一种摩擦型锚杆锚固体安全性试验方法及装置与流程

本发明涉及地下岩石工程，尤其是深埋地下工程的摩擦型锚杆锚固体的安全性试验方法。
背景技术：
：为了保证地下洞室的稳定，需要对围岩进行加强支护，但随着工程埋深的不断增加和地下工程领域的不断扩张，水电、核废料存储、石油储备等地下工程对支护的安全性要求也越来越高，支护系统不仅能够保证施工期的围岩稳定，同时还需要解决围岩的长期安全问题。锚杆支护属于主动支护，锚杆支护的作用主要有悬吊作用、组合梁作用、加固拱作用和楔固作用等，可以充分利用围岩的自承能力，提高隧洞围岩的稳定性，将荷载体变为承载体。随着支护技术的不断基本，在围岩支护工程中对锚杆类型进行不断优化，目前国内外使用的锚杆种类已有数百种之多，在工程中常用的锚杆按其锚固方式可分为机械锚固、粘结锚固和摩擦锚固。摩擦式锚杆的承载能力较低，支护强度弱，但其延性好，可屈服，吸能效果好，在应对岩爆冲击时可有效缓冲能量，另外，其施工速度快，技术成熟，锚杆可在安装后立即发挥作用，保证支护的及时性。随着工程对安全性的要求越来越高，摩擦式锚杆的安全性也愈加重要。地下工程锚杆类型的选择需要同时考虑施工速度和锚杆性能两个因素，摩擦型锚杆施工速度快，能够快速发挥支护作用，但其本身力学性能较弱，支护强度低，安装质量难以得到控制，因此其锚固力和支护效果很难得到保证。根据摩擦型锚杆的特性及其决定的使用条件，当地下洞室岩体破裂严重或者存在岩爆风险时，摩擦型锚杆加固形成的锚固体的效果以及承载力不足可能难以满足设计的要求，但目前缺少了解摩擦型锚杆的实际锚固强度的试验方法，也就无法提供直接的评价依据。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种摩擦型锚杆锚固体安全性试验方法，目的是评价锚固体实际承担的围岩变形和荷载变化的能力，揭示锚杆应力与锚固系统安全之间的关系，判断摩擦型锚杆作为支护结构的合理性，了解工程中可能出现的锚杆应力超限的真实指标，并且可以在必要时帮助建立新的锚固体安全性评价指标，为工程验收时的安全评价提供依据。本发明实现上述目的所采用的技术方案是：一种摩擦型锚杆锚固体安全性试验方法，包括以下步骤：(1)选取试验样块并配备锚杆；(2)安装测试元件，所述的测试元件包括应变计；(3)计算加载过程中水泥砂浆的全应力张量；(4)进行锚固体安全性试验，计算得到锚杆应力、水泥砂浆应力，评估两者的安全性。在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：所述步骤(1)中的试验样块的要求是：试验样块是与现场围岩条件相同的大尺度岩块，或者，试验样块是与现场围岩强度保持一致的混凝土试块。所述步骤(1)中的锚杆长度大于1.5m，灌注砂浆类型和配比与现场保持一致。所述步骤(2)中的应变计采用单片应变计顺轴向粘贴，并布置在试验样块的相同高度处。所述步骤(2)中的测试元件还包括预埋在水泥砂浆内的应变砖，应变砖上环向等间距地布置三组应变花，每个应变花包括四个应变片，三组应变花在圆筒上均匀布置且互成120°夹角。所述步骤(3)中计算全应力张量的过程是：在应变砖上嵌固的3组应变花，序号用i表示，对应的极角为θi；每组应变花由4个应变片组成，用序号用j表示，对应的角度为ψij；根据应变观测值εk与岩体应力状态的关系，可得到下列观测值方程组(式1)：Eεk＝Ak1σx+Ak2σy+Ak3σz+Ak4τxy+Ak5τyz+Ak6τzx(式1)，式中：k＝4(i-1)+j,i＝1～3,j＝1～4式中K1、K2、K3为应变花并非直接粘贴在钻孔岩壁上的修正系数，它们根据钻孔半径R、岩石(或者混凝土)的弹性