模拟抗浮锚杆-混凝土板组合结构的试验装置及试验方法技术领域：
本发明属于土木工程技术领域，特别是涉及一种模拟抗浮锚杆-混凝土板组合结构的试验
装置及试验方法。
背景技术：
环境友好型的深基坑建设问题是土木工程领域重要的可持续发展课题，因此新型结构体
系、新的设计理论、新的施工工法等得到了政府部门、专家学者的高度重视。一直以来深基
坑的建设遵循着场地平整、支护结构施工、降水施工、基坑土方开挖、地下结构施工的过程，
其降水施工将长时间、大量地抽取地下水，浪费了大量的地下水资源，打破原有的地下水平
衡，引起周边地表、建筑、地下管线的不均匀沉降，出现了较多的严重工程事故。目前我国
多个中东部省份已经对开采地下水资源进行了严格限制，不仅提高了水资源的开采费用，甚
至划定区域禁止开采，这就给土木工程领域的深基坑施工提出了更为严格的环境条件。
抗浮锚杆-混凝土板组合结构是目前一种新型无降水深基坑支护体系的一部分，该结构
位于深基坑底部，与基坑侧壁组成一个闭水体系，能够在不实施降水作业条件下进行基坑土
方的开挖，极大的解决环境友好型的深基坑建设问题。抗浮锚杆-混凝土组合结构作用的机理
是：通过抗浮锚杆的抗拔力和混凝土底板自重共同抵抗地下水形成的浮力和土方卸荷，同时，
其传力过程就是抗浮锚杆与混凝土板协同作业的工作过程。但受到岩土和混凝土材料非均质、
强度非线性及抗浮作用协同工作特征的影响，需要对抗浮锚杆、混凝土板的设计参数进行相
关验证性试验，以保证新型结构体系在深基坑设计、施工、使用中的安全要求。因此，需要
一种模拟抗浮锚杆-混凝土板组合结构的试验装置及试验方法，对抗浮锚杆-混凝土板组合结
构进行验证。
发明内容：
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种模拟抗浮锚杆-混凝土板组合结构的试验装
置及试验方法，用来研究浮力作用下的抗浮锚杆-混凝土组合结构的受力机理，验证抗浮锚杆、
混凝土板的设计参数是否满足实际的施工安全性需求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，
本发明一种模拟抗浮锚杆-混凝土板组合结构的试验装置，包括承重装置，所述承重装置
包括骨架，骨架上端设置有上支撑板，上支撑板可相对骨架上端面向上运动，骨架内部的下
端设置有下支撑板，下支撑板可在骨架内部相对于骨架上下运动，在上、下支撑板之间设置
有传力装置和施力装置；所述传力装置包括支撑盘和方钢，多根方钢一端固接于支撑盘，另
一端抵持于上支撑板的下端面；所述施力装置包括千斤顶和压力传感器，千斤顶放置在下支
撑板上，压力传感器一端安装在千斤顶的顶端，另一端与支撑盘的下端面相抵触；所述承重
装置上还设置有测试装置；所述测试装置包括混凝土板、锚杆钢筋和弹簧，在所述上支撑板
与下支撑板上对应开设有通孔，锚杆钢筋穿过所述通孔插设于上、下支撑板之间，所述锚杆
钢筋下端设置有螺纹，锚杆钢筋与下支撑板上端面接触端设置有第一螺母，将锚杆钢筋固定
于下支撑板上端面，对锚杆钢筋进行限位，锚杆钢筋伸出下支撑板部分设置有第二螺母，在
下支撑板下端面和第二螺母之间的锚杆钢筋上套装有弹簧，通过第二螺母对弹簧的强度进行
控制，锚杆钢筋伸出上支撑板部分浇注有混凝土板，锚杆钢筋与混凝土板浇筑为一体结构。
所述骨架由四根等长支柱焊接组成，支柱上部设置有四根钢梁，上支撑板放置在钢梁上，
所述下支撑板下部设置有垫块，用以支撑下支撑板。
所述上支撑板和下支撑板为钢板。
