专利名称：锚固系统工作机制二维试验方法
技术领域：
本发明涉及一种锚固系统工作机制二维试验方法，属岩土工程技术领域，该方法可用于岩土工程中全长粘结型锚杆及相应锚固系统力学行为和工作机制的试验研究中。
背景技术：
锚杆是岩土工程中应用最广泛的支护加固方式，而全长粘结型锚杆则是应用最多的锚杆类型。被加固的岩土体称为锚固体，锚杆和锚固体之间通过锚固剂或粘结剂胶结在一起。虽然这种类型锚杆应用非常广泛，但相应锚固系统工作机制的揭示一直是该领域的一个研究难题。锚杆拉拔试验是该问题研究中的主要试验方法，至今仍被广泛采用。传统的试验方法通常将整个试样置于一个密闭的试样室中，锚杆通过锚固剂安装在锚固体钻孔中，仅锚杆试验夹持部分外露。此时，锚杆安装于钻孔中，处于密闭状态，无法直接观察到拉拔过程中锚固剂、锚固体变形破裂的发育发展过程以及锚杆的变形过程，且由于钻孔中锚 杆与锚固剂交界面、锚固剂与锚固体交界面为圆弧面，且非常小，精确监测非常困难，因此，这两个交界面力学行为的认识和数学力学描述一直难以深入系统研究。
发明内容
针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种锚固系统工作机制二维试验方法，所述二维试验方法按以下步骤进行a制作尺寸相等的两块板形试块，按设定的板形锚杆厚度和锚固剂形成粘结层厚度，确定两块板形试块之间的间距，在两块板形试样内表面上对应粘帖应变片，按锚固长度LI固定好板形锚杆在两块板形试块之间的位置，在板形锚杆和板形试块之间的空隙内充填锚固剂，板形锚杆两侧的锚固剂形成粘结层厚度相等，均为4 8mm，制作成由板形试块、板形锚杆和锚固剂粘结而成的板形叠合体试样；b将板形叠合体试样放置于试验机的试样室内，设定水平和垂直荷载级别,先对试样室加载板施加垂直方向荷载，并读取荷载和位移数据，再施加水平方向荷载，并读取荷载和位移数据；c将处于水平荷载和垂直荷载状态下板形叠合体试样的锚杆外伸端连接到拉拔加载机，施加拉拔荷载，并对拉拔过程全程摄像，记录有关数据。所述板形试块的厚度、高度和长度比例为I : 4 10，板形试块可为岩石或人工材料。所述的板形锚杆为长方体，板形锚杆的宽度与板形试块厚度相同，板形锚杆的宽度与厚度之比为2. 5 1，板形锚杆为金属材料中的一种。所述锚固剂的类型为水泥或树脂中的一种。由于采用了以上技术方案，本发明锚固系统工作机制二维试验方法改变了传统锚固系统工作机制的试验方法，试验方法采用板形锚杆和板形试块，通过板形锚杆和板形试块形状及结构形式的改变，使得传统的锚杆与粘结层、粘结层与锚固体之间的圆弧形接触面变为平面，将传统的采用圆柱形锚杆和正方形锚固体的三维试验方法转变为采用板形锚杆和板形锚固体的二维试验方法，使得应变片等监测设备的安装更加容易，并通过两块板形试块之间的间隙全过程直接实时记录和拍摄试验过程中锚杆、锚固剂和试块的响应，克服了传统密闭试验方法无法直接观察试验过程的缺陷。
图I是本发明的试验布置方案示意2是本发明试验方法中板形试块形状的示意3是本发明试验方法中板形锚杆形状的示意图
图4是实施例I监测得到的板形锚杆拉拔力与位移的关系曲线图5是实施例I监测得到的板形锚杆轴力沿杆长的分布曲线图6是实施例I监测得到的板形锚杆与锚固剂交界面剪应力分布曲线图7是实施例2监测得到的板形锚杆拉拔力与位移的关系曲线图8是实施例2监测得到的板形锚杆轴力沿杆长的分布曲线图9是实施例2监测得到的板形锚杆与锚固剂交界面剪应力分布曲线图10是实施例2监测得到的板形锚杆拉拔力与位移的关系曲线图11是实施例2监测得到的板形锚杆轴力沿杆长的分布曲线图12是实施例2监测得到的板形锚杆与锚固剂交界面剪应力分布曲线
