一种考虑注浆压力的土质锚杆拉拔测试装置及测试方法与流程

本发明属于岩土锚固工程领域，具体涉及一种考虑注浆压力的土质锚杆拉拔测试装置及测试方法。

背景技术：

随着我国城市建设的蓬勃发展，锚固技术在岩土工程支护和加固过程中发挥了重要的作用。其中土层锚杆因其施工周期短、污染小、成本低且灵活性较强等优势在建筑、市政、水利以及交通等领域有着广泛的应用。

土层锚杆锚-土界面抗剪强度决定了锚固系统的锚固能力，而注浆压力对锚-土界面的抗剪强度具有较大影响。若土体存在不良裂缝，注浆压力较大时会导致不良裂缝继续扩展，土体产生较大的变形，影响锚固效果；若土体较为密实，注浆压力较小时，浆体渗透性较差，此时，浆体与土体的黏结强度无法得到保证，从而无法达到预期锚固强度。

若运用现场测试试验对改变灌浆压力时锚杆的锚固性能展开分析测试，存在试验成本较高、可重复性操作较差以及现场无关因素较难把控等诸多问题，而室内试验操作相对简单，试验变量可控，外界因素干扰较小，且能够随机安排试验变量。基于此针对性提出一种考虑注浆压力的土质锚杆拉拔测试装置及测试方法。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种考虑注浆压力的土质锚杆拉拔测试装置及测试方法。

本发明的技术方案是：一种考虑注浆压力的土质锚杆拉拔测试装置，包括试验机座，所述试验机座上设置有可拆卸的试样底座，所述试样底座上设置有容纳试验土样的土样容器，所述土样容器上端在注浆过程中设置有试样上盖，土样容器上端在拉拔试验过程中设置有试样帽，所述试验机座上还设置有进行升降驱动的电动升降缸，所述电动升降缸上设置有横梁，所述横梁下端设置有力传感器，所述传感器在注浆过程中与传力杆相连，传感器在拉拔试验过程中与锚杆夹具相连，所述试样上盖中设置有锚固预留孔，所述锚固预留孔处设置有注浆用的胶塞。

更进一步的，所述胶塞与注浆硬管相连，所述注浆硬管上依次设置有浆体流速调节器、浆体流量控制器，注浆硬管端部接入到注浆泵处，所述注浆泵通过运浆管与储浆室连通。

更进一步的，所述储浆室通过出浆管与水泥砂浆搅拌箱连通，所述水泥砂浆搅拌箱上设置有集料箱和集水箱，所述水泥砂浆搅拌箱中设置有电动搅拌机、搅拌室机座，所述水泥砂浆搅拌箱上还设置有气压泵。

更进一步的，所述水泥砂浆搅拌箱还设置有清洗组件，所述清洗组件包括与出浆管连通的清洁抽水泵，所述清洁抽水泵出水端通过清洗出水管、清洁出水阀门与集水箱连通。

更进一步的，所述注浆硬管处还设置有废料回收组件，所述废料回收组件包括与注浆硬管连通的废料回收管，所述废料回收管另一端与废料回收室连通。

更进一步的，所述试验土样中注浆后形成注浆体，所述试验机座中设置有向上顶起对注浆体施压的加压块。

更进一步的，所述电动升降缸处还设置有支撑插入到试验土样中钢筋的钢筋固定支架。

一种考虑注浆压力的土质锚杆拉拔测试装置的测试方法，包括以下步骤：

ⅰ.室内土样制备

将土样容器的试样底盖、土样空腔、锚固体预留钢管进行组装，然后采用分层击实的方法进行制样，最后在保证土样表面平整条件下将锚固体预留钢管抽出，盖上试样上盖；

ⅱ.安装土样

利用固定螺栓将装有试验土样的土样容器和试样底座固定在试验机座上，并在试样底座中心槽四周放置乳胶膜或滤纸；

ⅲ.安装钢筋

将带有注浆硬管的胶塞安放在试样上盖锚固体预留孔部位；然后利用钢筋固定支架固定钢筋，最后在胶塞上部依次安装传力杆以及力传感器，并将传感器固定在横梁上；

ⅳ.锚固体浆液制备

打开输料阀门，将备好的砂子和水泥依次倒入集料箱，待其全部落入水泥砂浆搅拌箱后，关闭输料阀门，启动电动搅拌机将水泥砂浆搅拌箱中的配合料搅至均匀后关闭电动搅拌机，然后在集水箱倒入相应质量的自来水，开启输水阀门，待水全部落入水泥砂浆搅拌箱后，关闭输水阀门；再次启动电动搅拌机，持续搅拌10分钟，最后打开出浆阀门，通过气压泵将水泥砂浆压入储浆室；

