[发明专利]一种地震荷载下重力式锚碇稳定性研究的模型试验系统及方法

权利要求书

1.一种模拟地震荷载作用下重力式锚碇稳定性研究的模型试验系统的试验方法，其特征在于：所述的模型试验系统包括：锚碇系统、荷载系统以及量测系统；

其中，所述锚碇系统由试验箱（6）、相似岩土层（5）、锚碇体（4）构成，分别用于模拟实际桥梁重力式锚碇结构、主缆绳以及其周围岩土层；

所述荷载系统包括静力荷载系统和动力荷载系统，静力荷载系统由砝码（11）、门式加载架（10）、滑轮（9）、钢绞线（8）构成，砝码（11）用于提供锚碇体（4）的自重应力以及主缆绳的拉应力，门式加载架（10）通过滑轮转向支点将锚拉力作用在锚碇体上，相当于拉索桥的塔墩，两根钢绞线（8）相当于设置于拉索桥两侧的锚索；动力荷载系统由振动台（1）、木板、海绵（2）构成，振动台（1）用于模拟提供不同等级的地震荷载，木板用以承载振动台（1）和试验箱（6），海绵（2）粘贴于试验箱内侧用以吸收边界反射的地震波；

所述量测系统包括精密测力计（7）、角度测量器、微型压力盒（13）、激光测距仪、声波测振仪，精密测力计（7）串联在钢绞线（8）上用于直接测量主缆绳的拉应力，角度测量器用于测量钢绞线斜拉角度，微型压力盒（13）预先埋置在锚碇体（4）的相似岩土层中于测定加载过程中岩土压力的变化，激光测距仪瞄准锚碇体边界用以测量锚碇体的位移和周边相似岩土层的位移，振动传感器（3）安装在锚碇体表面用以测量激震波的传播速度并与声波测振仪相连；

其中，门式加载架（10）安装在基座（12）上，钢绞线（8）绕过滑轮（9）后与砝码（11）连接；锚碇体（4）根据相似比参考锚锭原型在岩土层中的空间位置，确定其在相似岩土层中的空间位置进行开挖浇筑；

所述的试验方法，包括以下操作步骤：

1）制作模型试验系统、布置监测系统：合理概括重力式锚碇结构与周围岩土层的相对空间关系，并考虑模型试验相似理论及其模型试验的实际可操作性，得出基本物理量的相似比尺，选取典型研究模型，并制作与锚碇区域地质条件相似的小比例尺锚碇区域试验模型，考虑现有试验条件的局限以及试验研究的目的，将模型试验系统简化为三维立体模型，并最终以相似材料模拟周围岩土层，以钢筋混凝土浇筑试块的形式模拟锚碇结构、以加载砝码模拟锚碇体重力和主缆绳拉力进行研究；

2）加载模型试验系统、调试监测系统：加载过程分为两个部分：①试验试块初始应力状态加载，通过分析锚碇原型、桥梁主缆绳原型，对模型试验系统初始荷载进行简化分析，然后根据模型试验相似理论对锚碇体的初始应力状态进行计算，并通过静力荷载系统调整砝码的个数及钢绞线斜拉的角度以施加初始重力和拉应力；②试验试块不同地震模拟荷载加载：在初始应力状态平衡后，通过振动台运行时与模型试验系统的相对位置变化，间接的对模型试验系统施加不同地震模拟荷载，来研究地震荷载下重力式锚碇结构的动力响应以及稳定性；

所述步骤2）中荷载施加的具体操作流程为：

a、放置试验箱，将上述试验箱放置在振动台的木板上，保持静力荷载系统放在振动台外并且保持能够水平移动；

b、施加静力荷载，将钢绞线与锚碇体连接，并在其中分别串联两个精密测力计，用以测定钢绞线在克服了摩阻力后实际施加在锚碇体上的拉力，计算锚碇体在运营阶段承受的最大锚碇拉力设计值P₀，根据相似理论通过上述门式加载架等效施加相应的砝码重力，施加时按照1倍、1.5倍、2倍、2.5倍P₀逐级施加，根据实际锚碇原型，调节门式加载架的放置位置，以改变钢绞线的斜拉角度到指定角度；

c、施加动力荷载，保持上述静力荷载系统不动，待精密测力计示数稳定后，根据锚碇原型场地地震烈度，调节振动台参数，逐级施加相应的等效地震荷载，其中加载时间控制为每级施加5s；

3）模型试验测试与数据记录：通过控制砝码个数以及振动台振动的等级大小进行加载测试，获取锚碇体在不同主缆绳拉力作用下、不同地震荷载作用下的稳定性变化规律，包括主缆绳拉力的变化、锚碇体位移、相似岩土层的应力变化和变形特征；

