CN104155176A - 一种锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置及方法。所述模拟试验装置包括呈直线依次间隔排列的多个混凝土块；各混凝土块的中心位置沿模拟试验装置的长度方向设有由锚杆和锚杆应力计间隔组成而将各混凝土块串联在一起的锚杆轴，并在锚杆轴上安置锚杆应力计和应变计，所述固定混凝土块为模拟试验装置的固定端；所述固定混凝土块、锚杆应力计混凝土块、锚杆应力计及应变计混凝土块与应变计混凝土块之间的预留缝内均设有压力枕，在应变计混凝土块、锚杆应力计剪切混凝土块和锚杆应变剪切混凝土块的预留缝处设有顶升装置；在垂直于试验装置长度方向的过所述锚杆应力计截面上设置有多块应变砖。本发明原理简单、模拟状态真实、成本低、试验效果好。

Description

一种锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于岩土工程科研试验和工程安全监测辅助设备，适用于岩土工程锚杆工作状态模拟试验和工程安全监测锚杆应力计工作状态模拟试验的具体情况。

背景技术

现有技术条件下，岩土工程普遍采用锚杆进行工程支护，锚杆是岩土体加固的杆件体系结构，通过锚杆杆体的纵向拉力作用，克服岩土体抗拉能力远远低于抗压能力的缺点。既限制了岩土体脱离原体，又增加了岩土体的粘聚性。其实质上锚杆位于岩土体内与岩土体形成一个新的复合体。这个复合体中的锚杆是解决围岩体的抗拉能力低的关键。从而使得岩土体自身的承载能力大大加强。锚杆是当代岩土体支护的最基本的组成部分，广泛应用于矿山、边坡、隧道等进行主动加固。

然而，现场锚杆和锚杆应力计在现场各种荷载工况下的工作状态，以及相应的锚固体的应力分布规律没有进行研究，锚杆应力计在拉、剪组合荷载作用下的读数变化规律也无法做出预测，降低了锚杆和锚杆应力计的可控性。

发明内容

为了克服现场锚杆和锚杆应力计在现场各种荷载工况下的工作状态不可知的缺陷，本发明旨在提供一种锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置及方法，该试验装置及方法能有效模拟锚杆及锚杆应力计现场实际工作状态以及相应的锚固体的应力分布规律，并通过试验研究锚杆应力计在拉、剪组合荷载作用下其监测物理量的变化规律。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置，其结构特点是，包括呈直线依次间隔排列的固定混凝土块、锚杆应力计混凝土块、锚杆应力计及应变计混凝土块、应变计混凝土块、锚杆应力计剪切混凝土块和锚杆应变剪切混凝土块；所述固定混凝土块、锚杆应力计混凝土块、锚杆应力计及应变计混凝土块、应变计混凝土块、锚杆应力计剪切混凝土块和锚杆应变剪切混凝土块的中心位置沿模拟试验装置的长度方向设有由锚杆和锚杆应力计间隔组成而将各混凝土块串联在一起的锚杆轴，并在锚杆轴上安置应变计，所述固定混凝土块为模拟试验装置的固定端；所述固定混凝土块与锚杆应力计混凝土块、锚杆应力计混凝土块与锚杆应力计及应变计混凝土块、锚杆应力计及应变计混凝土块与应变计混凝土块之间的预留缝内均设有用于模拟岩体拉载荷的压力枕，在应变计混凝土块、锚杆应力计剪切混凝土块和锚杆应变剪切混凝土块的预留缝处设有用于模拟岩体剪载荷的顶升装置；在垂直于试验装置长度方向的所述锚杆应力计截面上设置有应变测量装置。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

所述锚杆应力计混凝土块、锚杆应力计及应变计混凝土块、应变计混凝土块、锚杆应力计剪切混凝土块和锚杆应变剪切混凝土块的底部均装有底板，该底板下设有滚动部件。在本发明的实施例中，底板优选为钢板，滚动部件优选为滚轴。

所述锚杆应力计混凝土块、锚杆应力计及应变计混凝土块、应变计混凝土块、锚杆应力计剪切混凝土块和锚杆应变剪切混凝土块内的锚杆轴上包裹有水泥砂浆。

优选地，所述锚杆轴上包裹的水泥砂浆呈圆筒状。

进一步地，所述顶升装置为水平差位安置的千斤顶，本发明的实施例布设有4个千斤顶，所述水平差位安置是指每个接缝两端各设置一个千斤顶，但不设置在接缝的同一侧。

所述锚杆应力计混凝土块内设有至少一个锚杆应力计，所述锚杆应力计及应变计混凝土块内设有至少一个锚杆应力计并安置至少一个应变计，所述应变计混凝土块与锚杆应力计剪切混凝土块的接缝处设有一个锚杆应力计；所述应变计混凝土块内设有至少一个应变计。