ⅴ.锚固体注浆

注浆时打开第一注浆阀门、进浆阀门、出浆阀门及第二注浆阀门后，启动抽浆泵和注浆泵并调节浆体流速调节器和浆体流量控制器进行注浆，注浆完成后，拔出注浆硬管并插入废料回收室，随后插入可伸缩振动棒进行振动密实，密实完成以后，密封胶塞；

ⅵ.浆液施压

通过装置总控表盘启动加压块对注浆体进行静态加压，静压力值通过传力杆传至力传感器，当静压力值满足试验所需时，系统自动停止加压并开启自动补偿机制，静置20min，此系统保证了注浆体所受压力始终保持设定值，之后关闭；

ⅶ.拉拔试验

试件达到养护龄期之后进行室内拉拔试验，首先依次拆卸传力杆、钢筋固定支架、胶塞以及试样上盖，同时将试样上盖替换成中心预留孔较大的试样帽，然后连接钢筋、锚杆夹具、力传感器，通过调整可调节支架，使钢筋与锚杆夹具刚好接触，进行拉拔试验；

ⅷ.拆卸试样及装置

试样破坏后，停止试验，保存数据，并对仪器构件按正确的顺序进行拆卸；

ⅸ.清洗装置

对装置进行整体清洗，便于下次测试使用。

优选的，注浆之前应在加压块以及预留孔侧壁上放置乳胶膜或滤纸，防止浆液在凝结过程中与加压块粘结。

优选的，钢筋底部与试样底座上部齐平，可通过钢筋固定支架进行标记调节实现；注浆时应多浇筑一部分，防止浆体在静压力作用下，导致形成的锚固体高度不足。

本发明在室内制作锚杆试样的过程中，考虑注浆压力，能较好的模拟注浆过程中浆液在土体中的渗透，挤密过程，使得室内试验测试更加接近于工程实践。本发明可以有效控制并监测注浆质量，还兼具试验操作简便，试验误差较小等优点。并且这种考虑注浆压力的锚杆拉拔试验适用范围较广，同样适用于砂层的渗透注浆，粘性土的挤密注浆等。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中土样空腔的结构示意图；

图3是本发明中环形击实锤的结构示意图；

图4是本发明中水泥砂浆搅拌室的结构示意图；

图5是本发明中储浆室的连接示意图；

图6是本发明中试样底座的结构示意图；

图7是本发明中环形击实锤的侧视图；

图8是本发明中钢筋固定支架的结构示意图；

图9是本发明中试验机座的连接示意图；

图10是本发明中锚杆夹具的拉拔示意图；

其中：

1集料箱2水泥砂浆搅拌箱

3电动搅拌机4搅拌室机座

5气压泵6集水箱

7清洁出水阀门8出浆阀门

9出浆管10清洗出水管

11清洁抽水泵12清洁注水阀门

13储浆室14通气孔

15第一注浆阀门16运浆管

17抽浆泵18注浆泵

19浆体流速调节器20浆体流量控制器

21注浆硬管22废料回收阀门

23废料回收管24废料回收室

25第二注浆阀门26力传感器

27传力杆28钢筋固定支架

29胶塞30注浆体

31钢筋32固定螺丝

33密封圈34土样容器

35试验土样36固定螺栓

37试样底座38乳胶膜或滤纸

39加压块40装置总控表盘

41调平螺母42横梁

43可调节支架44电动升降缸

45试验机座46数据连接线

47电脑48锚杆夹具

49试样帽50可伸缩振动棒

51环形击实锤

1-1输料管1-2输料阀门

6-1输水管6-2输水阀门

18-1进浆阀门18-2出浆阀门

34-1试样底盖34-2土样空腔

34-3试样上盖34-4锚固体预留钢管

37-1防呆扣37-2中心孔

48-1连接接头。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

如图1~10所示，一种考虑注浆压力的土质锚杆拉拔测试装置，包括试验机座45，所述试验机座45上设置有可拆卸的试样底座37，所述试样底座37上设置有容纳试验土样35的土样容器34，所述土样容器34上端在注浆过程中设置有试样上盖34-3，土样容器34上端在拉拔试验过程中设置有试样帽49，所述试验机座45上还设置有进行升降驱动的电动升降缸44，所述电动升降缸44上设置有横梁42，所述横梁42下端设置有力传感器26，所述传感器26在注浆过程中与传力杆27相连，传感器26在拉拔试验过程中与锚杆夹具48相连，所述试样上盖34-3中设置有锚固预留孔，所述锚固预留孔处设置有注浆用的胶塞29。

