[发明专利]用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的装置及方法

权利要求书

1.一种用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的装置，包括土槽、锚、第一、二力传感器、MEMS加速度传感器、锚链、滑轮、照相机、数据采集系统及作动器，其特征在于：所述锚上分别开有凹形槽和设置有锚眼，所述MEMS加速度传感器置于凹槽内，确保MEMS加速度传感器的轴线与锚的轴线平行，并采用环氧树脂加以封装，所述锚眼通过锚链与第一力传感器的一端连接，所述第一力传感器的另一端通过锚链与第二力传感器的一端连接，所述第二传感器的另一端通过锚链及滑轮与作动器连接，并确保第二传感器位于土表面之上，所述第一、二力传感器、MEMS加速度传感器分别与数据采集系统连接。

2.根据权利要求1所述一种用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、确定锚的初始位置：在锚眼距滑轮水平距离为x₀的位置，采用加载装置将锚铅锤向压入土中，锚眼的初始埋深z₀由加载装置中自带的位移传感器确定，并同时测量出滑轮到土表面的高度h；

步骤2、对锚进行加载及承载力的测量：通过作动器施加到锚链上的力不断增大，当锚链传递到锚上的作用力大于土体抗力时，锚开始运动；在此过程中，采用MEMS加速度传感器记录锚的转角α，通过第一力传感器测定锚上的承载力T_a，通过第二力传感器测定锚链入土点处的总承载力T₀；再用照相机拍摄照片确定锚链入土点的位置，根据锚链入土点和定滑轮之前的相对位置确定总承载力T₀的方向θ₀；

步骤3、对锚在土中运动轨迹的测量，包括以下子步骤：

(a)在常规重力场中，锚的转角通过MEMS加速度传感器两个相互垂直方向分别输出的加速度分量a₁和a₂，并通过公式(1)确定出锚的转角α，

α＝tan^-1(a₂/a₁)(1)

式中：a₁表示初始时铅垂方向那个轴的加速度分量，a₂表示与a₁正交方向那个轴的加速度分量，在离心模型试验中，通过MEMS加速度传感器不仅可测得锚的转角，还可以通过公式(2)确定锚在土中的埋深，

式中，ω为离心机转动的角速度，R为加速度传感器至离心机中轴的距离，R₀为土表面至离心机中轴的距离，z为土表面至加速度传感器的深度；

(b)锚链入土位置x_a是通过照相机拍摄的照片识别出锚链与土表面接触点至滑轮的水平距离x_a，并通过公式(3)确定锚链入土点处总承载力T₀与土表面的夹角θ₀，

θ₀＝tan^-1(h/x_a)(3)

式中：x_a表示锚链与土表面接触点至滑轮的水平距离，h表示滑轮距土表面的高度；

(c)通过加速度传感器、力传感器和照相机拍照，可以直接确定4个参数，分别为α、T_a、T₀、θ₀；在离心模型试验中，由加速度传感器还可以确定锚的埋深z。作用在锚链上的力包括四个部分：沿锚链切线方向的拉力T、摩擦力F，法线方向的抗力Q以及锚链的自重w，若忽略锚链自重，则锚链在土中深度z处的拉力T_z和倾角θ_z可通过锚链方程式(4)和(5)求得，

式中，T_z表示锚链在土深度z处所受的拉力，T₀表示锚链入土点受到的拉力，μ表示锚链与土的摩擦系数，θ₀表示入土点锚链切线方向与水平方向的夹角，θ_z表示深度z处锚链切向方向与水平方向的夹角，Q表示锚链切割土体时受到的法线方向的反力，可通过公式(6)求得，

Q＝N_c·s_u·D(6)

式中，N_c为锚链的承载力系数,s_u为土的不排水抗剪强度，D为锚链的有效直径，如果是砂土，公式(6)改成砂土地基中基础承载力计算公式即可；当达到锚眼处的深度时，采用公式(4)反推出锚眼处的荷载角度θ_a，并利用公式(5)，从土表面沿深度逐渐向下积分，可以确定出任一深度z处对应的锚链倾角θ_z，当锚链倾角达到θ_a时，对应的深度为锚眼处埋深z_a，锚链入土点和锚眼位置之间的水平距离通过公式(7)求得，

根据锚眼处距离锚链入土点的竖直距离z_a和水平距离x，通过公式(8)、(9)确定出锚在竖直方向和水平方向的位移改变量Δz、Δx，

Δz＝z₀-z_a(8)

Δx＝x₀-x-x_a(9)。