所述应变测量装置为多块水平对称设置在锚杆应力计两侧的应变砖，本发明实施例优选为10块，两边各等间距设置五块。

所述锚杆应力计通过电缆与相应的锚杆应力计读数仪相连，所述应变砖和应变计通过电缆与相应的应变计读数仪相连。

一种利用上述的锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置进行模拟试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）试验准备时在固定混凝土块、锚杆应力计混凝土块、锚杆应力计及应变计混凝土块南侧、应变计混凝土块之间的三条预留缝之间均安置压力枕，在应变计混凝土块、锚杆应力计剪切混凝土块和锚杆混凝土块之间的两条预留缝处设置顶升装置，并将锚杆应力计和应变计电缆与对应的锚杆应力计读数仪和应变计读数仪连接；

2）试验时，按照预先设计的工况、最大加载和加载分级对压力枕和顶升装置进行分级加载，每一级加载分别读取锚杆应力计、应变计和应变砖读数直至最大加载级数，完成升载试验，分级加载完成之后，按与升载试验一样进行减载试验，直至加载值为零，即完成单次试验工作；

3）试验工作完成后先进行数据处理，将各锚杆应力计读数仪和应变计读数仪的读数换算成监测物理量，并模拟得出载荷与应力的关系。

以下根据本发明的实施例对本发明做详细的描述：

一种锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置，由固定混凝土块1、锚杆应力计混凝土块2、锚杆应力计及应变计混凝土块3、应变计混凝土块4、锚杆应力计剪切混凝土块5和锚杆混凝土块6组成，中心安置由锚杆10和锚杆应力计11间隔组成锚杆轴，并在锚杆上安置应变计12，除固定混凝土块1外其它混凝土块底部安置钢板18，并在钢板底部安置滚轴13。在混凝土块浇筑之前，选择安装有锚杆应力计位置的3个断面沿截面方向对称布置十块应变砖17。在本模型试件的制作中在锚杆的周围首先浇注一层圆柱体型水泥砂浆19，然后再浇注混凝土块，整个模型截面的介质就分为锚杆、水泥砂浆和混凝土块。

本发明的试验方法如下：试验准备时在固定混凝土块1、锚杆应力计混凝土块2、锚杆应力计及应变计混凝土块3、应变计混凝土块4等3条预留缝之间均安置压力枕7，在应变计混凝土块4、锚杆应力计剪切混凝土块5和锚杆混凝土块6等2条预留缝对向错位安置千斤顶16，并将锚杆应力计和应变计电缆与对应的锚杆应力计读数仪14和应变计读数仪15连接。

试验时，按照预先设计的各种工况及及最大加载和加载分级，组合或单独对3个压力枕7和4个千斤顶16分级加载，每一级加载分别读取锚杆应力计、应变计和应变砖读数直至最大加载级，完成升载试验，之后，按与升载程序一样进行减载试验，直至加载值为零，即完成单次试验工作，按预先设计要求，可进行单次或多次试验。

试验工作完成后先进行数据处理，数据处理包括锚杆应力计、应变计和应变砖根据读数和已经检定的相关参数换成监测物理量，并根据标定值计算每一级荷载值，并制成相关表格。之后进行各种工况成果分析，通过统计分析方法，分析各种工况下各级荷载量与各监测物理量之间的关系，并将研究成果应用于具体工程实践。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明适合适用于岩土工程锚杆工作状态模拟试验和工程安全监测锚杆应力计工作状态模拟试验的具体情况。原理简单、模拟状态真实、成本低、试验效果好。

综上所述，本发明通过模拟现场锚杆和锚杆应力计工作状态的试验揭示锚杆在现场各种荷载工况下的工作状态，以及相应的锚固体的应力分布规律，并揭示锚杆应力计在拉、剪组合荷载作用下的读数变化规律。

 

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图；

图2是图1的侧面示意图；

图3是本发明垂直于试验装置长度方向的过所述锚杆应力计的截面图；

图4是某工况下锚杆应力计试验值和计算值与荷载的关系曲线图。

在图中

1—固定混凝土块，2—锚杆应力计混凝土块，3—锚杆应力计及应变计混凝土块，4—应变计混凝土块，5—锚杆应力计剪切混凝土块，6—锚杆剪切混凝土块，7—压力枕，8—锚杆应力计剪切缝，9—锚杆剪切缝，10—锚杆，11—锚杆应力计，12—应变计，13—滚轴，14—锚杆应力计读数仪，15—应变计读数仪，16—千斤顶，17—应变砖，18—钢板，19—水泥砂浆。

