一种锚杆协同作用下锚固体内产生协同效应的探测方法与流程

本发明涉及一种协同作用所产生协同效应的探测方法，特别是一种锚杆协同作用下锚固体内产生协同效应的探测方法。

背景技术：

巷道围岩锚固是一种由锚杆(索)、围岩、粘结材料及组合构件等共同作用的群体行为表现，该行为具有明显的自组织特征，符合非线性系统的一般演化规律，而协同学是描述这种行为特征和演化规律的科学理论、先进方法和有效工具。

目前，有联合支护、复合支护等传统支护方式，联合支护、复合支护等传统支护方式中也客观地存在着“协同作用”，但是并没有系统的获得有效改善巷道围岩锚固结构的应力状态，减少巷道围岩的应力集中和较大变形，显著提高巷道围岩锚固结构的承载能力、抗变形能力和整体稳定性的协同效应的探测方法。因此，研究和揭示锚固岩体内所产生的协同效应，对巷道围岩稳定性的控制是十分重要而必要的。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种锚杆协同作用下锚固体内产生协同效应的探测方法，解决目前的联合支护、复合支护不能揭示锚固岩体内所产生的协同效应的问题。

本发明的目的是这样实现的：该探测方法：首先选定模型试件材料，制作模型试件，预埋模型试件，通过模型试件，在预紧力锚杆作用下确定锚固体协同效应探测；采集和记录各模型试件的应变值，探测出锚固体协同效应的形状、范围及演化规律；确定探测数据，对各测点数据的处理、计算和分析，获得预紧力与协同效应的相互关系；通过协同效应计算，建立协同效应与巷道围岩稳定性控制之间的对应关系，获得和评价锚固体协同效应，随着锚杆预紧力的增加，协同效应范围相应增加，且在锚杆轴向上的分布范围更广，对锚杆预紧力变化的反应更为敏感，最终实现锚固系统在宏观功能上大于各子系统的线性叠加总和，改善巷道围岩锚固结构的应力状态。

具体步骤：

1、选定模型试件材料，制作模型试件，制作完成的模型试件需要放置48小时以上方可进行试验；所述的模型试件包括：测力锚杆和应变砖；

所述的应变砖的制作：

(1)选定石英砂作为骨料，石蜡作为胶结料，砂–蜡配质量比为100：12，胶结体密度为1.59g/cm³，单轴抗压强度为1.157MPa；

(2)制作模型试件规格为500mm×500mm×480mm，采用底部加热式搅拌机对石英砂、石蜡进行充分搅拌，边倒入模板边振捣，并在设计好的位置预埋应变砖；

(3)在两根锚杆连接面上分三层共埋设有9块应变砖，分别为K₁，K₂，K₃，K₄，K₅，K₆，K₇，K₈，K₉，即为锚固体的9个测点；

(4)应变砖包括应变片、线路板和导线，将应变片焊接在线路板上构成电回路，采用703密封胶进行封装，自然风干，自身有一定的柔性，能够在模型浇筑振捣密实过程中，在保护应变片的同时，让应变砖与锚固体的结合更加密实，从而降低应变砖自身对模型试验的影响；