所述步骤3）中进行模型试验测试时，共进行4组不同静力荷载下的动力荷载试验，每组静力荷载下施加不同的四级地震动力荷载；具体实施流程如下：

a、调节所述模型试验系统，测试之前，首先控制静力荷载大小为P₀与斜拉角度不变，保持精密测力计示数的稳定，调节静力荷载系统达到静力平衡；

打开测试仪器，调节测试仪器初始状态，准备测试记录；

b、加载测试，采用控制单一变量的方式，首先控制静力斜拉荷载为一级P₀，打开振动台逐级施加地震荷载，共4级，加载过程到结束后进行数据采集读取相应测试仪器的示数；

c、重复试验，恢复上述锚碇体于试验箱初始标记位置，回填夯实，改变静力荷载的大小，1.5倍、2倍、2.5倍P₀，分别逐级施加地震荷载，并按照上述流程进行测试与数据采集步骤。

2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述步骤1）中模型试验系统的制作具体包括以下几个工序：

a、确定相似比，

根据第一、第二相似理论和动力相似准则进行参数设计，确定实际工程中原型几何尺寸和装置几何尺寸的几何相似比为L，根据几何相似比，锚碇体的截面尺寸和埋深按原型尺寸的1/L进行设计；重力加速度相似比Cg=1，密度相似比Cρ=1，容重相似比Cγ=1，相似岩土层与锚碇体参数的相似设计，以几何相似比和容重相似比为基础相似比，实现泊松比、摩擦角的全相似，弹性模量按照原型岩体弹性模量的1L进行设计；同时根据量纲关系保证锚碇体、相似岩土层、钢绞线动力和静力响应相似，具体设计原则如下：

确定相似岩土层和锚碇体相似比如下：

几何相似比：C_L=L；

弹性模量相似比：C_E=1；

容重相似比：C_γ=1；

泊松比、摩擦角相似比：C_μ=C_ϕ=1；

确定静力和动力响应相似比：

根据量纲关系：压力 =重度 ×长度, 集中力=重度×长度³

则压力相似比C_ξ=C_γ×C_L；

集中力相似比ψ=C_γ×C_L³

应力相似比C_σ=L；

速度相似比C_v=C_L/C_t；

时间相似比C_t=C_s0.5/C_a0.5；

位移相似比C_s=C_L；

加速度相似比C_a=1；

b、制作试验箱，由于锚碇体所处的地层为半无限体，为了尽可能减少模型试验边界效应对模型真实性的影响，试验箱设计应该使得锚碇模型边缘至试验箱内侧之间的距离远大于模型半宽，锚碇前侧土层宽度为模型半宽的3.5倍，在试验箱内侧采用砂浆抹面打光处理，并在试验箱内侧粘贴5cm左右厚度的海绵；

根据所设定的几何相似比，以实际锚碇原型为参考，确定锚碇体的尺寸、位置及埋深、相似岩土层的范围，确定试验箱的尺寸，并按照要求制作模型试验箱，标注锚碇中心所在位置；

c、制作岩土材料，根据锚碇原型，按照加权平均算法计算出实际土层的主要物理力学参数的平均值，按照确定的相似比例值求得模型试验中的岩土层相似材料的物理参数，分别以配方量混合各组分得到岩土相似材料，分层放入制备好的试验箱中进行锤击夯实，当岩土材料放置到锚碇体埋置深度时，在确定的锚碇体中心正下方的相似岩土层中埋置微型压力盒；

d、制作锚碇体，根据锚碇原型相似所确定的锚碇体的几何尺寸、埋置深度以及空间位置，在上述试验箱的岩土材料中用铲子开挖稍大于锚碇体尺寸边缘5cm左右的基坑，并放入木板做的锚碇体模具；

根据锚碇原型，按照确定的相似比例值求得的锚碇体中的钢筋相似材料，将钢筋相似材料进行绑扎，并将其与两根一端带有弯钩的钢筋焊接放入锚碇体模具中，并确保两弯钩的位置位于锚碇体上表面的中心线位置；

根据已确定的材料相似比值，将以配方量混合各组分的得到的混凝土材料倒入锚碇体模具中进行浇筑并养护，浇筑时将上述弯钩露出，以作为静力加载的连接点；

e、土方回填，在钢筋混凝土锚碇体养护一定龄期达到强度要求后，根据监测需求，在锚碇体的受拉一侧、上表面分别粘贴垂直、水平应变片，并将所述压力盒布置在锚碇体四周的相似岩土层中，留出连接线与记录测试仪器的接头；

监测系统布置完毕以后，将土方进行小心回填夯实，回填夯实过程中需要确保监测仪器的完整有效；

回填稳定后，在锚碇体上表面安装振动传感器，将多个激光测距仪分别瞄准锚碇体上表面前、后、左、右边缘。