模拟隧道火灾下恒阻大变形锚杆/索端部恒阻机构承载性能劣化的试验装置及方法与流程

本发明涉及隧道工程支护装备研究，尤其涉及一种模拟隧道火灾下恒阻大变形锚杆/索端部恒阻体承载性能劣化的试验装置及试验方法。

背景技术：

1、我国隧道与地下工程发展迅速，在建设过程中常面临高应力、极软岩等复杂地质条件，导致隧道围岩应力集中、能量积聚，易发生隧道围岩大变形。锚杆/索支护是调动隧道围岩自承能力的核心，能够改善围岩应力环境，是地下工程中最常用的围岩控制手段之一。然而，传统刚性锚杆/索允许隧道围岩的变形量一般均在200mm以下，传统刚性锚杆/索材料强度与延伸率均难以满足复杂条件的围岩控制要求，易导致支护体系破断失效，隧道围岩大变形现象严重。

2、鉴于此，一些负泊松比效应的恒阻大变形锚杆/索应用而生，其能提供恒定工作阻力和稳定变形量，适应于软岩隧道、深部巷道的围岩支护，可以有效控制软弱岩体隧道的围岩大变形灾害。恒阻大变形锚杆/索主要由端部托盘、恒阻套筒、恒阻体和高强度钢绞线构成，端部托盘、恒阻套筒和恒阻体构恒阻机构，钢绞线近端连接恒阻体，远端由锚头固定，通过调节恒阻体和恒阻套管内壁的摩擦系数，使得当钢绞线所受拉拔力达到设计值时，恒阻体将在恒阻套管内滑动，恒阻体的尾端直径略大于套管内壁直径，恒阻体的贯入将伴随着恒阻套筒径向膨胀，达到产生恒定阻力及大变形的效果。

3、恒阻大变形锚杆/索的恒阻机构是产生恒阻大变形效应的关键部件，在实际隧道工程中，恒阻机构位于隧道围岩的洞壁区域，紧临着隧道衬砌结构，属于永久性支护结构。目前随着隧道长度、交通密度的增加，隧道发生火灾的潜在威胁在增大。对于使用恒阻大变形锚杆/索进行围岩变形支护的软弱岩体隧道而言，一旦发生火灾，大火高温除了对隧道衬砌结构产生损伤破坏外，还会影响到洞壁区域的围岩和支护结构，在火灾高温下，恒阻大变形锚杆/索的恒阻机构承载性能将产生劣化，进而影响到围岩的稳定性。但是目前缺少可以用来开展隧道火灾高温作用下恒阻大变形锚杆/索端部恒阻机构承载性能劣化过程研究的实验装置，导致隧道高温下恒阻大变形锚杆/索端部恒阻体承载性能劣化效应的测评无法开展，进而无法获得有效的试验数据以指导火灾高温下恒阻大变形锚杆/索端部恒阻体机构的改进。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供一种模拟隧道火灾下恒阻大变形锚杆/索端部恒阻体承载性能劣化的试验装置及试验方法，能够实现对不同温度环境下恒阻大变形锚杆/索端部恒阻体承载性能劣化的测评，可适用于恒阻大变形锚杆/索端在隧道火灾下的劣化实验研究。

2、为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明实施例提供一种模拟隧道火灾下恒阻大变形锚杆/索端部恒阻机构承载性能劣化的试验装置，包括：

4、圆环体底座，所述圆环体底座由高强度耐高温陶瓷材料制成，固定在实验平台上；

5、保温隔热筒，具有中空空腔，位于所述圆环体底座上，其顶部开口，其底部设有中间带孔的底盘；

6、与隧道围岩成份一致的岩柱，设于所述保温隔热筒的中空空腔中，用于模拟真实隧道围岩，所述岩柱中心竖向设有贯穿的容置通道，用于在实验时安装容纳恒阻大变形锚杆/索的恒阻机构；

