破碎围岩预应力锚注加固模拟试验装置及试验方法与流程

本发明涉及模拟试验技术，尤其涉及巷道围岩加固模拟试验技术。

背景技术：

目前，我国矿山巷道、工程隧道及其它地下工程大量使用注浆加固方法加固破碎围岩，以确保安全的工程施工条件。实践表明，向破碎围岩中注浆能够增强破碎围岩抵抗变形的能力，提高地下工程开挖的可靠性和安全性。因注浆工艺简单，注浆施工方便，注浆材料来源广泛，被大量工程使用。注浆材料是在破碎围岩中起充填和固结作用的主要物质，是影响加固效果的关键。针对水泥浆液自收缩引起注浆加固效果降低的问题，有人提出了在浆液中掺加膨胀剂的膨胀注浆材料。膨胀注浆材料能够促进水泥结石体的体积膨胀变大，从而产生对裂隙壁的挤压作用，由于相互作用力，裂隙壁对浆液也产生挤压力。这样在预应力锚杆的轴向预紧力的作用下，浆液结石体和围岩形成的加固结构处于三向受力状态，破碎围岩的强度得到大大提高。

为评价注浆加固效果和优化注浆设计参数，物理模拟是有效简便的测试方法之一。但是现有试验装置不能量化研究不同膨胀剂掺量的膨胀注浆材料所产生的膨胀应力大小，更不能研究浆液不同膨胀应力和锚杆不同预应力的组合作用对围岩加固效果的影响，所以必需发明一种满足三维预应力锚注加固围岩效果分析的模拟试验装置及试验方法。

技术实现要素：

为解决现有试验装置不能满足破碎围岩三维预应力锚注加固模拟实验的问题，本发明提供一种破碎围岩预应力锚注加固模拟试验装置，并提出基于该试验装置的试验方法。。

一种破碎围岩预应力锚注加固模拟试验装置，该装置由圆柱形容腔体、支撑架、注浆锚杆和注浆装置所组成；其特征在于，所述的圆柱形容腔体由刚性圆筒、盖板和底板组合而成；所述的刚性圆筒高度与注浆锚杆的长度相匹配，刚性圆筒由两个半圆槽合对而成，两个半圆槽的连接部位分别设有若干对相互对应的连接耳，两侧的连接耳对称布置，两个半圆槽通过连接耳用强力螺栓连接在一起；所述的盖板直径与刚性圆筒内径相匹配，盖板在刚性圆筒内可自由的移动；所述的底板直径等于或大于刚性圆筒外径，底板置于支撑架上并托住刚性圆筒；所述的盖板和底板上分别设有可插入注浆锚杆的中心孔；所述的注浆锚杆通过盖板和底板上的中心孔安装在刚性圆筒中；所述的强力螺栓选用几对作为测力的螺栓，测力的螺栓上设有螺栓紧固力检测装置，通过螺栓紧固力检测装置可以读出记录连接耳与螺栓之间的压力，进而可以推算出注浆后圆柱形容腔体内浆液的膨胀应力；所述的注浆锚杆的圆形托盘和紧固螺母之间设有螺母紧固力测试装置，通过螺母紧固力检测装置可以读出记录注浆锚杆的轴向压力，即注浆锚杆对圆柱形容腔体内碎石的压紧力。

进一步，为保证盖板与筒壁之间在不漏浆的情况下具有最小的摩擦力，当注浆锚杆施压时盖板可自由的移动，盖板边缘打磨光滑，筒壁涂抹有润滑油。

进一步，为保证底板与筒底部不相互错动，所述的支撑架设有一圈凸缘，底板与筒底置于凸缘中。

进一步，所述的注浆装置由注浆管路、注浆阀门、压力表、注浆泵、和浆液槽连接组成。

一种利用上述装置进行破碎围岩预应力锚注加固模拟试验方法，其特征在于步骤如下：

步骤一、实验准备

1、在要进行实验的巷道围岩中选取岩石制作试件，测试出岩石试件的单轴抗压强度，作为初始单轴抗压强度；再将岩石试件破碎成碎石待用；

2、将圆柱形容腔体的底板和刚性圆筒依次放置到支撑架上，将注浆锚杆底端插入底板的中心孔中并固定，将待用碎石填装到刚性圆筒中，捣固密实，盖上盖板并使注浆锚杆的锚固头露出，装上圆形托盘和紧固螺母；

3、同时，测力的螺栓上布置上螺栓紧固力检测装置，注浆锚杆的圆形托盘和紧固螺母之间布置上螺母紧固力测试装置；

4、根据设计的配比，在浆液槽中配制不同膨胀剂掺量的浆液，

步骤二、按照实验设计的注浆锚杆预紧力，转动注浆锚杆的紧固螺母，同时观察螺栓紧固力检测装置的数值，达到预紧力值时不再紧固；

步骤三、将注浆装置接通注浆锚杆，开动压力注浆泵，打开注浆阀门，对碎石的空隙进行注浆充填，待压力表达到设定的压力值时，停止注浆；

步骤四、观察记录每个螺栓紧固力检测装置上的读数，作为初始应力值；待浆液凝固后至规定的时间后，再读出记录每个螺栓紧固力检测装置上的数值，根该数值与初始应力值的差可以推算出浆液的膨胀应力；

步骤五、拆分圆柱形容腔体，取出凝结硬化的碎石试件，在碎石试件的不同位置钻取岩心，打磨成标准试件，进行单轴抗压试验，将该单轴抗压试验的单轴抗压强度与步骤一的初始单轴抗压强度进行对比；

