CN101343881A - 用于模型试验的微型相似锚杆及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模型试验的微型相似锚杆及其施工方法。经过试验研究，选择了满足相似率要求的一种高分子聚合物——尼龙棒作为相似锚杆材料，由这种材料所制作的锚杆尺寸极小(直径最小可小于2mm)，故称为微型相似锚杆。本微型相似锚杆的施工步骤为：1)制作锚孔，将直径稍大的预埋锚杆按照模型设计要求预先埋设于模型预制块中；2)制作模型体，把埋设有预埋锚杆的模型预制块按照施工方案砌筑于模型体中；3)在开挖过程中，每开挖到一个设有预埋锚杆的位置，拔出预埋锚杆，形成锚杆孔，采用针管注浆技术，完成注浆插锚操作，并在微型相似锚杆末端粘好微型托盘，完成施工。

Description

用于模型试验的微型相似锚杆及其施工方法

技术领域

本发明涉及隧道、地铁、地下厂房等地下工程的地质力学模型试验用锚固装置，尤其涉及一种岩土工程模型试验中用于模型试验的微型相似锚杆及其施工方法。

背景技术

以相似理论为基础的模型试验，起源于17世纪，经过几个世纪的发展和完善，到20世纪70年代，得到了空前的发展和广泛的应用，其应用领域几乎涉及科学研究的所有学科。地下洞室模型试验正是起始于这一时期，主要是由于交通、水电等工程中一些地下洞室的规模越来越大，需要认真研究其围岩的稳定性。这种需要有力地促进了地下洞室模型试验的发展；反过来，地下洞室模型试验解决了工程实际中的许多当时难以解决的问题，推动了大型地下洞室工程的建设。在国内，地下洞室模型试验开始于20世纪70年代末期80年代初期，也是由于工程建设的需要而发展起来的。要进行地质力学模型试验，就要有相应的锚固装置，因此，下面首先将国内一些主要地质力学模型试验的锚杆及其埋设方法简单说明一下：

(1)长江科学院院报(2006，第6期)介绍了模型试验中一种锚杆的埋设方法，此方法完全按照工程施工顺序，完成打锚杆孔、注浆、安装锚杆的过程。这种相似锚杆埋设技术的主要缺点是：模型试验的相似率一般比较大，打锚杆孔就显得比较密集，容易造成模型的损伤。所以这种操作一般对锚杆进行了一定的简化，几根简化为一根，这样就和实际工程中的锚杆有出入，不能很好的模拟实际工程中的锚杆分布形态。

(2)采矿技术(2007年，第1期)介绍了一种锚杆的埋设方法，将模型材料按照配比混合均匀之后，将锚杆插入，不再拔出，等待模型养护完成，直接使用。这种相似锚杆埋设技术的主要缺点是：不能模拟实际工程中的锚杆注浆过程，实际工程中锚杆浆液的作用也不能由模型试验体现出来。

(3)地下空间(2003年，第2期)介绍了一种锚杆的埋设方法，先在模型试块中预留锚杆孔洞，然后注浆，安装锚杆，最后加压测试。这种相似锚杆埋设技术的主要缺点是：不能模拟在加压情况下的安装锚杆并完成注浆过程，锚杆的安装方案不符合实际工程的操作顺序；不能在模型试验洞室里进行这样的操作，仅适合单个块体的试验研究。

上述试验装置及加载系统普遍存在如下缺点：

(1)在打锚杆孔的过程中，锚杆比较密集，容易造成模型损伤；在模型试验洞室内打孔，操作复杂、不易成功。

(2)由于打的锚杆孔太密集等客观原因而对锚杆进行了一定的简化之后，几根简化为一根，这样就和实际工程中的锚杆有出入，不能很好的模拟实际工程中的锚杆分布形态。

(3)注浆材料没有经过严格的挑选，或者没有注浆材料。在模型上安装相似锚杆之前，没有进行相应的拉拔试验，不能保证注浆材料的质量。

(4)由于浆液流动性差等原因，注浆不能保证注满孔洞。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种具有方法简单，操作方便，可满足试验要求等优点的用于模型试验的微型相似锚杆及其施工方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

微型相似锚杆使用的是一种高分子聚合物材料——尼龙棒。尼龙棒呈白色或微黄色半透明状，质轻且坚硬，具有吸水性小，尺寸稳定性好，无毒，电绝缘性能优异等特点。

所述的尼龙棒的弹性模量为1.2~1.4GPa，长度为6cm，直径为7.2mm。其长度根据相似理论，按公式l′＝l/c，式中，l′是相似锚杆长度，l是实际锚杆长度，c是模型试验与实际工程的相似率；

由于在模型试验中的锚杆是把n根实际工程中的锚杆简化为模型试验中的一根，所以，根据相似理论，模型试验使用的锚杆面积为：s′＝n×s/c，式中，s′是相似锚杆的面积，s是实际锚杆面积，c是模型试验与实际工程的相似率；

相似锚杆的弹性模量，根据相似理论，模型实验使用的锚杆弹性模量E′＝E/c，E′是相似锚杆的弹性模量，E是实际锚杆的弹性模量，c是模型试验与实际工程的相似率；

最大拉应力设计，根据相似理论，模型实验使用的相似锚杆最大拉应力σ′＝σ/c，式中，σ′是相似锚杆的最大拉应力，σ是实际锚杆的最大拉应力，c是模型试验与实际工程的相似率。

模型试验的微型相似锚杆施工方法可分为如下施工步骤.

