自膨胀锚固系统荷载平台效应的验证装置及方法

本发明涉及自膨胀锚固系统荷载平台效应的验证装置及方法，涉及能源、交通、水利等工程的锚固技术领域。

背景技术：

随着岩土工程的飞速发展，锚固技术已经成为其中的重要分支。广泛应用于边坡防护、基坑、隧道、坝体、码头、地铁、地下空间工程及拉力型基础等工程领域。

目前，针对如何提升锚固性能，增强锚杆极限抗拔力等方面已有相关技术发明，例如在《含frp约束环钢筋锚固性能试验》中提出了frp约束环对微膨胀灌浆料产生了一定的套箍作用，使得钢筋的粘结性能得到较大的提高，使得钢筋与灌浆料之间的锚固性能可以得到保证。但在该实验对试验构件的破坏形态以及应力应变曲线进行分析中并没有有效利用此应变曲线来改变微膨胀灌浆料的位置来增强钢筋与灌浆料之间的锚固性能。在《铁尾矿砂混凝土与hrb500钢筋固性能试验研究》中通过分析了不同锚固形式钢筋的受力特征，研究了铁尾矿砂混凝土强度、保护层厚度和锚固长度等因素对锚固性能的影响。其通过增加混凝土强度、保护层厚度和锚固长度，使锚固强度逐渐增大来提升锚固性能。但在机械锚固试件受力特征中分析其受力特征的第四阶段即屈服阶段中，并没有有效地利用屈服阶段中即拉力继续增大时，位移增长迅速，当钢筋屈服后拉拔力不再明显增长的机理来更有效提升锚固性能。在《增加锚杆抗拔力的好方法—端部增加钢板》研究中通过在锚杆端部增加钢板，可以在基本不增加成本前提下较大幅度地提高抗拔力。其研究将荷载通过钢板传递给底部浆体，使锚固体整段基本均匀受力，达到提高抗拔力的目的。但是在软弱地层中受软弱岩土体自身强度的限制，斜坡上某一部分岩土在重力作用下仅增加钢板依然会使得锚杆体系与软弱地层中的土层空隙大，聚合程度小，其原锚杆的拉拔力提升依然有很大的空间。

技术实现要素：

本发明的目的是提供自膨胀锚固系统荷载平台效应的验证装置及方法，本发明通过在水泥基锚固材料中膨胀剂，使得界面剪力大幅提升，进而导致抗拔力较普通锚固系统提升显著。结合自膨胀锚固拉拔曲线与动态ct了，扫描模型验证自膨胀锚固体存在“平台效应”。并通过调节锚固体的扩头位置来实现“荷载平台”调节，进而提升锚固性能。可有效弥补传统锚固技术的不足，具有广阔的运用前景及经济效益。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：自膨胀锚固系统荷载平台效应的验证装置，它包括两块平行布置的第一围压夹板和两块平行布置的第二围压夹板；第一围压夹板和第二围压夹板上都分别加工有多个均布的螺纹孔，成对布置的第一围压夹板以及第二围压夹板之间分别通过对拉的螺纹杆和螺母固定相连，并整体围成一个上、下不封顶的盒体结构；通过调节螺母对该装置施加相应压力以模拟真实的山体坡围岩压力环境。

所述第一围压夹板和第二围压夹板均采用碳纤维板制作而成。

所述螺纹杆采用螺纹锚杆或者非金属锚杆。

所述非金属锚杆包括玻璃纤维增强塑料锚杆或碳纤维锚杆。

实验过程中，采用全自动锚杆拉拔仪，测试条件皆由电脑设定，并可储存；通过电脑实时控制拉拔荷载，并记录拉拔位移对拉拔力进行精密控制。

全拉拔过程均在实时ct扫描机上完成，以便对自膨胀锚固系统每一时刻拉拔过程进行实时记录。

自膨胀锚固系统荷载平台效应的验证装置进行荷载平台效应的试验方法，包括以下步骤：

step1：按照岩样的大小制作相应的模具倒入水泥基锚固材料，同时在其中掺入断续的短纤维，搅拌混凝土让短纤维分布均匀，等待材料固化；

step2：采用冲击回转挤密钻进法，将冲击器安装在钻杆底部，冲击器装有挤密钻头，钻进时利用冲击器的冲击力将钻头击入岩样中；

step3：首先将第二围压夹板与岩样固定，将螺纹杆穿过前后夹板的螺纹孔并安装螺母，接着采用同样方式组装第一围压夹板。

step4：利用套筒扳手转动螺母使四块夹板不断向岩样挤压，边扭转扳手边观察ct扫描机上所显示的压力，以达到实验所需压力值；

step5：对锚固体的应力发育过程进行ct实时扫描观测，记录锚固体直径d在锚孔深度方向随时间的演化趋势，及纵向剖宽度b随时间的演化趋势；

step6：岩石试样拉拔装置完成后在锚杆尾部加上锚具垫板，将锚杆外端与全自动锚杆拉拔仪固定在一起，在控制台利用电脑控制拉拔仪，对拉拔全过程进行动态实时ct扫描，记录锚固体直径随拉拔荷载的变化规律；

