上設(shè)有小圓孔，小圓孔為鋼絲繩通過的位置，使用膠水 把鋼絲繩的末端與塑料薄片粘結(jié)起來，就完成了安裝錨索頭的操作；
3) 施加預(yù)應(yīng)力，在模型試驗(yàn)的洞室開挖過程中，開挖到錨索頭時(shí)，旋轉(zhuǎn)螺栓，使錨索達(dá) 到剛剛有力的狀態(tài)，再根據(jù)錨索拉力與螺栓旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的關(guān)系旋轉(zhuǎn)螺栓，使錨索預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè) 計(jì)要求。
所述的步驟3)中的錨索預(yù)應(yīng)力與螺栓旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的關(guān)系為 F=KXX;
式中，F(xiàn)是模型錨索的預(yù)應(yīng)力，K是彈簧的剛度，X是螺栓在螺母中旋轉(zhuǎn)n圈時(shí)螺栓的進(jìn)程。 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1) 通過改變鋼絞線和彈簧的長度，可以任意調(diào)節(jié)模型預(yù)應(yīng)力錨索尺寸，長度最小可以 做到lcm,能夠最大可能的滿足模型試驗(yàn)錨索和實(shí)際工程中的錨索一一對(duì)應(yīng)的要求，滿足模型 試驗(yàn)相似率要求。
(2) 通過選擇彈簧剛度，可以控制模型預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力范圍，能夠最大可能的滿足 模型試驗(yàn)錨索和實(shí)際工程中的錨索一一對(duì)應(yīng)的要求，滿足模型試驗(yàn)各種相似率要求。
(3) 模型錨索預(yù)應(yīng)力的控制方便、準(zhǔn)確，可以在較惡劣的工況下使用。
(4)該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于水利、交通、能源、礦山等工程領(lǐng)域的巖土地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究。


圖l是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意其中1.薄片，2.螺栓，3.螺母，4.鋼絞線，5應(yīng)絲，6.內(nèi)錨固段，7.彈簧，8.殼體。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1中，調(diào)節(jié)螺栓2的螺母3固定在洞室邊墻上，螺栓2旋入螺母3中，共同作為錨索 頭，鋼絞線4穿過帶通孔的螺栓2,并通過一個(gè)小薄片1固定在螺栓2頭上，鋼絞線4的另 一端與設(shè)于模型里面的內(nèi)錨固段6里的彈簧7相連接。
內(nèi)錨固段6由一個(gè)包有彈簧7的封閉系統(tǒng)組成，封閉系統(tǒng)包括殼體8、螺絲5，殼體8的 兩端通過螺絲5密封，殼體8內(nèi)設(shè)有彈簧7，彈簧7的一端與其中一個(gè)螺絲5固定連接，另 一端與穿過另一帶軸向通孔的螺絲5的鋼絞線4連接。
本模型錨索全長24cm (長度可以自由調(diào)節(jié))，采用細(xì)鋼絞線4與彈簧7串聯(lián)的樣式，鋼絞
線4與彈簧7的最大拉力滿足模型試驗(yàn)錨索拉力要求。模型錨索的內(nèi)錨固段6由一個(gè)包有彈簧7 的封閉系統(tǒng)組成，預(yù)埋在模型里面，彈簧7的一端固定在內(nèi)錨固段6上，另一端連接細(xì)鋼絞線4。 洞室邊墻的錨索頭采用尺寸按照相似率計(jì)算出來的調(diào)節(jié)螺栓2，調(diào)節(jié)螺栓2的螺母3固定在邊墻 上，再把帶孔的螺栓2旋入螺母3中，共同作為錨索頭。細(xì)鋼絞線4穿過帶孔的螺栓2，并用一 個(gè)小薄片1固定在螺栓2頭上。將預(yù)埋錨索按照模型設(shè)計(jì)要求埋設(shè)在預(yù)制模型塊體內(nèi)，錨索的 內(nèi)錨固段6和模型材料同時(shí)放入模具中，通過控制壓力機(jī)的的壓力和保壓時(shí)間來壓實(shí)模型材料 定好錨固段的位置。把埋設(shè)有預(yù)埋錨索的塊體按照施工方案安裝在模型中。在模型試驗(yàn)的洞 室開挖過程中，開挖到錨索頭的時(shí)，旋轉(zhuǎn)螺栓，使錨索達(dá)到剛剛有力的狀態(tài)，再根據(jù)錨索拉 力與螺栓旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的關(guān)系旋轉(zhuǎn)螺栓，使錨索預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
本模型錨索的技術(shù)要求 (1)模型錨索長度設(shè)計(jì) 根據(jù)相似理論，模型實(shí)驗(yàn)使用的錨索長度 1' =l/c (1〉
式(1)中，1'是模型錨索長度，l是實(shí)際錨索長度，c是模型試驗(yàn)與實(shí)際工程的幾何相 似率。
(2)模型錨索的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì) 根據(jù)相似理論，模型試驗(yàn)使用的錨索預(yù)應(yīng)力為
f' =f/c (2) 式(2)中，f是模型錨索的預(yù)應(yīng)力，f是實(shí)際錨索的預(yù)應(yīng)力，c是模型試驗(yàn)與實(shí)際工程
的物理相似率。
(3) 模型錨索預(yù)應(yīng)力的加載。
根據(jù)式(2)中計(jì)算出來的模型試驗(yàn)錨索的預(yù)應(yīng)力，選取相應(yīng)剛度的彈簧，標(biāo)定螺栓在 螺母中旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)螺栓的進(jìn)程，通過公式
