CN103471918B - 锚杆工程受力模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锚杆工程受力模拟实验装置，包括U型槽、三棱柱垫块、加载垫块、侧挡板、类梯形试件和锚杆试件；本发明可以模拟锚杆在工程现场的受力状态，真实的反映隧洞工程中围岩和锚杆相互作用过程，得到锚杆真实受力分布曲线，对于研究深部高应力加锚岩体的受力、变形、破坏等性质具有重要意义；本发明取深埋圆形隧洞围岩的一部分进行分析，因此相对于现有全断面模型试验装置，可以开展大比例尺的模型试验，更接近于实际应用的锚杆。

Description

锚杆工程受力模拟实验装置

技术领域

本发明涉及岩土工程领域应用的锚杆在工程现场的受力规律研究，特别是涉及一种锚杆工程受力模拟实验装置。

背景技术

作为一种有效的支护手段，锚杆已经广泛应用于煤矿巷道、山岭隧洞和城市地铁等地下工程的各个领域。然而，由于锚杆-围岩相互作用的复杂性，锚杆的轴力和界面剪应力分布规律尚不明确，在工程实践中还难以对其支护效应进行准确的定量评价，工程支护优化设计仍面临挑战。

如图1所示，地下隧洞开挖后，在原岩应力作用下围岩内表面收敛变形到虚线所示位置，在锚杆外侧一端，即a点附近，围岩产生的位移大于锚杆位移，因此锚杆受到向外的剪切力，锚杆阻止围岩向外运动，起到积极的支护作用；在锚杆内侧一端，即b点附近，锚杆产生的位移大于围岩位移，因此锚杆受到向内的剪切力。上述锚杆-围岩相互作用过程可以概括为著名的“中性点理论”。根据该理论，锚杆围岩相互作用的关键在于围岩在变形的过程中不同部位对锚杆的作用力方向及大小不一致。

研究锚杆工程受力分布规律，要从现场试验和室内模拟实验两方面出发。基于现场试验，可以得到锚杆大致的受力分布规律，但是由于现场条件极其复杂，进行大规模现场试验非常困难，而且不能人为控制边界条件来研究不同因素的影响。相对于现场试验，室内模拟实验简单易行，对于验证理论分析的结论和指导现场工程实践具有重要意义。

但是，由于锚杆和围岩之间复杂的相互作用关系，在实验室一般难以模拟锚杆在工程现场的受力情况。现有的实验室测试中，普遍采用传统的拉拔试验进行锚杆测试，试验过程中锚杆外露端承受拉力，使锚杆从基体中向外拔出；但是，锚杆应用在实际隧洞工程中时，除了预先施加的一部分预应力外，不存在其他的外部拉拔力，而上述围岩变形是导致锚杆受力的最根本原因。由于锚杆在拉拔试验条件下受力状态与现场条件下受力状态有很大差别，故常规拉拔实验不能反映锚杆在现场情况下的受力状态。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种真实反映锚杆在工程现场受力状态的锚杆工程受力模拟实验装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种锚杆工程受力模拟实验装置，包括U型槽、三棱柱垫块、加载垫块、侧挡板、类梯形试件和锚杆试件；

所述的U型槽为整体结构，包括底板和两个侧壁，底板下表面与试验机加载装置接触，承受试验机压力；

所述的三棱柱垫块，两个直角面分别与U型槽的底板和侧壁内表面接触，其斜面与类梯形试件两个斜面匹配，即U型槽的底板和三棱柱的斜面组合形成梯形空间，用于安放类梯形试件；

所述的加载垫块，下半部分为弧形钢板与类梯形试件上表面接触，其两侧与三棱柱垫块斜面之间留有空隙，防止加载过程中两者发生挤压；上半部分呈柱形，与试验机加载装置接触；加载垫块的作用在于将试验机压力均匀传递到类梯形试件上表面；

所述的侧挡板固定在U型槽的前后两侧，其作用在于防止类梯形试件发生轴向变形，以满足平面应变状态的要求，同时防止U型槽的侧壁受压向两侧变形；其制作材料除了选用钢材外，还可以选用高强度透明材料，从而在实验过程中随时观察记录试件的变形破坏情况；

所述的类梯形试件，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，下表面和U型槽底板内表面之间预留变形空间，在下表面中心设有垂直于其表面的锚杆孔，用于安装锚杆试件，左右侧面与三棱柱垫块斜面接触，前后侧面与侧挡板接触，四个侧面均涂有润滑材料，以减小其受到的剪切力；

所述的锚杆试件，安装在上述类梯形试件的锚孔中，通过砂浆或树脂锚固剂固定。

作为一种优选方式，本发明在锚杆的杆体轴向上对称开凿两条矩形凹槽，其中一条用于容置应变测量设备，另一条凹槽底部标注有刻度，以方便测算锚杆实验前后的变形量。

作为一种优选方式，本发明在锚杆托盘和试件之间，安装有压力传感器，用于测量锚杆在该位置的轴力。

本发明的原理是：

隧洞围岩的受力、变形和破坏问题可以近似认为是轴对称问题。因此，取其一部分（即本发明所述类梯形试件）进行试验即可反映围岩整体的性质，相对于全断面实验装置，本发明可以开展大比例尺的实验研究。

