CN107917839B - 测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统及方法，包括支撑装置，所述的支撑装置分为左、中、右三部分，中部分内部设有待测锚固围岩模型；左、右部分内部设置有柔性加载气囊，所述的柔性加载气囊与待测锚固围岩模型之间安装有弹性橡胶传力层；所述的柔性加载气囊与第一动力源相连，实现该气囊的充排气；所述的第一动力源与中心控制系统相连，可实现包括但不限于单纯加卸载、循环荷载工况下的锚固围岩复合承载性能的有效测试。评价方法可对影响隧道锚固围岩复合承载性能的各类相关因素进行统计分析，得到力学性能影响的显著性因素及影响规律，以指导隧道围岩锚固支护方案的设计与实施。

Description

测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统及方法

技术领域

本发明涉及隧道支护技术测试领域，尤其涉及一种测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统及方法。

背景技术

当前，随着各类隧道或地下工程建设规模和速度的迅猛发展，隧道或地下工程对支护结构的安全性要求也越来越高，支护结构既要保证施工期间围岩的稳定，同时还需要保证围岩长期的安全问题。当隧道或地下工程开挖后，由于应力重分布现象，造成隧道周边一定范围内围岩产生松动破坏。此时，通过安装锚杆并施加一定的预应力，可为松动破坏范围内围岩提供径向约束，使锚杆与围岩形成锚固围岩复合体承载结构，共同抵抗外部围岩传来的围岩压力作用，有效控制围岩变形破坏，已成为解决地下工程稳定性问题最经济有效的方法之一，也被广泛应用于边坡防护、基坑支护等工程领域。

锚固围岩复合体承载结构能否有效形成是影响隧道围岩稳定性的关键。一方面，锚固围岩复合体承载性能受围岩强度等级、锚杆长度、布设方式、杆体直径、锚固长度、预应力、杆体材质强度等级及锚固剂强度等级等参数的影响。此外，受隧道循环爆破开挖震动影响或临近开挖扰动效应影响，锚固围岩将不可避免的受到周期循环荷载或单纯加卸载等荷载作用工况的影响，这也成为影响锚固围岩复合承载性能的重要因素。

然而，目前大多数学者在研究锚固围岩复合承载性能时，往往选择单一的锚杆或者围岩体进行研究，缺乏对不同锚固设计参数下锚固围岩复合承载性能进行深入研究。而且，现有常规试验装置，也难以实现对锚固围岩复合承载性能的有效测试。此外，对于不同锚固设计参数下的锚固围岩复合承载性能，目前还缺乏定量评价方法，难以有效指导现场隧道锚固支护设计。

发明内容

本发明针对在不同围岩强度等级、锚固设计参数及荷载作用工况下，锚固围岩复合体缺乏有效测试评价装置及方法的不足，提出了一种测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统及方法，可实现不同锚杆长度、布设方式、杆体直径、锚固长度、预应力、杆体材质强度等级及锚固剂强度等级下锚固围岩复合体承载性能的有效测试。同时，借助中心控制系统和各类测试传感器，还可模拟不同围岩应力状态及单纯加卸载、循环加卸载等不同荷载作用工况。此外，本发明提出的隧道锚固围岩复合承载性能测试评价方法，可对影响锚固围岩复合体承载性能的各类相关因素进行统计分析，得到影响承载性能的显著性因素及影响规律，以指导隧道锚固支护方案的设计与实施。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统，包括支撑装置，所述的支撑装置分为左、中、右三部分，中部分内部设有待测锚固围岩模型；左、右部分内部设置有柔性加载气囊，所述的柔性加载气囊与待测锚固围岩模型之间安装有弹性橡胶传力层；所述的柔性加载气囊与第一动力源相连，实现该气囊的充排气；所述的第一动力源与中心控制系统相连，可实现包括但不限于单纯加卸载、循环荷载工况下的锚固围岩复合承载性能的有效测试。

进一步的，所述的支撑装置包括底部基座，底部基座上表面左、右两端部设置有约束护罩，底部基座上表面两端部约束护罩之间安装有可视化面框，共同构成了支撑装置左、中、右三部分。