具体实施例方式实施例I本实施例对本发明锚固系统工作机制二维试验方法作进一步详细地描述。(一 )试验材料的选择试验材料包括用于制作板形试块I、锚固剂3和板形锚杆2的材料，材料的选择主要取决于试验目的和所制定的试验方案，在本实施例中，板形试块I的材料为混凝土，锚固剂3的材料为水泥，板形锚杆2的材料为铜；( 二)板形叠合体试样制作a在模具内制作厚5cm、高20cm、长50cm的混凝土板形试块I ;b加工宽5cm、厚20mm的铜质板形锚杆2，锚固长度LI为32cm，外伸长度L2为50cm，锚杆长度为锚固长度LI和外伸长度L2之和，为82cm ；c在板形叠合体试样制作模具内放置两个板形试块I、板形锚杆2，保证板形锚杆2与两个板形试块I之间的间隙大小相等，分别固定两个板形试块I、板形锚杆2，在两个板形试块I内表面上对应粘贴应变片；d在板形试块I和板形锚杆2之间的间隙内充填锚固剂3，在板形锚杆2单侧的厚度为4mm,锚固剂3总厚度为8mm,板形锚杆厚度为20mm,因此,两个板形试块I之间的间隙为 28mm ；e完成板形叠合体试样制作。(三)施加初始荷载a将制作好的板形叠合体试样放置在试验机的试样室内，在试样与加载板5、6以及固定板4、10接触的位置涂抹凡士林，起到润滑作用，降低试样加载变形后与加载板5、6和固定板4、10之间的摩擦作用,避免影响试样的应力分布；b试样安装好后，首先施加IkN的垂直荷载，使得加载板6、固定板4与试样紧密接触，然后在左侧施加IkN的水平荷载，使得加载板5、固定板10和试样紧密接触，保证加载过程中试样的稳定和施加荷载在试样表面分布均勻；c进行监测设备校订和初始化；d按5kN/分钟的速率施加20kN的垂直荷载6和20kN的水平荷载7至设定荷载；(四)锚杆拉拔试验 按5kN/分钟的速率施加拉拔荷载8，并对板形锚杆2的锚固段LI全程摄像，实时监测并记录数据，在板形锚杆2被拉断或板形锚杆2与板形试块I之间锚固剂3破坏失效
后停止试验。(五)试验数据分析图4 6为本实施例试验数据分析所得的曲线，图4是板形锚杆拉拔加载过程中拉拔力与位移的关系曲线，可见，随着拉拔力的逐渐增大，锚杆端部位移也近似线性增长，但增长到一定数值后锚固体发生拉拔破坏，拉拔力迅速下降；图5给出了板形锚杆锚固段轴向应力沿杆长的分布曲线，可见，在拉拔荷载作用下，锚杆最大轴力发生在锚固段的外端头，由此向内锚杆轴力迅速降低，可据此分析锚杆破坏的位置；图6给出了板形锚杆与锚固剂交界面上剪应力沿杆长的分布曲线，可见，界面剪应力与锚杆轴力分布规律不同，在锚固段外端头最小，向内迅速增大至峰值，之后迅速降低，可据此分析界面破裂发育的位置和扩展情况。结合试验曲线和试样破坏过程分析可深入了解锚固系统的工作机制。实施例2(一 )试验材料的选择试验材料包括用于制作板形试块I、锚固剂3和板形锚杆2的材料，材料的选择主要取决于试验目的和所制定的试验方案，在本实施例中，板形试块I的材料为大理岩，锚固剂3的材料为水泥，板形锚杆2的材料为钢材；( 二)板形叠合体试样制作a切割打磨制作厚5cm、高20cm、长50cm的大理岩板形试块I ;b加工宽5cm、厚20mm的钢质板形锚杆2，锚固长度LI为32cm，外伸长度L2为50cm，锚杆长度为锚固长度LI和外伸长度L2之和，为82cm ；c在板形叠合体试样制作模具内放置两个板形试块I、板形锚杆2，保证板形锚杆2与两个板形试块I之间的间隙大小相等，分别固定两个板形试块I、板形锚杆2，在两个板形试块I内表面上对应粘贴应变片；d在板形试块I和板形锚杆2之间的间隙内充填锚固剂3，在板形锚杆2单侧的厚度为8mm,锚固剂3总厚度为16mm,板形锚杆厚度为20mm,因此,两个板形试块I之间的间隙为 36mm ；e完成板形叠合体试样制作。