所述胶塞29与注浆硬管21相连，所述注浆硬管21上依次设置有浆体流速调节器19、浆体流量控制器20，注浆硬管21端部接入到注浆泵18处，所述注浆泵18通过运浆管16与储浆室13连通。

所述储浆室13通过出浆管9与水泥砂浆搅拌箱2连通，所述水泥砂浆搅拌箱2上设置有集料箱1和集水箱6，所述水泥砂浆搅拌箱2中设置有电动搅拌机3、搅拌室机座4，所述水泥砂浆搅拌箱2上还设置有气压泵5。

所述水泥砂浆搅拌箱2还设置有清洗组件，所述清洗组件包括与出浆管9连通的清洁抽水泵11，所述清洁抽水泵11出水端通过清洗出水管10、清洁出水阀门7与集水箱6连通。

所述注浆硬管21处还设置有废料回收组件，所述废料回收组件包括与注浆硬管21连通的废料回收管23，所述废料回收管23另一端与废料回收室24连通。

所述试验土样35中注浆后形成注浆体30，所述试验机座45中设置有向上顶起对注浆体30施压的加压块39。

所述电动升降缸44处还设置有支撑插入到试验土样35中钢筋31的钢筋固定支架28。

如图2所示，土样容器34包括试样底盖34-1、土样空腔34-2、试样上盖34-3、锚固体预留钢管34-4，土样填充在土样空腔34-2内壁和锚固体预留钢管34-4外壁之间的环形空间内。

如图3所示，环形击实锤51的外壁沿着土样空腔34-2内壁滑动，环形击实锤51内孔套在锚固体预留钢管34-4外滑动，同时有两个持握部能够对土样进行分层击实。

如图4所示，所述集料室1的输送端设置有输料阀门1-2，所述集水箱6的输送端设置有输水阀门6-2，同时，所述出浆管9处还设置有出浆阀门8，从而便于浆料的输出控制。

如图5所示，所述储浆室13的顶部设置有通气孔14，所述储浆室13的输出端设置有第一注浆阀门15，所述注浆泵18的输入端设置有进浆阀门18-1，所述注浆泵18的输出端设置有出浆阀门18-2。

所述注浆硬管21上设置有第二注浆阀门25，所述废料回收管23上设置有废料回收阀门22。

如图6所示，试样底座37的中部形成中心孔37-2，所述土样容器34外圈处形成通孔并通过固定螺栓36进行固定。

所述试样底座37与试验机座45的安装处还设置有防呆扣37-1，从而便于试样底座37的定位安装。

一种考虑注浆压力的土质锚杆拉拔测试装置的测试方法，包括以下步骤：

ⅰ.室内土样制备

将土样容器34的试样底盖34-1、土样空腔34-2、锚固体预留钢管34-4进行组装，然后采用分层击实的方法进行制样，最后在保证土样表面平整条件下将锚固体预留钢管34-4抽出，盖上试样上盖34-3；

ⅱ.安装土样

利用固定螺栓36将装有试验土样的土样容器34和试样底座37固定在试验机座45上，并在试样底座37中心槽四周放置乳胶膜或滤纸38；

ⅲ.安装钢筋

将带有注浆硬管21的胶塞29安放在试样上盖34-3锚固体预留孔部位；然后利用钢筋固定支架28固定钢筋31，最后在胶塞29上部依次安装传力杆27以及力传感器26，并将传感器26固定在横梁42上；

ⅳ.锚固体浆液制备

打开输料阀门1-2，将备好的砂子和水泥依次倒入集料箱1，待其全部落入水泥砂浆搅拌箱2后，关闭输料阀门1-2，启动电动搅拌机3将水泥砂浆搅拌箱2中的配合料搅至均匀后关闭电动搅拌机3，然后在集水箱6倒入相应质量的自来水，开启输水阀门6-2，待水全部落入水泥砂浆搅拌箱2后，关闭输水阀门6-2；再次启动电动搅拌机3，持续搅拌10分钟，最后打开出浆阀门8，通过气压泵5将水泥砂浆压入储浆室13；