所述方钢为8根，在支撑盘上周向排列，形成伞状传力结构，方钢相对于支撑盘轴心线
倾斜60°～75°。
所述千斤顶为手动式螺旋千斤顶。
所述通孔与锚杆钢筋之间为间隙配合，通孔的直径大于锚杆钢筋直径2～4mm。
所述弹簧一端固接于下支撑板下端面，另一端固接于第二螺母。
采用上述的模拟抗浮锚杆-混凝土板组合结构的试验装置进行的试验方法，其具体步骤如
下：
步骤1：试验场地的选取及装置的准备
1.1选择具有接地端子的实验室，清理出平整场地；
1.2根据抗浮锚杆-混凝土板组合结构的设计参数，按一定几何比例确定混凝土板厚度、
锚杆间距和锚杆钢筋直径尺寸；
步骤2：在试验装置上安装测试件
2.1将承重装置安放于试验场地中央，锚杆钢筋穿过通孔插设在上支撑板、下支撑板之
间，在锚杆钢筋与下支撑板上端面接触端设置有第一螺母，对锚杆钢筋进行限位，锚杆钢筋
伸出下支撑板部分设置有第二螺母，且在下支撑板下端面和第二螺母之间的锚杆钢筋上套装
有弹簧，通过第二螺母对弹簧进行压缩，调整弹簧的刚度满足试验的要求，在锚杆钢筋与上
下支撑板的接触位置涂抹润滑油；
2.2将上支撑板的上表面、锚杆钢筋伸出上支撑板部分用砂纸打磨、丙酮清洗，等间距
布设多个应变片，将所述应变片胶结固定、封闭防水处理，并将应变片的测试线引出；
2.3在上支撑板上表面四周安放并固定建筑模板、用宽胶带封堵漏浆点，按照试验所需
混凝土板强度要求设计混凝土板组成材料的配合比，并按照混凝土施工工艺要求对锚杆钢筋
伸出上支撑板部分进行混凝土浇筑和养护，使得锚杆钢筋与混凝土板浇筑为一体结构；
2.4混凝土板达到试验要求强度后，将混凝土板上表面用砂纸打磨、丙酮清洗，等间距
布设多个应变片，并用胶结固定、封闭防水处理，将应变片的测试线引出；
步骤3：试验加载准备
3.1拆除混凝土板四周固定的建筑模板；
3.2在上支撑板下表面和下支撑板上表面，分别定出中心，在下支撑板中心处安放千斤顶，
并调整千斤顶中心与上、下支撑板中心重合，然后在千斤顶上安放压力传感器；
3.3将传力装置安装于压力传感器与上支撑板之间，将压力传感器抵持于传力装置的支撑
盘下端面，且将传力装置的方钢的上端部抵持于上支撑板的下端面；
3.4将应变片的连接线、压力传感器的连接线外接于动态数据采集仪，同时，将承重装置
连接接地端子，开启动态数据采集仪，将动态数据采集仪的数据清零；
3.5在混凝土板上表面对角线位置的两端，安放两块位移百分表，将位移百分表调零，记
录初始位移读数；
步骤4：试验过程：
4.1按照锚杆钢筋抗拔力和混凝土板自重设计总加载量，单根锚杆钢筋抗拔力按照公式
(1)计算
Pw＝βπRHτ(1)
式中，Pw为锚杆轴向拉力设计值；R为钢筋直径；H为混凝土板厚度；τ为钢筋与混凝
土界面材料的抗拉强度设计值；β为剪应力沿锚固段的分布系数，取0.85；
混凝土板自重按照公式(2)计算
G＝γCAH(2)
式中，G为混凝土板重力设计值；γc为混凝土板重度；A为混凝土板底面积；H为混凝土
板厚度；
试验的设计的加载总量按照公式(3)计算
P＝G+4Pw(3)
式中，P为设计加载总量；
4.2通过压力传感器的压力数值显示，对加载量进行控制，逐级进行加载，单级加载量为
锚杆钢筋抗拔力的十分之一，且加载总量不超过1.1倍的设计加载总量，记录混凝土板对角
线两端的位移，保存应变采集数据；
4.3荷载稳定时间为15分钟，当出现锚杆钢筋的应变片测试失效，或锚杆钢筋与混凝土
板脱离等情况时，终止加载；
4.4对采集的数据进行整理，得到极限承载力值。