 具体实施方式

图1、图2和图3所示为一种锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验方法和装置的一个实施例。

本实施例是申请人承担某国家重点工程的科研课题试验，对该工程大面积支护锚杆及锚杆应力计读数超量程问题进行试验研究，本试验装置和方法是该课题试验项目之一。

本实施例实验装置的总长度为4670mm，模型截面为850mm×500mm，自固定混凝土块1至锚杆混凝土块6长度分别为900mm、1020mm、850mm、600mm、600mm和500mm，固定混凝土块1、锚杆应力计混凝土块2、锚杆应力计及应变计混凝土块南侧3、应变计混凝土块4等3条预留缝均为60mm，应变计混凝土块4、锚杆应力计剪切混凝土块5和锚杆混凝土块6等2条预留缝均为10mm，锚杆直径为32mm，模型制作之前先按设计方案制作模板和钢板，将锚杆10和锚杆应力计11及点焊式钢筋应变计12按设计安装到位，先行浇筑固定混凝土块1，并采用导管方式将将锚杆10和锚杆应力计11组成的锚杆包裹水泥砂浆，待水泥砂浆柱体形成后，按32mm等间距在锚杆应力计断面安置应变砖并浇筑混凝土块，并对混凝土块进行28天养护。

所述固定混凝土块1为长方体混凝土块，轴向中心安装锚杆10，在整个试验装置中作为固定端。

锚杆应力计混凝土块2为长方体混凝土块，轴向中心安置由锚杆应力计11和锚杆10组成的锚杆轴，锚杆轴包裹圆柱体型水泥砂浆19，并沿锚杆应力计截面方向对称布置十块应变砖17，模拟拉荷载作用下锚杆及锚杆应力计在的工作状态。

锚杆应力计及应变计混凝土块3为长方体混凝土块，轴向中心安置由锚杆应力计11和锚杆10组成的锚杆轴，并在锚杆应力计上安装贴片式应变计12，锚杆轴包裹圆柱体型水泥砂浆19，模拟拉荷载作用下锚杆应力计11应力与应变工作状态。

应变计混凝土块4为长方体混凝土块，轴向中心安置锚杆10，并在锚杆上安装贴片式应变计12，锚杆包裹圆柱体型水泥砂浆19，模拟拉荷载作用下锚杆10的应变工作状态。

锚杆应力计剪切混凝土块5为长方体混凝土块，轴向中心安置由锚杆应力计11和锚杆10组成的锚杆轴，其中锚杆应力计11中心位于锚杆应力计剪切混凝土块5与应变计混凝土块4分缝处，锚杆轴包裹圆柱体型水泥砂浆19，模拟剪荷载作用下锚杆应力计11应力工作状态。

锚杆应变剪切混凝土块6为长方体混凝土块，轴向中心安置锚杆10，并在锚杆安装贴片式应变计12，应变计12位于锚杆轴包裹圆柱体型水泥砂浆19，模拟剪荷载作用下锚杆应变工作状态。

固定混凝土块1、锚杆应力计混凝土块2、锚杆应力计及应变计混凝土块3、应变计混凝土块4预留缝之间均安置压力枕7，在进行模拟试验时，采用压力枕7模拟岩体拉荷载。

应变计混凝土块4、锚杆应力计剪切混凝土块5和锚杆应变剪切混凝土块6预留缝之间均水平差位安置千斤顶16，在进行模拟试验时，采用千斤顶16模拟岩体剪荷载。

模拟装置中心轴由锚杆10和锚杆应力计11间隔组成锚杆轴，将各混凝土块串联，在进行模拟试验时，适用于各种工况组合试验。

除固定混凝土块1外锚杆轴包裹圆柱体型水泥砂浆19，进行模拟钻孔和注浆真实现场。

除固定混凝土块1外其它混凝土块底部安置钢板18，并在钢板底部安置滚轴13，在进行模拟试验时，活动混凝土块在外力作用下自由运动。

锚杆应力计位置的3个断面沿截面方向对称布置十块应变砖17，在进行模拟试验时，当外力作用下监测锚杆应力计周边岩体的应变。

为了达到研究目的，试验时做了多种工况及工况组合试验，仅以某工况为例，对模型2个压力枕7同时分级加载，测量锚杆应力计应力与荷载模型拉荷载）关系式，试验前对压力枕7进行了标定，试验时压力枕7分0.0MPa~1.25MPa14级加载（换算成荷载为0.0KN~400KN），每一级加载后作短暂停顿后读取锚杆应力计读数，资料处理时将锚杆应力计读数换算成监测物理量，并绘制荷载与应力关系曲线，研究项目同时对各工部作了非线性有限元分析计算，本工况试验的锚杆应力计试验值和计算值与荷载关系曲线如图4所示，从图可以看出，试验值与计算值拟合效果是相当理想的，也说明了模型试验装置和试验方法是有效的。