所述的测力锚杆的制作：

(1)根据试验需要自制测力锚杆，选用φ8mm–HRB500螺纹钢进行加工，锚杆总长度为500mm，杆体上粘贴有应变片和数据线；

(2)在每块模型试件内共钻装2根锚杆，分别用G₁，G₂表示；

(3)锚杆端部距离试件底板30mm，锚固长度150mm，自由段长度300mm，外露长度50mm；

(4)选择可以按刻度进行精准微调的扭矩板手，能够实现的最小加载级差为3N·m，其量程为0～300N·m。

2、确定锚固体协同效应的探测的方法：

(1)经过多次试验，确定锚杆预紧力的加载方法，即以6N·m为级差，按8、14、20、26、32、38、44、50N·m八个等级，依次对试件的锚杆施加预紧力扭矩；

(2)采用DH3818静态应变测试分析系统记录采集试验数据，扭矩每递增一个等级，均保持3分钟的间隔进行数据采集，采样间隔为1s；

(3)根据上述加载方法，先对G₁锚杆进行0～50N·m范围内的加载，完成各测点数据采集，再随即对G₂用同样方法加载，完成各测点数据采集；

(4)为了减小锚杆杆体轴力的测量差异，统一以实际施加扭矩来反映锚杆预紧力大小，且由同一人按大致相同的力度、间隔时间等完成加载操作。

3、确定探测数据的处理方法：

(1)去除应变测试分析系统在平衡阶段时的不稳定数据，对于同一应变砖所采集的数据，去除最大与最小数据，并采用平均值来计算其应变值；

(2)根据应变砖的弹性模量，将不同应变砖所产生的应变值转换为应力值，且以Pa为计量单位；

(3)根据不同应变砖所监测到的平均数据，建立锚固体内部应力分布关系，绘制出锚杆预紧力与应力场分布变化的关系曲线；

(4)在应变砖制作及埋设时，应变片分轴向和切向应力分量，其中锚固体中锚杆轴向应力与现场锚固岩体的σ₃应力相一致，故选取锚杆轴向应力分量的相关数据进行分析。

4、协同效应计算：

(1)定义协同指数，当锚杆进行群锚时，所述的群锚即≥2根；相邻2根锚杆共同作用时在某点所产生的综合应力减去2根锚杆单独作用时各自在该点所产生的应力之和，其差值与某一根锚杆单独作用时产生的应力之百分比，即为协同指数，可用下式表示：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{S_i-(S_{i1}+S_{i2}^{\′})}{S_{1i}}\×100\%=\frac{S_i-S_{i1}-S_{i2}^{\′}}{S_{1i}}\×100\%$

式中：ξ_i为锚固体中某一点的协同指数(％)，S_i为相邻2根锚杆共同作用下在i点所产生的综合应力(Pa)；S_i1为先锚固锚杆(G₁)锚杆单独作用时在i点所产生的应力(Pa)；S′_i2为后锚固锚杆(G₂)单独作用时在i点所产生的应力(Pa)；

(2)协同指数的特征为：①当ξ_i＞0时，表明锚固体内i点产生协同正效应，且其值愈大，协同效应愈强；②当ξ_i＜0时，表明锚固体内i点没有产生协同锚固效应或产生负效应；③当ξ_i＝0时，表明锚固体内i点处于协同锚固效应“临界”状态；

(3)协同指数的物理意义在于：在2根锚杆共同作用下，锚固体内某一测点的应力增幅值与单根锚杆作用时在该点所产生的应力值的百分比，作为产生协同锚固效应程度大小的评价标准，因此协同指数既是协同锚固效应的评价指标，也是协同锚固作用的评价指标。

5、获得和评价锚固体协同效应：

(1)锚杆间距不变时，在不同锚杆预紧力作用下，协同效应分布范围均呈椭圆形，长轴为轴向方向，短轴为横向方向，预紧力越大，产生协同效应的区域越大；

(2)当锚杆预紧力为14N·m、32N·m和50N·m时，协同效应分布范围的横向最大长度T_x分别为：45.21mm、72.67mm和85.37mm，即随预紧力n的增加呈二次函数上升，两者之间的关系为：

T_X＝-0.022n²+2.573n+13.65

(3)当锚杆预紧力为14N·m、32N·m和50N·m时，协同效应分布范围的轴向最大长度T_Y分别为：54.39mm、86.44mm和98.60mm，变化规律与横向最大长度T_X-n一致，且T_Y与预紧力n之间的关系为：

T_Y＝-0.0030n²+3.193n+15.70

(4)上述结果表明，在锚杆预紧力作用下，锚固体内所产生的协同效应分布范围呈现出椭圆形随着锚杆预紧力的增加，协同效应范围相应增加，且在锚杆轴向上的分布范围更广，对锚杆预紧力变化的反应更为敏感；

(5)预紧力从14～50N·m，协同效应分布范围逐渐增加，但后期增加幅度降低，表明两者之间不存在无限增大的正比关系。

本发明中，横向指的是沿两根锚杆钻孔连线之间的方向，即X轴方向；轴向指的是沿锚杆钻孔轴线的方向，即Y轴方向，垂向指的是沿垂直于两根锚杆钻孔连接面的方向。

有益效果，由于采用了上述方案，本发明的协同锚固机理既强调子系统之间在宏观上的协调与合作，也强调子系统内部因素在微观上的协调与优化，更加符合巷道围岩稳定性控制的本质要求。

(1)通过模型试验，证明了协同锚固效应在锚固体中的客观存在，可以通过优化锚固变量参数来扩大协同锚固效应范围，改善锚固体应力状态，提高锚固体强度、刚度、承载能力和抗变形能力。

(2)提出协同指数的概念和计算公式(式(1))，并以此作为协同效应的评价指标。由式(1)可知：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{S_i-(S_{i1}+S_{i2}^{\′})}{S_{1i}}\×100\%=\frac{S_i-S_{i1}-S_{i2}^{\′}}{S_{1i}}\×100\%$

当ξ_i＞0时，表明锚固体内i点产生协同正效应，且其值愈大，协同效应愈强；当ξ_i＜0时，表明锚固体内i点没有协同效应或产生负效应；当ξ_i＝0时，表明锚固体内i点处于协同效应“临界”状态。