在轴对称问题中，围岩只发生径向变形没有切向变形，只受到正应力不受切向应力。本发明通过三棱柱垫块来限制试件的切向变形，通过加载垫块促使试件发生径向变形，这样就满足了轴对称问题的位移边界条件；由于加载垫块和试件上表面之间只有正应力，而试件和三棱柱垫块以及侧挡板之间也可以近似认为只有正应力（在润滑材料的作用下，二者之间的剪切力可以忽略不计），这样就满足了轴对称问题的应力边界条件。综上所述，本发明完全模拟了围岩在工程现场的受力状态。

试验机通过加载垫块在类梯形试件上侧施加压力，随着压力增大，类梯形试件径向变形不断增大，在试件变形的过程中，锚杆受力也逐渐增大；由于试件受力和变形规律与现场情况一致，因此得到锚杆受力分布规律也与工程现场的真实情况一致。

本发明的优点包括：

（1）可以模拟锚杆在工程现场的受力状态，真实的反映隧洞工程中围岩和锚杆受力变形、相互作用的过程，得到锚杆真实受力分布曲线，对于研究深部高应力加锚岩体的受力、变形、破坏等性质具有重要意义；（2）本发明在常规压力实验机上即可加载，具有结构简单，试验成本低的特点；（3）由于本发明取深埋圆形隧洞围岩的一部分进行分析，因此相对于现有全断面模型试验装置，可以开展大比例尺的模型试验。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明的力学原理图；

图2为本发明的主体结构示意图；

图3为本发明所述的侧挡板安装在U型槽上的示意图。

具体实施方式

结合附图1，本发明采用局部试件的原理在于，隧洞围岩的受力、变形和破坏问题可以近似认为是轴对称问题，因此，可以取其一部分，即本发明所述类梯形试件5和锚杆试件6，进行试验即可反映围岩整体的性质，相对于全断面实验装置，本发明可以开展大比例尺的实验研究。

结合附图2和3，一种锚杆工程受力模拟实验装置，包括U型槽1、三棱柱垫块2、加载垫块3、侧挡板4、类梯形试件5和锚杆试件6。

所述的U型槽1为整体结构，包括底板和两个侧壁，底板下表面与试验机加载装置接触，承受试验机压力。

所述的三棱柱垫块2，两个直角面分别与U型槽1的底板和侧壁内表面接触，其斜面与类梯形试件5两个斜面匹配，即U型槽1的底板和三棱柱垫块2的斜面组合形成梯形空间，用于安放类梯形试件5。

所述的加载垫块3，下半部分为弧形钢板与类梯形试件5上表面接触，其两侧与三棱柱垫块斜面2之间留有空隙，防止加载过程中两者发生挤压；上半部分呈柱形，与试验机加载装置接触；加载垫块3的作用在于将试验机压力均匀传递到类梯形试件5上表面。

所述的侧挡板4固定在U型槽1的前后两侧，其作用在于防止类梯形试件5发生轴向变形，以满足平面应变状态的要求，同时防止U型槽1的侧壁受压向两侧变形；其制作材料除了选用钢材外，还可以选用高强度透明材料，从而在实验过程中随时观察记录试件的变形破坏情况。

所述的类梯形试件5，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，其下表面和U型槽底板内表面之间预留变形空间7，在下表面中心设有垂直于其表面的锚杆孔，用于安装锚杆试件，左右侧面与三棱柱垫块斜面接触，前后侧面与侧挡板接触，四个侧面均涂有润滑材料，以减小其受到的剪切力。

所述的锚杆试件6，安装在上述类梯形试件5的锚孔中，通过砂浆或树脂锚固剂固定；在锚杆的杆体轴向上对称开凿两条矩形凹槽，其中一条用于容置应变测量设备，另一条凹槽底部标注有刻度，以方便测算锚杆实验前后的变形量；在锚杆托盘和试件之间，安装有压力传感器，用于测量锚杆在该位置的轴力。

以上所述实施例，只是本发明较优选的具体的实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种锚杆工程受力模拟实验装置，其特征在于，包括U型槽、三棱柱垫块、加载垫块、侧挡板、类梯形试件和锚杆试件；

所述的U型槽为整体结构，包括底板和两个侧壁，底板下表面与试验机加载装置接触；

所述的三棱柱垫块，两个直角面分别与U型槽的底板和侧壁内表面接触，其斜面与类梯形试件两个斜面匹配；

所述的加载垫块，下半部分为弧形钢板，其两侧与三棱柱垫块斜面之间留有空隙，防止加载过程中两者发生挤压；上半部分呈柱形，与试验机加载装置接触；

所述的侧挡板固定在U型槽的前后两侧；

所述的类梯形试件，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，其下表面和U型槽底板内表面之间预留变形空间，在下表面中心设有垂直于其表面的锚杆孔，四个侧面均涂有润滑材料；

所述的锚杆试件，安装在上述类梯形试件的锚孔中。

2.根据权利要求1所述的一种锚杆工程受力模拟实验装置，其特征在于在锚杆的杆体轴向上对称开凿两条矩形凹槽。