CN106638594A - 一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法及其应用，目的在于解决以下两方面问题：1、可解决在锚杆支护中由于膨胀性水泥浆体配合比选择不当或有误而引起岩体被撑裂，从而使得锚杆松散加固失效及达不到锚杆预期的抗拔力效果。2、可解决在野外施工现场做灌注膨胀水泥浆打锚杆支护时，现场无法获取或准确获取岩石的抗拉强度从而无法计算膨胀水泥浆中膨胀剂的含量导致锚杆锚固力达不到预期效果的问题，该发明可在现场快速确定膨胀水泥浆中的最适膨胀剂含量，从而避免了室内实验获取岩石抗拉强度的繁琐流程，提高了工期及膨胀剂含量添加的准确性。

Description

一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法及其应用，适应于各种锚杆支护及确定与岩体，土体等土木工程中膨胀剂含量添加的工程应用范围。

背景技术

目前，伴随我国经济的快速发展，基础建设突飞猛进，出现了各种类型的挖、填方边坡，为了确保边坡安全稳定，通常采用锚杆支护技术来对边坡进行处理，使之达到要求的安全稳定。在现阶段对于锚杆支护工程中，利用膨胀水泥浆作为锚杆锚固体，利用其侧向膨胀性能应用于实际工程中来提高锚杆抗拔力是锚杆支护工程重点考虑的问题，同时还可以满足工程实际中的需要及节约原材料，为实际工程应用方面带来显著的经济效益；但不同膨胀剂含量的水泥浆对围岩体产生的压应力不同，不同围岩体的抗拉强度也不尽相同，所以存在实际工程中因膨胀剂过量而使得围岩体被撑裂或膨胀剂含量过低而使得锚杆抗拔力降低的情况，因此，如何快速准确得出锚杆支护工程最适膨胀剂含量的水泥浆从而提高锚杆抗拔力及节约材料成本是膨胀水泥浆广泛应用锚杆支护工程中的关键问题，针对该问题，目前却没有相应的方法解决。

发明内容

本发明专利所要解决的技术问题是提供一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法及其应用，可解决：1、可解决在锚杆支护中由于膨胀性水泥浆体配合比选择不当或有误而引起岩体被撑裂，从而使得锚杆松散加固失效。2、可解决在野外施工现场做灌注膨胀水泥浆打锚杆支护时，现场无法获取或准确获取岩石的抗拉强度从而无法计算膨胀水泥浆中膨胀剂的含量导致锚杆锚固力达不到预期效果的问题，该发明可在现场快速确定膨胀水泥浆中的最适膨胀剂含量，从而避免了室内实验获取岩石抗拉强度的繁琐流程，提高了工期及膨胀剂含量添加的准确性。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：在围岩(9)上相距一定距离任意钻取n个直径m和深度a相同的孔洞(10)，进行孔洞编号，且保证孔洞完整无裂隙，并使用声波测试仪测试各孔洞，根据波速对孔洞内部岩石进行分类；

步骤2：根据孔洞内部岩石分类初步确定膨胀水泥浆体中膨胀剂的添加范围，再根据锚固长度L(L＜a)计算出膨胀水泥浆中各成分的质量，以x％(x可取任意正数，根据工程需要精度取值)的增量逐级递增制成的不同含量的膨胀性水泥浆体；选择长度为b(b＞a)的锚杆，在距离锚杆一顶端c处向另一端方向开始布置应变片，两应变片间距为z；

步骤3：将锚杆放入孔洞，用普通水泥浆灌注d深(d＜c)，待普通水泥浆初凝后，将不同含量的膨胀性水泥浆体分别注入有编号的孔洞，记录不同编号孔洞所对应膨胀剂含量，并用刚性圆盘支撑架进行拖口封面；

步骤4：灌浆完毕后一段时间，接通压力采集系统采集膨胀压应力，对应记录不同编号孔洞的膨胀压应力数据，同时使用内窥镜伸入孔洞观察孔内壁是否出现裂纹，并记录下不同编号孔洞的胀裂情况；

步骤5：根据步骤4测得数据绘制不同编号孔洞中应力-时间曲线图，联合内窥镜观察裂纹情况，初步确定最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围；