ⅴ.锚固体注浆

注浆时打开第一注浆阀门15、进浆阀门18-1、出浆阀门18-2及第二注浆阀门25后，启动抽浆泵17和注浆泵18并调节浆体流速调节器19和浆体流量控制器20进行注浆，注浆完成后，拔出注浆硬管21并插入废料回收室24，随后插入可伸缩振动棒50进行振动密实，密实完成以后，密封胶塞29；

ⅵ.浆液施压

通过装置总控表盘40启动加压块39对注浆体30进行静态加压，静压力值通过传力杆27传至力传感器26，当静压力值满足试验所需时，系统自动停止加压并开启自动补偿机制，静置20min，此系统保证了注浆体30所受压力始终保持设定值，之后关闭；

ⅶ.拉拔试验

试件达到养护龄期之后进行室内拉拔试验，首先依次拆卸传力杆27、钢筋固定支架28、胶塞29以及试样上盖34-3，同时将试样上盖34-3替换成中心预留孔较大的试样帽49，然后连接钢筋31、锚杆夹具48、力传感器26，通过调整可调节支架43，使钢筋31与锚杆夹具48刚好接触，进行拉拔试验；

ⅷ.拆卸试样及装置

试样破坏后，停止试验，保存数据，并对仪器构件按正确的顺序进行拆卸；

ⅸ.清洗装置

对装置进行整体清洗，便于下次测试使用。

注浆之前应在加压块39以及预留孔侧壁上放置乳胶膜或滤纸38，防止浆液在凝结过程中与加压块39粘结。

钢筋31底部与试样底座37上部齐平，可通过钢筋固定支架28进行标记调节实现；注浆时应多浇筑一部分，防止浆体在静压力作用下，导致形成的锚固体高度不足。

实施例一

ⅰ.室内土样制备

制作试样时，首先需将试样底盖34-1、土样空腔34-2及锚固体预留钢管34-4进行组装；其次，待击实容器组装完成以后，采用分层击实的方法，将设定量的土放入击实容器中并利用环形击实锤51进行压实，达到本次压实的设定深度后停止击实，利用刮毛工具对压实后土样表面进行刮毛；再倒入一定量土，重复上述操作，直至土样制备完成。最后在保证土样表面平整条件下将锚固体预留钢管34-4抽出，盖上试样上盖34-3。此外为确保能顺利抽出钢管34-4而不破坏土样，土样击实试验开始之前应于锚固体预留钢管34-4外壁涂抹适量的凡士林。

ⅱ.安装土样

在试样底座37加压部位四周放置乳胶膜或滤纸38，以避免浆体与其相粘结，影响试验结果；将土样置于试样底座37，利用试样底座37与土样空腔34-2之间设置的防呆扣37-1进行对中；对中以后，通过固定螺栓36将土样容器34、试样底座37以及加压机座45紧密连接。其中，试样上盖34-3和试样底座37预留孔的大小与锚固体直径一致。另外，土样安装过程中应保证试样底座37的干燥洁净。

ⅲ.安装钢筋

首先将带有注浆硬管21的胶塞29安放在试样上盖34-3锚固体预留孔部位。其次，安插并固定钢筋31，钢筋固定支架28及胶塞29中心孔的设置保证了钢筋31始终处于竖直状态，另外钢筋固定支架28还兼有防止钢筋31因外力存在而发生位移作用。最后，安装传力杆27以及力传感器26。注意，传力杆27与力传感器26刚好接触但并不产生接触力。另外，为防止浆液渗出，注浆硬管21与胶塞29连接部位以及胶塞29与试样上盖34-3接触部位均设置了密封圈33。

ⅳ.锚固体浆液制备

准备灌浆配比原料，将称好的砂子和水泥依次倒入集料箱1，打开输料阀门1-2，原料通过输料管1-1进入水泥砂浆搅拌箱2，待原料全部落入水泥砂浆搅拌箱2以后关闭输料管阀门1-2，打开电动搅拌机3，需先将水泥和砂子搅拌均匀，随后关闭电动搅拌机3；其次于集水箱6倒入相应质量的自来水，打开输水阀门6-2，待集水箱6中的水全部流入水泥砂浆搅拌箱2以后关闭输水阀门6-2，再次启动电动搅拌机3，持续搅拌10分钟。注意，制备浆液之前，应关闭设备中的所有阀门开关，并需提前打开电动搅拌机3，将其转速调为中等，预热3分钟后关闭，再进行浆液制备。

