一种用于模型实验的含监测装置的可破断预应力锚杆

1.本实用新型涉及岩土工程室内隧道模型实验技术领域，特别涉及一种用于模型实验的含监测装置的可破断预应力锚杆。


背景技术：

2.模型试验应用于岩土工程领域，可以用于研究岩土工程材料、岩土工程构件和岩土工程建构筑物的工程力学性质，用小的成本解决理论与实际中的难题。模型试验可以严格控制试验对象的主要参数，不易受外界条件的限制和干扰，得到具有定性或定量性质的试验结果，试验结果的同一性和可比性较强，还可以在复杂条件下突出研究对象的主要矛盾，把握和发现试验现象的内在联系，与现场试验的结果进行对比、验证。
3.主动支护方式是锚杆支护的核心理论，而锚杆预紧力则是主动加固方式的重要手段，采用预应力锚杆支护，其具有承载能力高、稳定性和整体性高等特点，较好的解决了隧道围岩大变形的问题，但由于大块松动的危石或不利节理的存在等原因仍然存在锚杆破断的问题。对于锚杆的破断，其轻者能够弹射伤人，重者则可能引起局部围岩支护失效，引起更大范围的围岩失稳，甚至造成隧道垮塌。同时，由于锚杆破断仅在极短的时间内发生，很难实现监测、预警和人员防护等，属于隐蔽性灾害，将给施工安全带来极大的威胁。因此，为了实现预应力锚杆支护效果定性评估，开展含预应力锚杆的模型试验研究是十分必要的。
4.然而，目前为止，用于模型试验的相似材料制作的锚杆大多数强度较大，实验中很难实现破断的模拟，而且没有施加预应力，与工程实际情况相差甚远，难以获得与工程贴合的实验结果。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是在于针对现有模型试验中锚杆相似模型存在的上述问题，提供了一种用于模型实验的含监测装置的可破断预应力锚杆，可以更加贴合工程实际，提高了试验结果与现实情况的吻合性。技术方案如下。
6.优选地，所述一种用于模型实验的含监测装置的可破断预应力锚杆主要包括锡丝、应力环、弹簧、顶部开孔的螺钉、螺帽、垫片、排线等。
7.优选地，所述锡丝长度根据试验方案设计确定，约为15-30cm，应力环长约2-3cm，外径约为1cm，壁厚1-2mm；弹簧长度约3cm，劲度系数约100n/m；顶部开孔的螺钉长度约4-6cm；螺帽和螺钉匹配；垫片中心孔径略粗于锡丝。
8.优选地，所述锡丝为锚杆杆体材料，其本身具有一定的强度，来模拟锚杆对围岩的加固力，更重要的是它可以在较大围岩松动压力下实现破断，更加贴近工程实际。
9.优选地，所述应力环为一管状结构，材质为强度较低的铝合金，受力后容易发生变形，应力环上开穿一孔用于锚杆穿过。
10.优选地，所述含监测装置指锚杆上有应力环，应力环上粘贴应变片，并用焊锡连接应变片和排线，利用应变片敏感栅随锚杆受力变形而发生电阻变化的特点来采集信号，转
换为应变值，实现受力监测。
11.优选地，所述锚杆预应力的施加是指将锡丝穿过顶部开孔的螺钉，顶部锚固，套上螺帽、弹簧后将锚杆伸入孔内，靠拧螺帽推动弹簧压紧垫片来实现。可以根据试验需求，确定施加的预应力大小。
12.优选地，实验开始前，根据实验方案设计制作足够的锚杆，当隧道开挖完成后用电钻根据实验设计打孔，然后进行预应力锚杆支护。
13.优选地，所述预应力锚杆安装是将锡丝一头穿过顶部开孔的螺钉并锚固，而后以此穿过螺帽、弹簧、应力环、垫片，另一头蘸取热熔胶伸入孔内锚固，最后拧动螺帽推动弹簧压紧垫片实现预应力的施加。
14.优选地，所述监测是将排线引出，连接在动态应变采集仪上，采集仪和电脑连接，测量记录整个模型试验加载过程中锚杆受力情况。
15.优选地，根据实验结果中监测记录的锚杆受力数据，结合实际分析研究工程中预应力锚杆破断的原因。
16.本实用新型的有益效果是。
17.（1）提高了锚杆模拟材料的相似度，更加贴合工程实际，有效解决现有模型试验中锚杆材料不能真实模拟工程实际情况的难题。通过这样一种用于模型实验的含监测装置的可破断预应力锚杆，达到了“既让预应力锚杆加固了围岩，最后锚杆又被破坏”的效果。
18.（2）通过监测整个实验过程的锚杆受力，提高了试验结果与现实情况的吻合性。使模型实验可以更好地对比、验证工程实际，加快了工程问题的解决进度。
