[发明专利]框格预应力锚杆加固边坡振动台模型试验装置及施工方法

权利要求书

1.框格预应力锚杆加固边坡振动台模型试验装置, 包括振动台（1），钢垫板（2），模型箱（3），土质边坡体（4），框格（20），预应力锚杆（6），其特征在于：所述的模型箱（3）由钢垫板（2）、方钢梁（21）、方钢柱（22）以及有机玻璃（5）经紧固件柔性连接而成，通过高强螺栓（29）与振动台（1）连接，模型箱（3）内装有框格（20）和土质边坡体（4）；所述土质边坡体（4）经分层压实后形成，土质边坡体（4）内铺设预应力锚杆（6），由锚杆自由段（30）和锚杆锚固段（31）构成；所述框格（20）置于土质边坡体（4）前，由格构梁（7）、格构柱（8）和挡土板（9）组成；锚头（19）和垫板（18）将穿过框格（20）的预应力锚杆（6）通过螺母（24）锚定在框格（20）上，形成模拟支护边坡；位移传感器（10）安装于锚头（19）以及土质边坡体（4）坡顶预设位置处；在模型箱（3）内部设四组加速度计A（14），模型箱（3）外部设三组加速度计B（15）；锚杆自由段（30）、锚杆锚固段（31）以及格构梁（7）、格构柱（8）预设位置处贴有应变片（12）；框格（20）与土质边坡体（4）接触的设定位置处布有土压力盒（13）；应变片（12）、加速度计A（14）、加速度计B（15），位移传感器（10）与土压力盒（13）通过数据线（27）分别与应变采集仪（35）、加速度采集仪（32）、位移采集仪（34）、土压力采集仪（33）对应连接，通过数据线（27）一并连接到动态数据采集系统（28）。

2.根据权利要求1所述的框格预应力锚杆加固边坡振动台模型试验装置，其特征在于：所述振动台（1）为X、Y、Z三向六自由度震动装置，频率范围为0.1Hz～50Hz。

3.根据权利要求1所述的框格预应力锚杆加固边坡振动台模型试验装置，其特征在于：所述框格（20）预制而成，包括格构梁（7）、格构柱（8）和挡土板（9）；格构梁（7）、格构柱（8）内的受力纵筋采用钢丝，挡土板（9）内钢筋和梁、柱箍筋采用镀锌铁丝。

4.根据权利要求1所述的框格预应力锚杆加固边坡振动台模型试验装置，其特征在于：所述模型箱（3）是顶部不闭合的长方形体，顶部设有方钢梁（21）构成的圈梁，在其底部设有预留孔洞与钢垫板（2）连接；模型箱（3）顶部设有横向方钢梁，其上焊接吊环（26）。

5.根据权利要求1所述的框格预应力锚杆加固边坡振动台模型试验装置，其特征在于：所述加速度采集仪（32）、土压力采集仪（33）、位移采集仪（34）、应变采集仪（35）设置在振动台（1）的影响范围以外，通过数据线（27）将其均与动态数据采集系统（28）连接。

6.框格预应力锚杆加固边坡振动台模型试验装置的施工方法，其特征在于，其步骤为：

（1）方案设计：制定模型结构构件方案及数据采集方案；按照重力相似率及量纲法推导出振动台模型的相似比，并按照相似关系确定土质边坡体（4）、预应力锚杆（6）、格构梁（7）、格构柱（8）、挡土板（9）的几何尺寸；土质边坡体（4）模型按照原状土的基本参数确定其质量配比、最优含水量及最大干密度；

（2）预制预应力锚杆（6）：用PVC 管（16）作为模具，以预应力钢丝作为材料制作预应力锚杆（6），锚杆自由段（30）和锚杆锚固段（31）按照既定方案贴应变片（12），并用绝缘胶带包扎，然后将数据线（27）引出；将锚杆锚固段（31）插入PVC 管（16）内，内部配合对中支架（17），灌注水泥砂浆（11），形成锚杆锚固段（31），养护完成后，拆掉PVC管（16）；

