CN102589774B - 锚固界面应力测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锚固界面应力测试装置及其测试方法，它由加载系统和加载装置所组成；加载系统是双向加载液压试验系统，它由一个侧向加载油缸，底向加载油缸和液压泵站组成；加载装置包括一个加载框架和安装在加载框架内的用于夹持锚杆测力试件的夹持柱筒。通过试验平台上述结构的设计，在锚杆界面应力测试时，使锚固体在横向夹紧作用下，承受底部的推出载荷。这种测试方法既能保证锚杆受横向约束力，又实现了由基体向锚杆方向传力的过程，与工程中锚杆实际受力状况相符。

Description

锚固界面应力测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及试验方法及装置，尤其涉及锚杆界面应力分布规律研究的试验方法及装置。

背景技术

锚杆支护技术作为一种优越的岩土体加固技术方法，越来越广泛的应用于各种工程领域，但锚固机理的研究仍明显滞后于锚固技术的发展。在由锚杆、粘结材料及岩体构成的复合结构中，锚固界面是相对薄弱的部位，很多破坏往往都是在这些界面处发生的，因此锚固界面应力分布规律的测试非常重要，对于锚固机理研究、支护设计以及岩体稳定性分析具有指导意义。

现有的实验室测试中，普遍采用传统的拉拔试验进行锚杆界面应力测试，试验过程中锚杆外露端直接承受拉力，使锚杆从基体中向外拔出。拉拔试验过程中，锚杆端头与试验机的合理连接很难实现；当锚固体制作或安装不能保证精度时，还容易使外露锚杆产生弯曲，造成试验结果不准确；并且这种拉拔试验方法是由锚杆向岩体方向传递力，而在现场锚固工程中真实的情况是，锚孔底部岩石给锚杆以推力，所以锚固系统力传递方向和实验受力状态相悖，锚杆拉拔试验所获得锚固界面应力分布形态与现场工程存在一定程度的偏差。

发明内容

为解决岩体加固工程中的锚固界面应力分布规律的真实测试问题，本发明提供一种在实验室内进行锚固界面应力测试装置及其测试方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种锚固界面应力测试装置，由加载系统和加载装置所组成；所述的加载系统是双向加载液压试验系统，即加载系统由一个侧向加载油缸，底向加载油缸和液压泵站组成；

所述的加载装置包括一个加载框架和安装在加载框架内的用于夹持锚杆测力试件的夹持柱筒；所述的加载框架具有底框和两侧边框；所述夹持柱筒由对称的两半部分合在一起构成，夹持柱筒为外方内圆的柱筒，其内径与锚杆测力试件的外径相匹配，夹持柱筒内壁加工有螺纹状粗糙面；加载框架的一侧边框内面设有凸台，加载系统的侧向加载油缸设在另一侧边框内，且与凸台处于相对的位置，侧向加载油缸的活塞端设有侧向压力传感器；加载框架的底框上设有底向加载油缸，底向加载油缸的活塞端设有底向压力传感器和推力垫板；推力垫板的中心设有中心孔；所述的夹持柱筒置于凸台、侧向压力传感器和推力垫板三者之间。

为了便于调整夹持柱筒轴线位置，在夹持柱筒两侧分别设有调整垫板；

为了便于调整测力锚杆试件的高度，在压力传感器和推力垫板之间设有调整垫板；

利用上述测试装置进行锚固界面应力测试的方法，包括以下步骤：

第一步：制作测力锚杆试件，在锚杆两侧纵向开设对称的凹槽，将若干应变片等间距的粘结到锚杆凹槽内，应变片上连接上导线；在混凝土柱或岩柱试件上钻锚杆孔，将制作好的测力锚杆装入锚杆孔内，孔壁中灌入粘结剂，在室内环境中养护6小时，使测力锚杆与混凝土柱或岩柱试件凝固成整体；

第二步，将锚杆测力试件置于夹持柱筒中，并以锚杆外露端朝上的方向，将夹持柱筒安装在测试装置的加载框架内，并用调整垫板调整好高度和轴线位置；将应变片导线通过数据传输线与静态电阻应变仪相连；启动侧向加载油缸，在侧向上顶紧试验锚固体，并施加到预定的锚固体围压值；