在步骤2.3中，对锚杆钢筋伸出上支撑板部分进行混凝土浇筑和养护，同时预制三组混
凝土板，每组三块混凝土试块，将预制的三组混凝土试块进行强度试验，当混凝土试块强度
满足试验的要求，进行后续试验，否则，需要重新制备混凝土板。
在步骤3中，在承重装置的骨架四周加装钢丝网，钢丝网上开设有一个开口，用于千斤
顶进行加载。
本发明模拟抗浮锚杆-混凝土板组合结构的试验装置及试验方法的有益效果：
1.解决了深基坑设计中抗浮锚杆-混凝土板组合结构的设计参数验证和优化工作，可验证
不同的锚杆平面布置、混凝土板几何参数、材料强度等设计参数，使得锚杆和混凝土板组合
结构的协同工作达到最佳；
2.装置采用手动式螺旋千斤顶加载，通过伞状传力机构均匀向上钢板和混凝土板传力，
反力是通过下钢板对弹簧压缩，继而施加给锚杆钢筋，荷载施加和反力提供具有自平衡体系
特征，无需附加额外的反力平衡装置；
3.在下支撑板以下的锚杆钢筋外侧，加套弹簧，采用螺帽将弹簧、锚杆钢筋、下支撑板
三者固定，模拟了新型组合结构在发挥抗浮作用时协同工作中所存在的锚杆上拔位移和混凝
土板竖向位移；
4.装置采用组装形式，便于制作、运输、组装和试验工作。
附图说明：
图1为模拟抗浮锚杆-混凝土板组合结构的试验装置的结构示意图；
图2为上支撑板的俯视图；
图3为传力装置的俯视图；
1-骨架，2-钢梁，3-上支撑板，4-下支撑板，5-垫块，6-支撑盘，7-方钢，8-千斤顶，9-
压力传感器，10-混凝土板，11-锚杆钢筋，12-弹簧，13-第一螺母，14-第二螺母，15-位移百
分表，16-通孔。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
根据图1～图2所示，一种模拟抗浮锚杆-混凝土板组合结构的试验装置，包括承重装置，
承重装置上设置有传力装置、施力装置和测试装置。
所述承重装置包括骨架1，所述所述骨架1由四根等长支柱焊接组成，支柱上部设置有
四根钢梁2，上支撑板3放置在钢梁2上，上支撑板3可相对骨架1上端面向上运动，骨架1
内部下端设置有下支撑板4，下支撑板4下部设置有垫块5，用以支撑下支撑板4，下支撑板
4可在骨架1内部相对于钢梁2上下运动，在上、下支撑板之间设置有传力装置和施力装置，
在本实施例中，承重装置的长×宽×高＝103×103×91cm，支柱与钢梁2均采用5×5cm方钢7，
上支撑板3和下支撑板4均为10mm厚的3号钢板，上、下支撑板的长×宽＝103×103cm，垫
块5采用钢制铁块，高度为50mm。
所述传力装置包括支撑盘6和方钢7，所述方钢7一端焊接于支撑盘6，另一端抵持于上
支撑板3的下端面，在本实施例中，如图3所示，方钢7为8根，方钢7长度为50cm，方钢
7相对于支撑盘6轴心线倾斜角度为75°，在支撑盘6上周向排列，形成伞状传力结构，方
钢7下端焊接于支撑盘6，上端抵持于上支撑板3的下端面，且单个方钢7接触面面积不小
于50cm2，方钢7上部围设形成较大圆形平面，圆形平面截面尺寸为50cm2，支撑盘6采用
长×宽＝10×10cm的钢板。
所述施力装置包括千斤顶8和压力传感器9，千斤顶8放置在下支撑板4上，压力传感
器9一端安装在千斤顶8的顶端，另一端与支撑盘6的下端面相抵触，向传力装置施加荷载，
在本实施例中，所述千斤顶8为手动螺旋式千斤顶8，型号为QL5，最大起重重量为5吨，
最大行程135mm，所述压力传感器9为电阻应变式压力传感器9，型号为YBY-30，最大量程
为30kN，精度为0.3kN。