1)制作锚孔，将预埋锚杆按照模型设计要求预先埋设于模型预制块中；

2)制作模型体，把埋设有预埋锚杆的模型预制块按照施工方案砌筑于模型体中；

3)在开挖过程中，每开挖到一个设有预埋锚杆的位置，拔出预埋锚杆，形成锚杆孔，采用针管注浆技术，完成注浆插锚操作，并在微型相似锚杆末端粘好微型托盘，完成施工。

所述施工方法1)中所述的预埋锚杆是采用直径为8mm、长度为6.5cm的细铁棒，所述的模型预制块是通过把试验材料放入模具中压制成型而得。模型预制块为用于砌筑成型模型体。

所述步骤1)中，预埋锚杆的埋设方法为，选择长度略大于相似锚杆的细铁棒，直径比相似锚杆略大，以便于注浆；将预埋锚杆的外端部加工成一个平行面，并使此平行面与水平面平行，便于在模型试验开挖过程中将锚杆拔出；在制作模型预制块的模具上钻孔，以确定预埋锚杆在模型预制块中位置，试块压制成功后，预埋锚杆就会固定在指定位置，预埋锚杆的埋设位置即为锚孔的位置。

所述注浆材料为108建筑用胶与重晶石粉的混合物，108建筑用胶和重晶石粉质量配合比范围为1∶3-4。可根据注浆材料凝结硬化后锚杆的拉拔力等要求进行配比的调整。

本发明的有益效果是：

(1)由于是预留孔洞，不会产生由于在模型上打锚杆孔而造成的模型损伤，保证了模型的完整性。

(2)由于孔洞预留，不会造成模型材料的损伤，所以相似锚杆可以做的很小，直径最小可以做到2mm，可以尽可能少的简化相似锚杆，可以很精确的模拟实际工程中锚杆的分布。

(3)浆液选择严格，注浆方法简单有效。

(4)该方法和技术可广泛应用于水利、交通、能源、矿山等工程领域的岩土地质力学模型试验研究，应用前景广阔，经济效益显著。

具体实施方式

下面结合相关试验对本发明做进一步说明。

地质力学模型试验的相似锚杆应该能够满足各种模型试验工况要求，尽量使模型试验中的锚杆根数和位置能够与实际工程相对应，并且要做到注浆饱和。这就要求相似锚杆的尺寸能够尽量小，锚杆注浆技术先进。

根据上述要求并克服国内外已有的地质力学模型试验锚杆埋设过程中的缺点，在国家自然科学基金重点项目-双江口洞群稳定模型试验中，我们研制了新的微型相似锚杆埋设技术。通过选择合适的预埋锚杆材料、微型相似锚杆材料和注浆材料，将预埋锚杆按照模型设计要求埋设在预制模型预制块中，把埋设有预埋锚杆的模型预制块按照施工方案安装在模型中。在开挖过程中，每开挖到一个设有预埋锚杆的掌子面，拔出预埋锚杆，形成锚杆孔洞，插入微型相似锚杆，采用针管注浆技术，完成打锚杆和注浆过程，并在微型相似锚杆末端粘好微型托盘。

本微型相似锚杆的技术要求：

(1)微型相似锚杆长度

根据相似理论，模型实验使用的锚杆长度

l′＝l/c    (1)

式(1)中，l′是微型相似锚杆长度，l是实际锚杆长度，c是模型试验与实际工程的相似率。双江口工程实际锚杆的尺寸为9m，相似率为150，按公式(1)计算可得出相似锚杆的长度为6cm。

(2)微型相似锚杆横截面积

在模型试验中的锚杆是把n根实际工程中的锚杆简化为模型试验中的一根，所以，根据相似理论，模型试验使用的微型相似锚杆面积为：

s′＝n×s/c    (2)

式(2)中，s′是微型相似锚杆的面积，s是实际锚杆面积，c是模型试验与实际工程的相似率。本模型试验中的锚杆一根代替实际锚杆30根，由实际锚杆的直径为36mm，相似率为150，可得相似锚杆的半径为7.2mm。

(3)微型相似锚杆的弹性模量

根据相似理论，模型实验使用的微型相似锚杆弹性模量

E′＝E/c    (3)

