锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法
【专利摘要】本发明涉及一种锚杆?浆体?围岩粘结强度测试方法，包括以下步骤：步骤1：制作具有第一表面的锚杆模拟体，第一表面的凹凸特征与锚杆杆体的侧壁表面形貌一致，第一表面为平面；步骤2：在锚杆模拟体的第一表面上浇筑用以模拟注浆体材料的浆体层；步骤3：在凝固后的浆体层上浇筑用以模拟围岩材料的围岩层，锚杆模拟体、浆体层和围岩层共同构成模拟锚固体；步骤4：沿模拟锚固体的模拟受力方向进行剪切试验，进而获得反映锚固体粘结强度的力学参数。通过展开锚固结构实现了粘结面剪应力的均匀分布，克服了传统锚杆拉拔试验中剪应力传递不均匀等技术难题，可准确获取不同条件下锚固体的力学参数，为地下工程合理支护设计提供科学依据。
【专利说明】
锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法
技术领域
[0001]本发明涉及地下工程技术领域，具体涉及一种锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法。
【背景技术】
[0002]锚杆是地下工程和岩石边坡的主要支护形式之一，是一种深入地层的受拉构件。其技术就是在岩石或土层中施做钻孔，并把锚杆埋入钻孔中，之后向钻孔内灌入注浆体，将锚杆固定在边坡或隧道的岩(土)层中，从而约束岩(土)层变形破坏，发挥支护作用。依赖锚杆锚固段注浆体与地层之间的粘结力，锚杆体与注浆体的握裹力以及锚杆体自身的强度共同作用来承受作用于支护结构上的荷载，以维持围岩的稳定。在地下工程中，特别在遇到深部开挖或突水灾害的情况，往往需要准确测试锚杆锚固体的粘结强度。因此，合理确定锚杆-浆体-围岩间的粘结强度，对锚杆结构设计极为重要。
[0003]为了测试锚杆粘结强度，传统方法主要是采用锚杆拉拔试验。在锚杆拉拔试验装置中设有锚杆体，锚杆体外周设有用以模拟注浆体的混凝土，通过拉拔锚杆体来获取锚杆与注浆体的粘结强度。锚杆在工程现场如图1所示，测试锚杆的粘结强度主要是测试锚杆I和浆体2之间的粘结强度。
[0004]这种传统的测试方法存在下述问题:
[0005]1.在锚杆拉拔试验中，锚杆的剪力面为圆形曲面，其剪应力的分布特征为沿纵向呈指数分布，如图2所示。由于无法获得指数分布的相关参数，实际操作中只能将锚杆的剪应力看作是沿纵向均匀分布的才能计算出锚杆的粘结强度，因此采用传统的锚杆拉拔试验所得到的测试结果与实际情况存在较大误差。
[0006]2.传统的锚杆拉拔试验只能得到锚杆体与注浆体之间的粘结强度，无法反映注浆体与围岩之间的受力情况，因此不能准确反映锚杆-注浆体-围岩相互作用下整个锚固体的粘结强度。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法。通过展开锚固结构实现了粘结面剪应力的均匀分布，克服了传统锚杆拉拔试验中剪应力传递不均匀等技术难题，可准确获取不同条件下锚固体的力学参数，为地下工程合理支护设计提供科学依据。
[0008]为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0009]—种锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法，包括以下步骤:
[0010]步骤1:制作具有第一表面的锚杆模拟体，所述第一表面的凹凸特征与锚杆杆体的侧壁表面形貌一致，所述第一表面为大致平面，所述锚杆模拟体采用模板进行制备，所述模板的至少一个内表面与所述第一表面的表面形貌一致；
[0011 ]步骤2:在所述锚杆模拟体的所述第一表面上浇筑用以模拟注浆体材料的浆体层；
[0012]步骤3:在凝固后的所述浆体层上浇筑用以模拟围岩材料的围岩层，所述锚杆模拟体、浆体层和围岩层共同构成模拟锚固体；