所述测试装置包括混凝土板10、锚杆钢筋11和弹簧12，在本实施例中，在所述上支撑
板3与下支撑板4的对角线上开设有直径为12mm的通孔16，且上、下支撑板上通孔16位
置相对应，锚杆钢筋11穿过所述通孔16插设于上、下支撑板之间，所述通孔16与锚杆钢筋
11之间为间隙配合，通孔16的直径大于锚杆钢筋11直径2mm，所述锚杆钢筋11下端设置
有螺纹，或者是在锚杆钢筋11下端焊接有螺杆，锚杆钢筋11与下支撑板4上端面接触端设
置有第一螺母13，将锚杆钢筋11固定于下支撑板4上端面，对锚杆钢筋11进行限位，锚杆
钢筋11伸出下支撑板4部分设置有第二螺母14，在下支撑板4下端面和第二螺母14之间的
锚杆钢筋11上套装有弹簧12，弹簧12一端固接于下支撑板4下端面，另一端固接于第二螺
母14，通过第二螺母14对弹簧12的强度进行控制，锚杆钢筋11伸出上支撑板3部分浇注
有混凝土板10，锚杆钢筋11与混凝土板10浇筑为一体结构，在本实施例中，弹簧12直径
2cm，长度5cm，刚度1750kN/m，锚杆钢筋11采用直径为10mm的钢筋，其端部焊接螺杆
为同直径螺杆。
采用上述的模拟抗浮锚杆-混凝土板组合结构的试验装置进行的试验方法，其具体步骤如
下：
步骤1：试验场地的选取及装置的准备
1.1选择具有接地端子的实验室，清理出40平方米的平整场地；
1.2根据抗浮锚杆-混凝土板组合结构的设计参数，按一定几何比例确定混凝土板厚度、
锚杆间距和锚杆钢筋11直径尺寸。
步骤2：在试验装置上安装测试件
2.1将承重装置安放于试验场地中央，将锚杆钢筋11用砂纸打磨，去除表面油污和氧化
层，保证其与混凝土接触部分的握裹力发挥充分，然后将锚杆钢筋11穿过通孔16插设在上
支撑板3、下支撑板4之间，在锚杆钢筋11与下支撑板4上端面接触端设置有第一螺母13，
对锚杆钢筋11进行限位，锚杆钢筋11伸出下支撑板4部分设置有第二螺母14，且在下支撑
板4下端面和第二螺母14之间的锚杆钢筋11上套装有弹簧12，弹簧12是模拟了浮力作用
下抗浮锚杆和混凝土板发生的协同工作及其在竖向上的位移，通过第二螺母14对弹簧12进
行压缩，调整弹簧12的刚度满足试验的要求，弹簧12的刚度是通过抗浮锚杆发挥极限抗拔
力所需要的位移值和一维胡克定律弹性解计算求出，所选用的弹簧12刚度则需要大于计算刚
度的2～3倍，在锚杆钢筋11与上、下支撑板的接触位置涂抹润滑油；
2.2将上支撑板3的上表面、锚杆钢筋11伸出上支撑板3部分用砂纸打磨、丙酮清洗，
等间距布设多个应变片，将所述应变片胶结固定、封闭防水处理，并将应变片的测试线引出；
2.3在上支撑板3上表面四周安放并固定建筑模板、用宽胶带封堵漏浆点，按照试验所
需混凝土板强度要求设计混凝土板组成材料的配合比，并按照混凝土施工工艺要求对锚杆钢
筋11伸出上支撑板3部分进行混凝土浇筑和养护，使得锚杆钢筋11与混凝土板10浇筑为一
体结构；
对锚杆钢筋11伸出上支撑板3部分进行混凝土浇筑和养护，且锚杆钢筋11伸入混凝土
板10中的长度不小于混凝土板10厚度的一半，同时预制三组混凝土试块，每组三块混凝土
试块，将预制的三组混凝土试块进行强度试验，当混凝土试块强度满足试验的要求，进行后
续试验，否则，需要重新制备混凝土板10；
2.4将混凝土板10上表面用砂纸打磨、丙酮清洗，等间距布设多个应变片，并用胶结固
定、封闭防水处理，将应变片的测试线引出。
步骤3：试验加载准备
3.1拆除混凝土板10四周固定的建筑模板；
3.2在上支撑板3下表面和下支撑板4上表面，分别定出中心，在下支撑板4中心处安放