步骤六、重复上述步骤，进行相同注浆材料条件下，不同锚杆预应力的多组实验，和相同锚杆预应力条件下，不同配比注浆材料的多组实验，最终评价出准三维预应力加固的效果和注浆材料膨胀应力对破碎围岩加固效果的影响。

本发明解决了破碎围岩三维预应力锚注加固模拟实验问题，通过多组试验，可以评价相同注浆材料条件下，不同锚杆预应力对破碎围岩加固效果的影响；也可以评价相同锚杆预应力条件下，不同配比的注浆材料膨胀应力对破碎围岩加固效果的影响。为我国矿山巷道、工程隧道及其它地下工程大量使用注浆加固方法加固破碎围岩，评价注浆加固效果和优化注浆设计参数，提供了科学理论依据。

本发明用简单的实验装置和方法解决了人们一直想解决的问题。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的整体示意图；

图2本发明实施例圆柱形容腔体的俯视图。

图中，1、刚性圆筒；2、盖板；3、底板；4、支撑架；5、连接耳；6、螺栓；7、螺栓紧固力检测装置；8、圆形托盘；9、螺母紧固力测试装置；10、紧固螺母；11、注浆管路；12、注浆阀门；13、压力表；14、注浆泵；15、浆液槽；16、浆液；17、碎石；18、注浆锚杆。

具体实施方式

如图1图2所示，一种破碎围岩预应力锚注加固模拟试验装置，该装置由圆柱形容腔体、支撑架4、注浆锚杆18和注浆装置所组成；其中，所述的圆柱形容腔体由刚性圆筒1、盖板2和底板3组合而成；所述的刚性圆筒1高度与注浆锚杆18的长度相匹配，刚性圆筒1由两个半圆槽合对而成，两个半圆槽的连接部位分别设有四对相互对应的连接耳5，两侧的连接耳5对称布置，通过连接耳5用螺栓6连接在一起，实施例以中间的两对螺栓作为测力的螺栓；所述的盖板2直径与刚性圆筒1内径相匹配，盖板2在刚性圆筒1内可自由的移动；所述的底板3直径等于或大于刚性圆筒1外径，底板3置于支撑架4上并托住刚性圆筒1；所述的盖板2和底板3上分别设有可插入注浆锚杆18的中心孔；所述的注浆锚杆18通过盖板2和底板3上的中心孔安装在刚性圆筒1中；在测力的螺栓上设有螺栓紧固力检测装置7，通过螺栓紧固力检测装置7可以读出记录连接耳5与螺栓6之间的压力，进而可以推算出圆柱形容腔体内浆液凝固后的膨胀应力；所述的注浆锚杆18的圆形托盘8和紧固螺母10之间设有螺母紧固力测试装置9，通过螺母紧固力检测装置9可以读出记录注浆锚杆18的轴向压力，即注浆锚杆18对圆柱形容腔体内碎石17的压紧力。

进一步，为保证盖板2与筒壁之间在不漏浆的情况下具有最小的摩擦力，当注浆锚杆18施压时盖板2可自由的移动，盖板2边缘打磨光滑，筒壁涂抹有润滑油。

进一步，为保证底板3与筒底部不相互错动，所述的支撑架4设有一圈凸缘，底板3置于凸缘中。

进一步，所述的注浆装置由注浆管路11、注浆阀门12、压力表13、注浆泵14、和浆液槽15连接组成。

一种利用上述装置进行破碎围岩预应力锚注加固模拟试验方法，其特征在于步骤如下：

步骤一、实验准备

1、在要进行实验的巷道围岩中选取岩石制作试件，测试出岩石试件的单轴抗压强度，作为初始单轴抗压强度；再将岩石试件破碎成碎石17待用；

2、将圆柱形容腔体的底板3和刚性圆筒1依次放置到支撑架4上，将注浆锚杆18底端插入底板3的中心孔中并固定，将待用碎石17填装到刚性圆筒1中，捣固密实，盖上盖板2并使注浆锚杆18的锚固头露出，装上圆形托盘8和紧固螺母10；

3、同时，测力的螺栓上布置上螺栓紧固力检测装置7，注浆锚杆18的圆形托盘8和紧固螺母10之间布置上螺母紧固力测试装置9；

4、根据设计的配比，在浆液槽15中配制不同膨胀剂掺量的浆液16，

步骤二、按照实验设计的注浆锚杆18预紧力，转动注浆锚杆18的紧固螺母10，同时观察螺栓紧固力检测装置7的数值，达到预紧力值时不再紧固；

步骤三、将注浆管路11接通注浆锚杆18，开动注浆泵14，打开注浆阀门12，对碎石17的空隙进行注浆充填，待压力表13达到设定的压力值时，停止注浆；

步骤四、观察记录每个螺栓紧固力检测装置7上的读数，作为初始应力值；待浆液16凝固后至规定的时间后，再读出记录每个螺栓紧固力检测装置7上的数值，根该数值与初始应力值的差可以推算出浆液16的膨胀应力；

步骤五、拆分圆柱形容腔体，取出凝结硬化的碎石试件，在碎石试件的不同位置钻取岩心，打磨成标准试件，进行单轴抗压试验，将该单轴抗压试验的单轴抗压强度与步骤一的初始单轴抗压强度进行对比；

步骤六、重复上述步骤，进行相同注浆材料条件下，不同锚杆预应力的多组实验，和相同锚杆预应力条件下，不同配比注浆材料的多组实验，最终评价出准三维预应力加固的效果和注浆材料膨胀应力对破碎围岩加固效果的影响。