步骤6：在步骤5确定的近似范围内，使用二分法分多组后重复步骤1、2、3、4、5，得出最适膨胀剂水泥浆配合比，其中，每一次重复步骤中的x取值均要小于上回步骤中x的取值，且钻孔数和试验重复次数由工程精度要求确定。

所述步骤1具体操作过程为，在围岩(9)上任意钻取n个直径m深a的孔洞(10)，每两孔洞相距2米，进行编号为1～n，且保证孔洞完整无裂隙，以便后面进行内窥镜观察及压力采集数据不受影响；使用声波测试仪测试各孔洞岩石，根据波速对孔洞内部岩石进行分类，再查文献根据不同岩石的抗拉强度初步确定膨胀水泥浆体中膨胀剂的添加范围。

所述步骤2具体操作过程为，根据步骤1初步确定膨胀水泥浆体中膨胀剂的添加范围以x％的增量逐级递增制成的不同含量的膨胀性水泥浆体，x的取值均为正数，且x％取值由工程精度需要确定，在一般工程中x％的取值都不会超过50％；根据孔洞深度选择一根长度为b米的锚杆，锚杆伸出孔洞外是便易进行支护等工程活动；距离锚杆一顶端c处开始布置应变片，c取值范围一般在3cm～10cm，即在0到c的范围内主要作用是用普通水泥浆将锚杆居中定位于孔洞中；两应变片间距为z，也可根据工程实际需要精度确定。

所述步骤3具体操作过程为，将锚杆放入孔洞，用普通水泥浆灌注d深，d＜c是用普通水泥浆将锚杆居中定位于孔洞中；待普通水泥浆初凝后，将不同含量的膨胀性水泥浆体分别注入有编号的孔洞，浆体从里至外灌注，为避免水泥浆体倾落流出，使用刚性圆盘支撑架固定。

所述步骤4具体操作过程为，采用压力采集系统采集膨胀压应力与内窥镜观察内壁胀裂情况相结合，是更加精确的判断孔壁在不同膨胀剂含量下的胀裂情况，找到孔壁胀裂时所对应最小膨胀剂含量水泥浆一组作为范围下限和未胀裂中最大膨胀剂含量水泥浆一组作为范围上限，即初步最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围。

所述步骤5具体操作过程为，根据步骤4测得的压应力绘制不同编号孔洞中应力-时间曲线图，按照曲线是否存在突然大幅度下降对所有应力-时间曲线图进行分类，将存在突然大幅度下降分为第一组，没有存在突然大幅度下降的分为第二组，对比内窥镜观察记录的裂纹情况，然后在第一组中找出膨胀剂含量最低且已经出现裂纹的一个作为最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围的下限，在第二组中找出膨胀剂含量最高且没有出现裂纹的一个作为最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围的上限，即可初步确定最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围。

所述步骤6具体操作过程为，在步骤5确定的近似范围内，使用二分法将初步近似范围分多组后重复步骤1、2、3、4、5，根据工程需要精度要求，最终确定最适膨胀剂水泥浆配合比；在每一回重复步骤2中的x取值均要小于上回步骤中x的取值，且钻孔数和试验重复次数由工程精度要求确定。

所述步骤3所述刚性圆盘支撑架由刚性圆盘(1)、带螺纹轴杆(2)、支撑骨架(3)和固定锥(4)四部分构成，所述支撑骨架(3)固定安装在刚性圆盘(1)的中心，在支撑骨架(3)上通过螺纹传动配合安装有带螺纹轴杆(2)，所述带螺纹轴杆(2)采用两根铰接而成，在其接头位置形成固定锥(4)；所述哑铃状装置由螺杆螺帽(5)、橡皮垫(6)、刚性圆盘(7)和圆环轴杆(8)构成，所述圆环轴杆(8)的两端安装有刚性圆盘(7)，所述刚性圆盘(7)外端面安装有橡皮垫(6)，所述橡皮垫(6)的外层通过螺杆螺帽(5)固定安装有外层刚性圆盘(7)。

所述橡皮垫(6)的直径比刚性圆盘(7)的直径大0.5cm～2cm。

本发明有如下有益效果：

1、实现了锚杆支护工程现场快速确定最适的膨胀剂水泥比例，提高锚杆抗拔力，增强了边坡的稳定性。

2、在锚杆支护工程中提高了锚杆抗拔力，在达到相同抗拔力的前提下，节省了锚杆与灌浆等材料费用。

3、避免了为锚杆支护室内实验获取岩石抗拉强度的繁琐流程，提高了工期及膨胀剂含量添加的准确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明刚性圆盘支撑架示意图。