F=KXX (3) 可以計(jì)算出螺栓旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)錨索產(chǎn)生的拉力，式(3)中，F(xiàn)是模型錨索的預(yù)應(yīng)力，K是彈 簧的剛度，X是螺栓在螺母中旋轉(zhuǎn)n圈時(shí)螺栓的進(jìn)程。據(jù)此，可以計(jì)算出錨索拉力與螺栓旋轉(zhuǎn) 的關(guān)系，通過這個(gè)關(guān)系來進(jìn)行模型錨索預(yù)應(yīng)力的加載控制。
(4) 模型錨索預(yù)應(yīng)力加載的操作方法
在模型試驗(yàn)的洞室開挖過程中，開挖到錨索頭的時(shí)，旋轉(zhuǎn)螺栓，使錨索達(dá)到剛剛有力的 狀態(tài)，再根據(jù)錨索拉力與螺栓旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的關(guān)系旋轉(zhuǎn)螺栓，使錨索預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
權(quán)利要求
1.一種用于模型試驗(yàn)的微型預(yù)應(yīng)力錨索，包括調(diào)節(jié)螺栓、鋼絞線，其特征在于調(diào)節(jié)螺栓的螺母固定在洞室邊墻上，螺栓旋入螺母中，共同作為錨索頭，鋼絞線穿過螺栓，并通過一薄片固定在螺栓頭上，鋼絞線的另一端與設(shè)于模型里面的內(nèi)錨固段里的彈簧相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模型試驗(yàn)的微型預(yù)應(yīng)力錨索，其特征在于所述的螺栓上 設(shè)有軸向通孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模型試驗(yàn)的微型預(yù)應(yīng)力錨索，其特征在于所述的內(nèi)錨固 段由一個(gè)包有彈簧的封閉系統(tǒng)組成，封閉系統(tǒng)包括殼體、螺絲，殼體的兩端通過螺絲密封， 殼體內(nèi)設(shè)有彈簧，彈簧的一端與其中一個(gè)螺絲固定連接，另一端與穿過另一螺絲的鋼絞線連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于模型試驗(yàn)的微型預(yù)應(yīng)力錨索，其特征在于所述的螺絲上 設(shè)有軸向通孔。
5. —種用于模型試驗(yàn)的微型預(yù)應(yīng)力錨索的埋設(shè)和加載方法，其特征在于，包括以下步驟1) 預(yù)埋錨固段，在制作模型預(yù)制塊的模具里鉆孔，確定錨固段在模型預(yù)制塊中的位置， 往模具中填入試驗(yàn)材料，使用壓力機(jī)進(jìn)行壓實(shí)成型，模型預(yù)制塊壓制成功后，錨固段就固定 在指定位置；2) 安裝錨索頭，在將模型預(yù)制塊砌筑成型模型體時(shí)，把錨固段引出的鋼絲繩依次穿過螺 母、螺栓、塑料薄片，在螺栓和塑料薄片上設(shè)有小圓孔，小圓孔為鋼絲繩通過的位置，使用 膠水把鋼絲繩的末端與塑料薄片粘結(jié)起來，就完成了安裝錨索頭的操作；3) 施加預(yù)應(yīng)力，在模型試驗(yàn)的洞室開挖過程中，開挖到錨索頭時(shí)，旋轉(zhuǎn)螺栓，使錨索達(dá) 到剛剛有力的狀態(tài)，再根據(jù)錨索拉力與螺栓旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的關(guān)系旋轉(zhuǎn)螺栓，使錨索預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè) 計(jì)要求。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于模型試驗(yàn)的微型預(yù)應(yīng)力錨索的埋設(shè)和加載方法，其特征在 于所述的步驟3)中的錨索拉力與螺栓旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的關(guān)系為F=KXX ;式中，F(xiàn)是模型錨索的預(yù)應(yīng)力，K是彈簧的剛度，X是螺栓在螺母中旋轉(zhuǎn)n圈時(shí)螺栓的進(jìn)程， n大于或小于l。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于模型試驗(yàn)的微型預(yù)應(yīng)力錨索，包括調(diào)節(jié)螺栓、鋼絞線，調(diào)節(jié)螺栓的螺母固定在洞室邊墻上，螺栓旋入螺母中，共同作為錨索頭，鋼絞線穿過螺栓，并通過一薄片固定在螺栓頭上，鋼絞線的另一端與設(shè)于模型里面的內(nèi)錨固段里的彈簧相連接。本發(fā)明同時(shí)公開了微型預(yù)應(yīng)力錨索的埋設(shè)和加載方法。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)通過改變鋼絞線和彈簧的長度，可以任意調(diào)節(jié)模型預(yù)應(yīng)力錨索尺寸，滿足模型試驗(yàn)相似率要求。(2)通過選擇彈簧剛度，可以控制模型預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力范圍，滿足模型試驗(yàn)要求。(3)模型錨索的預(yù)應(yīng)力調(diào)控方便、準(zhǔn)確，可以在較惡劣的工況下使用。(4)可應(yīng)用于水利、交通、能源、礦山等工程領(lǐng)域巖土地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究。
文檔編號(hào)E02D5/74GK101343882SQ200810138979
公開日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月18日
發(fā)明者孫林鋒, 朱維申, 勇 李, 李術(shù)才, 鄭文華, 馬慶松 申請(qǐng)人:山東大學(xué)