CN105954098B - 锚杆室内拉伸-剪切二维试验方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锚杆室内拉伸‑剪切二维试验方法及装置，本发明将板状试样和锚杆通过锚固剂粘结在一起，制作成锚固体试样，将锚固体试样放置在下承压板上，对锚固体试样施加一定初始竖向荷载，依次将垫板和锁紧螺母安装在锚杆上，采用位移控制方式进行锚杆室内拉伸‑剪切试验，试验过程可实时观测锚固剂和板状试样的变形破裂情况、锚杆的变形和轴力分布。本发明对于获取锚杆的拉伸‑剪切破坏试验数据、认识锚固系统在拉伸与剪切综合作用下的破坏机制具有重要意义。

Description

锚杆室内拉伸-剪切二维试验方法及装置
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，具体来说涉及一种锚杆室内拉伸-剪切二维试验方法及装置。
背景技术
锚杆是交通、水利及采矿等行业锚固工程中应用最广泛的支护方式。锚杆和岩体之间通过锚固剂粘结在一起，锚固系统指的是锚杆、锚固剂及锚杆有效作用范围内岩体的综合。锚固系统工作机制的揭示一直是锚固机理研究领域的难题。拉拔试验是该问题研究中的主要试验方法，然而传统的拉拔试验方法存在如下两个显著缺陷：（1）工程实际中锚杆同时受到拉伸和剪切荷载的作用，在拉伸-剪切荷载的作用下，锚固系统将表现出不同于纯拉伸荷载作用下的力学行为，传统的拉拔试验无法满足拉伸及剪切荷载的同时施加；（2）传统的拉拔试验方法中，锚杆通过锚固剂安装在钻孔中，锚杆及锚固剂被钻孔包围而处于密闭状态，无法直接观察到拉拔过程中锚固剂、锚固体变形破裂以及锚杆的变形过程。
中国专利公开号CN103543069A，公开日期2014年01月29日，发明名称为“锚杆室内拉伸-剪切试验装置”，该申请专利公开了一种锚杆室内拉伸-剪切试验装置。该试验装置可对锚杆同时施加拉伸及剪切荷载，研究锚固系统在拉伸-剪切组合荷载作用下相关力学行为，但是该装置为三维试验装置，锚固系统（锚杆、锚固剂及钻孔）处于密闭状态，无法直接观察到拉拔及剪切过程中锚固剂、锚杆及锚固体变形破坏的发展过程。
中国专利公开号CN102776900A，公开日期2012年11月14日，发明名称为“锚固系统工作机制二维试验方法”，该申请专利公开了一种锚固系统工作机制二维试验方法。尽管该方法克服了传统密闭试验方法无法直接观察试验过程的缺陷，但是该方法仅能研究锚固系统在纯拉伸荷载作用下的工作及破坏机制，无法实现锚杆在拉伸-剪切荷载组合作用下力学行为的研究。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种锚杆室内拉伸-剪切二维试验方法及装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种锚杆室内拉伸-剪切二维试验方法，包括以下步骤：
a制作板状试样，在锚杆表面上粘贴应变片，将锚杆放置于板状试样的半圆形钻孔内，在锚杆和半圆形钻孔之间的空隙内充填锚固剂，制作成由板状试样、锚杆和锚固剂粘结而成的锚固体试样；
b将锚固体试样放置于下承压板上，并将锚固体试样一侧紧靠下承压板内侧壁，将上承压板放置在锚固体试样上端面，设定竖向预加载值，采用荷载控制方式对上承压板施加竖向荷载至预设值；