图2是本发明哑铃状装置示意图。

图3是本发明边坡钻孔示意图。

图4是本发明实施例一中15％膨胀剂下的膨胀压应力。

图5是本发明实施例一中20％膨胀剂下的膨胀压应力。

图6是本发明实施例一中25％膨胀剂下的膨胀压应力。

图7是本发明实施例一中30％膨胀剂下的膨胀压应力。

图8是本发明实施例二中9％膨胀剂下的膨胀压应力。

图9是本发明实施例二中12％膨胀剂下的膨胀压应力。

图10是本发明实施例二中15％膨胀剂下的膨胀压应力。

图11是本发明实施例二中18％膨胀剂下的膨胀压应力。

图中，刚性圆盘1、支撑骨架2、带螺纹轴杆3、固定锥4、螺杆螺帽5、橡皮垫6、刚性圆盘7、圆环轴杆8、坡面9、孔洞10。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例一：

步骤1：选择一块稳定的边坡，在边坡原位上钻取4个孔洞，用数字对孔洞编号为1-4号，直径均为50mm，孔深均为1.5m，两孔间距2m，并使用声波测试仪测试各孔洞，根据波速对孔洞内部岩石进行判断分类，初步判定为砂岩。

步骤2：选择长度为1.8米的锚杆，在距离锚杆一顶端5cm处向另一端方向开始布置应变片，每两个应变片间距10cm；根据孔洞内部岩石分类初步确定膨胀水泥浆体中膨胀剂的添加范围为15％-30％之间，再根据锚固长度为1m计算出膨胀水泥浆中各成分的质量，以5％的增量逐级递增制成的不同含量的膨胀性水泥浆体；即取普通水泥1700g、1600g、1500g、1400g，共6组。再取膨胀剂300g、400g、500g、600g，再称出4组温水(50摄氏度左右)，每组700g，并将组号依次标记为1、2、3、4，将所称取的水泥、膨胀剂倒入搅拌桶搅拌均平后再加入水进行搅拌，配制成不同膨胀剂含量如下的膨胀剂的膨胀水泥浆4组：15％、20％、25％、30％。

步骤3：将锚杆放入孔洞，用普通水泥浆灌注5cm深，待普通水泥浆初凝后，将不同含量的膨胀性水泥浆体分别注入有编号的孔洞，记录不同编号孔洞所对应膨胀剂含量，并用刚性圆盘支撑架进行拖口封面。

步骤4：灌浆完毕后20分钟，接通压力采集系统采集膨胀压应力，对应记录不同编号孔洞的膨胀压应力数据，同时使用内窥镜伸入孔洞观察孔内壁是否出现裂纹，并记录下不同编号孔洞的胀裂情况。

步骤5：根据步骤4测得数据绘制不同编号孔洞中应力-时间曲线图，如图所示4-7，在15%和20%膨胀剂下，应力-时间曲线图保持平稳，在25%和30%膨胀剂下，应力-时间曲线图在350s-400s间突然出现应力大幅度下降，即在此刻由于膨胀应力过大出现孔洞内壁胀裂情况，同时联合内窥镜观察裂纹情况，将膨胀剂含量为20%作为初步确定最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围上限，将膨胀剂含量为25%作为初步确定最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围下限，即可初步确定最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围为20%-25%。

步骤6：在步骤5确定的近似范围(20％，25％)内，使用二分法分四组，以1％的增量逐级递增制成的不同含量的膨胀性水泥浆体，即膨胀剂含量为别为：21％、22％、23％、24％，重复步骤1、2、3、4、5，最终得出最适膨胀剂水泥浆配合比为22％。(注：试验重复次数由工程精度要求确定)。

实施例二：

步骤1：选择一块稳定的边坡，在边坡原位上钻取7个孔洞，用数字对孔洞编号为1-7号，直径均为50mm，孔深均为1.5m，两孔间距2m，并使用声波测试仪测试各孔洞，根据波速对孔洞内部岩石进行判断分类，初步判定为泥岩。

