CN107505205A - 模拟圆柱锚固模型表面均布应力的柔性加载装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟圆柱锚固模型表面均布应力的柔性加载装置及方法，包括约束反力装置、环形高压加载气囊、气管、柔性可缩箍套、柔性传力橡胶。环形高压加载气囊为环状筒结构，柔性可缩箍套黏贴于环形高压加载气囊内环表面，由弧形套管、弧形压簧、弧形连杆、弧形加载传力板组成，为圆筒状结构，柔性传力橡胶黏贴于弧形加载传力板内表面，直接与圆柱形锚固体模型接触。在环形高压加载气囊加载约束作用下，柔性可缩箍套可实现自动内缩，保证收缩过程中模型横断面始终为圆形。本发明可适用于室内圆柱形锚固体模型拉拔试验中，模型体表面径向均布应力作用的有效模拟，保证圆柱形模型在加载过程中横断面始终为圆形。

Description

模拟圆柱锚固模型表面均布应力的柔性加载装置及方法
技术领域
本发明涉及岩土工程锚杆(索)试验技术领域，尤其涉及一种用于模拟室内圆柱形锚固体模型表面径向均布围岩应力作用的轴对称柔性约束加载装置及使用方法。
背景技术
岩土锚固技术可充分发挥和提高岩土体的自身强度和自稳能力，显著缩小结构物体积和减轻结构的自重，有效控制岩土体的变形，是岩土工程领域应用最为广泛有效的一种加固技术，而且随着当前经济社会进步与科技发展，各种新型锚杆、锚索也呈现出不断涌现的趋势。据不完全统计，目前现有锚杆、锚索种类已超过600种。
众所周知，当现场锚固技术施工完毕后，所构成的锚固系统由锚杆(索)杆体、锚固剂与岩土体的三种介质共同组成，包含锚杆(索)-锚固剂与锚固剂-岩土体两个界面。沿锚杆(索)锚固段轴向取一定长度范围，通过等比例制作锚固体模型试件(包括锚杆(索)杆体、锚固剂及杆体周围一定范围岩土体)，开展室内拉拔试验，分析在拉拔荷载作用下锚杆(索)从岩土体中拔出过程中的力学失效行为，是研究锚固系统承载性能的一种有效手段。
然而，当地下硐室埋深较大，地应力水平较高时，围岩应力大小也是影响锚固系统承载性能的一个重要因素。但是现有拉拔试验中还较少考虑该因素，相关试验研究成果也未曾见到。尤其，人们一般习惯将锚杆(索)杆体、锚固剂及岩土体构成的锚固体试件加工成圆柱形模型，若采用传统液压油缸配合刚性推力器的方式，从圆柱体表面沿环向施加径向均布围岩压力，实现难度较大，需对油缸结构进行特殊设计才可满足要求，且由于与传统液压油缸配合的刚性加载推力器与圆柱形锚固体模型试件表面接触面积也非常有限，无法保证圆柱形模型表面围岩压力沿环向分布的均匀性。一旦试验过程圆柱形锚固体模型受到非均匀加载压力作用而产生开裂或挤压变形，锚固体模型横断面将难以保证圆形，进而无法有效模拟模型表面环向均布围岩应力作用，降低试验精度。针对该问题，本发明通过采用环形高压加载气囊、柔性可缩箍套、柔性传力橡胶等构件，提出了一种轴对称柔性约束加载装置及使用方法，可有效模拟圆柱形锚固体模型表面径向均布围岩应力作用，解决上述问题。
发明内容
本发明针对室内锚固体拉拔试验中，较少考虑围岩应力作用影响，或是采用传统液压油缸配合刚性推力器的加载方式，难以有效模拟圆柱形锚固体模型表面环向均布围岩应力作用等不足，提出一种轴对称柔性约束加载装置及使用方法，可实现圆柱形锚固体模型表面径向均布围岩应力有效模拟，且保证加载过程模型体横断面始终为圆形，提高试验精度。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种用于模拟室内圆柱形锚固体模型表面径向均布围岩应力作用的轴对称柔性约束加载装置，包括圆筒状的约束反力装置，在所述的约束反力装置内设有一个环形高压加载气囊，所述的环形高压加载气囊与一个进气管和一个出气管相连，在所述的环形高压加载气囊的内圈设有沿其圆周方向设置的柔性可缩箍套，在柔性可缩箍套的内圈安装有间隔设置的柔性传力橡胶，所述的柔性传力橡胶的内圈是事先制作完好的圆柱形锚固体模型。