(三)施加初始荷载a将制作好的板形叠合体试样放置在试验机的试样室内，在试样与加载板5、6以及固定板4、10接触的位置涂抹凡士林，起到润滑作用，降低试样加载变形后与加载板5、6和固定板4、10之间的摩擦作用,避免影响试样的应力分布；b试样安装好后，首先施加IkN的垂直荷载，使得加载板6、固定板4与试样紧密接触，然后在左侧施加IkN的水平荷载，使得加载板5、固定板10和试样紧密接触，保证加载过程中试样的稳定和施加荷载在试样表面分布均勻；c进行监测设备校订和初始化；d按5kN/分钟的速率施加20kN的垂直荷载6和20kN的水平荷载7至设定荷载；(四)锚杆拉拔试验按5kN/分钟的速率施加拉拔荷载8，并对板形锚杆2的锚固段LI全程摄像，实时监测并记录数据，在板形锚杆2被拉断或板形锚杆2与板形试块I之间锚固剂3破坏失效
后停止试验。 (五)试验数据分析图7 9为本实施例试验数据分析所得的曲线，图7是板形锚杆拉拔加载过程中拉拔力与位移的关系曲线，可见，随着拉拔力的逐渐增大，锚杆端部位移也近似线性增长，但增长到一定数值后锚固体发生拉拔破坏，拉拔力迅速下降；图8给出了板形锚杆锚固段轴向应力沿杆长的分布曲线，可见，在拉拔荷载作用下，锚杆最大轴力发生在锚固段的外端头，由此向内锚杆轴力迅速降低，可据此分析锚杆破坏的位置；图9给出了板形锚杆与锚固剂交界面上剪应力沿杆长的分布曲线，可见，界面剪应力与锚杆轴力分布规律不同，在锚固段外端头最小，向内迅速增大至峰值，之后迅速降低，可据此分析界面破裂发育的位置和扩展情况。结合试验曲线和试样破坏过程分析可深入了解锚固系统的工作机制。实施例3(一)试验材料的选择试验材料包括用于制作板形试块I、锚固剂3和板形锚杆2的材料，材料的选择主要取决于试验目的和所制定的试验方案，在本实施例中，板形试块I的材料为石膏，锚固剂3的材料为树脂,板形锚杆2的材料为铝材；( 二)板形叠合体试样制作a切割打磨制作厚5cm、高20cm、长50cm的石膏板形试块I ;b加工宽5cm、厚20mm的铝质板形锚杆2，锚固长度LI为32cm，外伸长度L2为50cm，锚杆长度为锚固长度LI和外伸长度L2之和，为82cm ；c在板形叠合体试样制作模具内放置两个板形试块I、板形锚杆2，保证板形锚杆2与两个板形试块I之间的间隙大小相等，分别固定两个板形试块I、板形锚杆2，在两个板形试块I内表面上对应粘贴应变片；d在板形试块I和板形锚杆2之间的间隙内充填锚固剂3，在板形锚杆2单侧的厚度为6mm,锚固剂3总厚度为12mm,板形锚杆厚度为20mm,因此,两个板形试块I之间的间隙为 32mm ；e完成板形叠合体试样制作。(三)施加初始荷载a将制作好的板形叠合体试样放置在试验机的试样室内，在试样与加载板5、6以及固定板4、10接触的位置涂抹凡士林，起到润滑作用，降低试样加载变形后与加载板5、6和固定板4、10之间的摩擦作用,避免影响试样的应力分布；
b试样安装好后，首先施加IkN的垂直荷载，使得加载板6、固定板4与试样紧密接触，然后在左侧施加IkN的水平荷载，使得加载板5、固定板10和试样紧密接触，保证加载过程中试样的稳定和施加荷载在试样表面分布均勻；c进行监测设备校订和初始化；d按2kN/分钟的速率施加IOkN的垂直荷载6和IOkN的水平荷载7至设定荷载；(四)锚杆拉拔试验按2kN/分钟的速率施加拉拔荷载8，并对板形锚杆2的锚固段LI全程摄像，实时监测并记录数据，在板形锚杆2被拉断或板形锚杆2与板形试块I之间锚固剂3破坏失效