7、生热层，位于所述岩柱的外壁和保温隔热筒的中空空腔的内壁之间，所述生热层与外部电连接，用于在通电后产生不同温度的热量，以模拟隧道火灾发生时的高温环境；

8、保温隔热容器；所述保温隔热容器为顶部敞口结构，固定于所述保温隔热筒的底部的底盘上；位于所述保温隔热容器的内部设置有凸起的加热块，且所述加热块位于所述保温隔热容器的底部，与所述容置通道上下对应，用于为设于容置通道中的恒阻大变形锚杆/索的恒阻机构的下端加热，以模拟恒阻大变形锚杆/索的恒阻机构处于端部处于火灾高温环境中，所述加热块设有导线，用于与外部加热控制器电连接；

9、加载装置，位于所述保温隔热筒顶部，用于夹紧所述恒阻大变形锚杆/索的顶端，并向所述恒阻大变形锚杆/索加载，以模拟恒阻大变形锚杆/索在隧道围岩中的受力状况。

10、可选地，所述岩柱为圆柱体岩柱，所述保温隔热容器为圆柱体容器，具有内部容纳空间，所述加热块位于所述容纳空间的底部，所述岩柱的外径与所述保温隔热容器的内径一致，所述保温隔热筒的底部设有第一连接孔，所述保温隔热容器的侧壁中纵向设有与所述第一连接孔对接的第二连接孔，所述保温隔热容器的顶部抵接于所述保温隔热筒的底部，并用连接件穿过所述第二连接孔连接于所述第一连接孔中，将所述保温隔热容器紧固于所述岩柱底部的下方。

11、可选地，所述保温隔热筒为长筒体结构，位于所述保温隔热筒的顶部设置有水平横梁，用于限制所述保温隔热筒竖向位移；所述水平横梁由高强度耐高温陶瓷材料制成；所述水平横梁通过两条竖梁紧固于所述实验平台上。

12、可选地，所述加载装置包括至少一个穿心千斤顶和夹具，所述穿心千斤顶设置于所述水平横梁顶部正中间，所述夹具设置于所述穿心千斤顶的顶部，用于夹紧固定恒阻大变形锚杆/索的顶端；

13、位于所述夹具的外表面上，且在所述穿心千斤顶的顶部和所述夹具的顶部之间的位置上安装有拉力计，用于测量的恒阻大变形锚杆/索受到的拉力与变形量。

14、可选地，所述生热层包括竖向拼接的四块金属坞圈，且相邻两块金属坞圈之间接缝内填有绝热材料；

15、所述实验平台上还设有加热控制器，所述四块金属坞圈通过导线引出与所述加热控制器分别相连。

16、可选地，所述岩柱的容置通道中安装有恒阻大变形锚杆/索的恒阻机构；所述恒阻机构由端部托盘、恒阻套筒、锥形恒阻体和高强度钢绞线构成；所述高强度钢绞线的顶端夹紧于所述夹具中，所述恒阻套筒套设于所述高强度钢绞线的外部，所述锥形恒阻体位于所述高强度钢绞线的下端，并依次穿过所述带孔的底盘的孔和托盘，用螺母拧紧托盘，以将所述锥形恒阻体的下端紧固于所述岩柱的底端面上。

17、第二方面，本发明实施例还提供一种模拟隧道火灾下恒阻大变形锚杆/索端部恒阻体承载性能劣化的试验方法，包括以下步骤：

18、s10、将恒阻大变形锚杆/索的恒阻机构安装在所述岩柱中间的容置通道中，将高强度钢绞线的下端与锥形恒阻体刚性连接，并依次穿过带孔的底盘的孔和托盘，用螺母拧紧托盘，以将所述锥形恒阻体的下端紧固于所述岩柱的底端面上，并对准保温隔热容器内底部的加热块，以及，将所述高强度钢绞线的顶端穿过所述穿心千斤顶锚固于所述穿心千斤顶顶部的夹具上；