进一步的，所述的圆柱形锚固体模型包括圆柱形岩土体试件；在所述的圆柱形岩土体试件的中心位置设有一个锚杆，所述的锚杆与圆柱形岩土体试件之间通过锚固剂固定。
进一步的，所述的约束反力装置，包括圆筒侧壁、顶盖和底盖；所述的圆筒侧壁顶、底两端设有外伸环形翼缘，供与顶盖、底盖采用螺栓进行连接，圆筒侧壁表面设有两个出口，供环形高压加载气囊的进气管和出气管伸出。
所述的顶盖中心位置设置有圆孔，圆孔尺寸与锚固体模型锚杆(索)钻孔尺寸一致。
所述的底盖上表面中心位置设置有圆形凸起肋，圆形凸起肋直径大小与圆柱形锚固体模型外径一致。
进一步的，所述的环形高压加载气囊可采用高强纤维织布与高分子聚合物的涂覆复合物进行制作，为环状筒结构。通过利用进气管和出气管的进气、出气，可实现环形高压加载气囊加载、卸载。
进一步的，所述的柔性可缩箍套黏贴于环形高压加载气囊内环表面，包括多个弧形套管、弧形压簧、弧形连杆和弧形加载传力板；多个弧形加载传力板沿环形高压加载气囊内圈的圆周方向均匀间隔布设，沿环形高压加载气囊轴向分节设置，具体横截面分块数量由锚固体模型直径确定，轴向分节数量由锚固体模型长度确定；
所述的弧形套管安装于弧形加载传力板的上、下两端部及弧形加载传力板轴向分节处；所述的弧形压簧安装于弧形套管内，所述的弧形连杆端头内置于弧形套管内部，并与弧形压簧端部相连。
进一步的，弧形加载传力板内表面黏贴有柔性传力橡胶，尺寸大小与弧形加载传力板一致，柔性传力橡胶外表面直接作用于圆柱形锚固体模型试件表面。
在环形高压加载气囊加载约束作用下，弧形连杆端头可压缩弧形压簧，实现柔性可缩箍套内缩，并保证收缩过程中横断面可始终保持圆形。当柔性可缩箍套处于松弛状态时，其外径与环形高压加载气囊内环直径一致。
所述的用于模拟室内圆柱形锚固体模型表面径向均布围岩应力作用的轴对称柔性约束加载装置，具体使用方法包括以下步骤：
步骤一：将圆筒侧壁与底盖进行螺栓连接，构成环形高压加载气囊的约束反力装置。
步骤二：将环形高压加载气囊、柔性可缩箍套、柔性传力橡胶置于约束反力装置内部，保证环形高压加载气囊进气管与出气管从反力装置圆筒侧壁伸出。
步骤三：沿底盖表面圆形凸起肋，将事先制作完好的圆柱形岩土体试件置于约束反力装置内部中心位置，保证被环形高压加载气囊、柔性可缩箍套、柔性传力橡胶沿环向包围。
步骤四：将圆筒侧壁与顶盖进行螺栓连接。
步骤五：采用气泵及气压控制系统等装置，通过进气管对环形高压加载气囊进行充气，当气压值达到设计值时停止充气，实现圆柱形岩土体模型表面径向均布围岩应力作用的模拟。
步骤六：保证圆柱形岩土体模型表面径向围岩应力大小不变，沿顶盖中心圆孔大小，对岩土体模型中心位置进行钻孔，并利用锚固剂安装锚杆(索)。
步骤七：锚杆(索)安装完成后，保证圆柱形岩土体模型表面径向围岩应力大小不变，利用拉力试验机或空心油压千斤顶对锚杆进行拉拔，并记录试验数据。
本发明中该种轴对称柔性约束加载装置可适用于模拟室内圆柱形锚固体模型表面径向均布围岩应力作用，也可适用于岩土体室内试验其他各种圆柱形模型试件环向表面径向加载压力的模拟。
