锚固结构面尺寸效应剪切试验设计方法与流程

本发明属于室内物理力学试验技术领域，涉及一种基锚固结构面尺寸效应剪切试验设计方法。

背景技术：

近几十年，随着我国经济快速发展，大型工程建设项目越来越多，如水电工程、深部资源开采、地下水封石油库以及核电工程等。由于自然界岩体中常常发育有较多的结构面，这些工程带来经济效益和高质量生活的同时也存在极大的安全隐患，尤其是高陡岩质边坡，滑坡问题严重影响了人民的生命和财产安全。工程实践表明：高陡岩质边坡的滑坡失稳是由结构面控制，当结构面的抗滑力小于其下滑力时，将会产生滑坡地质灾害。为了提高边坡的稳定性，增大其安全系数，工程中普遍采用锚杆加固结构面。锚固作为岩体支护的主要手段之一，锚杆对岩体的加固效果往往十分明显。锚杆对高陡岩质边坡的加固作用主要发挥了锚杆的抗拉强度和横向抗剪强度。而后者在前几十年的研究中一直被忽略了，至少近几年才有学者发现锚杆的横向抗剪强度能达到其抗拉强度的70-80％，在锚杆对结构面抗剪强度的贡献中占较大比重。因此，锚杆及水泥浆对结构面的锚固机理目前为止尚不明确。许多学者通过室内试验的方法来研究锚固结构面的抗剪强度，来为高陡岩质边坡的锚固设计提供依据，采用的是小直径锚杆加固的小尺寸结构面；而工程现场需要大直径锚杆来加固大尺寸结构面，尺寸效应问题尤其重要；变量较多，包含锚杆直径、间排距、结构面尺寸等，因此通过室内小尺寸锚固结构面剪切试验来得到现场大尺寸锚固结构面抗剪强度是不准确的、不科学的，较大的偏差将会导致安全隐患和材料的浪费等问题。

技术实现要素：

为了克服已有技术通过室内小尺寸锚固结构面剪切试验来得到现场大尺寸锚固结构面抗剪强度存在的不准确、不科学、较大的偏差将会导致安全隐患和材料的浪费的不足，本发明提供了一种锚固结构面尺寸效应剪切试验设计方法，能解决锚固结构面的尺寸效应问题，提高了结构面抗剪强度取值的准确性和科学性，提高了高陡岩质边坡的安全系数，同时避免了锚固设计不合理造成的材料浪费问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种锚固结构面尺寸效应剪切试验设计方法，包括以下步骤：

1)按照室内试验原则制备混凝土试样，试样为长方体，锚杆直径为d，间排距为d，结构面尺寸为l；

2)利用大型直剪仪对试样进行直剪试验，试验过程中监测剪应力和位移信息，并利用计算机分析得到锚固结构面的抗剪强度；

3)依次扩大结构面尺寸，分别制备尺寸为nl锚固结构面混泥土试样，n为正整数，且2≤n≤5，重复步骤2)依次得到锚固结构面的抗剪强度，利用matlab软件进行数据拟合分析，得到锚固结构面的抗剪强度与其尺寸的函数关系式，如下，

τ＝f(xl)(1)

式中，xl为锚固结构面的尺寸、τ为锚固结构面的抗剪强度；

4)依次扩大锚杆间排距，分别制备间排距为nd和尺寸为5l锚固结构面混泥土试样，重复步骤2)依次得到锚固结构面的抗剪强度，利用matlab软件进行数据拟合分析，得到锚固结构面的抗剪强度与锚杆间排距的函数关系式，如下，

τ＝f(xd)(2)

式中，xd为锚杆间排距、τ为锚固结构面的抗剪强度；

5)依次扩大锚杆直径，分别制备直径为nd、间排距为5d、尺寸为5l锚固结构面混泥土试样，重复步骤2)依次得到锚固结构面的抗剪强度，利用matlab软件进行数据拟合分析，得到锚固结构面的抗剪强度与锚杆直径的函数关系式，如下，