ⅴ.锚固体注浆

打开出浆阀门8以及储浆室通气口14，利用气压泵5将搅拌箱2中的浆液泵入储浆室13，然后关闭储浆室通气口14以及出浆阀门8，打开第一注浆阀门15，启动抽浆泵17以及注浆泵18，开始注浆。值得注意的是，若搅拌箱2中的浆液富余，为防止浆液凝固，应关闭出浆阀门8，打开电动搅拌机3，使制浆系统处于持续工作状态；另外，注浆系统还设置有浆体流速调节器19及浆体流量控制器20，方便实时监测整个注浆过程中浆体的流速及流量，确保锚固体的注浆质量。注浆结束，关闭注浆系统，拔出注浆硬管21，并插入可伸缩振动棒50进行振动，密实完成以后，取出可伸缩振动棒50，密封胶塞。

ⅵ.浆液施压

打开加压系统，设置压力条件，系统自动加压并监测静压力，随着加压块39上升，浆液所受压力逐渐变大，待压力达到目标值后系统自动停止加压并开启自动补偿机制，使注浆体所受压力保持设定值，静置20min（加压时间可依据试验需求自行设计）后卸压。此过程能较好的模拟注浆过程中浆液在土体中的渗透，挤密过程。

ⅶ.拉拔试验

试件达到养护龄期之后进行室内拉拔试验。首先依次拆卸传力杆27、钢筋固定支架28、胶塞29以及试样上盖34-3，同时将试样上盖34-3替换成中心预留孔较大的试样帽49；其次连接钢筋31、锚杆夹具48以及力传感器26，调整可调节支架43，使钢筋31与锚杆夹具48刚好接触；安装完成以后，启动位于可调节支架43两侧的电动升降缸44，给予可调节支架43一定的速度，使其带动横梁42匀速上升，横梁42通过力传感器26以及钢筋夹具48带动钢筋31向上移动，从而实现土层锚杆的拉拔过程。与此同时，试验机与电脑47通过数据线46相连接，整个拉拔试验过程中的数据通过数据采集器进行采集并最终传输到电脑47，供后期数据处理及分析。

ⅷ.拆卸试样及装置

试样破坏后，停止试验，保存数据。首先需启动电动升降缸44，降低可调节支架43，待钢筋31与连接接头48-1松动以后，关闭电动升降缸44。依次拆卸力传感器26、锚杆夹具48以及破坏后的试样。试样取下以后可利用电动脱模仪进行脱模，以方便后期拍照取证。

ⅸ.清洗装置

为防止浆液凝固，堵塞试验管路，造成试验装置的浪费，本发明还设置了清洗系统。清洗系统与水泥砂浆搅拌箱2共用一套集水箱6，清洗装置工作时，应打开制浆系统与注浆系统相应阀门开关，关闭通气口14，并将浆体流速调节器19以及浆体流量控制器20调至最大，打开抽水泵11、抽浆泵17以及注浆泵18，开始清洗。

气压泵5的主要作用除了将已搅拌均匀的水泥砂浆通过出浆管9送入储浆室13以外，还兼顾排水作用。清洗流程完成以后，装置中会残留一部分水，为避免造成对下次操作的影响，可以利用气压泵5将制浆系统、注浆系统以及浆液流量控制系统的水排净，并排入废料回收室24。

锚杆试样制备时应注意为了减少边界约束效应的影响，试验中所用试样直径与锚固体直径的比值应不小于5。

为了减少锚杆拉拔时试样帽49对试验结果的影响，试样帽49必须预留孔洞，孔洞直径大小根据试验需求设计。

注浆之前应在加压块39以及预留孔侧壁上放置乳胶膜或滤纸（38），防止浆体在凝固过程中与加压块39粘结；钢筋31底部应与试样底座37上部齐平，可通过钢筋固定支架28进行标记调节；注浆时应多浇筑一部分，防止浆体在静压力作用下，形成的锚固体高度不足。

静压力施加系统附带自动补偿机制，用以保证注浆体所受压力始终维持在设定值，确保试验变量的准确性和唯一性。

钢筋固定支架28为刚性，保证了在施加静压力过程中钢筋31不会晃动。

本发明在室内制作锚杆试样的过程中，考虑注浆压力，能较好的模拟注浆过程中浆液在土体中的渗透，挤密过程，使得室内试验测试更加接近于工程实践。本发明可以有效控制并监测注浆质量，还兼具试验操作简便，试验误差较小等优点。并且这种考虑注浆压力的锚杆拉拔试验适用范围较广，同样适用于砂层的渗透注浆，粘性土的挤密注浆等。