本发明的有益效果：
1)可有效模拟圆柱形锚固体模型表面径向均布围岩应力作用，符合高地应力环境下锚固体受力特点，使传统的锚固体拉拔试验更为真实有效。
2)可有效保证圆柱形锚固体模型，在加载过程中横断面始终保持圆形，实现环向均布围岩应力加载。有效避免受加工制作精度影响使模型出现横断面非真正圆形、或沿环向存在加工缺陷、或产生模型加载变形开裂等问题时，产生径向加载压力不均匀，防止锚固体试件产生非对称变形破坏，影响试验精度。
3)柔性可缩箍套通过配合使用环形高压加载气囊、柔性传力橡胶，保证加载装置在对锚固体试件传力时，使作用在圆柱形锚固体模型表面径向加载压力分布更为均匀，避免传统刚性传力板加载造成模型表面受力不均匀现象，提高试验加载精度。
4)柔性可缩箍套通过利用弧形套管、弧形压簧、弧形连杆、弧形加载传力板等构件，可实现径向自由伸缩，可用于满足不同直径锚固体模型的加载。
5)柔性可缩箍套中弧形加载传力板沿轴向分节设置，可用于满足不同长度锚固体模型的加载。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例的中心竖向剖面结构示意图；
图2为图1中Ⅰ-Ⅰ截面俯视图；
图3为图1中Ⅱ-Ⅱ截面俯视图。
其中：1—顶盖；2—圆筒侧壁；3—底盖；4—圆形凸起肋；5—进气管；6—出气管；7—环形高压加载气囊；8—弧形套管；9—弧形压簧；10—弧形连杆；11—弧形加载传力板；12—柔性传力橡胶；13—锚杆；14—锚固剂；15—岩土体。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有的室内锚固体拉拔试验中，较少考虑围岩应力作用影响，或是采用传统液压油缸配合刚性推力器的加载方式，难以有效模拟圆柱形锚固体模型表面环向均布围岩应力作用等不足，提出一种轴对称柔性约束加载装置及使用方法，可实现圆柱形锚固体模型表面径向均布围岩应力有效模拟，且保证加载过程模型体横断面始终为圆形，提高试验精度。
以室内圆柱形锚杆锚固体模型拉拔试验为例，下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
如图1-3所示，一种用于模拟室内圆柱形锚固体模型表面径向均布围岩应力作用的轴对称柔性约束加载装置，包括圆筒状的约束反力装置，在所述的约束反力装置内设有一个环形高压加载气囊，所述的环形高压加载气囊与一个进气管和一个出气管相连，在所述的环形高压加载气囊的内圈设有沿其圆周方向设置的柔性可缩箍套，在柔性可缩箍套的内圈安装有间隔设置柔性传力橡胶，所述的柔性传力橡胶的内圈是事先制作完好的圆柱形岩土体试件；在所述的圆柱形岩土体试件的中心位置设有一个锚杆，所述的锚杆与圆柱形岩土体试件之间通过锚固剂固定。
具体的结构包括顶盖1、圆筒侧壁2、底盖3、圆形凸起肋4、进气管5、出气管6、环形高压加载气囊7、弧形套管8、弧形压簧9、弧形连杆10、弧形加载传力板11、柔性传力橡胶12。所述的圆筒侧壁2、顶盖1、底盖3，通过采用螺栓连接共同组成了圆筒状约束反力装置，可为环形高压加载气囊7充气加载提供反力。所述的圆筒侧壁2设有两个出口，供环形高压加载气囊7气孔伸出，所述的顶盖1中心位置设置有圆孔，圆孔尺寸与锚固体模型锚杆13钻孔尺寸一致。所述的环形高压加载气囊7采用高强纤维织布与高分子聚合物的涂覆复合物进行制作，为环状筒结构，所述的气管与环形高压加载气囊7相连，包括进气管5与出气管6，通过利用气管进气、出气，可实现环形高压加载气囊加载、卸载。