(3)在锚杆预紧力作用下，锚固体协同效应范围呈椭圆球形。在一定范围之内，随着锚杆预紧力的增加，所产生的协同锚固效应范围逐渐增加，并在锚杆轴向上的分布范围更广。

通过一组模型试件，在预紧力锚杆作用下，探测出锚固体协同效应的形状、范围及演化规律，并建立协同效应与巷道围岩稳定性控制之间的对应关系，最终实现锚固系统在宏观功能上大于各子系统的线性叠加总和，从而有效改善巷道围岩锚固结构的应力状态，减少巷道围岩的应力集中和较大变形，显著提高巷道围岩锚固结构的承载能力、抗变形能力和整体稳定性。解决了目前的联合支护、复合支护不能揭示锚固岩体内所产生的协同效应的问题，达到了本发明的目的。

优点：(1)本发明结果表明，在协同作用下锚固体内能够产生“1+1＞2”的协同效应，即协同锚固系统功能在宏观整体上大于各子系统之简单总和，能够显著提高巷道围岩锚固结构的承载能力、抗变形能力和整体稳定性；(2)传统支护方式相比，协同锚固既强调子系统之间在宏观上的协调与合作，也强调子系统内部因素在微观上的协调与优化，更加符合巷道围岩稳定性控制的本质要求；(3)本发明首次提出锚固体协同效应的探测方法，建立协同效应的计算公式，获得锚固体协同效应的分布形状、范围及其发展演化规律；(4)本发明探测到了“1+1＞2”协同效应在锚固体中的客观存在，结果表明，通过优化锚固变量参数来扩大协同锚固效应范围，可明显改善锚固体应力状态，提高锚固体强度、刚度、承载能力和抗变形能力，进一步充实和丰富了锚杆(索)锚固作用机理的研究和揭示。

附图说明：

图1(a)是本发明的探测装置平面结构图。

图1(b)是本发明的探测装置正面结构图。

图1(c)是本发明的探测装置透视结构图。

图1(d)是本发明的探测装置实物结构图。

图2(a)是本发明模型试件的应变砖制作图。

图2(b)是本发明模型试件的应变砖封胶后的图。

图2(c)是本发明模型试件的测力锚杆样品图。

图3是本发明的协同效应分布形状及范围。

具体实施方式

实施例1：该探测方法：首先选定模型试件材料，制作模型试件，预埋模型试件，通过模型试件，在预紧力锚杆作用下确定锚固体协同效应探测；采集和记录各模型试件的应变值，探测出锚固体协同效应的形状、范围及演化规律；确定探测数据，对各测点数据的处理、计算和分析，获得预紧力与协同效应的相互关系；通过协同效应计算，建立协同效应与巷道围岩稳定性控制之间的对应关系，获得和评价锚固体协同效应，在一定范围之内，随着锚杆预紧力的增加，协同效应范围相应增加，且在锚杆轴向上的分布范围更广，对锚杆预紧力变化的反应更为敏感，最终实现锚固系统在宏观功能上大于各子系统的线性叠加总和，改善巷道围岩锚固结构的应力状态。

具体步骤：

1、选定模型试件材料，制作模型试件，试件需要放置48小时以上方可进行试验；所述的模型试件包括：测力锚杆和应变砖；

所述的应变砖的制作：

(1)经过多次试验，选定石英砂作为骨料，石蜡作为胶结料，砂–蜡配质量比为100：12，胶结体密度为1.59g/cm³，单轴抗压强度为1.157MPa；

(2)制作模型试件规格为500mm×500mm×480mm，采用底部加热式搅拌机对石英砂、石蜡进行充分搅拌，边倒入模板边振捣，并在设计好的位置预埋应变砖；

(3)在两根锚杆连接面上分三层共埋设有9块应变砖，分别为K₁，K₂，K₃，K₄，K₅，K₆，K₇，K₈，K₉，即为锚固体的9个测点，如图1示；

(4)应变砖包括应变片、线路板和导线，将应变片焊接在线路板上构成电回路，采用703密封胶进行封装，自然风干，自身有一定的柔性，能够在模型浇筑振捣密实过程中，在保护应变片的同时，让应变砖与锚固体的结合更加密实，从而降低应变砖自身对模型试验的影响，如图2示；