进一步地，所述约束护罩顶部及周边由钢板围护而成，且朝向待测锚固围岩模型的一侧为开口设置。

进一步地，所述的可视化面框由U形钢板制作而成，可视化面框前、后两端部其中一侧的钢板设置开口，开口部位活动设置有端部挡板，端部挡板尺寸与待测锚固围岩模型横截面尺寸一致。当拆除端部挡板后，可模拟隧道围岩开挖卸荷效应，待测锚固围岩模型拆除端部挡板后的该侧端面可模拟靠近隧道内部的围岩临空面。

进一步地，所述的可视化面框顶部为环框形结构，环框形结构下表面嵌有高强玻璃，可用于待测锚固围岩模型破裂演化过程的实时可视化监测。

进一步地，所述的约束护罩及可视化面框底部均可设有外伸翼缘，用于和底部基座的连接。

进一步地，所述的柔性加载气囊安装于约束护罩内部。所述的柔性加载气囊通过进、排气管与第一动力源相连，实现柔性加载气囊的充排气；所述的第一动力源为高压气泵。

进一步的，所述的柔性加载气囊及待测锚固围岩模型内部围岩、锚杆、锚固剂等部位安装有应力监测传感器，待测锚固围岩模型临空面处安装有位移监测传感器和声发射监测传感器，所述的应力监测传感器、位移监测传感器、声发射监测传感器与中心控制系统相连。

本发明还提供了一种测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：移除可视化面框及端部挡板，并根据试验要求，在底部基座上表面中部通过逐层夯实或浇筑的方式制作围岩模型；

步骤2：待围岩模型养护完成后，安装可视化面框及端部挡板；

步骤3：与柔性加载气囊相连的进气管开始进气，当柔性加载气囊加载压力达到待测围岩模型的设计围岩应力时，停止充气，柔性加载气囊处于稳压状态；

步骤4：移除可视化面框部位的端部挡板，模拟隧道开挖卸荷效应；

步骤5：待围岩模型由于开挖产生的变形破坏结束后，进行模型钻孔，利用锚固剂安装锚杆及锚杆托盘、螺母等构件，并施加一定水平预应力；

步骤6：通过阶梯型加卸载或循环加卸载方式，对柔性加载气囊继续充气，直到待测锚固围岩模型完全开裂破坏时，停止加载，记录加载过程中试验数据；

步骤7：与柔性加载气囊相连的排气管开始排气，将柔性加载气囊内的气体全部排出；

步骤8：拆除可视化面框，移走待测锚固围岩模型，并清理试验装置内部，试验结束，可进行下一个工作循环。

本发明还提供了一种采用所述的测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统进行锚固围岩复合承载性能评价的方法，包括以下步骤：

步骤A：根据试验目的，确定影响隧道锚固围岩复合承载性能的各因素，根据所述因素的经验水平设计正交试验方案；

步骤B：根据所述正交试验方案，利用所述的测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统，制备相应待测锚固围岩模型；

步骤C：对待测锚固围岩模型进行单纯加卸载或循环加卸载试验，利用各类测试传感器记录试验过程中各构件的应力、变形及破坏等监测数据；

步骤D：根据待测锚固围岩模型各构件设计参数水平及影响因素，确定标准组与对比组，并在监测数据中选择某一力学性能参数，建立对比组与标准组该参数的比值设置为评价指标，进行正交试验数据的统计分析，得到影响隧道锚固围岩复合承载性能的显著性影响因素及显著性影响因素的作用范围；

步骤E：对所述影响隧道锚固围岩复合承载性能的显著性影响因素，进一步开展单因素或者多因素交互作用下更多水平的正交试验，获取各所述显著性影响因素不同水平与一个或多个隧道锚固围岩复合承载性能指标的对应关系，得到相应拟合曲线或数学表达式，从而建立各因素对隧道锚固围岩复合承载性能的影响规律，以指导隧道锚固支护方案的设计与实施。

进一步的，所述的步骤A中，可根据隧道常用工程锚杆支护设计参数、以往试验数据和参考文献确定所述各因素的取值范围，进而确定正交试验方案中各因素的水平，并将各因素及相应水平进行正交组合，来设计正交试验方案。