c依次将垫板和锁紧螺母安装在锚杆上，设定锚杆预应力值，采用扭矩扳手通过锁紧螺母对锚杆施加预应力至预设值；
d 采用位移控制方式，以一定位移加载速率继续施加竖向荷载，摄像记录试样破坏过程，并读取荷载和位移数据。
所述锚固剂为树脂或水泥砂浆中的一种。
一种锚杆室内拉伸-剪切二维试验装置，包括板状试样，板状试样内部设置有剪切面，板状试样中部开有半圆形钻孔，半圆形钻孔内安装锚杆，锚杆表面上粘贴应变片。
所述板状试样上端面设有上承压板。
所述板状试样下端面设有下承压板。
所述下承压板呈“L”型，板状试样一侧紧靠下承压板内侧壁。
所述板状试样为长方体，板状试样的厚度、长度和高度比例为1：3：8，板状试样为岩石或混凝土材料。
所述锚杆杆体为半圆状，锚杆一端设置有螺纹，锚杆为金属材料中的一种。
所述剪切面与竖直方向夹角α为20°～70°。
本发明改变了传统锚固系统工作机制的试验方法，板状试样中剪切面的设置，可实现在轴向荷载作用下锚杆及锚固界面内同时产生拉伸及剪切荷载，克服了传统锚杆室内拉拔试验只能进行纯拉伸测试的缺陷；板状试样中半圆形钻孔的设置及锚杆杆体半圆状的设置使得传统的锚杆与锚固剂、锚固剂与锚固体之间的封闭圆弧形接触面暴露出来，将传统的采用圆柱形锚杆和立方形锚固体的三维试验方法转变为采用半圆状锚杆和板状试样的二维试验方法，可实现实时记录和拍摄试验过程中锚杆、锚固剂和试块的力学响应，克服了传统密闭试验方法无法直接观察试验过程的缺陷；下承压板“L”型结构形式的设置，可保证在轴向压缩荷载作用下，板状试样下半部分不产生位移，板状试样上半部分沿着剪切面稳定的产生剪切错动位移，提高了锚固体试样整体稳定性。本试验方法对于获取锚杆的拉伸-剪切破坏试验数据、认识锚固系统在拉伸与剪切综合作用下的破坏机制具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的试验布置方案示意图。
图2是本发明的板状试样形状示意图。
图3是本发明的锚杆形状的示意图。
图4是实施例1得到的竖向荷载与位移的关系曲线。
图5是实施例1得到的锚杆轴力沿杆长的分布曲线。
图6是实施例2得到的竖向荷载与位移的关系曲线。
图7是实施例2得到的锚杆轴力沿杆长的分布曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1、图2和图3所示的锚杆室内拉伸-剪切二维试验方法，包括以下步骤：
a制作板状试样1，在锚杆2表面上粘贴应变片，将锚杆2放置于板状试样1的半圆形钻孔8内，在锚杆2和半圆形钻孔8之间的空隙内充填锚固剂3，制作成由板状试样1、锚杆2和锚固剂3粘结而成的锚固体试样；
b将锚固体试样放置于下承压板10上，并将锚固体试样一侧紧靠下承压板10内侧壁，将上承压板9放置在锚固体试样上端面，设定竖向预加载值，采用荷载控制方式对上承压板9施加竖向荷载6至预设值；
c依次将垫板4和锁紧螺母5安装在锚杆2上，设定锚杆2预应力值，采用扭矩扳手通过锁紧螺母5对锚杆2施加预应力至预设值；
d采用位移控制方式，以一定位移加载速率继续施加竖向荷载6，摄像记录试样破坏过程，并读取荷载和位移数据。
其中，锚固剂为树脂或水泥砂浆中的一种。
锚杆室内拉伸-剪切二维试验装置，包括板状试样1，板状试样1内部设置有剪切面7，板状试样1中部开有半圆形钻孔8，半圆形钻孔8内安装锚杆2，锚杆2表面上粘贴应变片。