所述的测力锚杆的制作：

(1)根据试验需要自制测力锚杆，选用φ8mm–HRB500螺纹钢进行加工，锚杆总长度为500mm，杆体上粘贴有应变片和数据线；

(2)在每块模型试件内共钻装2根锚杆，分别用G₁，G₂表示，如图2示；

(3)锚杆端部距离试件底板30mm，锚固长度150mm，自由段长度300mm，外露长度50mm，如图2示；

(4)选择可以按刻度进行精准微调的扭矩板手，能够实现的最小加载级差为3N·m，其量程为0～300N·m。

2、确定锚固体协同效应的探测的方法：

(1)经过多次试验，确定锚杆预紧力的加载方法，即以6N·m为级差，按8、14、20、26、32、38、44、50N·m八个等级，依次对试件的锚杆施加预紧力扭矩；

(2)采用DH3818静态应变测试分析系统记录采集试验数据，扭矩每递增一个等级，均保持3分钟的间隔进行数据采集，采样间隔为1s；

(3)根据上述加载方法，先对G₁锚杆进行0～50N·m范围内的加载，完成各测点数据采集，再随即对G₂用同样方法加载，完成各测点数据采集；

(4)为了减小锚杆杆体轴力的测量差异，统一以实际施加扭矩来反映锚杆预紧力大小，且由同一人按大致相同的力度、间隔时间等完成加载操作。

3、确定探测数据的处理方法：

(1)去除应变测试分析系统在平衡阶段时的不稳定数据，对于同一应变砖所采集的数据，去除最大与最小数据，并采用平均值来计算其应变值；

(2)根据应变砖的弹性模量，将不同应变砖所产生的应变值转换为应力值，且以Pa为计量单位；

(3)根据不同应变砖所监测到的平均数据，建立锚固体内部应力分布关系，绘制出锚杆预紧力与应力场分布变化的关系曲线；

(4)在应变砖制作及埋设时，应变片分轴向和切向应力分量，其中锚固体中锚杆轴向应力与现场锚固岩体的σ₃应力相一致，故选取锚杆轴向应力分量的相关数据进行分析；

4、协同效应计算：

(1)定义协同指数，当锚杆进行群锚时，所述的群锚即≥2根；相邻2根锚杆共同作用时在某点所产生的综合应力减去2根锚杆单独作用时各自在该点所产生的应力之和，其差值与某一根锚杆单独作用时产生的应力之百分比，即为协同指数，可用下式表示：

${\mathrm{\ξ}}_i=\frac{S_i-(S_{i1}+S_{i2}^{\′})}{S_{1i}}\×100\%=\frac{S_i-S_{i1}-S_{i2}^{\′}}{S_{1i}}\×100\%$

式中：ξ_i为锚固体中某一点的协同指数(％)，S_i为相邻2根锚杆共同作用下在i点所产生的综合应力(Pa)；S_i1为先锚固锚杆(G₁)锚杆单独作用时在i点所产生的应力(Pa)；S′_i2为后锚固锚杆(G₂)单独作用时在i点所产生的应力(Pa)；

(2)协同指数的特征为：①当ξ_i＞0时，表明锚固体内i点产生协同正效应，且其值愈大，协同效应愈强；②当ξ_i＜0时，表明锚固体内i点没有产生协同锚固效应或产生负效应；③当ξ_i＝0时，表明锚固体内i点处于协同锚固效应“临界”状态；

(3)协同指数的物理意义在于：在2根锚杆共同作用下，锚固体内某一测点的应力增幅值与单根锚杆作用时在该点所产生的应力值的百分比，作为产生协同锚固效应程度大小的评价标准，因此协同指数既是协同锚固效应的评价指标，也是协同锚固作用的评价指标。

5、获得和评价锚固体协同效应：

(1)锚杆间距不变时，在不同锚杆预紧力作用下，协同效应分布范围均呈椭圆形，长轴为轴向方向(Q₁-Q₂)，短轴为横向方向(P₁-P₂)，预紧力越大，产生协同效应的区域越大，如图3示；

(2)当锚杆预紧力为14N·m、32N·m和50N·m时，协同效应分布范围的横向最大长度T_x分别为：45.21mm、72.67mm和85.37mm，即随预紧力n的增加呈二次函数上升，两者之间的关系为：

T_X＝-0.022n²+2.573n+13.65

(3)当锚杆预紧力为14N·m、32N·m和50N·m时，协同效应分布范围的轴向最大长度T_Y分别为：54.39mm、86.44mm和98.60mm，变化规律与横向最大长度T_X-n一致，且T_Y与预紧力n之间的关系为：

T_Y＝-0.0030n²+3.193n+15.70

(4)上述结果表明，在锚杆预紧力作用下，锚固体内所产生的协同效应分布范围呈现出椭圆形，在一定范围之内，随着锚杆预紧力的增加，协同效应范围相应增加，且在锚杆轴向上的分布范围更广，对锚杆预紧力变化的反应更为敏感；

(5)预紧力从14～50N·m，协同效应分布范围逐渐增加，但后期增加幅度降低，表明两者之间不存在无限增大的正比关系。

本发明中，横向指的是沿两根锚杆钻孔连线之间的方向，如图中的X轴方向；轴向指的是沿锚杆钻孔轴线的方向，如图中的Y轴方向，垂向指的是沿垂直于两根锚杆钻孔连接面的方向。