模拟地压作用下岩土与锚固体粘结性能的测试方法及系统与流程

本发明涉及边坡、基坑、隧道、矿山、交通等工程中经常使用的锚杆测试技术，尤其涉及一种模拟地层压力作用下原状岩土体与锚固体粘结性能测试系统及测试方法。

背景技术：

锚杆支护技术因施工方便、造价低廉等优点广泛应用于边坡、基坑、隧道、矿山等岩土工程中，岩土体与锚固体的粘结性能直接影响到锚杆的承载能力。工程中多根据现场试验的结果来评价锚杆的承载能力，现场试验虽然可以反映锚杆的实际承载特性，但是存在成本高、试验周期时间长，影响工期、无法模拟各种工况(如暴雨工况、干湿循环工况等)等缺点。

一些科研院所和高校通过室内模型试验研究岩土体与锚固体粘结性能，这些试验虽然能够保证锚杆的受力状态与实际情况相近，同时也可以较好地模拟锚杆实际工程中遇到的各种工况，但是，仍然存在模型尺寸相对较大，试验操作复杂、可重复性差、成本较高等问题。还用开展室内中心拉拔试验或直接剪切试验以测试岩土体与锚固体的粘结性能，这些试验虽然操作简单、效率较高且成本较低，但试验时试样的应力状态、应力路径及制备方法多与锚杆的实际情况不符。

同时，由于岩土体的成因、结构及构造的复杂性，即使严格按照相似理论制作重塑或模拟岩土体试样，也很难模拟原状岩土体与锚固体的粘结性能，而利用原状岩土材料进行岩土体与锚固体的粘结性能测试时，如果试样的制备方法与锚杆实际的受力及施工状况不符，其试验结果也难以反映岩土体与锚固体的实际粘结特性。

中国发明专利“用于富水软弱地层锚固体界面粘结性能测试的装置及方法(公开号：cn107288163a，申请公布日2017.10.24)”公开了一种利用筒状加载气囊侧向加压的锚固体界面粘结性能测试装置及方法，可用于测试富水软弱地层下锚固体界面粘结性能。试样外侧设置筒状加载气囊，可对试样的侧向加压，但不能对试样的端部加压，因而无法使原状岩土体压缩并恢复至初始地层应力状态；此外，试样的两端直接与上下盖板接触，导致试样两端存在摩擦效应，进而使试样的径向变形不均匀。

中国发明专利“一种围压可控的岩石侧摩阻力测试装置及其方法(公开号：cn105547841a，申请公布日2016.05.04)”公开了一种利用三轴压力室施加围压的岩石侧摩阻力测试装置及其方法，可用于测试不同围压下基桩与岩石界面的侧摩阻力，但无法实现按桩基实际的施工工序进行制样；此外，围压施加以后，竖向压力通过导向管作用在试样顶端，而由于基桩与岩石刚度的不同，两者将产生一定的相对变形，导致两者界面处产生初始的侧摩阻力，影响测试结果。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术的不足，针对工程锚杆的微元段，提出一种简便、可行且与锚杆实际应力状态、应力路径和施工工序相符的原状岩土体与锚固体粘结性能测试系统及方法。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种模拟地压作用下岩土与锚固体粘结性能的测试方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一、土/岩坯制作及固定：按设计尺寸对原状岩土体进行切割、打磨，然后在制成的土/岩坯101的上下面依次安装硅胶垫片501、带孔钢片502、透水石503以及垫板504，然后将径向变形测量计405套在土/岩坯(101)外表面，再依次安装下盖板601、套筒602、侧压力囊603、中盖板604、顶塞506、底塞505、垫板607、顶压力囊608、上盖板609，最后利用第二螺栓610和第二螺母611完成固定；

步骤二、施加模拟地层压力：启动加压装置613，调节第一调压阀615使侧压力囊603中的压力稳定在设定的径向压力σr，调节第二调压阀617使顶压力囊608中的压力稳定在设定的轴向压力σz，加压时利用弧形套箍405a外表面的光纤传感器405c监测土/岩坯101的径向变形；

步骤三、钻孔：所述土/岩坯101的变形稳定后，使用第一螺栓605连接下盖板601和中盖板604，并旋紧第一螺母606保持土/岩坯101的竖向变形，然后依次拆除垫板607、顶压力囊608、上盖板609、底塞505以及顶塞506，最后利用钻具901在土/岩坯101的中心处按设计钻孔直径进行竖向钻孔，钻孔轴线的偏斜率不超过试样高度的2％；