后停止试验。
(五)试验数据分析图7 9为本实施例试验数据分析所得的曲线，图7是板形锚杆拉拔加载过程中拉拔力与位移的关系曲线，可见，随着拉拔力的逐渐增大，锚杆端部位移也近似线性增长，但增长到一定数值后锚固体发生拉拔破坏，拉拔力迅速下降；图8给出了板形锚杆锚固段轴向应力沿杆长的分布曲线，可见，在拉拔荷载作用下，锚杆最大轴力发生在锚固段的外端头，由此向内锚杆轴力迅速降低，可据此分析锚杆破坏的位置；图9给出了板形锚杆与锚固剂交界面上剪应力沿杆长的分布曲线，可见，界面剪应力与锚杆轴力分布规律不同，在锚固段外端头最小，向内迅速增大至峰值，之后迅速降低，可据此分析界面破裂发育的位置和扩展情况。结合试验曲线和试样破坏过程分析可深入了解锚固系统的工作机制。
权利要求
1.锚固系统工作机制二维试验方法，其特征在于所述锚固系统工作机制二维试验方法按以下步骤进行 a制作尺寸相等的两块板形试块(I)，按设定的板形锚杆(2)厚度和锚固剂(3)形成粘结层厚度，确定两块板形试块(I)之间的间距，在两块板形试样(I)内表面上对应粘帖应变片，按锚固长度LI固定好板形锚杆(2)在两块板形试块(I)之间的位置，在板形锚杆(2)和板形试块(I)之间的空隙内充填锚固剂(3)，板形锚杆(2)两侧的锚固剂(3)形成粘结层厚度相等，均为4 8mm，制作成由板形试块(I)、板形锚杆(2)和锚固剂(3)粘结而成的板形叠合体试样； b将板形叠合体试样放置于试验机的试样室内，设定水平和垂直荷载级别，先对试样室加载板施加垂直方向荷载(7)，并读取荷载和位移数据，再施加水平方向荷载(8)，并读取荷载和位移数据； c将处于水平荷载和垂直荷载状态下板形叠合体试样的锚杆外伸端连接到拉拔加载机，施加拉拔荷载(9)，并对拉拔过程全程摄像，记录有关数据。
2.根据权利要求I所述的锚固系统工作机制二维试验方法，其特征在于所述板形试块(I)的厚度、高度和长度比例为1:4: 10，板形试块(I)可为岩石或人工材料。
3.根据权利要求I所述的锚固系统工作机制二维试验方法，其特征在于所述的板形锚杆(2)为长方体，板形锚杆(2)的宽度与板形试块(I)厚度相同，板形锚杆(2)的宽度与厚度之比为2. 5 1，板形锚杆(2)为金属材料中的一种。
4.根据权利要求I所述的锚固系统工作机制二维试验方法，其特征在于所述锚固剂(3)的类型为水泥或树脂中的一种。
全文摘要
本发明涉及一种锚固系统工作机制二维试验方法，属岩土工程技术领域。本发明采用板形锚杆(2)，将板形试块(1)和板形锚杆(2)通过锚固剂(3)粘结在一起，制作成板形叠合体试样，对板形叠合体试样施加一定初始荷载后进行锚杆拉拔试验，在此过程中实时记录观察锚固剂(3)和板形试块(1)的变形破裂情况、板形锚杆(2)的变形和轴力分布，实现了锚固系统工作过程的直接观察和实时跟踪。本发明对于研究锚固系统工作机制具有重要的意义。
文档编号E02D33/00GK102776900SQ20121019242
公开日2012年11月14日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者卢景景, 周辉, 张传庆, 徐荣超, 杨凡杰 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所