步骤2：选择长度为1.8米的锚杆，在距离锚杆一顶端5cm处向另一端方向开始布置应变片，每两个应变片间距10cm；根据孔洞内部岩石分类初步确定膨胀水泥浆体中膨胀剂的添加范围为3％-20％之间，再根据锚固长度为1m计算出膨胀水泥浆中各成分的质量，以3％的增量逐级递增制成的不同含量的膨胀性水泥浆体；即取普通水泥1940g、1880g、1820g、1760g、1700g、1640g、1580g，共7组。再取膨胀剂60g、120g、180g、240g、300g、360g、420g，再称出7组温水(50摄氏度左右)，每组700g，并将组号依次标记为1、2、3、4、5、6、7，将所称取的水泥、膨胀剂倒入搅拌桶搅拌均平后再加入水进行搅拌，配制成不同膨胀剂含量如下的膨胀剂的膨胀水泥浆7组：3％、6％、9％、12％、15％、18％、21％。

步骤3：将锚杆放入孔洞，用普通水泥浆灌注5cm深，待普通水泥浆初凝后，将不同含量的膨胀性水泥浆体分别注入有编号的孔洞，记录不同编号孔洞所对应膨胀剂含量，并用刚性圆盘支撑架进行拖口封面；

步骤4：灌浆完毕后20分钟，接通压力采集系统采集膨胀压应力，对应记录不同编号孔洞的膨胀压应力数据，同时使用内窥镜伸入孔洞观察孔内壁是否出现裂纹，并记录下不同编号孔洞的胀裂情况；

步骤5：根据步骤4测得数据绘制不同编号孔洞中应力-时间曲线图，如图所示8-11，在9%和12%膨胀剂下，应力-时间曲线图基本保持平稳，在15%膨胀剂下，应力-时间曲线图在3200s左右突然出现应力大幅度下降，在18%膨胀剂下，应力-时间曲线图在2000s左右突然出现应力大幅度下降，即在这两种情况下由于膨胀应力过大出现孔洞内壁胀裂情况，同时联合内窥镜观察裂纹情况，将膨胀剂含量为12%作为初步确定最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围上限，将膨胀剂含量为15%作为初步确定最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围下限，即可初步确定最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围为12%-15%。

步骤6：在步骤5确定的近似范围(12％，15％)内，使用二分法分2组，以1％的增量逐级递增制成的不同含量的膨胀性水泥浆体，即膨胀剂含量为别为：13％、14％，重复步骤1、2、3、4、5，最终得出最适膨胀剂水泥浆配合比为13％。(注：试验重复次数由工程精度要求确定)。

通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本发明的保护范围之内。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (9)

1.一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：在围岩（9）上相距一定距离任意钻取n个直径m和深度a相同的孔洞（10），进行孔洞编号，且保证孔洞完整无裂隙，并使用声波测试仪测试各孔洞，根据波速对孔洞内部岩石进行分类；

步骤2：根据孔洞内部岩石分类初步确定膨胀水泥浆体中膨胀剂的添加范围，再根据锚固长度L(L＜a）计算出膨胀水泥浆中各成分的质量，以x%（x可取任意正数，根据工程需要精度取值）的增量逐级递增制成的不同含量的膨胀性水泥浆体；选择长度为b（b＞a）的锚杆，在距离锚杆一顶端c处向另一端方向开始布置应变片，两应变片间距为z；

步骤3：将锚杆放入孔洞，用普通水泥浆灌注d深（d＜c），待普通水泥浆初凝后，将不同含量的膨胀性水泥浆体分别注入有编号的孔洞，记录不同编号孔洞所对应膨胀剂含量，并用刚性圆盘支撑架进行拖口封面；

步骤4：灌浆完毕后一段时间，接通压力采集系统采集膨胀压应力，对应记录不同编号孔洞的膨胀压应力数据，同时使用内窥镜伸入孔洞观察孔内壁是否出现裂纹，并记录下不同编号孔洞的胀裂情况；

步骤5：根据步骤4测得数据绘制不同编号孔洞中应力-时间曲线图，联合内窥镜观察裂纹情况，初步确定最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围；

步骤6：在步骤5确定的近似范围内，使用二分法分多组后重复步骤1、2、3、4、5，得出最适膨胀剂水泥浆配合比，其中，每一次重复步骤中的x取值均要小于上回步骤中x的取值，且钻孔数和试验重复次数由工程精度要求确定。