千斤顶8，并调整千斤顶8中心与上、下支撑板4中心重合，然后在千斤顶8上安放压力传
感器9；
3.3将传力装置安装于压力传感器9与上支撑板3之间，将压力传感器9抵持于传力装置
的支撑盘6下端面，且将传力装置的方钢7的上端部抵持于上支撑板3的下端面，还可以在
方钢7与上支撑板3的下表面之间使用不同厚度的钢垫片，保证方钢7上端与上支撑板3的
下表面紧密接触，保证混凝土板10底面的受力均匀；
3.4将应变片的连接线、压力传感器9的连接线外接于动态数据采集仪，同时，将承重装
置连接接地端子，开启动态数据采集仪，将动态数据采集仪的数据清零；
3.5在混凝土板10上表面对角线位置的两端，安放两块位移百分表15，将位移百分表15
调零，记录初始位移读数，所述位移百分表15采用机械式变分表，测量精度为0.01mm；
在承重装置的骨架1四周加装钢丝网，钢丝网上开设有一个开口，用于手动式螺旋千斤
顶8进行加载。
步骤4：试验过程：
4.1按照锚杆钢筋抗拔力和混凝土板自重设计总加载量，单根锚杆钢筋抗拔力按照公式
(1)计算
Pw＝βπRHτ(1)
式中，Pw为锚杆轴向拉力设计值；R为钢筋直径；H为混凝土板厚度；τ为钢筋与混凝
土界面材料的抗拉强度设计值；β为剪应力沿锚固段的分布系数，取0.85；
混凝土板10自重按照公式(2)计算
G＝γCAH(2)
式中，G为混凝土板10重力设计值；γc为混凝土板重度；A为混凝土板底面积；H为混
凝土板厚度；
试验的设计的加载总量按照公式(3)计算
P＝G+4Pw(3)
式中，P为设计加载总量；
4.2通过压力传感器9的压力数值显示，对加载量进行控制，逐级进行加载，单级加载量
为锚杆钢筋11抗拔力的十分之一，且加载总量不超过1.1倍的设计加载总量，记录混凝土板
对角线两端的位移，保存应变采集数据；
4.3荷载稳定时间为15分钟，当出现锚杆钢筋11的应变片测试失效，或锚杆钢筋11与
混凝土板10脱离等情况时，终止加载；
4.4对采集的数据进行整理，得到极限承载力值。
具体举例来说，在本实施例中，在试验中采用混凝土封底板厚度为20cm，当选用锚杆钢
筋间距为30cm的组合结构进行试验时，混凝土板厚度与锚杆钢筋间距比ξ＝0.67，结果见表1，
A-上为A号锚杆钢筋在混凝土封底板内上部的应变片测点，A-下为A号锚杆钢筋在混凝土封
底板内下部的应变片测点：
表1抗浮锚杆间距为30cm的锚杆钢筋和压力传感器数据采集
![]()
从表1可知，对于混凝土板厚度与锚杆钢筋间距比ξ＝0.67的抗浮锚杆-混凝土封底的组合
结构，从数据可以看到，锚杆钢筋在16级荷载之前表现为应力增长，17级荷载之后出现增
长和减小的波动现象，说明结构体的极限荷载为5.418kN，其后结构体进入破坏阶段；且在
表中可以看到，锚杆钢筋的受力是在第15级荷载达到极限承载力，略小于压力传感器数据表
示的极限荷载，表明在传力过程中，结构体达到极限荷载前，抗浮锚杆和混凝土板表现出较
好的协同工作，满足实际作业的需求。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照
上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发
明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同
替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。