step7：分析锚固体直径d在锚孔深度方向随时间的演化趋势，及纵向剖宽度b、横向剥直径d’随时间的演化趋势，以扫描得到的没加膨胀剂的对应锚杆直径作为零参量与添加膨胀剂的对应锚杆直径对应结果对比；

step8：对拉拔过程的实时ct扫描图片中的锚杆与锚固体界面进行分析，判断是否存在界面ct值的增长与碎屑堆积现象，若存在则说明在拉拔过程中剪胀碎屑在锚杆肋与肋之间有堆积扩头效应；

step9：拉拔过程中记录每一级拉拔荷载下锚杆位移量x和锚固体位移量x’，绘制拉拔位移变化曲线；分析位移变化曲线与锚固体直径变化、肋间碎屑堆积变化的关系。

在水泥基锚固材料中掺入大于a％的膨胀剂，利用膨胀剂水化反应生成的钙矾石固相在孔壁围岩约束作用下，体积变大产生巨大的膨胀应力σ1，同时锚固体受到围岩约束反力σ2的预压作用，使得界面剪力τ大幅提升，进而导致抗拔力较普通锚固系统提升显著。

自膨胀锚固系统锚固性能能够通过平台调节、锚固材料添加纤维措施进行提升。

从锚杆底部开始添加膨胀剂，但膨胀计用量自下至上依次减少，最终使得锚固体形成一个底部大、头部小的斜坡结构。

本发明有如下有益效果：

1、本发明通过自下而上添加膨胀剂的方法，使锚杆最终形成斜坡设计，放大拉拔过程中锚杆的破坏形式，从而提高实验观测准确率。

2、实验时用非金属锚杆代替了金属锚杆，减少了经济开支。

3、本发明在锚杆锚固材料添加纤维时通过在添加混凝土时在其中掺入适量的断续的短纤维材料，并搅拌混凝土让短纤维分布均匀的方法提高锚固性能，方便快捷。

4、本发明通过连接电脑实现对实验过程的精密控制，准确试施加拉拔力，提高实验准确性。

5、本发明首次采用碳纤维板制作一个可实现两向独立控制的侧限模拟装置，在通过电脑控制千斤顶增加抗拔力的同时还可以拍摄动态ct影像图片。

6、本发明通过利用膨胀剂水化反应生成的钙矾石固相产生巨大的膨胀应力，同时锚固体受到围岩约束反力的预压作用，使得界面剪力大幅提升，进而导致抗拔力较普通锚固系统提升显著。

7、本发明将千斤顶用作锚杆拉拔仪对自膨胀锚固体系统进行拉拔实验，实验仪器常见且经济。

8、本发明设置动态ct可视化装置，保证了对自膨胀锚固系统每一时刻拉拔过程进行实时记录

9、本发明所使用的全自动锚杆拉拔仪(9)测试条件皆可由电脑画面设定，并进行储存，工作方便快捷且准确率高。

10、本发明所采用的冲击回转挤密钻进法，增加了锚固体与土层的黏结力和摩擦阻力、增大锚杆的承载能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明所涉及的自膨胀锚固系统荷载平台效应验证装置整体效果图。

图2为本发明所涉及的自膨胀锚固系统荷载平台效应验证装置围压夹板示意图。

图3为本发明所涉及的自膨胀锚固系统荷载平台效应验证装置螺杆螺母示意图。

图4本发明所涉及的自膨胀锚固系统荷载平台效应验证装置整体示意图。

图5本发明所涉及的自膨胀锚固系统荷载平台效应验证装置俯视图。

图6(a)(b)本发明所涉及的低掺量(小于10％)锚固系统破坏机理图。

图7本发明所涉及的掺量等于10％锚固系统荷载-位移曲线图。

图8本发明所涉及的高掺量：掺量大于10％时锚固系统破坏机理图。

图9本发明所涉及的掺量等于30％锚固系统荷载-位移曲线图。

图中：第一围压夹板1和第二围压夹板2、螺纹杆3、调节螺母4、螺纹孔、岩样6、锚杆7、实时ct扫描机8、全自动锚杆拉拔仪9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-9，自膨胀锚固系统荷载平台效应的验证装置，它包括两块平行布置的第一围压夹板1和两块平行布置的第二围压夹板2；第一围压夹板1和第二围压夹板2上都分别加工有多个均布的螺纹孔，成对布置的第一围压夹板1以及第二围压夹板2之间分别通过对拉的螺纹杆3和螺母4固定相连，并整体围成一个上、下不封顶的盒体结构；通过调节螺母4对该装置施加相应压力以模拟真实的山体坡围岩压力环境。通过采用上述装置的验证装置能够模拟真实的山体坡围岩压力环境。