步骤四、插筋及压力注浆：将注浆塞802固定在下盖板601上，然后将筋体102竖直放在注浆塞802的对中孔上，启动压力注浆机构801将浆液在注满钻孔，安装止浆塞804，最后利用压力注浆机构801施加设计的注浆压力；

步骤五、试样养护：钻孔中的浆液初凝形成锚固体103后，拆除注浆塞802及止浆塞804，然后将试样及下盖板601和中盖板604之间的试样固定装置一起放置到密封袋中进行密封养护；

步骤六、粘结性能测试：所述锚固体103养护完成后，利用第三螺栓512和第三螺母513将下盖板601与承托梁510相固定，然后将锚固体103与传力装置、反力装置以及量测装置相连，通过控制仪404控制步进电机201使升降底座202匀速下降，进而依次带动升降螺杆203、承托梁510、地层压力模拟装置、试样固定装置以及土/岩坯101下降，而锚固体103通过传力装置与反力装置相连，故不存在位移，则锚固体103被拔出，拔出位移达到锚固体103长度的20％时，终止试验，获得测试结果。

进一步的改进，所述模拟地层压力：径向压力σr及轴向压力σz的计算方法如下：

式中k为压力系数，pz为上覆荷载所引起的锚杆微元所在位置的附加应力，pcz为锚杆微元所在位置的地层自重应力。

进一步的改进，所述测试结果为锚固体103与土岩坯101界面剪应力τ，τ通过下式计算得到：

式中：f为拉拔力，d为锚固体101直径，h为土/岩坯101高度，l为锚固体103拔出位移。

一种模拟地压作用下岩土与锚固体粘结性能的测试系统，包括：量测装置、试样固定装置、地层压力模拟装置和压力注浆装置，所述试样固定装置包括下盖板601和中盖板604；所述下盖板601和中盖板604之间安装有土/岩坯101，土/岩坯101上下表面均安装由硅胶垫片501，硅胶垫片501外侧安装带孔钢片502，带孔钢片502外侧安装有透水石503，透水石503外侧安装有垫板504；所述中盖板604和下盖板601中部分别安装有顶塞506和底塞505，顶塞506和底塞505均穿过硅胶垫片501、带孔钢片502、透水石503和垫板504抵住土/岩坯101，顶塞506置于土/岩坯101顶部的上空腔509中并与中盖板604顶面齐平，底塞505固定于土/岩坯101底部的下空腔508中并与土/岩坯101底面齐平；所述下盖板601和中盖板604上穿过有第一螺栓605，第一螺栓605连接有第一螺母606；所述中盖板604上方安装有垫板607和顶压力囊608，顶压力囊608顶部盖有上盖板609；所述土/岩坯101外周安装有侧压力囊603，侧压力囊603外包裹有套筒602；所述上盖板609中心处设置供顶压力囊608导管通过的穿孔；所述中盖板604一侧设有供光纤传感器405c通过的出线孔612；所述上盖板609与下盖板601固定连接；所述地层压力模拟装置包括加压装置613，加压装置613、第一调压阀615、第一压力表616以及侧压力囊603依次连接，加压装置613、阀门614、第二调压阀617、第二压力表618以及顶压力囊608依次连接；所述量测装置包括位移计402、力传感器403和土/岩坯101侧面安装的径向变形测量计405，位移计402固定在位移计夹具401上；所述径向变形测量计405包括两个或多个弧形套箍405a，弧形套箍405a之间通过敏感片405b相粘接形成环形套设在土/岩坯101的外表面，敏感片405b连接有光纤传感器405c；所述压力注浆装置包括压力注浆机构801，压力注浆机构801连通注浆塞802，配合注浆塞802安装有止浆塞804；所述注浆塞802和止浆塞804的一端均为无顶圆锥状并可以分别固定在下盖板601和中盖板604上；所述下盖板601通过第三螺栓512和第三螺母513连接有承托梁510；所述承托梁510底部设置排气阀511。

进一步的改进，所述硅胶垫片501、带孔钢片502、透水石503和垫板504外径均与土/岩坯101直径相同，内径均大于锚固体103的直径。

进一步的改进，所述侧压力囊603为环形，顶压力囊608为圆形，侧压力囊603内径、顶压力囊608外径及试样直径相同，侧压力囊603和顶压力囊608的材料均为橡胶或硅胶。

进一步的改进，所述硅胶垫片501的厚度为0.1～0.5mm，从周边沿径向剪开，并在硅胶垫片501与带孔钢片502中间涂有润滑剂。

进一步的改进，所述弧形套箍405a为弹性模量介于1mpa～100mpa间的材料，弧形套箍405a截面形状为矩形，自然状态下的内径d满足下式：

式中，d1为土/岩坯101直径，d2为钻孔直径，为土/岩坯101压缩时产生的径向变形，为土/岩坯101钻孔时产生的径向变形，σr为径向压力，k为压力系数，es为土/岩坯101的弹性模量，μs为土/岩坯101的泊松比。

