基于大型足尺试验的锚固结构面尺寸阈值确定方法与流程

本发明属于室内物理力学试验技术领域，涉及一种基于大型足尺试验的锚固结构面尺寸阈值确定方法。

背景技术：

我国经济的快速发展离不开大型工程项目的支撑，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。结构面普遍存在于工程岩体中，岩体中块体常常沿着结构面发生剪切滑移或错动，导致工程岩体的稳定性和整体性降低，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。锚杆可以限制块体的层间错动或滑移，提高岩体的稳定性，现已广泛用于节理岩体锚固领域。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。目前采用的缩尺试验往往会造成尺寸效应问题，使得到的锚杆抗力贡献不准确，降低了矿山边坡的稳定性；而人为提高安全系数又必然会造成材料浪费，加大生产成本。而由于尺寸效应的存在，锚杆增加到一定数量后，每根锚杆提供的抗力贡献基本一致，此时对应的锚固结构面尺寸即为阈值，尺寸超过阈值会导致重复性试验，造成材料浪费的同时也增加了试验的安全隐患。因此，进行大型足尺试验并从锚杆抗力贡献的角度确定锚固结构面的尺寸阈值非常有必要。

技术实现要素：

为了克服现有锚固结构面试验存在的造成材料浪费的同时也增加了试验的安全隐患的问题，本发明提供一种基于大型足尺试验的锚固结构面尺寸阈值确定方法，进行的大型足尺试验能避免室内试验到工程现场的尺寸效应问题，提高了试验结果的可靠性和科学性；同时为锚固结构面剪切试验提供了尺寸阈值，避免过多重复性试验造成人力和物力的浪费，为露天矿山边坡加固设计提供科学依据，提高了矿山的安全高效性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于大型足尺试验的锚固结构面尺寸阈值确定方法，包括以下步骤：

1)制作锚固结构面混凝土足尺试样，试样为长方体，试样的长、宽、高分别为l、w、h，在宽度方向上布置锚杆的单列数量分别为m根；

2)利用大型直剪仪对含单列锚杆的试样进行足尺直剪试验，采用位移加载，所施加的法向应力为σ，试验过程中利用光纤光栅解调仪实时监测试样中的剪切应力和位移，并利用matlab软件对数据进行处理，得到锚固结构面的抗剪强度；

3)按照公式(1)计算得到单根锚杆抗力贡献，

式中，t为单根锚杆抗力贡献，τ为锚固结构面的抗剪强度，σ为锚固结构面的法向应力，为结构面的内摩擦角，m为宽度方向上锚杆的数量，n为剪切方向上锚杆的数量，m、n为正整数，其取值满足m≤3，n≥5；

4)依次增加试样剪切方向上的锚杆数量，重复步骤2)依次计算得到单根锚杆的抗力贡献，以t变量、n为自变量形成多组数据；

5)利用matlab软件对上述多组数据进行非线性拟合，当拟合线上的相邻数据点满足公式(2)时，所对应的锚固结构面的尺寸即为尺寸阈值，利用尺寸阈值进行边坡锚固设计，

tn-tn+1≤50kpa(1)

式中，tn为布置n列锚杆时单根锚杆抗力贡献，tn+1为布置n+1列锚杆时单根锚杆抗力贡献。

进一步，所述步骤1)中，锚杆的直径和间排距表1所示：

表1；

所述步骤4)中，按照表1的规范依次增加试样剪切方向上的锚杆数量。

再进一步，锚杆到边界的距离应不小于0.5m；该优化方案可以避免边界效应。

本发明的有益效果主要表现在：提高了试验结果的可靠性和科学性；同时为锚固结构面剪切试验提供了尺寸阈值，避免过多重复性试验造成人力和物力的浪费，为露天矿山边坡加固设计提供科学依据，提高了矿山的安全高效性。

附图说明

图1是本发明的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1，一种基于大型足尺试验的锚固结构面尺寸阈值确定方法，包括以下步骤：

1)制作锚固结构面混凝土足尺试样，试样为长方体，试样的长、宽、高分别为l、w、h，在宽度方向上布置锚杆的数量(单列)分别为m，如图1所示，锚杆的直径和间排距表1所示；

表1；2)利用大型直剪仪对含单列锚杆的试样进行足尺直剪试验，采用位移加载，所施加的法向应力为σ，试验过程中利用光纤光栅解调仪实时监测试样中的剪切应力和位移，并利用matlab软件对数据进行处理，得到锚固结构面的抗剪强度；

3)按照公式(1)计算得到单根锚杆抗力贡献，

式中，t为单根锚杆抗力贡献，τ为锚固结构面的抗剪强度，σ为锚固结构面的法向应力，为结构面的内摩擦角，m为宽度方向上锚杆的数量，n为剪切方向上锚杆的数量，m、n为正整数，其取值应满足m≤3，n≥5；

4)按照表1的规范依次增加试样剪切方向上的锚杆数量，重复步骤(2)依次计算得到单根锚杆的抗力贡献，以t变量、n为自变量形成多组数据；

5)利用matlab软件对上述多组数据进行非线性拟合，当拟合线上的相邻数据点满足公式(2)时，所对应的锚固结构面的尺寸即为尺寸阈值，利用尺寸阈值进行边坡锚固设计，

tn-tn+1≤50kpa(1)

式中，tn为布置n列锚杆时单根锚杆抗力贡献，tn+1为布置n+1列锚杆时单根锚杆抗力贡献。

进一步，为避免边界效应，锚杆到边界的距离应不小于0.5m。

与现有技术相比，本发明进行的大型足尺试验能避免室内试验到工程现场的尺寸效应问题，提高了试验结果的可靠性和科学性；同时为锚固结构面剪切试验提供了尺寸阈值，避免过多重复性试验造成人力和物力的浪费，为露天矿山边坡加固设计提供科学依据，提高了矿山的安全高效性。