模量E、泊松比μ和水泥砂浆的弹性模量E1、泊松比μ1按下列计算确定：K1＝2d1(1-μμ1)(1-μ1)+μμ1K2＝d2+d3μ1/R2+d4/R4K3＝μ1-2d1(μ1-μ)(1-μ1)/μ式中：d1＝1/2(1-μ1)d2＝(1+χ1)/Dd3＝-4R2(1+χ1)/Dd4＝3R2(1+χ1)/DD＝(1+χ1)2ζ＝G1/G＝[E1(1+μ)]/[E(1+μ1)]χ＝3-4μ,χ1＝3-4μ1应变砖一次测量可获得12个观测值方程，解6个应力分量的未知量，利用最小二乘法原理，得到求解应力分量最佳值的正规方程组(式2)，即可获得水泥砂浆的全应力张量；所述锚固体安全性试验具体包括以下步骤：在大尺度岩块或者混凝土试块中钻孔，并灌注水泥砂浆，在钻孔中埋设应变砖和应变计，将黏贴有应变计的锚杆放入钻孔中，控制应变砖和应变计在同一水平线，在岩块中间位置两侧布置千斤顶，利用千斤顶对岩块施加荷载(为了保证岩块的完整，可以增加承压钢板)直至锚杆与砂浆脱离，记录下此时的千斤顶读数、锚杆应变计读数和砂浆应变砖读数，计算得到锚杆应力、水泥砂浆应力，评估两者的安全性。本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种摩擦型锚杆锚固体安全性试验装置，包括试验样块，所述试验样块为取自现场的岩块或模拟现场的混凝土试块，所述试验样块的中部设有钻孔，所述钻孔内布置待试验的摩擦型锚杆，所述摩擦型锚杆上设有应变计，所述摩擦型锚杆和所述试验样块之间采用水泥砂浆灌注填充，所述的水泥砂浆内预埋有应变砖，所述应变计和应变砖位于同一水平线上，所述摩擦型锚杆两侧的试验样块中开凿出一定的空间，该空间内安装有千斤顶，所述千斤顶上方设有承压钢板。在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：所述应变计为单片应变片，所述单片应变片布置在所述试验样块的相同高度处并沿所述摩擦型锚杆的轴向粘贴在其外表面上。所述应变砖上等间距环向布置四组应变花，每个应变花包括四个应变片，每个应变片之间的角度为45°，应变花在锚杆杆体上均匀布置，互成120°角。本发明的有益效果是：本发明提供的试验方法和装置，能够直接测量锚杆、水泥砂浆形成的锚固体实际承担的岩体变形和荷载变化的能力，了解摩擦型锚杆的实际锚固强度，明确锚杆与水泥砂浆之间的荷载分配关系，确定锚杆超限荷载，能够帮助建立锚杆体安全性评价体系，为工程设计和安全评价提供依据。附图说明图1是本发明的装置的整体结构图。图2是本发明的应变砖的细节图。具体实施方式实施例1，摩擦型锚杆锚固体安全性试验装置，参照附图1-2。本发明的一种摩擦型锚杆锚固体安全性试验装置，包括试验样块1，所述试验样块1为取自现场的岩块或模拟现场的混凝土试块，如果是取自现场的岩块，则需要准备与现场围岩条件相同的大尺度岩块，岩块尺度推荐为1.0m×1.0m×0.5m(高×宽×长)，如果难以获得与现场围岩条件相同的岩块，可以采用混凝土试块代替，但强度要与现场围岩强度尽量保持一致，以便更加准确地反映现场实际情况。所述试验样块1的中部设有钻孔2，钻孔2上方覆盖有垫板3，钻孔2内布置待试验的摩擦型锚杆4，锚杆4的长度要超过1.5m，摩擦型锚杆4上设有应变计5，摩擦型锚杆4和试验样块1之间采用水泥砂浆6灌注填充，灌注砂浆的类型与配比等与现场严格一致，即保证锚固体的真实性。由于摩擦型锚杆主要作用对象为灌注在钻孔内的砂浆，因此砂浆的受力状态需要重点关注，为了测量砂浆体内的应力状态，需要在砂浆内预埋应变砖，所述的水泥砂浆6内预埋有应变砖8，应变砖8和应变计5位于同一水平线上，摩擦型锚杆4两侧的试验样块中开凿出一定的空间，该空间内安装有千斤顶9，千斤顶9的上方设有承压钢板10。