进一步的改进，所述敏感片405c选用弹性模量介于40gpa～100gpa间的材料，其截面为矩形，长度为2～4cm，厚度及高度满足下式：

式中，e1为弧形套箍405a的弹性模量，δ1为弧形套箍405a的厚度，h1为弧形套箍405a的截面宽度，δ2为敏感片405b的厚度，h2为敏感片405b的高度，e2为敏感片405b的弹性模量，εult为光纤传感器405c的应变测量极限。

进一步的改进，所述注浆塞802的直径小与垫板504内径，顶面中心处设有大于筋体102直径且深度为2～4mm的对中孔。

本发明所采用的技术方案具有以下有益效果：

试样的两端放置硅胶垫片与带孔钢片且在两者中间涂抹润滑剂，硅胶垫片与岩土体变形同步，可以较好地消除试样端部摩擦效应，使岩土体在压缩时径向变形均匀；弧形套箍的内径小于试样在测试全过程中的外径最小值，确保径向变形测量计与试样径向变形的同步，达到准确监测试样在压缩、钻孔、压力注浆及粘结性能测试等阶段径向变形的目的。

地层压力模拟装置采用双压力囊结构，能够对试样的侧向与竖向分别施加压力，便于控制试样的应力状态，原状岩土体在模拟地层压力作用下压缩并恢复至初始的应力状态后再限制其竖向变形，让岩土体处于平面应变状态，再进行钻孔、插筋、压力注浆、粘结性能测试，这与实际工程中锚杆支护结构的应力状态、应力路径和施工工序相同，测试结果能够反映实际工程中的锚杆的承载特性。

实现了锚杆单元体试样的制备和粘结性能测试的分离，试样尺寸小、制作成本低、操作简单、测试效率高，可进行大批量的不同工况下(如不同含水率、干密度、注浆压力等)的岩土体与锚固体粘结性能室内试验，以研究不同工况、不同地层条件下的岩土体与锚固体的粘结性能，并以此获得岩土体与锚固体的界面剪应力-相对位移关系曲线及极限粘结强度等，为全长锚杆的荷载传递分析提供准确的荷载传递模型。

附图说明

图1为本发明土/岩坯压缩结构示意图。

图2为本发明径向变形测量计结构示意图。

图3为本发明土/岩坯压缩时受力变形简图。

图4为本发明钻孔示意图。

图5为本发明压力注浆示意图。

图6为本发明粘结性能测试装置示意图。

图7为本发明粘结性能测试时试样受力简图。

图中标号所示名称为：

试样：101-土/岩坯；102-筋体；103-锚固体；

动力装置：201-步进电机、202-升降底座、203-升降螺杆；

反力装置：301-反力柱、302-固定螺母、303-反力梁；

量测装置：401-位移计夹具、402-位移计、403-力传感器、404-控制仪、405-径向变形测量计、405a-弧形套箍、405b-敏感片、405c-光纤传感器；

试样固定装置：501-硅胶垫片、502-带孔钢片、503-透水石、504-垫板、505-底塞、506-顶塞、507-第五螺栓、508-下空腔、509-上空腔、510-承托梁、511-排气阀、512-第三螺栓、513-第三螺母；

地层压力模拟装置：601-下盖板、602-套筒、603-侧压力囊、604-中盖板、605-第一螺栓、606-第一螺母、607-垫板、608-顶压力囊、609-上盖板、610-第二螺栓、611-第二螺母、612-出线孔、613-加压装置、614-阀门、615-第一调压阀、616-第一压力表、617-第二调压阀、618-第二压力表；

传力装置：701-连接杆、702-双头螺杆、703-上转接件、704-连接件、705-第四螺栓；

压力注浆装置：801-压力注浆机构、802-注浆塞、803-第六螺栓、804-止浆塞；

钻孔装置：901-钻具。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步描述。需要说明的是，实施例并不对本发明要求保护的范围构成限制。