进一步的，所述的步骤D中，所述的力学性能参数为待测锚固围岩模型起裂时的承载力、峰值承载力及相应表面鼓出位移。所述的待测锚固围岩模型的开裂破坏可由声发射传感器在试验过程中接收的内部围岩体损伤声发射信号进行判断确定。所述的承载力可由柔性加载气囊压力监测数据进行确定。所述的表面鼓出位移可由待测锚固围岩模型临空面处位移传感器监测数据进行确定。

本发明的有益效果是：

1）本发明提出的测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统，可实现不同锚杆长度、布设方式、杆体直径、锚固长度、预应力、杆体材质强度等级、锚固剂强度等级、围岩应力状态、荷载作用工况下锚固围岩复合体承载性能的有效测试，功能性强，弥补了常规试验系统难以有效测试的不足；

2）本发明借助柔性加载气囊及弹性橡胶传力层可实现与待测锚固围岩模型的面-面接触，确保作用在待测锚固围岩模型的加载压力分布更均匀，提高试验精度；

3）本发明借助中心控制系统及各类测试传感器，可以模拟不同围岩应力状态及单纯加卸载、循环加卸载等不同荷载作用工况，符合现场隧道锚固围岩的受力特点；

4）本发明该种测试评价系统各构件均可采用组合式连接，拆卸方便，操作简单；

5）本发明借助正交试验分析方法，对单因素或多因素影响的隧道锚固围岩复合承载性能进行全面定量分析及评价，更加符合现场实际，可对隧道锚固支护方案的设计，起到有效指导意义。

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是本发明实施例试验系统安装锚杆后的横断面俯视图。

图2是本发明实施例试验系统安装锚杆后的俯视图。

图3是本发明实施例试验系统安装锚杆后的正视图。

图4是本发明实施例试验系统安装锚杆前的横断面俯视图。

图5是本发明实施例试验系统安装锚杆前的俯视图。

图6是本发明实施例试验系统安装锚杆前的正视图。

图7是本发明实施例测试评价方法的流程图。

其中：1—底部基座；2—约束护罩；3—可视化面框；4—待测锚固围岩模型；

5—端部挡板；6—柔性加载气囊；7—高压气泵；8—锚杆；9—锚固剂；10—中心控制系统；11—进气管；12—锚杆托盘；13—螺母；14—排气管；15—弹性橡胶传力层；16—高强玻璃。

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”或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统，并给出了具体测试评价方法，可有效解决上述问题，并可实现不同锚杆长度、布设方式、杆体直径、锚固长度、预应力、杆体材质强度等级、锚固剂强度等级、围岩应力状态、荷载作用工况下锚固围岩复合体承载性能的有效测试。

现以单根锚杆的待测锚固围岩模型为例，对其具体实施方式进行如下阐述：

本申请的一种典型的实施方式中，如图1~图6所示，一种测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统，在图1~图6中整个系统是以矩形隧道断面为例进行的示意，若隧道断面为圆形或其他形状时，该系统可以设计为圆弧形或其他相应的形状；具体的，包括支撑装置，所述的支撑装置分为左、中、右三部分，中部分内部设有待测锚固围岩模型4；左、右部分内部设置有柔性加载气囊6，所述的柔性加载气囊6与待测锚固围岩模型4之间安装有弹性橡胶传力层15；所述的柔性加载气囊6与第一动力源相连，实现该柔性加载气囊6的充排气；所述的第一动力源与中心控制系统10相连，可实现包括但不限于单纯加卸载、循环荷载工况下的锚固围岩复合承载性能的有效测试。

所述的支撑装置包括底部基座1，底部基座1上表面左、右两端部设置有约束护罩2，底部基座1上表面两端部约束护罩2之间安装有可视化面框3，共同构成了支撑装置左、中、右三部分。

所述的底部基座1位于试验系统底部，形状为矩形板状，底部基座1下表面沿周边环向设置竖向表面肋板，以增强底部基座1的压弯承载性能。

所述约束护罩2顶部及周边由钢板围护而成，且朝向待测锚固围岩模型4的一侧为开口设置，约束护罩2底部设有外伸翼缘，通过高强螺栓固定于底部基座1上表面。

所述的可视化面框3由U形钢板制作而成，可视化面框3底部设有外伸翼缘，通过高强螺栓固定于底部基座1上表面，可视化面框3前侧钢板设置开口，开口部位活动设置有端部挡板5，端部挡板5尺寸与待测锚固围岩模型4横截面尺寸一致。当拆除端部挡板5后，可模拟隧道围岩开挖卸荷效应，待测锚固围岩模型4的该侧端面可模拟靠近隧道内部的围岩临空面。