应变计5为单片应变片，所述单片应变片布置在所述试验样块1的相同高度处并沿所述摩擦型锚杆4的轴向粘贴在其外表面上。应变砖8上等间距环向布置四组应变花7，每个应变花7包括四个应变片，应变花7在锚杆杆体上均匀环向布置，互成120°角。实施例2，摩擦型锚杆锚固体安全性试验方法。本发明的摩擦型锚杆锚固体安全性试验方法，包括以下步骤：(1)材料准备按照实施例1的结构布置试验装置，本实施例的试验方法应用实施例1的试验装置。准备与现场围岩条件相同的大尺度岩块，岩块尺度推荐为1.0m×1.0m×0.5m(高×宽×长)，如果难以获得与现场围岩条件相同的岩块，可以采用混凝土试块代替，但强度要与现场围岩强度尽量保持一致，以便更加准确地反映现场实际情况。锚杆长度要超过1.5m，灌注砂浆类型与配比等与现场严格一致，即保证锚固体的真实性。(2)测试元件安装测试元件主要为应变计，其中锚杆上的应变计采用单片应变计顺轴向粘贴，并在岩块或者混凝土试块相同高度处布置应变计。由于摩擦型锚杆主要作用对象为灌注在钻孔内的砂浆，因此砂浆的受力状态需要重点关注。为了测量砂浆体内的应力状态，需要在砂浆内预埋应变砖，应变砖上等间距布设3组应变花，每个应变花由4个应变片组成，应变花在圆筒上均匀布置，互成120°角，以获得加载过程中水泥砂浆的全应力张量。在应变砖上嵌固的3组应变花，序号用i表示，对应的极角为θi；每组应变花由4个应变片组成，用序号用j表示，对应的角度为ψij。根据应变观测值εk与岩体应力状态的关系，可得到下列观测值方程组：Eεk＝Ak1σx+Ak2σy+Ak3σz+Ak4τxy+Ak5τyz+Ak6τzx式中：k＝4(i-1)+j,i＝1～3,j＝1～4式中K1、K2、K3为应变花并非直接粘贴在钻孔岩壁上的修正系数，它们根据钻孔半径R、岩石(或者混凝土)的弹性模量E、泊松比μ和水泥砂浆的弹性模量E1、泊松比μ1按下列计算确定：K1＝2d1(1-μμ1)(1-μ1)+μμ1K2＝d2+d3μ1/R2+d4/R4K3＝μ1-2d1(μ1-μ)(1-μ1)/μ式中：d1＝1/2(1-μ1)d2＝(1+χ1)/Dd3＝-4R2(1+χ1)/Dd4＝3R2(1+χ1)/DD＝(1+χ1)2ζ＝G1/G＝[E1(1+μ)]/[E(1+μ1)]χ＝3-4μ,χ1＝3-4μ1应变砖一次测量可获得12个观测值方程，解6个应力分量的未知量，利用最小二乘法原理，得到求解应力分量最佳值的正规方程组，即可获得水泥砂浆的全应力张量。Σk=1nAk12Σk=1nAk1Ak2...Σk=1nAk1Ak6Σk=1nAk2Ak1Σk=1nAk22...Σk=1nAk2Ak6MMMMMMMMMMMMΣk=1nAk6Ak1Σk=1nAk6Ak2...Σk=1nAk62·σxσyσzτxyτyzτzx=EΣk=1nAk1ϵkΣk=1nAk2ϵkMMMΣk=1nAk6ϵk,]]>式中的D，ξ，χ，χ1以及M没有具体含义，其设置的作用是为了简化公式，作为公式中一个设定量，用以公式的过渡。(3)锚固体安全性试验在大尺度岩块或者混凝土试块的钻孔中灌注水泥砂浆，并在其中埋设应变砖和应变计，将黏贴有应变计的锚杆放入钻孔中，尽量将应变砖和应变计控制在同一水平线，锚杆底部距离岩块底部大约10cm，顶部出露大约30cm，在岩块中间位置两侧凿出能够布置千斤顶的空间，利用千斤顶对岩块施加荷载(为了保证岩块的完整，可以增加承压钢板)直至锚杆与砂浆脱离，记录下此时的千斤顶读数、锚杆应变计读数和砂浆应变砖读数，计算得到锚杆应力、水泥砂浆应力，评估两者的安全性。当前第1页1 2 3