本发明在工程实践中被证明效果良好，具有如下长足之处：

1）试验装置结构简单、成本低、模拟状态真实、能多种工况同时试验；

2）试验原理清晰，方法简便，成果真实有效。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1. 一种锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置，其特征在于，包括呈直线依次间隔排列的固定混凝土块（1）、锚杆应力计混凝土块（2）、锚杆应力计及应变计混凝土块（3）、应变计混凝土块（4）、锚杆应力计剪切混凝土块（5）和锚杆应变剪切混凝土块（6）；所述固定混凝土块（1）、锚杆应力计混凝土块（2）、锚杆应力计及应变计混凝土块（3）、应变计混凝土块（4）、锚杆应力计剪切混凝土块（5）和锚杆应变剪切混凝土块（6）的中心位置沿模拟试验装置的长度方向设有由锚杆（10）和锚杆应力计（11）间隔组成而将各混凝土块串联在一起的锚杆轴，并在锚杆轴上安置应变计（12），所述固定混凝土块（1）为模拟试验装置的固定端；所述固定混凝土块（1）与锚杆应力计混凝土块（2）、锚杆应力计混凝土块（2）与锚杆应力计及应变计混凝土块（3）、锚杆应力计及应变计混凝土块（3）与应变计混凝土块（4）之间的预留缝内均设有用于模拟岩体拉载荷的压力枕（7），在应变计混凝土块（4）、锚杆应力计剪切混凝土块（5）和锚杆应变剪切混凝土块（6）的预留缝处设有用于模拟岩体剪载荷的顶升装置；在垂直于试验装置长度方向的所述锚杆应力计（11）截面上设置有应变测量装置。

2. 根据权利要求1所述的锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置，其特征在于，所述锚杆应力计混凝土块（2）、锚杆应力计及应变计混凝土块（3）、应变计混凝土块（4）、锚杆应力计剪切混凝土块（5）和锚杆应变剪切混凝土块（6）的底部均装有底板，该底板下设有滚动部件。

3. 根据权利要求1所述的锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置，其特征在于，所述锚杆应力计混凝土块（2）、锚杆应力计及应变计混凝土块（3）、应变计混凝土块（4）、锚杆应力计剪切混凝土块（5）和锚杆应变剪切混凝土块（6）内的锚杆轴上包裹有水泥砂浆（19）。

4. 根据权利要求3所述的锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置，其特征在于，所述锚杆轴上包裹的水泥砂浆（19）呈圆筒状。

5. 根据权利要求1所述的锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置，其特征在于，所述顶升装置为水平差位安置的千斤顶（16）。

6. 根据权利要求1所述的锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置，其特征在于，所述锚杆应力计混凝土块（2）内设有至少一个锚杆应力计（11），所述锚杆应力计及应变计混凝土块（3）内设有至少一个锚杆应力计（11）并安置至少一个应变计（12），所述应变计混凝土块（4）与锚杆应力计剪切混凝土块（5）的接缝处设有一个锚杆应力计（11）；所述应变计混凝土块（4）内设有至少一个应变计（12）。

7. 根据权利要求1~6之一所述的锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置，其特征在于，所述应变测量装置为多块水平对称设置在锚杆应力计（11）两侧的应变砖（17）。

8. 根据权利要求1~6之一所述的锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置，其特征在于，所述锚杆应力计（11）通过电缆与相应的锚杆应力计读数仪（14）相连，所述应变砖（17）和应变计（12）通过电缆与相应的应变计读数仪（15）相连。

9. 一种利用权利要求1-8之一所述的锚杆及锚杆应力计工作状态模拟试验装置进行模拟试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）试验准备时在固定混凝土块（1）、锚杆应力计混凝土块（2）、锚杆应力计及应变计混凝土块南侧（3）、应变计混凝土块（4）之间的三条预留缝之间均安置压力枕（7），在应变计混凝土块（4）、锚杆应力计剪切混凝土块（5）和锚杆混凝土块（6）之间的两条预留缝处设置顶升装置，并将锚杆应力计和应变计电缆与对应的锚杆应力计读数仪（14）和应变计读数仪（15）连接；

2）试验时，按照预先设计的工况、最大加载和加载分级对压力枕（7）和顶升装置进行分级加载，每一级加载分别读取锚杆应力计、应变计和应变砖读数直至最大加载级数，完成升载试验，分级加载完成之后，按与升载试验一样进行减载试验，直至加载值为零，即完成单次试验工作；

3）试验工作完成后先进行数据处理，将各锚杆应力计读数仪（14）和应变计读数仪（15）的读数换算成监测物理量，并模拟得出载荷与应力的关系。