[0013]步骤4:沿所述模拟锚固体的模拟受力方向进行剪切试验，进而获得反映围岩锚固体粘结强度的力学参数。
[0014]锚杆模拟体用于模拟锚杆，浆体层用以模拟注浆体，锚杆模拟体和浆体层之间的接触表面与锚杆和注浆体的接触表面的凹凸特征对应，因此可以准确反映出锚杆与注浆体之间的握裹力。
[0015]由于锚杆一般为螺纹钢，表面凹凸不平，而第一表面的凹凸特征与锚杆表面形貌一致，所以第一表面不是标准意义上的平面;但是，第一表面所在的面不是圆形曲面，而大致为平面，因此称第一表面为大致平面。
[0016]与传统锚杆拉拔试验中剪力面呈圆形曲面的形式不同，模拟锚固体的剪力面为平面，因此在试验过程中剪应力沿粘结面均匀分布，因此计算得到的平均剪力即为实际的剪力大小，所得到的测试结果与实际情况相符，所得到的粘结强度的力学参数更加准确。
[0017]模拟锚固体是锚杆模拟体、浆体层和围岩层共同构成的组合体，在剪切试验过程中，通过观察各层之间所发生的剪切错动，可以得到锚固体的剪切破坏过程，明确锚固体的受力薄弱环节，能够准确反映锚杆-注浆体-围岩相互作用下整个锚固体的粘结强度。
[0018]步骤I中，所述锚杆为工程现场应用的支护锚杆，所述表面形貌通过使用激光扫描仪扫描所述支护锚杆的表面获得。采用这种方式，可以在不破坏工程现场支护结构的前提下，获得现有支护锚杆的表面形貌，进而得到锚杆的粘结强度，方便快捷，大大降低了锚杆粘结强度的检测成本。
[0019]所述第一表面的面积与所述锚杆模拟段的侧壁表面积相同，可以使模拟锚固体更准确的反映工程支护中锚杆的真实粘结强度。
[0020]更进一步的，制作所述锚杆模拟体的具体方法为:将所述平面形貌的数据传输至3D打印机，利用所述3D打印机打印出具有所述第一表面形貌的模具，将所述模具作为模板制作所述锚杆模拟体。将所述侧壁表面形貌沿母线展开形成平面，得到平面形貌，从而实现所述侧壁表面形貌到所述第一表面凹凸特征的对应转换，利用3D打印机制作模具，自动化程度高，方便快捷准确，技术手段先进。
[0021]进一步的，制作所述模板的另一种具体方法为:截取锚杆试件，在设定压力条件下将所述锚杆试件滚过塑性材料，在塑性材料表面留下锚杆表面形貌，以留下锚杆表面形貌的该塑性材料的表面为模板制作所述锚杆模拟体。利用锚杆滚过塑性材料的这种方式制作模具，原理鲜明，简单方便，成本低廉。
[0022]步骤I中，所述锚杆模拟体呈长方体形状，其上表面的形貌与所述表面形貌相同，侧面和下表面为光滑面，所述锚杆模拟体的材料与工程现场锚杆的材料类型一致。锚杆模拟体的形状规则，便于制作和进行试验。锚杆模拟体的材料与工程现场锚杆的材料类型一致，测试结果更加准确。
[0023]步骤2中，所述浆体层的厚度与锚杆在工程现场中注浆体的厚度一致，注浆体的厚度与锚固体的粘结强度具有一定的相关性，浆体层的厚度与注浆体的厚度一致，可以更好的模拟锚固体的粘结强度。
[0024]步骤4中，所述剪切试验的具体方式为:将所述模拟锚固体安装到剪切试验机，并对所述模拟锚固体施加法向应力，保持所述模拟锚固体的刚度恒定，然后对所述模拟锚固体施加剪切力，获取试验过程中的剪应力-剪切位移曲线;改变法向应力，进行多组试验，从而得到法向应力-剪应力峰值之间的关系。根据实际工程中，锚杆赋存于岩体中围压的实际情况，通过调节法向应力来模拟锚固体在围岩中的实际刚度，更加科学准确。
[0025]步骤4中，根据所述剪应力-剪切位移曲线和法向应力-剪应力峰值之间的关系，分析锚杆粘结强度参数。
[0026]本发明的有益效果是:
[0027]锚杆模拟体用于模拟锚杆，浆体层用以模拟注浆体，锚杆模拟体和浆体层之间的接触表面与锚杆和注浆体的接触表面的凹凸特征对应，因此可以准确反映出锚杆与注浆体之间的握裹力。
[0028]与传统锚杆拉拔试验中剪力面呈圆形曲面的形式不同，模拟锚固体的剪力面为平面，克服了拉拔试验中剪应力分布不均匀的缺陷，在试验过程中剪应力沿粘结面均匀分布，因此计算得到的平均剪力即为实际的剪力大小，所得到的测试结果与实际情况相符，所得到的粘结强度的力学参数更加准确。