所述的可视化面框3顶部为环框形结构，环框形结构下表面嵌有高强玻璃16，可用于待测锚固围岩模型4破裂演化过程的实时可视化监测。

所述的柔性加载气囊6安装于约束护罩2内部，所述的柔性加载气囊6通过进、排气管与第一动力源相连，实现柔性加载气囊6的充排气；所述的第一动力源为高压气泵7。

所述的柔性加载气囊6及待测锚固围岩模型4内部围岩、锚杆8、锚固剂9等部位安装有应力监测传感器，待测锚固围岩模型4临空面处安装有位移监测传感器和声发射监测传感器，所述的应力监测传感器、位移监测传感器、声发射监测传感器与中心控制系统10相连。

本发明还提供了一种测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：移除可视化面框3及端部挡板5，并根据试验要求，在底部基座1上表面中部通过逐层夯实或浇筑的方式制作围岩模型；

步骤2：待围岩模型养护完成后，安装可视化面框3及端部挡板5；

步骤3：与柔性加载气囊6相连的进气管11开始进气，当柔性加载气囊6加载压力达到待测围岩模型的设计围岩应力时，停止充气，柔性加载气囊6处于稳压状态；

步骤4：移除可视化面框3部位的端部挡板5，模拟隧道开挖卸荷效应；

步骤5：待围岩模型由于开挖产生的变形破坏结束后，进行模型钻孔，利用锚固剂9安装锚杆8及锚杆托盘12、螺母13等构件，并施加一定水平预应力；

步骤6：通过阶梯型加卸载或循环加卸载方式，对柔性加载气囊6继续充气，直到待测锚固围岩模型4完全开裂破坏时，停止加载，记录加载过程中试验数据；

步骤7：与柔性加载气囊6相连的排气管14开始排气，将柔性加载气囊6内的气体全部排出；

步骤8：拆除可视化面框3，移走待测锚固围岩模型4，并清理试验装置内部，试验结束，可进行下一个工作循环。

本发明还提供了一种采用所述的测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统进行锚固围岩复合承载性能评价的方法，如图7所示，包括以下步骤：

步骤A：根据试验目的，确定影响隧道锚固围岩复合承载性能的各因素，根据所述因素的经验水平设计正交试验方案；

步骤B：根据所述正交试验方案，利用所述的测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统，制备相应待测锚固围岩模型；

步骤C：对待测锚固围岩模型进行单纯加卸载或循环加卸载试验，利用各类测试传感器记录试验过程中各构件的应力、变形及破坏等监测数据；

步骤D：根据待测锚固围岩模型各构件设计参数水平及影响因素，确定标准组与对比组，并在监测数据中选择某一力学性能参数，建立对比组与标准组该参数的比值设置为评价指标，进行正交试验数据的统计分析，得到影响隧道锚固围岩复合承载性能的显著性影响因素及显著性影响因素的作用范围；

步骤E：对所述影响隧道锚固围岩复合承载性能的显著性影响因素，进一步开展单因素或者多因素交互作用下更多水平的正交试验，获取各所述显著性影响因素不同水平与一个或多个隧道锚固围岩复合承载性能指标的对应关系，得到相应拟合曲线或数学表达式，从而建立各因素对隧道锚固围岩复合承载性能的影响规律，以指导隧道锚固支护方案的设计与实施。

步骤A中，可根据隧道常用工程锚杆支护设计参数、以往试验数据和参考文献确定所述各因素的取值范围，进而确定正交试验方案中各因素的水平，并将各因素及相应水平进行正交组合，来设计正交试验方案。

步骤D中，可将围岩强度等级最低的无锚杆支护的待测锚固围岩模型作为标准组，将其他不同锚杆长度、布设方式、杆体直径、锚固长度、预应力大小、杆体材质强度等级、锚固剂强度等级、围岩强度等级的待测锚固围岩模型作为对比组。