所述的柔性可缩箍套黏贴于环形高压加载气囊7内环表面，由弧形套管8、弧形压簧9、弧形连杆10、弧形加载传力板11组成，为圆筒状结构。所述的弧形加载传力板11沿柔性可缩箍套横截面环向均匀间隔布设，沿柔性可缩箍套轴向分节设置，具体横截面分块数量由锚固体模型直径确定，轴向分节数量由锚固体模型长度确定。所述的弧形套管8安装于弧形加载传力板11的上、下两端部及弧形加载传力板轴向分节处。所述的弧形压簧9安装于弧形套管8内，所述的弧形连杆10端头内置于弧形套管8内部，并与弧形压簧9端部相连。所述的柔性传力橡胶12黏贴于弧形加载传力板11内表面，尺寸大小与弧形加载传力板11一致，柔性传力橡胶12外表面直接作用于圆柱形锚固体模型试件表面。
在环形高压加载气囊7加载约束作用下，弧形连杆10端头可压缩弧形压簧9，实现柔性可缩箍套内缩，并保证收缩过程中横断面可始终保持圆形。当柔性可缩箍套处于松弛状态时，其外径与环形高压加载气囊7内环直径一致。
采用本发明该种用于模拟室内圆柱形锚固体模型表面径向均布围岩应力作用的轴对称柔性约束加载装置，进行室内圆柱形锚杆锚固体拉拔试验时，其具体操作方法步骤为：
(1)将圆筒侧壁2与底盖3进行螺栓连接，构成环形高压加载气囊7的约束反力装置。
(2)将环形高压加载气囊7、柔性可缩箍套、柔性传力橡胶12置于约束反力装置内部，保证环形高压加载气囊7进气管5与出气管6从反力装置圆筒侧壁2伸出。
(3)沿底盖3表面圆形凸起肋4，将事先制作完好的圆柱形岩土体试件15置于约束反力装置内部中心位置，保证被环形高压加载气囊7、柔性可缩箍套、柔性传力橡胶12沿环向包围。
(4)将圆筒侧壁2与顶盖1进行螺栓连接。
(5)采用气泵及气压控制系统等装置，通过进气管5对环形高压加载气囊7进行充气，当气压值达到设计值时停止充气，实现圆柱形岩土体模型15表面径向均布围岩应力作用的模拟。
(6)保证圆柱形岩土体模型15表面径向围岩应力大小不变，沿顶盖1中心圆孔大小，对岩土体模型15中心位置进行钻孔，并利用锚固剂14安装锚杆13。
(7)锚杆13安装完成后，保证圆柱形岩土体模型15表面径向围岩应力大小不变，利用拉力试验机或空心油压千斤顶对锚杆13进行拉拔，并记录试验数据。
本发明该种用于模拟室内圆柱形锚固体模型表面径向均布围岩应力作用的轴对称柔性约束加载装置，其约束反力装置、柔性可缩箍套、柔性传力橡胶等构件尺寸参数，以及具体操作方法流程，可根据具体实际圆柱形锚杆(索)锚固体模型尺寸及试验要求进行相应调整。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种模拟圆柱锚固模型表面均布应力的柔性加载装置，其特征在于，包括圆筒状的约束反力装置，在所述的约束反力装置内设有一个环形高压加载气囊，所述的环形高压加载气囊与一个进气管和一个出气管相连，在所述的环形高压加载气囊的内圈设有沿其圆周方向设置的柔性可缩箍套，在柔性可缩箍套的内圈安装有间隔设置的柔性传力橡胶，所述的柔性传力橡胶的内圈是事先制作完好的圆柱形锚固体模型。
2.如权利要求1所述的模拟圆柱锚固模型表面均布应力的柔性加载装置，其特征在于，所述的约束反力装置，包括圆筒侧壁、顶盖和底盖；所述的圆筒侧壁顶、底两端设有外伸环形翼缘，供与顶盖、底盖采用螺栓进行连接，圆筒侧壁表面设有两个出口，供环形高压加载气囊的进气管和出气管伸出。