（3）预制框格（20）：按照设计尺寸绑扎钢筋笼并支好模板，然后将钢筋笼放入模板内浇筑细骨料混凝土，同时预留好预应力锚杆（6）的出孔孔洞；待混凝土达到一定强度后拆除模板；

（4）组装模型箱（3）：先用方钢梁（21）、方钢柱（22）按照模型箱（3）设计尺寸组装出模型箱（3）框架，用螺栓（36）连接；然后将有机玻璃（5）经紧固件柔性连接在模型箱（3）框架上，最后通过螺栓（36）将钢垫板（2）与模型箱（3）底部的方钢梁（21）连接；

（5）将模型箱（3）用起吊装置通过模型箱（3）上的吊环（26）吊到振动台（1）上，并用高强螺栓（29）固定在振动台（1）台面上；

（6）在模型箱（3）的钢垫板（2）板面上用环氧树脂粘上碎石，在模型箱（3）前后端填土厚度范围内设置10cm厚的聚苯乙烯泡沫板（23）；

（7）将框格（20）吊入模型箱（3）内，按照设计角度用绳子固定；

（8）向模型箱（3）内填土，地基土现场挖掘，用搅拌机搅匀，按照设计方案，每次填土厚度l0cm，找平均匀捣实，现场取重度控制确保压实率达到90%，同时做土体参数试验，击实试验、直接剪切试验、固结试验；

（9）当土层填至第一层锚杆处，按照既定方案铺设预应力锚杆（6）；将预应力锚杆（6）从框格20上预留的孔洞由模型箱3内向外穿出，套上垫板（18）、锚头（19）；对预应力锚杆（6）的锚杆自由段（30）进行开丝处理，用螺母（24）将其锚定在框格（20）上，填土压实，对预应力锚杆（6）施加预应力；在土质边坡体（4）内部预设位置处布置加速度计A（14）和土压力盒（13）；

（10）继续向模型箱（3）内填土，重复步骤（8）、步骤（9）完成土质边坡体（4）和支护结构的成型；填土过程中，在高度20cm、40cm、60cm、80cm、100cm、120cm、140cm、160cm土体处铺一层2cm厚染色土体；将模型箱（3）内部的加速度计A（14）埋设在距边坡顶面10cm、60cm、110cm、140cm处、挡土板（9）外侧中间一榀立柱的锚头（19）处以及土质边坡体（4）地基表面；模型箱（3）外部加速度计B（15）布置在振动台（1）台面及振动台（1）周围处；

（11）在边坡顶面距离坡顶边缘线50cm、100cm、150cm处设置位移传感器（10），在格构梁（7）及格构柱（8）设定位置布置应变片（12）；格构梁（7）上的应变片（12）布置于各排格构梁（7）的两端；格构柱（8）上的应变片（12）布置于第一、二、三排格构梁（7）与中柱的交接处；

（12）在模型箱内部前侧方钢梁（21）引出位移计钢架（25），并且在振动台外部地面处悬挑设置位移计钢架（25），在位移计钢架（25）上安装位移传感器（10）；

（13）将模型箱（3）内布置测点引出的数据线（27）分组编号，并对各组量测仪器编号，按照测定的数据类型分别对应连接加速度采集仪（32）、土压力采集仪（33）、位移采集仪（34）、应变采集仪（35），进行最后阶段的调试；

（14）将完成好的实验模型静置一段时间；

（15）启动振动台（1）系统并待其热机；

（16）振动台（1）输入地震波形：分别输入El Centro波、兰州波和汶川波，试验中，台面输入加速度峰值按小量级SS分级递增，按相似关系调整加速度峰值和时间间隔；开始进行第一阶段振动，单一阶段振动完成后，中断数分钟，检查模型试体及测量资料，并拍摄土体变形情况，接着进行下一阶段振动；

（17）试验结束后测量试体的坡顶沉陷量，并观测记录试体的破坏模式；

（18）将系统停机，移开位移传感器（10），分阶卸土、移除预应力锚杆（6）和格构梁（7）、格构柱（8）及挡土板（9），以及埋设的测量仪器。