[0029]模拟锚固体是锚杆模拟体、浆体层和围岩层共同构成的组合体，在剪切试验过程中，通过观察各层之间所发生的剪切错动，可以得到锚固体的剪切破坏过程，明确锚固体的受力薄弱环节，能够准确反映锚杆-注浆体-围岩相互作用下整个锚固体的粘结强度。
【附图说明】
[0030]图1是锚杆在工程现场的示意图；
[0031 ]图2是传统测试锚杆应力分布图；
[0032]图3是锚杆展开方法示意图；
[0033]图4是锚杆剪切试件应力分布图；
[0034]图5是锚杆剪切试件模具示意图；
[0035]图6是模拟锚固体的截面示意图。
[0036]图中:1.锚杆，2.浆体，3.锚杆剪切试件，4.锚杆剪切组合件，5.模具，6.浆体层，7.围岩层。
【具体实施方式】
[0037]下面将结合附图对本发明进行详细说明。
[0038]锚杆在工程现场如图1所示，测试锚杆的粘结强度主要是测试锚杆I和浆体2之间的粘结强度。锚杆-浆体-围岩强度测试方法的原理是，为了克服拉拔试验中剪应力分布不均匀的缺陷，将锚杆I沿剖面展开，如图3所示，制作锚杆剪切试件3，进而得到锚杆剪切组合件4，将锚杆剪切组合件4安装在剪切试验机上进行剪切试验，此时的剪应力分布是均匀的，如图4所示，根据实验曲线可以得到锚杆I的粘结强度参数。
[0039]实施例1:
[0040]—种锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法，包括以下步骤:
[0041 ]①取工程现场应用的销杆，通过激光扫描仪扫描销杆表面，获得销杆表面形貌数据；
[0042]②将锚杆表面形貌数据传输到3D打印机，通过3D打印机打印出具有锚杆表面形貌的用以制作锚杆剪切试件3的模具5，如图5所示；
[0043]③以模具5为模板制作锚杆剪切试件3，锚杆剪切试件3整体呈长方体形状，其上表面具有与锚杆表面同样的形貌，侧面和下表面为光滑面，采用的材料与工程现场锚杆的材料类型一致；
[0044]④以锚杆剪切试件3为模板，在锚杆剪切试件3上浇筑锚杆粘结材料形成浆体层6，浆体层6的厚度与锚杆在工程现场中浆体的厚度一致，待浆体层6凝固后浇筑类岩石材料形成围岩层7;
[0045]⑤上述锚杆剪切试件3、浆体层6和围岩层7共同组成锚杆剪切组合件4，将锚杆剪切组合件4安装到剪切试验机，首先对锚杆剪切组合件4施加法向应力，并通过伺服控制保持法向刚度恒定，然后对其施加剪切力，随着剪切力不断增加，锚杆剪切试件3、浆体层6和围岩层7之间逐渐产生剪切错动，记录整个试验过程中的剪应力-剪切位移曲线；
[0046]⑥根据上述剪应力-剪切位移曲线，分析锚杆粘结强度参数。
[0047]实施例2:
[0048]①截取工程现场锚杆的一段作为锚杆试件，在设定压力条件下将锚杆试件滚过塑性材料，在塑性材料表面留下锚杆表面形貌；
[0049]②以塑性材料表面为模板制作锚杆剪切试件3，所述锚杆剪切试件3，整体呈长方体形状，其上表面具有与锚杆表面同样的形貌，侧面和下表面为光滑面，采用的材料与工程现场锚杆的材料类型一致；
[0050]③以锚杆剪切试件3为模板，在锚杆剪切试件3上浇筑锚杆粘结材料形成浆体层6，浆体层6的厚度与锚杆在工程现场中浆体的厚度一致，待浆体层6凝固后浇筑类岩石材料形成围岩层7;
[0051]④上述锚杆剪切试件3、浆体层6和围岩层7共同组成锚杆剪切组合件4，将锚杆剪切组合件4安装到剪切试验机，首先对锚杆剪切组合件4施加法向应力，并通过伺服控制保持法向刚度恒定，然后对其施加剪切力，随着剪切力不断增加，锚杆剪切试件3、浆体层6和围岩层7之间逐渐产生剪切错动，记录整个试验过程中的剪应力-剪切位移曲线；
[0052]⑤改变上述法向应力，进行多组试验，从而得到法向应力-剪应力峰值之间的关系;
[0053]⑥根据剪应力-剪切位移曲线和法向应力-剪应力峰值之间的关系，分析锚杆粘结强度参数。
