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技术方案

本发明专利技术公开了一种模拟地震荷载下重力式锚碇稳定性研究的试验系统及方法，该系统包括锚碇系统、荷载系统、量测系统。锚碇系统由试验箱、相似岩土层、锚碇体、钢绞线构成，荷载系统包括静力荷载系统和动力荷载系统，量测系统包括，精密测力计、角度侧量器、微型压力盒、激光测距仪、声波测振仪。本试验系统具体操作包括以下步骤：制作试验模型、布置监测系统，加载试验模型、调试监测系统，模型试验测试与数据记录。本发明专利技术实现在动荷载的加载过程中对锚碇体以及其周边岩土体的内力、位移以及振动速度等动力响应数据的动态量测，为进一步揭示地震荷载作用下重力式锚碇稳定性评价提供了试验依据和研究方法。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及桥梁技术以及地质灾害控制领域，具体涉及一种研究地震荷载下重力式锚碇稳定性的模型试验方法及系统。
技术介绍
锚碇结构作为拉索类桥梁受力系统中的一部分，其本身以及周围岩土体的稳定性在桥梁建设和运营过程中具有重要意义。地震作为工程建设中常见的地质灾害，其产生的动力效应会对桥梁锚锭结构及其周边岩土体产生不良影响，从而影响拉索桥梁整体的稳定性。其中，重力式锚碇结构作为拉索桥梁锚碇中的常见形式，其主要作用是将桥梁塔墩传递过来的主缆拉力传递到相邻岩土层中去，利用其本身的自重产生基底摩擦阻力，以及前侧岩土层所提供的被动压力，从而克服竖向拉力和水平拉力使整个桥梁体系的达到静力平衡，因此决定锚碇结构安全与稳定性的关键因素是相邻岩土层能否提供足够的抗力以限制结构位移。当地震波在锚固的岩土体和浇筑的锚碇结构中传播时，其振动作用会使介质产生动力响应，使锚固周围的岩土体发生不同程度的破裂变形和应力变化，使桥梁锚碇结构发生位移变形和失稳，影响基底摩擦阻力和被动压力，从而破坏桥梁体系的静力平衡，对桥梁主体的安全性产生威胁。目前关于重力式锚碇稳定性的相关静力学研究研究较多，相比动力荷载作用下重力式锚碇稳定性研究的进展缓慢，仍处于探索阶段。因此，地震荷载作用下重力式锚碇的稳定性研究，是国内外工程地质学界普遍关心而又未解决的前沿和难点课题。地震荷载作用下锚碇的稳定性研究大多采用数值模拟进行分析，数值模拟技术虽然可以更直观地获得锚碇和周围岩土体的振动响应特征，但其计算结果的正确性、可靠性难以保证。因此找到模拟地震荷载下重力式锚碇稳定性的模型试验方法及系统不仅能为数值模拟的研究成果提供科学的参考及验证，所获得的数据又可用于指导实际施工中振动危害的控制，实现研究结果的定性与定量相结合的分析，因而具有重要的理论和实践意义。
技术实现思路
本专利技术提供一种模拟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，其试验过程便于操作，既可实现控制单一变量原则，解决模拟地震振动波动力荷载加载操作性难的问题，又能够客观直接的反映出地震荷载作用下重力式锚碇及其周围岩土体的稳定性变化规律，为锚碇式桥梁运营阶段的安全稳定性评价提供依据。为实现上述目的，本专利技术提供了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，该系统包括：锚碇系统、荷载系统、量测系统。所述锚碇系统由试验箱、相似岩土层、锚碇体、钢绞线构成，分别用以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、门式加载架、滑轮、钢绞线构成，砝码用以提供锚碇体的自重应力以及主缆绳的拉应力，门式加载架通过滑轮转向支点将锚拉力作用在锚碇结构上，相当于拉索桥的塔墩,两根钢绞线相当于设置于大桥两侧的锚索。动力荷载系统由振动台、木板、海绵构成，振动台用以模拟提供不同等级的地震荷载，木板用以承振动台和试验箱，海绵用以吸收边界反射地震波。所述量测系统包括，精密测力计、角度侧量器、微型压力盒、激光测距仪、声波测振仪，精密测力计串联在钢绞线上用以直接测量主缆绳的拉应力，角度测量器用以测量缆绳斜拉角度，压力盒预先埋置在锚碇体的岩土层中以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岩土体的位移，声波测振仪安装在锚碇体和周围土体表面用以测量激震波的传播速度。实际现场监测地震波为地表振动以及锚碇体的振动速度，因此实验中，将振动传感器粘贴于锚碇体上表面。其中，门式加载架安装在基座上，钢绞线绕过滑轮后与砝码连接。锚碇体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。本模型中的锚碇体采用开挖基坑按照尺寸模具浇筑的方式进行模拟。其与相似岩土层的关系与实际锚锭原型相似。一种模拟地震荷载下重力式锚碇稳定性研究的模型试验方法，包括以下操作步骤：1）制作试验模型、布置监测系统：合理概括重力式锚碇结构与周围岩土体的相对空间关系，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，将试验模型简化三立体维模型，并最终以相似材料模拟周围岩体，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重力和主缆拉力进行研究。2）加载试验模型、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、桥梁主缆原型等，对试验模型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，并通过门式静力加载装置调整砝码的个数及揽绳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加载系统的相对位置变化，间接的对试验模型施加不同地震模拟荷载，来研究地震荷载下重力式锚碇的动力响应以及稳定性；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，包括主缆拉力的变化、锚碇结构位移、岩土层的应力变化和变形特征。按上述试验方案，所述步骤1）中试验模型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，锚碇结构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，岩土体与锚碇结构参数的相似设计，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结构、岩土体、缆绳动力和静力响应相似，具体设计原则如下：确定岩土体和锚碇结构相似比如下：几何相似比：CL=L；弹性模量相似比：CE=1；容重相似比：Cγ=1；泊松比、摩擦角相似比：Cμ=Cϕ=1；确定静力和动力响应相似比根据：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Cξ=Cγ×CL；集中力相似比ψ=Cγ×CL3应力相似比Cσ=L；速度相似比Cv=CL/Ct；时间相似比Ct=Cs0.5/Ca0.5；位移相似比Cs=CL；加速度相似比Ca=1；b.制作试验箱，由于锚碇结构所处的地层为半无限体，为了尽可能减少模型实验边界效应对模拟真实性的影响，试验箱设计因该满足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，并在试验箱内测粘贴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、模拟土层的范围，确定试验箱的尺寸，并按照上述要本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：该系统包括：锚碇系统、荷载系统以及量测系统；/n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；/n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结构上，相当于拉索桥的塔墩，两根钢绞线（8）相当于设置于大桥两侧的锚索；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地震波；/n所述量测系统包括，精密测力计（7）、角度侧量器、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缆绳斜拉角度，微型压力盒（13）预先埋置在锚碇体（4）的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岩土体的位移，声波测振仪振动传感器（3）安装在锚碇体表面用以测量激震波的传播速度并与测振仪相连；/n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。/n...