τ＝f(xd)(3)

式中，xd为锚杆直径、τ为锚固结构面的抗剪强度；

6)利用matlab软件对上述三个函数关系式进行数学分析，即得到锚固结构面抗剪强度与尺寸、间排距和直径的函数关系式；

τ＝f(xl,xd,xd)(4)

7)利用函数关系式(4)即进行高陡岩质边坡的锚固参数设计。

进一步，所述锚杆直径为d、间排距为d、结构面尺寸为l均与高陡岩质边坡工程现场有关，将真实的锚固结构面相应参数进行了缩尺处理，比例尺系数为0.1。

再进一步，所述步骤2)中，所述剪应力应变均通过光纤光栅传感器监测得到的应力应变获得。

本发明的有益效果主要表现在：能解决锚固结构面的尺寸效应问题，提高了结构面抗剪强度取值的准确性和科学性，提高了高陡岩质边坡的安全系数，同时避免了锚固设计不合理造成的材料浪费问题；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；

图2是本发明的锚固结构面剪切试验设计流程图。

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和图2，一种锚固结构面尺寸效应剪切试验设计方法，以5个不同的锚杆直径为d、间排距为d、结构面尺寸l为例，所述方法包括以下步骤：

1)按照室内试验原则制备混凝土试样，试样为长方体，立体图如图1所示，平面图如图2(a)所示，锚杆直径为d，间排距为d，结构面尺寸为l；

2)利用大型直剪仪对试样进行直剪试验，试验过程中监测剪应力、位移等信息，并利用计算机分析得到锚固结构面的抗剪强度；

3)依次扩大结构面尺寸，分别制备尺寸为nl锚固结构面混泥土试样，n为正整数，且2≤n≤5，如图2(b)，重复步骤2)依次得到锚固结构面的抗剪强度，利用matlab软件进行数据拟合分析，得到锚固结构面的抗剪强度与其尺寸的函数关系式，如下，

τ＝f(xl)(1)

式中，xl为锚固结构面的尺寸、τ为锚固结构面的抗剪强度；

4)依次扩大锚杆间排距，分别制备间排距为nd和尺寸为5l锚固结构面混泥土试样，如图2(c)，重复步骤(2)依次得到锚固结构面的抗剪强度，利用matlab软件进行数据拟合分析，得到锚固结构面的抗剪强度与其锚杆间排距的函数关系式，如下，

τ＝f(xd)(2)

式中，xd为锚杆间排距、τ为锚固结构面的抗剪强度；

5)依次扩大锚杆直径，分别制备直径为nd、间排距为5d、尺寸为5l锚固结构面混泥土试样，如图2(d)，重复步骤2)依次得到锚固结构面的抗剪强度，利用matlab软件进行数据拟合分析，得到锚固结构面的抗剪强度与其锚杆直径的函数关系式，如下，

τ＝f(xd)(3)

式中，xd为锚杆直径、τ为锚固结构面的抗剪强度；

6)利用matlab软件对上述三个函数关系式进行数学分析，即可得到锚固结构面抗剪强度与尺寸、间排距和直径的函数关系式；

τ＝f(xl,xd,xd)(4)

7)利用函数关系式(4)即可进行高陡岩质边坡的锚固参数设计。

进一步，所述锚杆直径为d、间排距为d、结构面尺寸为l均与高陡岩质边坡工程现场有关，将真实的锚固结构面相应参数进行了缩尺处理，比例尺系数为0.1。

所述步骤2)中，所述剪应力应变均通过光纤光栅传感器监测得到的应力应变获得。

本实施例能解决锚固结构面的尺寸效应问题，提高了结构面抗剪强度取值的准确性和科学性，提高了高陡岩质边坡的安全系数，同时避免了锚固设计不合理造成的材料浪费问题；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。