19.（3）本实用新型的模型力学概念明确，构造简单，实用可靠，制作成本低，容易操作，具有广阔的应用前景。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施内容，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
21.图1为锚杆结构示意图。
22.图2为模型试验锚杆布置详图。
23.图3为实验操作流程图。
24.其中，1锡丝，2应力环，3弹簧，4顶部开孔的螺钉，5螺帽，6垫片，7锚固端，8焊锡连接，9排线，10加载装置，11隧道模型，12动态应变采集仪，13数据线，14电脑，15应变片。
具体实施方式
25.为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。
26.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“外径”、“深度”、“厚度“上端”、“下端”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是
为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
27.下面结合附图对本实用新型进行具体的说明。
28.一种用于模型实验的含监测装置的可破断预应力锚杆，锚杆结构图如图1，主要包括锡丝1，应力环2，弹簧3，顶部开孔的螺钉4，螺帽5，垫片6，锚固端7，焊锡连接8，排线9，15应变片。锡丝1长度为15-30cm，直径1.5mm，应力环2长度为2-3cm，外径为1cm，壁厚1-2mm；弹簧3长度约3cm，劲度系数为100n/m；顶部开孔的螺钉4长度4-6cm；螺钉直径为0.5cm；螺帽5和螺钉直径匹配；垫片6为铝合金材质，厚度2mm，中心孔径略粗于锡丝；锚固端7为锚杆后端；焊锡连接8用于连接应变片15和排线9；排线9长度100cm，外径2mm，线芯材质为纯铜，绝缘外披材质为环保pvc，柔韧性强，抗拉伸；应变片15的丝珊尺寸为长度为1mm，宽度为1mm，基底尺寸长度为3.0mm，宽度为2.5mm，电阻值为120ω，应变极限为2%，具有可焊性；利用应变片15敏感栅随锚杆受力变形而发生电阻变化的特点来采集信号，转换为应变值，实现受力监测。锡丝1为锚杆杆体材料，其本身具有一定的强度，不仅可以模拟锚杆对围岩的加固力，还可以在较大围岩松动压力下实现破断。
29.模型试验锚杆布置详图如图2，包括排线9，加载装置10，隧道模型11，动态应变采集仪12，数据线13，电脑14。隧道模型11为模拟隧道工程的开挖，主体材料为石膏、石英砂、重晶石粉等组成；排线9用于传输监测信号；加载装置10可以作为模型受力来源；动态应变采集仪12用于收集应变片15采集的应变值；数据线13来连接动态应变采集仪12和电脑14。
30.实验操作流程图如图3，详细介绍了本实用新型在模型实验中的使用方法及操作过程，包括7个步骤。
31.步骤1：模型实验设计。
32.做好模型实验方案，根据方案确定所需锚杆的数量。
33.步骤2：制备锚杆配件。
34.根据尺寸、材质等要求选取锚杆结构上的配件，根据图1进行初步安装，隧道开挖完成后用电钻根据锚杆设计位置打孔。
35.步骤3：应力环制作。
36.应力环2为管状结构，材质为强度较低的铝合金，受力易变形，其上开设有孔用于锡丝1穿过，然后在上面粘贴应变片15，通过焊锡连接8连接应变片15和排线9。
37.步骤4：锚杆拼装。
38.锚杆拼装是将锡丝一头穿过顶部开孔的螺钉并锚固，而后以此穿过螺帽、弹簧、应力环、垫片，另一头蘸取热熔胶伸入孔内进行锚固。
39.步骤5：锚杆预应力施加。
40.拧动螺帽，使其推动弹簧压紧垫片，实现预应力的施加。可以根据试验需求，通过计算弹簧压缩的长度来确定施加的预应力大小。
41.步骤6：实验加载，监测受力。
42.将引出的排线9连接到动态应变采集仪12，数据线13连接动态应变采集仪12和电脑14，启动动态应变采集仪12和电脑14，然后开始加载，监测整个模型试验加载过程中锚杆受力情况。
43.步骤7：实验结果分析。
44.根据实验结果中监测记录的锚杆受力数据，结合实际分析研究工程中预应力锚杆破断的原因。
45.基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。