3.如权利要求2所述的模拟圆柱锚固模型表面均布应力的柔性加载装置，其特征在于，所述的顶盖中心位置设置有圆孔，圆孔尺寸与锚固体模型锚杆钻孔尺寸一致。
4.如权利要求2所述的模拟圆柱锚固模型表面均布应力的柔性加载装置，其特征在于，所述的底盖上表面中心位置设置有圆形凸起肋，圆形凸起肋直径大小与圆柱形锚固体模型外径一致。
5.如权利要求1所述的模拟圆柱锚固模型表面均布应力的柔性加载装置，其特征在于，所述的环形高压加载气囊可采用高强纤维织布与高分子聚合物的涂覆复合物进行制作，为环状筒结构；通过利用进气管和出气管的进气、出气，可实现环形高压加载气囊加载、卸载。
6.如权利要求1所述的模拟圆柱锚固模型表面均布应力的柔性加载装置，其特征在于，所述的柔性可缩箍套黏贴于环形高压加载气囊内环表面，包括多个弧形套管、弧形压簧、弧形连杆和弧形加载传力板；多个弧形加载传力板沿环形高压加载气囊内圈的圆周方向均匀间隔布设，沿环形高压加载气囊轴向分节设置；所述的弧形套管安装于弧形加载传力板的上、下两端部及弧形加载传力板轴向分节处；所述的弧形压簧安装于弧形套管内，所述的弧形连杆端头内置于弧形套管内部，并与弧形压簧端部相连；
在环形高压加载气囊加载约束作用下，弧形连杆端头可压缩弧形压簧，实现柔性可缩箍套内缩，并保证收缩过程中横断面可始终保持圆形；当柔性可缩箍套处于松弛状态时，其外径与环形高压加载气囊内环直径一致。
7.如权利要求1所述的模拟圆柱锚固模型表面均布应力的柔性加载装置，其特征在于，所述的弧形加载传力板内表面黏贴有柔性传力橡胶，尺寸大小与弧形加载传力板一致，柔性传力橡胶外表面直接作用于圆柱形锚固体模型试件表面。
8.如权利要求1所述的模拟圆柱锚固模型表面均布应力的柔性加载装置，其特征在于，所述的弧形加载传力板在沿环形高压加载气囊圆周方向上的分块数量由锚固体模型直径确定，沿环形高压加载气囊轴向方向上的分节数量由锚固体模型长度确定。
9.如权利要求1所述的模拟圆柱锚固模型表面均布应力的柔性加载装置，其特征在于，所述的圆柱形锚固体模型包括圆柱形岩土体试件；在所述的圆柱形岩土体试件的中心位置设有一个锚杆，所述的锚杆与圆柱形岩土体试件之间通过锚固剂固定。
10.如权利要求1-8任一所述的模拟圆柱锚固模型表面均布应力的柔性加载装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：将圆筒侧壁与底盖进行螺栓连接，构成环形高压加载气囊的约束反力装置；
步骤二：将环形高压加载气囊、柔性可缩箍套、柔性传力橡胶置于约束反力装置内部，保证环形高压加载气囊进气管与出气管从反力装置圆筒侧壁伸出；
步骤三：沿底盖表面圆形凸起肋，将事先制作完好的圆柱形岩土体试件置于约束反力装置内部中心位置，保证被环形高压加载气囊、柔性可缩箍套、柔性传力橡胶沿环向包围；
步骤四：将圆筒侧壁与顶盖进行螺栓连接；
步骤五：采用气泵及气压控制系统等装置，通过进气管对环形高压加载气囊进行充气，当气压值达到设计值时停止充气，实现圆柱形岩土体模型表面径向均布应力作用的模拟；
步骤六：保证圆柱形岩土体模型表面径向围岩应力大小不变，沿顶盖中心圆孔大小，对岩土体模型中心位置进行钻孔，并利用锚固剂安装锚杆；
步骤七：锚杆安装完成后，保证圆柱形岩土体模型表面径向围岩应力大小不变，利用拉力试验机或空心油压千斤顶对锚杆进行拉拔，并记录试验数据。
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