进一步的，所述第一围压夹板1和第二围压夹板2均采用碳纤维板制作而成。通过采用上述的材料，保证了其结构强度。

进一步的，所述螺纹杆3采用螺纹锚杆或者非金属锚杆。通过采用非金属锚杆代替了金属锚杆，减少了经济开支。

进一步的，所述非金属锚杆包括玻璃纤维增强塑料锚杆或碳纤维锚杆。通过采用多种不同形式的锚杆，增强了其适应性。

进一步的，实验过程中，采用全自动锚杆拉拔仪9，测试条件皆由电脑设定，并可储存；通过电脑实时控制拉拔荷载，并记录拉拔位移对拉拔力进行精密控制。通过上述的拉拔仪提高了使用的便捷性。

进一步的，全拉拔过程均在实时ct扫描机8上完成，以便对自膨胀锚固系统每一时刻拉拔过程进行实时记录。实时ct扫描机8保证了对自膨胀锚固系统每一时刻拉拔过程进行实时记录。

实施例2：

自膨胀锚固系统荷载平台效应的验证装置进行荷载平台效应的试验方法，包括以下步骤：

step1：按照岩样6的大小制作相应的模具倒入水泥基锚固材料，同时在其中掺入断续的短纤维，搅拌混凝土让短纤维分布均匀，等待材料固化；

step2：采用冲击回转挤密钻进法，将冲击器安装在钻杆底部，冲击器装有挤密钻头，钻进时利用冲击器的冲击力将钻头击入岩样6中；

step3：首先将第二围压夹板2与岩样6固定，将螺纹杆3穿过前后夹板的螺纹孔并安装螺母4，接着采用同样方式组装第一围压夹板1。

step4：利用套筒扳手转动螺母4使四块夹板不断向岩样6挤压，边扭转扳手边观察ct扫描机8上所显示的压力，以达到实验所需压力值；

step5：对锚固体的应力发育过程进行ct实时扫描观测，记录锚固体直径d在锚孔深度方向随时间的演化趋势，及纵向剖宽度b随时间的演化趋势；

step6：岩石试样拉拔装置完成后在锚杆尾部加上锚具垫板，将锚杆外端与全自动锚杆拉拔仪9固定在一起，在控制台利用电脑控制拉拔仪，对拉拔全过程进行动态实时ct扫描，记录锚固体直径随拉拔荷载的变化规律；

step7：分析锚固体直径d在锚孔深度方向随时间的演化趋势，及纵向剖宽度b、横向剥直径d’随时间的演化趋势，以扫描得到的没加膨胀剂的对应锚杆直径作为零参量与添加膨胀剂的对应锚杆直径对应结果对比；

step8：对拉拔过程的实时ct扫描图片中的锚杆与锚固体界面进行分析，判断是否存在界面ct值的增长与碎屑堆积现象，若存在则说明在拉拔过程中剪胀碎屑在锚杆肋与肋之间有堆积扩头效应；

step9：拉拔过程中记录每一级拉拔荷载下锚杆位移量x和锚固体位移量x’，绘制拉拔位移变化曲线；分析位移变化曲线与锚固体直径变化、肋间碎屑堆积变化的关系。

在水泥基锚固材料中掺入大于a％的膨胀剂，利用膨胀剂水化反应生成的钙矾石固相在孔壁围岩约束作用下，体积变大产生巨大的膨胀应力σ1，同时锚固体受到围岩约束反力σ2的预压作用，使得界面剪力τ大幅提升，进而导致抗拔力较普通锚固系统提升显著。

自膨胀锚固系统锚固性能能够通过平台调节、锚固材料添加纤维措施进行提升。

从锚杆底部开始添加膨胀剂，但膨胀计用量自下至上依次减少，最终使得锚固体形成一个底部大、头部小的斜坡结构。

实施例3：

以膨胀剂掺量ω＝10为例：

自膨胀锚固系统荷载平台效应的验证装置进行荷载平台效应的试验方法，包括以下步骤：

step1：按照岩样的大小制作相应的模具倒入水泥基锚固材料，同时在其中掺入适量的断续的短纤维材料，搅拌混凝土让短纤维分布均匀，等待材料固化；

step2：采用冲击回转挤密钻进法，将冲击器安装在钻杆底部，冲击器装有特殊形状的挤密钻头，钻进时利用冲击器的冲击力将钻头击入岩样中；

step3：首先将第二围压夹板与岩样固定，将螺纹杆穿过第二夹板的螺纹孔并上螺母，接着采用同样方式组装左右夹板；

step4：通过人为利用套筒扳手转动螺母使四块夹板不断向岩样挤压，边扭转扳手边观察ct机上所显示的压力，以达到实验所需压力值；

step5：将锚杆插入锚杆孔，在距离底部还有一分米时用素水泥封低；

step6：从锚杆底部开始添加掺量为ω＝10的膨胀剂，但膨胀计用量自下至上依次减少，最终使得锚固体形成一个底部大头部小类似于斜坡的结构；同样，在膨胀剂高度距离顶部还有一分米时停止添加，进行封顶；

step7：利用自然养护法，在自然的条件下，温度高于+5℃时对砂浆采取一定的覆盖，采取浇水湿润、挡风、保温等养护措施养护14天或28天左右；

step8：验证步骤进行ct扫描观察并进行拉拔。