[0054]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1.一种锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:制作具有第一表面的锚杆模拟体，所述第一表面的凹凸特征与锚杆杆体的侧壁表面形貌一致，所述第一表面为大致平面，所述锚杆模拟体采用模板进行制备，所述模板的至少一个内表面与所述第一表面的表面形貌一致； 步骤2:在所述锚杆模拟体的所述第一表面上浇筑用以模拟注浆体材料的浆体层； 步骤3:在凝固后的所述浆体层上浇筑用以模拟围岩材料的围岩层，所述锚杆模拟体、浆体层和围岩层共同构成模拟锚固体； 步骤4:沿所述模拟锚固体的模拟受力方向进行剪切试验，进而获得反映围岩锚固体粘结强度的力学参数。2.根据权利要求1所述的一种锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法，其特征在于:步骤I中，所述锚杆为工程现场应用的支护锚杆，所述表面形貌通过使用激光扫描仪扫描所述支护锚杆的表面获得。3.根据权利要求1所述的一种锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法，其特征在于:所述第一表面的面积与所述锚杆模拟段的侧壁表面积相同。4.根据权利要求1-3任一所述的一种锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法，其特征在于:将所述侧壁表面形貌的数据传输至3D打印机，利用所述3D打印机打印出具有所述第一表面形貌的模具，将所述模具作为模板制作所述锚杆模拟体。5.根据权利要求1或3所述的一种锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法，其特征在于，制作所述模板的具体方法为:截取锚杆试件，在设定压力条件下将所述锚杆试件滚过塑性材料，在塑性材料表面留下锚杆表面形貌，以留下锚杆表面形貌的该塑性材料的表面为模板制作所述锚杆模拟体。6.根据权利要求1所述的一种锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法，其特征在于:步骤I中，所述锚杆模拟体呈长方体形状，其上表面的形貌与所述表面形貌相同，侧面和下表面为光滑面，所述锚杆模拟体的材料与工程现场锚杆的材料类型一致。7.根据权利要求1所述的一种锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法，其特征在于:步骤2中，所述浆体层的厚度与锚杆在工程现场中注浆体的厚度一致。8.根据权利要求1所述的一种锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法，其特征在于:步骤4中，所述剪切试验的具体方式为:将所述模拟锚固体安装到剪切试验机，并对所述模拟锚固体施加法向应力，保持所述模拟锚固体的刚度恒定，然后对所述模拟锚固体施加剪切力，获取试验过程中的剪应力-剪切位移曲线。9.根据权利要求8所述的一种锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法，其特征在于:步骤4中，改变所述法向应力，进行多组试验，从而得到法向应力-剪应力峰值之间的关系。10.根据权利要求9所述的一种锚杆-浆体-围岩粘结强度测试方法，其特征在于:步骤4中，根据所述剪应力-剪切位移曲线和法向应力-剪应力峰值之间的关系，分析锚杆粘结强度参数。
【文档编号】G01N19/04GK105973802SQ201610591595
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月26日
【发明人】蒋宇静, 吴学震, 王刚, 李树忱, 王 琦, 蔡跃
【申请人】山东科技大学