第三步，启动底向加载油缸，活塞在底部给锚杆测力试件施加推力，在静态电阻应变仪上记录出锚杆不同部位上的应变值，然后换算出各点的轴力；

换算公式如下：

N_i＝Eε_iA

式中：N_i-第i点应变片处的轴力；E-锚杆弹性模量；ε_i-第i点应变值；A-锚杆截面积。

再用锚杆上相邻测点轴力相减，得到锚固界面剪应力的分布情况，

${\mathrm{\τ}}_{i,i+1}=\frac{N_i-N_{i+1}}{\mathrm{\πd\Δx}}$

式中：τ_i，i+1-锚杆界面第i和第i+1点之间的平均剪应力；d-锚杆直径；Δx-应变片之间的间距。

本发明采用双轴试验机作为加载系统，通过试验平台结构的设计，在锚杆界面应力测试时，使锚固体在横向夹紧作用下，承受底部的推出载荷。这种测试方法既能保证锚杆受横向约束力，又实现了由基体向锚杆方向传力的过程，与工程中锚杆实际受力状况相符。

本发明装置结构简单，安装方便，并具备进行多种组合加载条件下的锚杆应分布规律测试功能。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图；

图2是锚杆试件的结构示意图；

图3是试验测试的锚固界面剪应力分布规律图。

图中，1-应变片，2-锚杆杆体，3-粘结剂，4-混凝土柱(岩柱)试件，5-夹持柱筒，6-推力垫板，7a、7b、7c-调整垫板，8a-侧向压力传感器、8b-底向压力传感器，9a-侧向加载油缸、9b-底向加载油缸，10-螺杆，11-凸台，12-加载框架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的锚固界面应力测试装置进行详细说明：

如图1所示，本发明的锚固界面应力测试装置由加载系统和加载装置所组成；所述的加载系统是双向加载液压试验系统，即加载系统由一个侧向加载油缸9a，底向加载油缸9b和液压泵站组成，液压泵站图中未画出；

所述的加载装置包括加载框架12和安装在加载框架12内的用于夹持锚杆测力试件的夹持柱筒5；所述的加载框架12具有底框和两侧边框；所述夹持柱筒5由对称的两半部分合在一起构成，夹持柱筒5为外方内圆的柱筒，其内径与锚杆测力试件4的外径相匹配，夹持柱筒5内壁加工有螺纹状粗糙面；加载框架12的一侧边框内面设有凸台11，加载系统的侧向加载油缸9a设在加载框架12的另一侧边框内，且与凸台11处于相对的位置，侧向加载油缸9a的活塞端设有侧向压力传感器8a；加载框架12的底框上设有底向加载油缸9b，底向加载油缸9b的活塞端依次设有底向压力传感器8b、调整垫板7c和推力垫板6；所述推力垫板6的直径略小于夹持柱筒的内径，且中心设有略大于锚杆直径的中心孔；所述的夹持柱筒5置于凸台11和侧向压力传感器8a二者之间，且与凸台11和侧向压力传感器8a之间分别设有调整垫板7a和7b。

利用上述测试装置进行锚固界面应力测试的方法，包括以下步骤：

第一步：锚杆测力试件如图2所示；选用Φ18mm的螺纹钢作为锚杆杆体2，总长度设计为320mm，外露端长度为20mm。在锚杆杆体2的余段300mm范围内对称设计两个切槽，槽宽6mm、槽深3mm，应变片1交错布置在两个切槽内，在一侧切槽内从锚杆端头向下7mm处布置1号应变片，在另一侧切槽内从锚杆端头向下10mm处布置2号应变片，对称间距为30mm，依次编号，锚杆上共布置9个应变片。用502胶水将BX120-5AA型箔式电阻应变片1贴到设计位置，再将应变片1脚线通过接线板与导线焊接起来。在混凝土柱试件4上钻Φ32mm锚杆孔，制作好的锚杆测力试件4放入锚杆孔内，采用环氧树脂胶类粘结剂3粘结锚杆与混凝土孔壁，在室内环境中养护6小时。

第二步，将锚杆测力试件4置于夹持柱筒5中，并以锚杆外露端朝向上方向，将夹持柱筒5安装在加载装置的加载框架12内，并用调整垫板7c调整好高度；用调整垫板7a、7b调整好轴线位置，将应变片1的导线通过数据传输线与静态电阻应变仪相连；启动侧向加载油缸9a，在侧向上顶紧夹持柱筒5，并施加到2MPa的锚固体围压值；