一种模拟地层压力作用下原状岩土体与锚固体粘结性能测试系统主要包括量测装置、试样固定装置、地层压力模拟装置和压力注浆装置。

如图1所示，试样的上表面和下表面均依次安装硅胶垫片501、带孔钢片502、透水石503和垫板504；下盖板601与中盖板604设有限制套筒602和垫板504位移的圆形凹槽，套筒602不与中盖板604接触，顶塞506置于土/岩坯101顶部的上空腔509中并与中盖板604顶面齐平，底塞505固定于土/岩坯101底部的下空腔508中并与土/岩坯101底面齐平，以保证顶压力囊608产生的压力能均匀作用于土/岩坯101上；上盖板609中心处设置供顶压力囊608导管通过的穿孔，该中心孔也起到限制顶压力囊608位移的功能；加压装置613、第一调压阀615、第一压力表616以及侧压力囊603依次连接；加压装置613、阀门614、第二调压阀617、第二压力表618以及顶压力囊608依次连接，实现对侧压力囊603和顶压力囊608施加不同恒定压力的目的。

硅胶垫片501、带孔钢片502、透水石503和垫板504外径均与试样直径相同，内径均略大于锚固体103的直径，以确保试样拉拔测试时以上部件不阻碍锚固体103的上移；硅胶垫片501的厚度为0.1～0.5mm，从周边沿径向剪开，并在其与带孔钢片502中间涂有润滑剂，以消除试样的端部摩擦效应，使得试样径向变形均匀；

侧压力囊603为环形，顶压力囊608为圆形，侧压力囊603内径、顶压力囊608外径及试样直径相同，侧压力囊603和顶压力囊608的材料均为弹性较好的橡胶或硅胶，中盖板604一侧设有供光纤传感器405c通过的出线孔。

如图2所示，径向应变测量计405由弧形套箍405a、敏感片405b和光纤传感器405c组成，弧形套箍405a与敏感片405b粘接形成封闭环，敏感片405b外侧粘贴光纤传感器406c，以监测试样在制备、测试等阶段的径向变形情况，试样径向变形取光纤传感器405c监测值的均值；

弧形套箍405a选用弹性变形性能好且弹性模量介于1mpa～100mpa间的材料，土/岩坯101的弹性模量越小，弧形套箍405a所选用材料的弹性模量也越小，以避免弧形套箍405a作用在土/岩坯101外侧的应力过大，弧形套箍405a表面涂抹润滑剂，以消除与侧压力囊603之间的摩擦作用，弧形套箍405a在自然状态下的内径d满足下式，以确保径向变形测量计405能与试样同步变形，

式中，d1为试样直径，d2为钻孔直径，为土/岩坯101压缩时产生的径向变形，为土/岩坯101钻孔时产生的径向变形，σr为径向压力，k为压力系数，es为土/岩坯101的弹性模量，μs为土/岩坯101的泊松比，es和μs均可通过土工试验测得；

敏感片405b选用弹性模量介于40gpa～100gpa间的材料，确保敏感片在弧形套箍405a的拉力作用下能够产生一定的拉应变，敏感片405b的截面为矩形，长度为2～4cm，以便于粘贴光纤传感器405c，敏感片405b的厚度及高度满足下式，以确保敏感片405b的拉应变不超过光纤传感器405c的测量范围，

式中，e1为弧形套箍405a的弹性模量，δ1为弧形套箍405a的厚度，h1为弧形套箍405a的截面宽度，δ2为敏感片405b的厚度，h2为敏感片405b的高度，e2为敏感片405b的弹性模量，εult为光纤传感器405c的应变测量极限。

如图4所示，钻杆901的直径与设计钻孔直径相匹配，其长度大于试样高度、硅胶垫片501、带孔钢片502、透水石503、垫板504和中盖板604厚度的总和。

如图5所示，注浆塞802和止浆塞804可利用第五螺栓507和第六螺栓803分别固定在下盖板601和中盖板604上，注浆塞802和止浆塞804的一端均为无顶圆锥状，圆锥侧面与钻孔壁紧密接触，可以避免注浆时浆液外渗；注浆塞802的直径略小与垫板504内径，顶面中心处设有略大于筋体102直径且深度为2～4mm的对中孔，止浆塞804底面中心处设有略大于筋体102直径且深度略长于筋体102一端螺纹长度的对中孔，以确保注浆时筋体102竖直且处于钻孔的中心；

如图6所示，试样、试样固定装置和地层压力模拟装置通过第三螺栓512和第三螺母513与承托梁510相固定，承托梁底部设置排气阀511，防止粘结性能测试时试样底部真空；承托梁510与升降螺杆203螺纹连接，使得试样固定装置、地层压力模拟装置和土/岩坯与动力步进电机201和升降底座202相固定，筋体102与连接杆702、双头螺杆702、力传感器403、上转接件703依次螺纹连接，第四螺栓705卡在连接件704中并与反力梁303螺纹连接，实现筋体102和锚固体103与反力梁303相固定。