19、s20、通过加热控制器控制所述生热层产生高温，以模拟隧道火灾对所述岩柱的加热环境；以及，控制所述加热块的通电生热，使所述加热块产生高温，模拟隧道火灾对所述的下端的加热；

20、s30、通过所述加载装置对所述高强度钢绞线施加拉力荷载，模拟隧道围岩的变形对所述恒阻大变形锚杆/索的拉伸；

21、s40、通过拉力计测量所述高强度钢绞线的拉力与变形量，分析所述恒阻大变形锚杆/索的内力与变形规律；

22、s50、调节所述加热控制器的输出电压，改变所述生热层和所述加热块的温度，以模拟不同温度下的隧道火灾环境；

23、s60、监测不同温度下所述恒阻大变形锚杆/索的内力与变形量的变化，并根据所述恒阻大变形锚杆/索的内力与变形量的变化，分析隧道火灾高温环境对所述恒阻机构的承载性能劣化程度。

24、可选地，步骤s50具体包括：通过加热控制器分别控制四块金属坞圈的通电，使得四块金属坞圈的温度按照100°、200°、400°、800°、1200°上升，记录各温度与金属坞圈通电时长下对应的拉力计的第一组读数；

25、以及，通过加热控制器控制所述加热块的温度，使得加热块的温度按照100°、200°、400°、800°、1200°上升，记录各温度与金属坞圈通电时长下对应的拉力计的第二组读数；

26、步骤s60包括：对所述第一组读数进行整理分析，得到恒阻大变形锚杆/索的恒阻套筒的温度变化对恒阻机构承载性能劣化的影响规律；以及，对所述第二组读数进行整理分析，得到恒阻机构的下端的温度变化对恒阻机构承载性能劣化的影响规律。

27、可选地，步骤s10具体还包括：在试验平台上固定放置圆环体底座；

28、在所述圆环体底座上放置至少一个保温隔热筒，其中，保温隔热筒与所述圆环体底座同轴设置；

29、向保温隔热筒的中空空腔内壁安放四块金属坞圈，且相邻两块金属坞圈之间接缝内填有绝热材料，以形成所述生热层，并通过导线将四块金属坞圈与外部的加热控制器相连；

30、采用与真实隧道围岩组分一致的湿料，向保温隔热筒的中空空腔与套设于所述高强度钢绞线的外部的恒阻套筒之间浇筑形成岩柱，以模拟真实隧道四周的围岩；

31、当浇筑的岩柱硬化后，在保温隔热筒顶部安装水平横梁，并通过至少两条竖梁将水平横梁固定支撑于实验平台上；

32、在水平横梁上面安装穿心千斤顶，将恒阻套筒中心的高强度钢绞线穿过千斤顶锚固于夹具上，并在夹具与穿心千斤顶之间安装拉力计；

33、通过千斤顶张拉钢绞线，让锥形恒阻体向上移动一定距离，并利用水平横梁限制长柱状保温隔热筒竖向位移，在锥形恒阻体向上移动过程中，记录拉力计的读数及千斤顶油缸的伸长量，直至使得钢绞线处于张拉状态后，停止千斤顶运动。

34、可选地，所述加热控制器的输出电压范围为0～220v，所述生热层和所述加热块的温度范围为0～1200℃，所述穿心千斤顶的最大拉力为1000kn，所述高强度钢绞线的最大变形量为100mm。

35、本发明实施例提供的模拟隧道火灾下恒阻大变形锚杆/索端部恒阻体承载性能劣化的试验装置及试验方法，可以研究不同温度下恒阻大变形锚杆/索的内力与变形量，模拟不同温度对恒阻大变形锚杆/索端部恒阻机构工作性能的影响，揭示隧道火灾下恒阻大变形锚杆/索端部恒阻机构承载性能的劣化机制，能够实现对不同温度环境下恒阻大变形锚杆/索端部恒阻体承载性能劣化的综合测评，可适用于恒阻大变形锚杆/索端在隧道火灾下的劣化实验研究，从而为大变形软弱岩体隧道防火安全设计提供理论与技术支撑。