【技术特征摘要】
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，其特征在于：该系统包括：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结构上，相当于拉索桥的塔墩，两根钢绞线（8）相当于设置于大桥两侧的锚索；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地震波；
所述量测系统包括，精密测力计（7）、角度侧量器、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缆绳斜拉角度，微型压力盒（13）预先埋置在锚碇体（4）的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岩土体的位移，声波测振仪振动传感器（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。


2.一种模拟地震荷载下重力式锚碇稳定性研究的模型试验方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
1）制作试验模型、布置监测系统：合理概括重力式锚碇结构与周围岩土体的相对空间关系，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，将试验模型简化三立体维模型，并最终以相似材料模拟周围岩体，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重力和主缆拉力进行研究；
2）加载试验模型、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、桥梁主缆原型等，对试验模型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，并通过门式静力加载装置调整砝码的个数及揽绳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加载系统的相对位置变化，间接的对试验模型施加不同地震模拟荷载，来研究地震荷载下重力式锚碇的动力响应以及稳定性；
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，包括主缆拉力的变化、锚碇结构位移、岩土层的应力变化和变形特征。


3.根据权利要求2所述一种模拟地震荷载下重力式锚碇稳定性研究的模型试验方法，其特征在于：所述步骤1）中试验模型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，锚碇结构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，岩土体与锚碇结构参数的相似设计，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结构、岩土体、缆绳动力和静力响应相似，具体设计原则如下：
确定岩土体和锚碇结构相似比如下：
几何相似比：CL=L；
弹性模量相似比：CE=1；
容重相似比：Cγ=1；
泊松比、摩擦角相似比：Cμ=Cϕ=1；
确定静力和动力响应相似比根据：
根据量纲关系：压力=重度×长度,集中力=重度×长度3

【专利技术属性】
技术研发人员：肖安斌，陈伟，蒋楠，包浩文，
申请(专利权)人：四川路桥华东建设有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51