一种利用模拟地层压力作用下原状岩土体与锚固体粘结性能测试系统测试原状岩土体与锚固体粘结性能的方法步骤如下：

确定模拟地层压力，径向压力σr的大小为锚杆微元所在位置的地层自重应力与附加应力之和，轴向压力σz的大小为径向压力σr与压力系数k之积。本实施例中锚杆测试段位于地层以下15m处，各土层的加权重度为18.0kn/m³，无上覆荷载，压力系数k为0.7，地层自重应力为：pcz＝18.0×15＝270kpa，附加应力为：pz＝0，则径向压力σr的大小为：σr＝pcz+pz＝270kpa，轴向压力σz的大小为σz＝kσr＝0.7×270＝189kpa。

确定试样材料及尺寸，土/岩坯101的材料可选为原状土体或岩体，本实施例选用原状土；试样的高度取为120mm，直径取为300mm；钻孔直径取为40mm；注浆材料可选用水泥砂浆、树脂等，本实施例选用水泥砂浆，水泥砂浆的水、砂、灰的比例为：m水：m砂：m水泥＝0.45：1：1，注浆压力取为1.0mpa；筋体102的材料可选用钢筋、玻璃纤维筋、玄武岩纤维筋等，本实施例选用变形钢筋，其直径取为16mm，长度取为150mm，在一端攻30mm的外螺纹。

土/岩坯制作及安装，对原状土按设计尺寸进行切割、打磨，切割、打磨后所形成的土坯101的侧面光滑、上下面平整，接下来在土坯101的上下面依次安装硅胶垫片501、带孔钢片502、透水石503以及垫板504，然后在试样的外表面按四分之一试样高度的间距套上三个径向变形测量计405；最后依次安装下盖板601、套筒602、侧压力囊603、中盖板604、顶塞506、底塞505、垫板607、顶压力囊608、上盖板609，并用第二螺栓610和第二螺母611将土坯101及以上部件固定，安装完成后，套筒602不与中盖板604接触。

施加模拟地层压力，启动加压装置613，调节第一调压阀615使侧压力囊603中的压力稳定在270kpa，调节第二调压阀617使顶压力囊608中的压力稳定在189kpa，土坯101在模拟地层压力作用下压缩并恢复至初始应力状态，如图3所示；

钻孔，径向变形测量计405测得的土坯101的径向变形在2h内小于0.01mm时，判定土坯101变形稳定，旋紧第一螺母606以限制土坯101的竖向变形，此时试样处于平面应变状态，确保了与实际工程中锚杆的应力状态相符，然后依次拆除垫板607、顶压力囊608、上盖板609、底塞505以及顶塞506，再利用钻具901在土坯101的中心处按40mm的设计钻孔直径进行竖向钻孔，钻孔轴线的偏斜率不超过试样高度的2％；

插筋及压力注浆，钻孔完成后，将注浆塞802固定在下盖板601上，然后将筋体102竖直放在注浆塞802的对中孔上，启动压力注浆机构801将配好的水泥砂浆在10kpa的压力下注满钻孔，然后在筋体102外螺纹端涂抹适量润滑剂并安装止浆塞804，以防止水泥砂浆外露及渗入筋体102外螺纹处，最后利用压力注浆机构801施加1.0mpa的注浆压力并稳定45min，保证钻孔中的水泥砂浆初凝形成锚固体103；

试样养护，钻孔中的浆液初凝后，拆除注浆塞802及止浆塞804，将试样、试样固定装置和地层压力模拟装置整体放置到密封袋中，以对试样进行为期28d的密封养护，使锚固体103达到一定强度，且确保试样的含水率恒定。

粘结性能测试，所述试样养护完成后，利用第三螺栓512和第三螺母513将样、试样固定装置和地层压力模拟装置与承托梁510相固定，然后将试样与传力装置、反力装置以及量测装置相连，通过控制仪404控制步进电机201使升降底座202以0.5mm/min的速度匀速下降，进而依次带动升降螺杆203、承托梁510、地层压力模拟装置、试样固定装置以及土/岩坯101下降，而锚固体103通过传力装置与反力装置相连，故不存在位移，则锚固体103被拔出，拔出位移达到锚固体103长度的20％时，终止试验。

数据处理及分析，利用下式确定锚固体103与土/岩坯101界面剪应力τ：

式中：f为拉拔力，d为锚固体101直径，h为试样高度，l为锚固体101拔出位移；

根据剪应力-相对位移曲线确定锚固体103与土/岩坯101界面的最大剪应力与残余剪应力。