第三步，启动底向加载油缸9b，在活塞底部给锚杆测力试件4施加30KN推力，在静态电阻应变仪上记录出锚杆2九个不同部位上的应变值，然后分别再施加60KN推力和90KN的推力，在静态电阻应变仪上记录出锚杆2九个不同部位上的各个推力下的应变值，三次测试结果见表1所列。

表1 锚杆应变测试结果

然后根据N_i＝Eε_iA计算各点的轴力，轴力单位KN；

式中：N_i-第i点应变片处的轴力，i为1、2、……9；E-锚杆弹性模量取200GPa；ε_i-第i点应变值，即表1中各点的值；A-锚杆截面积A＝254.5平方毫米。

计算结果见表2所列。

表2 锚杆轴力计算结果

锚固界面剪应力计算：

再用锚杆上述相邻测点轴力之差，可得到锚固界面剪应力的分布情况，公式如下，

${\mathrm{\τ}}_{i,i+1}=\frac{N_i-N_{i+1}}{\mathrm{\πd\Δx}}$

式中：τ_i，i+1-锚杆界面第i和第i+1点之间的平均剪应力，N值为表2所列；d-锚杆直径18mm；Δx-应变片之间的间距30mm。

计算结果见表3所列，得到的锚固界面应力分布如图3所示。

表3 锚固界面剪应力计算结果

Claims (4)

1.一种锚固界面应力测试装置，其特征在于，它由加载系统、加载装置和测力锚杆所组成；其中：

所述的加载系统是双向加载液压试验系统，由一个侧向加载油缸，底向加载油缸和液压泵站组成；

所述的加载装置包括一个加载框架和安装在加载框架内的用于夹持锚杆测力试件的夹持柱筒；所述的加载框架具有底框和两侧边框；所述夹持柱筒由对称的两半部分合在一起构成，夹持柱筒为外方内圆的柱筒，其内径与锚杆测力试件的外径相匹配，夹持柱筒内壁加工有螺纹状粗糙面；加载框架的一侧边框内面设有凸台，加载系统的侧向加载油缸设在另一侧边框内，且与凸台处于相对的位置，侧向加载油缸的活塞端设有侧向压力传感器；加载框架的底框上设有底向加载油缸，底向加载油缸的活塞端设有底向压力传感器和推力垫板；推力垫板的中心设有中心孔；所述的夹持柱筒置于凸台、侧向压力传感器和推力垫板三者之间；

所述的测力锚杆是在锚杆两侧纵向开设有对称的凹槽，将多个应变片等间距的粘结到锚杆凹槽内，应变片上连接上导线，导线通过数据传输线与静态电阻应变仪相连。

2.如权利要求1所述的锚固界面应力测试装置，其特征在于，在夹持柱筒两侧分别设有调整垫板。

3.如权利要求1所述的锚固界面应力测试装置，其特征在于，在压力传感器和推力垫板之间设有调整垫板；

4.一种利用权利要求1-3任一所述的装置进行锚固界面应力测试的方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：制作测力锚杆试件，在锚杆两侧纵向开设对称的凹槽，将多个应变片等间距的粘结到锚杆凹槽内，应变片上连接上导线；在混凝土柱或岩柱试件上钻锚杆孔，将制作好的测力锚杆装入锚杆孔内，孔壁中灌入粘结剂，在室内环境中养护6小时，使测力锚杆与混凝土柱或岩柱试件凝固成整体；

第二步，将锚杆测力试件置于夹持柱筒中，并以锚杆外露端朝上的方向，将夹持柱筒安装在测试装置的加载框架内，并用垫板调整好高度和轴线位置；将应变片导线通过数据传输线与静态电阻应变仪相连；启动侧向加载油缸，在侧向上顶紧试验锚固体，并施加到预定的锚固体围压值；

第三步，启动底向加载油缸，活塞在底部给锚杆测力试件施加推力，在静态电阻应变仪上记录出锚杆不同部位上的应变值，然后换算出各点的轴力；

换算公式如下：

N_i＝Eε_iA

式中：N_i-第i点应变片处的轴力；E-锚杆弹性模量；ε_i-第i点应变值；A-锚杆截面积；

再用锚杆上相邻测点轴力相减，得到锚固界面剪应力的分布情况，

${\mathrm{\τ}}_{i,i+1}=\frac{N_i-N_{i+1}}{\mathrm{\πd\Δx}}$

式中：τ_i，i+1-锚杆界面第i和第i+1点之间的平均剪应力；d-锚杆直径；△x-应变片之间的间距。

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