其中，板状试样1上端面设有上承压板9，板状试样1下端面设有下承压板10，下承压板10呈“L”型，板状试样1一侧紧靠下承压板10内侧壁，板状试样1为长方体，板状试样1的厚度、长度和高度比例为1：3：8，板状试样1为岩石或混凝土材料，锚杆2杆体为半圆状，锚杆2一端设置有螺纹，锚杆2为金属材料中的一种，剪切面7与竖直方向夹角α为20°～70°。
实施例1
（一）锚固体试样的制作
a在岩石切割机上制作厚4cm、长12cm、高32cm的岩石板状试样1，其中半圆形钻孔8的直径为4cm，剪切面7与竖直方向夹角α为45°；
b加工直径为2cm的铜质锚杆2，锚杆2杆体长度为12cm，螺纹段长度为4cm，在锚杆2杆体上每间隔2cm粘贴应变片；
c在板状试样1的半圆形钻孔8和锚杆2之间的间隙内均匀充填锚固剂3，锚固剂3的厚度为1cm，锚固剂3为树脂锚固剂，充填完成后放置于阴凉通风处至锚固剂3充分凝固；
d锚固体试样制作完成。
（二）施加初始荷载
a将制作好的锚固体试样放置在下承压板10上，并使得试样一侧紧靠下承压板10内侧壁，将上承压板9放置在锚固体试样上端面；
b设定竖向预加载值为0.5KN，采用荷载控制方式，按0.5kN/分钟的速率施加竖向荷载6。
（三）施加锚杆预应力
依次将垫板4和锁紧螺母5安装在锚杆2上，设定锚杆2预应力值为0.5KN，采用扭矩扳手通过锁紧螺母5对锚杆2施加预应力至0.5KN。
（四）锚杆拉伸-剪切试验
采用位移控制方式，以0.001mm/s加载速率继续施加竖向荷载6，实时摄像记录试样破坏过程，并读取荷载、位移及应变数据，在锚杆2破断或锚固剂3明显破坏失效后停止试验。
（五）试验数据分析
图4~5为本实施例试验数据分析所得的曲线，图4是锚杆拉伸-剪切过程中竖向荷载与位移的关系曲线，由图4可见，随着竖向位移的逐渐增大，竖向荷载先近似呈线性增长，增长到一定数值后随着锚固体发生破坏，荷载迅速下降；图5给出了锚杆轴向应力沿杆长的分布曲线，由图5可见，在竖向荷载作用下，锚杆最大轴力发生在杆体中部，即剪切面与半圆形钻孔交界处，由此向两侧锚杆轴力迅速降低，可据此分析锚杆破坏的位置；结合试验曲线和锚固体试样破坏过程分析可深入了解锚固系统的工作机制。
实施例2
（一）锚固体试样的制作
a在岩石切割机上制作厚4cm、长12cm、高32cm的岩石板状试样1，其中半圆形钻孔8的直径为4cm，剪切面7与竖直方向夹角α为60°；
b加工直径为2cm的铜质锚杆2，锚杆2杆体长度为12cm，螺纹段长度为4cm，在锚杆2杆体上每间隔2cm粘贴应变片；
c在板状试样1的半圆形钻孔8和锚杆2之间的间隙内均匀充填锚固剂3，锚固剂3的厚度为1cm，锚固剂3为树脂锚固剂，充填完成后放置于阴凉通风处至锚固剂3充分凝固；
d锚固体试样制作完成。
（二）施加初始荷载
a将制作好的锚固体试样放置在下承压板10上，并使得试样一侧紧靠下承压板10内侧壁，将上承压板9放置在锚固体试样上端面；
b设定竖向预加载值为0.5KN，采用荷载控制方式，按0.5kN/分钟的速率施加竖向荷载6。
（三）施加锚杆预应力
依次将垫板4和锁紧螺母5安装在锚杆2上，设定锚杆2预应力值为2KN，采用扭矩扳手通过锁紧螺母5对锚杆2施加预应力至2KN。
（四）锚杆拉伸-剪切试验
采用位移控制方式，以0.001mm/s加载速率继续施加竖向荷载6，实时摄像记录试样破坏过程，并读取荷载、位移及应变数据，在锚杆2破断或锚固剂3明显破坏失效后停止试验。
（五）试验数据分析