式(3)中，E′是微型相似锚杆的弹性模量，E是实际锚杆的弹性模量，c是模型试验与实际工程的相似率。双江口工程实际锚杆的弹性模量为210GPa，相似率为150，按照公式(3)可得相似锚杆的弹性模量为1.4GPa。本尼龙材料的弹性模量为1.2~1.4GPa范围，故满足要求。

(4)最大拉应力设计

根据相似理论，模型实验使用的微型相似锚杆最大拉应力

σ′＝σ/c    (4)

式(4)中，σ′是微型相似锚杆的最大拉应力，σ是实际锚杆的最大拉应力，c是模型试验与实际工程的相似率。本模型试验最大拉应力达到3.7MPa，满足工程现场要求。

(5)本专利中的微型锚杆使用高分子聚合物材料如尼龙棒，力学性能满足模型试验要求。

(6)预埋锚杆的设计

预埋锚杆选择长度等于微型相似锚杆的细铁棒，直径比微型相似锚杆略大，便于以后注浆工序。预埋锚杆的头部加工成一个平行面，并使此平行面与水平面平行，便于模型试验开挖过程中的预埋锚杆拔出。

(7)预埋锚杆的埋设方法

在预制模型预制块的模子上钻孔，以确定预埋锚杆在预制模型预制块中位置。试块压制成功后，预埋锚杆就会固定在指定位置。

(8)模型注浆材料的选择

本模型试验使用的注浆材料是108建筑用胶，108建筑用胶和重晶石粉质量配合比范围为1∶3-4，符合注浆材料流动性较好，固结时间适宜，固结之后能够达到力学指标的要求。在使用此注浆材料进行的预埋锚杆拉拔试验中，拉拔力达到要求。

Claims (6)

1.一种用于模型试验的微型相似锚杆，其特征是，所述微型相似锚杆为一种高分子聚合物材料——尼龙棒，尼龙棒的长度根据相似理论，按公式l′＝l/c，式中，l′是相似锚杆长度，1是实际锚杆长度，c是模型试验与实际工程的相似率；

由于在模型试验中的锚杆是把n根实际工程中的锚杆简化为模型试验中的一根，所以，根据相似理论，模型试验使用的锚杆面积为：s′＝n×s/c，式中，s′是相似锚杆的面积，s是实际锚杆面积，c是模型试验与实际工程的相似率；

相似锚杆的弹性模量，根据相似理论，模型实验使用的锚杆弹性模量E′＝E/c，E′是相似锚杆的弹性模量，E是实际锚杆的弹性模量，c是模型试验与实际工程的相似率；

最大拉应力设计，根据相似理论，模型实验使用的相似锚杆最大拉应力σ′＝σ/c，式中，σ′是相似锚杆的最大拉应力，σ是实际锚杆的最大拉应力，c是模型试验与实际工程的相似率。

2.如权利要求1所述的用于模型试验的微型相似锚杆，其特征是，所述尼龙棒的弹性模量为1.2~1.4GPa，长度为6cm，直径为7.2mm。

3.一种权利要求1所述用于模型试验的微型相似锚杆的施工方法，其特征是，所述的施工方法可分为如下施工步骤：

1)制作锚孔，将直径稍大的预埋锚杆按照模型设计要求预先埋设于模型预制块中；

2)制作模型体，把埋设有预埋锚杆的模型预制块按照施工方案砌筑于模型体中；

3)在开挖过程中，每开挖到一个设有预埋锚杆的位置，拔出预埋锚杆，形成锚杆孔，采用针管注浆技术，完成注浆插锚操作，并在微型相似锚杆末端安装微型锚盘，完成施工。

4.如权利要求3所述的用于模型试验的微型相似锚杆的施工方法，其特征是，所述施工方法1)中所述的预埋锚杆是采用直径为8mm、长度为6.5cm的细铁棒，所述的模型预制块是通过把试验材料放入模具中压制成型而得，模型预制块为用于砌筑成型模型体。

5.如权利要求3所述的用于模型试验的微型相似锚杆的施工方法，其特征是，所述步骤1)中，预埋锚杆的埋设方法为，选择长度略大于相似锚杆的细铁棒，直径比相似锚杆略大，以便于注浆；将预埋锚杆的外端部加工成一个平行面，并使此平行面与水平面平行，便于在模型试验开挖过程中将锚杆拔出；在制作模型预制块的模具上钻孔，以确定预埋锚杆在模型预制块中位置，试块压制成功后，预埋锚杆就会固定在指定位置，预埋锚杆的埋设位置即为锚孔的位置。

6.如权利要求3所述的用于模型试验的微型相似锚杆的施工方法，其特征是，所述注浆材料为108建筑用胶与重晶石粉的混合物，108建筑用胶和重晶石粉质量配合比范围为1∶3-4。