2.根据权利要求1所述的一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法，其特征在于：所述步骤1具体操作过程为，在围岩（9）上任意钻取n个直径m深a的孔洞（10），每两孔洞相距2米，进行编号为1~n，且保证孔洞完整无裂隙，以便后面进行内窥镜观察及压力采集数据不受影响；使用声波测试仪测试各孔洞岩石，根据波速对孔洞内部岩石进行分类，再查文献根据不同岩石的抗拉强度初步确定膨胀水泥浆体中膨胀剂的添加范围。

3.根据权利要求1所述的一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法，其特征在于：所述步骤2具体操作过程为，根据步骤1初步确定膨胀水泥浆体中膨胀剂的添加范围以x%的增量逐级递增制成的不同含量的膨胀性水泥浆体，x的取值均为正数，且x%取值由工程精度需要确定，在一般工程中x%的取值都不会超过50%；根据孔洞深度选择一根长度为b米的锚杆，锚杆伸出孔洞外是便易进行支护等工程活动；距离锚杆一顶端c处开始布置应变片，c取值范围一般在3cm~10cm，即在0到c的范围内主要作用是用普通水泥浆将锚杆居中定位于孔洞中；两应变片间距为z，也可根据工程实际需要精度确定。

4.根据权利要求1所述的一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法，其特征在于：所述步骤3具体操作过程为，将锚杆放入孔洞，用普通水泥浆灌注d深，d＜c是用普通水泥浆将锚杆居中定位于孔洞中；待普通水泥浆初凝后，将不同含量的膨胀性水泥浆体分别注入有编号的孔洞，浆体从里至外灌注，为避免水泥浆体倾落流出，使用刚性圆盘支撑架固定。

5.根据权利要求1所述的一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法，其特征在于：所述步骤4具体操作过程为，采用压力采集系统采集膨胀压应力与内窥镜观察内壁胀裂情况相结合，是更加精确的判断孔壁在不同膨胀剂含量下的胀裂情况，找到孔壁胀裂时所对应最小膨胀剂含量水泥浆一组作为范围下限和未胀裂中最大膨胀剂含量水泥浆一组作为范围上限，即初步最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围。

6.根据权利要求1所述的一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法，其特征在于：所述步骤5具体操作过程为，根据步骤4测得的压应力绘制不同编号孔洞中应力-时间曲线图，按照曲线是否存在突然大幅度下降对所有应力-时间曲线图进行分类，将存在突然大幅度下降分为第一组，没有存在突然大幅度下降的分为第二组，对比内窥镜观察记录的裂纹情况，然后在第一组中找出膨胀剂含量最低且已经出现裂纹的一个作为最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围的下限，在第二组中找出膨胀剂含量最高且没有出现裂纹的一个作为最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围的上限，即可初步确定最适膨胀剂水泥浆配合比的近似范围。

7.根据权利要求1所述的一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法，其特征在于：所述步骤6具体操作过程为，在步骤5确定的近似范围内，使用二分法将初步近似范围分多组后重复步骤1、2、3、4、5，根据工程需要精度要求，最终确定最适膨胀剂水泥浆配合比；在每一回重复步骤2中的x取值均要小于上回步骤中x的取值，且钻孔数和试验重复次数由工程精度要求确定。

8.根据权利要求1所述的一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法，其特征在于：所述步骤3所述刚性圆盘支撑架由刚性圆盘（1）、带螺纹轴杆（2）、支撑骨架（3）和固定锥（4）四部分构成，所述支撑骨架（3）固定安装在刚性圆盘（1）的中心，在支撑骨架（3）上通过螺纹传动配合安装有带螺纹轴杆（2），所述带螺纹轴杆（2）采用两根铰接而成，在其接头位置形成固定锥（4）；所述哑铃状装置由螺杆螺帽（5）、橡皮垫（6）、刚性圆盘（7）和圆环轴杆（8）构成，所述圆环轴杆（8）的两端安装有刚性圆盘（7），所述刚性圆盘（7）外端面安装有橡皮垫（6），所述橡皮垫（6）的外层通过螺杆螺帽（5）固定安装有外层刚性圆盘（7）。

9.根据权利要求8所述的一种快速确定最适膨胀剂含量添加的方法，其特征在于：所述橡皮垫（6）的直径比刚性圆盘（7）的直径大0.5cm~2cm。