图6~7为本实施例试验数据分析所得的曲线，图6是锚杆拉伸-剪切过程中竖向荷载与位移的关系曲线，由图6可见，随着竖向位移的逐渐增大，竖向荷载近似呈抛物线型增长，增长到一定数值后随着锚固体发生破坏，荷载迅速下降，与图4中荷载下降速率相比有所减小；图7给出了锚杆轴向应力沿杆长的分布曲线，由图7可见，在竖向荷载作用下，锚杆最大轴力发生在杆体中部，即剪切面与半圆形钻孔交界处，由此向两侧锚杆轴力逐步降低，与图5中锚杆轴向相比，由于图7中锚杆预应力增大，因而竖向荷载作用下锚杆轴向要比图5中大许多，且锚杆轴力向两端下降趋势减缓；结合试验曲线和锚固体试样破坏过程分析可深入了解锚固系统的工作机制。

Claims (9)

1.一种锚杆室内拉伸-剪切二维试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
a制作板状试样（1），板状试样（1）内部设置有剪切面（7），板状试样（1）前端面中部开有半圆形钻孔（8），所述半圆形钻孔（8）为表面半圆形凹槽，在锚杆（2）表面上粘贴应变片，将锚杆（2）放置于板状试样（1）的半圆形钻孔（8）内，在锚杆（2）和半圆形钻孔（8）之间的空隙内充填锚固剂（3），制作成由板状试样（1）、锚杆（2）和锚固剂（3）粘结而成的锚固体试样；
b将锚固体试样放置于下承压板（10）上，并将锚固体试样一侧紧靠下承压板（10）内侧壁，将上承压板（9）放置在锚固体试样上端面，设定竖向预加载值，采用荷载控制方式对上承压板（9）施加竖向荷载（6）至预设值；
c依次将垫板（4）和锁紧螺母（5）安装在锚杆（2）上，设定锚杆（2）预应力值，采用扭矩扳手通过锁紧螺母（5）对锚杆（2）施加预应力至预设值；
d采用位移控制方式，以一定位移加载速率继续施加竖向荷载（6），摄像记录试样破坏过程，并读取荷载和位移数据。
2.根据权利要求1所述的锚杆室内拉伸-剪切二维试验方法，其特征在于：所述锚固剂（3）为树脂或水泥砂浆中的一种。
3.一种基于权利要求1～2中任一项所述方法的锚杆室内拉伸-剪切二维试验装置，其特征在于：包括板状试样（1），板状试样（1）内部设置有剪切面（7），板状试样（1）中部开有半圆形钻孔（8），半圆形钻孔（8）内安装锚杆（2），锚杆（2）表面上粘贴应变片。
4.根据权利要求3所述的锚杆室内拉伸-剪切二维试验装置，其特征在于：所述板状试样（1）上端面设有上承压板（9）。
5.根据权利要求3所述的锚杆室内拉伸-剪切二维试验装置，其特征在于：所述板状试样（1）下端面设有下承压板（10）。
6.根据权利要求5所述的锚杆室内拉伸-剪切二维试验装置，其特征在于：所述下承压板（10）呈“L”型，板状试样（1）一侧紧靠下承压板（10）内侧壁。
7.根据权利要求3所述的锚杆室内拉伸-剪切二维试验装置，其特征在于：所述板状试样（1）为长方体，板状试样（1）的厚度、长度和高度比例为1：3：8，板状试样（1）为岩石或混凝土材料。
8.根据权利要求3所述的锚杆室内拉伸-剪切二维试验装置，其特征在于：所述锚杆（2）杆体为半圆状，锚杆（2）一端设置有螺纹，锚杆（2）为金属材料中的一种。
9.根据权利要求3所述的锚杆室内拉伸-剪切二维试验装置，其特征在于：所述剪切面（7）与竖直方向夹角α为20°～70°。
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