锚固结构面剪切试验最小试样确定方法与流程

本发明属于室内物理力学试验技术领域，涉及一种锚固结构面剪切试验最小试样确定方法。

背景技术：

近些年来，伴随着我国经济快速发展，一些关系到国计民生的大型建设项目如中西部大型水电工程、高速公路和高速铁路、深部资源开采、战略石油储备以及核电工程等相继实施，工程区岩体的稳定性及灾变问题相当突出，尤其大型露天矿山边坡的滑坡地质灾害，轻则严重影响生产，重则造成人员伤亡和设备及矿产资源的重大损失。锚固技术是岩土工程加固的一种重要手段，以其独特的加固效益、便捷的施工工艺和相对低廉的经济造价在岩石工程领域得到大力发展和广泛使用。然而，由于锚固理论的研究一直落后于工程实践，工程实践仍采用工程类比法或半理论半经验方法，现有的计算分析模型存在理论与实际情况出入较大，甚至出现设计理论在很大程度上不能反映锚固内在力学机制的问题，这种现象在锚固结构面受剪切作用方面尤为明显。目前一些学者采用大尺寸混凝土或岩石试件(结构面尺寸介于30cm×30cm和30cm×80cm范围)和高强度钢筋(直径8～40mm)开展了单节理或双节理直剪试验，但是锚杆加固对结构面有较大的影响范围，上述试验研究忽略了边界效应。试样尺寸过小，会出现较大的边界效应，影响应力应变的传递和扩散，造成试验结果不准确；试样尺寸过大，则会造成试验困难及材料的浪费。因此，从边界效应的角度得出锚固结构面剪切试验的最小单元尺寸非常有必要。

技术实现要素：

为了克服已有锚固结构面剪切试验的无法兼顾试验结果准确性和试验困难及材料的浪费的不足，本发明提供了一种锚固结构面剪切试验最小试样确定方法，能避免边界效应的影响，提高了试验结果的准确性和科学性，同时又能避免试样尺寸过大造成材料浪费，为锚固结构面剪切试验的设计提供科学依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种锚固结构面剪切试验最小试样确定方法，包括以下步骤：

1)按照室内试样相似比原则制作混凝土试样，试样为长方体，试样的长、宽、高与锚杆的直径要满足公式(1)，

式中，l为试样的长度、w为试样的宽度、h为试样的高度、d为锚杆的直径；

2)在混凝土试样制作过程中插入光滑塑料管，同时均匀埋入耐高温高压多功能光纤光栅传感器来监测应力应变，将试样进行养护；

3)拔出塑料管，插入一根直径为d锚杆并注入水泥浆，在锚杆表面均匀布置耐高温高压多功能光纤光栅传感器，将试样进行养护；

4)利用大型直剪仪对试样进行直剪试验，试验过程中利用光纤光栅传感器实时监测试样中的应力应变信号，并将信号传输到计算机中；

5)利用matlab软件对应力应变信号进行数学处理，得到整个试样的三维应力应变云图，进行切片分析即得到锚杆对试样的应力影响范围，在长、宽、高三个方向上分别为l1、w1、h1，即为锚固结构面剪切试样的最小单元尺寸；

6)利用数值模拟分析对上述最小单元尺寸进行验证；

7)重复步骤1)—6)即得到多根锚杆加固的结构面剪切试验的最小试样，试样的长度l、宽度w、高度h与锚杆的直径要满足公式(2)，

式中，d为锚杆的间距，m为锚杆在长度方向的数量，n为锚杆在宽度方向的数量。

进一步，所述步骤3)中，锚杆直径d的范围为10-40mm，塑料管的直径为锚杆直径的2倍。

再进一步，所述步骤3)中，所述光纤光栅传感器均采用均匀布置，埋入混凝土中的间距为0.1-0.15m；贴在锚杆表面的间距为0.05-0.1m。

更进一步，所述步骤5)中，对应力应变信号进行数学处理的方法为插值法。

优选的，所述步骤5)中，应力应变信号包括剪应变、压应变、剪应力、压应力和锚杆所受剪力。

本发明的有益效果主要表现在：能避免边界效应的影响，提高了试验结果的准确性和科学性，同时又能避免试样尺寸过大造成材料浪费，为锚固结构面剪切试验的设计提供科学依据；对于大型露天矿山减少投资、降低生产成本、保证开采安全有着重要的意义；同时操作简便，费用较低，适用范围较宽。

附图说明

图1是本发明的锚固结构面剪切试样示意图，其中，(a)立体图；(b)正视图；(c)俯视图；

图2是本发明的锚杆对试样的应力影响范围云图；

图3是本发明的多根锚杆锚固结构面剪切试样示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种锚固结构面剪切试验最小试样确定方法，包括以下步骤：

1)按照室内试样相似比原则制作混凝土试样，试样为长方体，尺寸如图1所示，试样的长、宽、高与锚杆的直径要满足公式(1)，

式中，l为试样的长度、w为试样的宽度、h为试样的高度、d为锚杆的直径；

2)在混凝土试样制作过程中插入光滑塑料管，同时均匀埋入耐高温高压多功能光纤光栅传感器来监测应力应变，将试样进行7天的养护；养护时间也可以选择其他时间，根据不同情况确定；

3)拔出塑料管，插入一根直径为d锚杆并注入水泥浆，在锚杆表面均匀布置耐高温高压多功能光纤光栅传感器，将试样进行7天的养护；养护时间也可以选择其他时间，根据不同情况确定；

4)利用大型直剪仪对试样进行直剪试验，试验过程中利用光纤光栅传感器实时监测试样中的应力应变信号，并将信号传输到计算机中；

5)利用matlab软件对应力应变信号进行数学处理，得到整个试样的三维应力应变云图，进行切片分析即得到锚杆对试样的应力影响范围，如图2所示，在长、宽、高三个方向上分别为l1、w1、h1，即为锚固结构面剪切试样的最小单元尺寸；

6)利用数值模拟分析对上述最小单元尺寸进行验证；

7)重复步骤1)—6)即可得到多根锚杆加固的结构面剪切试验的最小试样，锚杆布局如图3所示，试样的的长度l、宽度w、高度h与锚杆的直径要满足公式(2)，

式中，d为锚杆的间距，m为锚杆在长度方向的数量，n为锚杆在宽度方向的数量。

进一步，所述步骤3)中，锚杆直径d的范围为10-40mm，塑料管的直径为锚杆直径的2倍。

所述步骤3)中，光纤光栅传感器均采用均匀布置，埋入混凝土中的间距为0.1-0.15m；贴在锚杆表面的间距为0.05-0.1m。

所述步骤5)中，对应力应变信号进行数学处理的方法为插值法。

优选的，所述步骤5)中，应力应变信号包括剪应变、压应变、剪应力、压应力和锚杆所受剪力等。

本实施例的方法能避免边界效应的影响，提高了试验结果的准确性和科学性，同时又能避免试样尺寸过大造成材料浪费，为锚固结构面剪切试验的设计提供科学依据。