步骤D中，所述的力学性能参数为待测锚固围岩模型4起裂时的承载力、峰值承载力及相应表面鼓出位移。所述的待测锚固围岩模型4的开裂破坏可由声发射传感器在试验过程中接收的内部围岩体损伤声发射信号进行判断确定。所述的承载力可由柔性加载气囊6压力监测数据进行确定。所述的表面鼓出位移可由待测锚固围岩模型4临空面处位移传感器监测数据进行确定。

本发明所公开的该种测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统，测试对象可以是单纯的不同强度等级的围岩模型，也可以为锚杆与围岩组成的锚固围岩复合体模型，功能性强，弥补了常规试验装置难以有效测试的不足。本发明借助正交试验分析方法，对单因素或多因素影响的隧道锚固围岩复合承载性能进行全面定量分析及评价，更加符合现场实际，可对隧道锚固支护方案设计起到有效指导意义。

以上所述仅为本发明测试评价系统较佳的具体实现方式，由技术常识可知，本发明也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范围内的改变均被本发明包含。

Claims (4)

1.测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验方法，其特征在于，

试验过程中采用测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统，包括支撑装置，所述的支撑装置包括底部基座，底部基座上表面左、右两端部设置有约束护罩，底部基座上表面两端部约束护罩之间安装有可视化面框，共同构成了支撑装置左、中、右三部分，中部分内部设有待测锚固围岩模型；左、右部分内部设置有柔性加载气囊，所述的柔性加载气囊与待测锚固围岩模型之间安装有弹性橡胶传力层；所述的柔性加载气囊通过进、排气管与第一动力源相连；所述的第一动力源与中心控制系统相连；所述约束护罩顶部及周边由钢板围护而成，且朝向待测锚固围岩模型的一侧为开口设置；所述的柔性加载气囊安装于约束护罩内部；所述的第一动力源为高压气泵；

所述的可视化面框由U形钢板制作而成，可视化面框前、后两端部其中一侧的钢板设置开口，开口部位活动设置有端部挡板，端部挡板尺寸与待测锚固围岩模型横截面尺寸一致；所述的可视化面框顶部为环框形结构，环框形结构下表面嵌有高强玻璃；

包括以下步骤：

步骤1：移除可视化面框及端部挡板，并根据试验要求，在底部基座上表面中部通过逐层夯实或浇筑的方式制作围岩模型；

步骤2：待围岩模型养护完成后，安装可视化面框及端部挡板；

步骤3：与柔性加载气囊相连的进气管开始进气，当柔性加载气囊加载压力达到待测围岩模型的设计围岩应力时，停止充气，柔性加载气囊处于稳压状态；

步骤4：移除可视化面框部位的端部挡板，模拟隧道开挖卸荷效应；

步骤5：待围岩模型由于开挖产生的变形破坏结束后，进行模型钻孔，利用锚固剂安装锚杆及锚杆托盘、螺母构件，并施加一定水平预应力；

步骤6：通过阶梯型加卸载或循环加卸载方式，对柔性加载气囊继续充气，直到待测锚固围岩模型完全开裂破坏时，停止加载，记录加载过程中试验数据；

步骤7：与柔性加载气囊相连的排气管开始排气，将柔性加载气囊内的气体全部排出；

步骤8：拆除可视化面框，移走待测锚固围岩模型，并清理试验装置内部，试验结束，可进行下一个工作循环；

试验完毕以后采用以下步骤进行评价：

步骤A：根据试验目的，确定影响隧道锚固围岩复合承载性能的各因素，根据所述因素的经验水平设计正交试验方案；

步骤B：根据所述正交试验方案，利用所述的测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验系统，制备相应待测锚固围岩模型；

步骤C：对待测锚固围岩模型进行单纯加卸载或循环加卸载试验，利用各类测试传感器记录试验过程中各构件的应力、变形及破坏监测数据；

步骤D：根据待测锚固围岩模型各构件设计参数水平及影响因素，确定标准组与对比组，并在监测数据中选择某一力学性能参数，建立对比组与标准组该参数的比值设置为评价指标，进行正交试验数据的统计分析，得到影响隧道锚固围岩复合承载性能的显著性影响因素及显著性影响因素的作用范围；

步骤E：对所述影响隧道锚固围岩复合承载性能的显著性影响因素，进一步开展单因素或者多因素交互作用下更多水平的正交试验，获取各所述显著性影响因素不同水平与一个或多个隧道锚固围岩复合承载性能指标的对应关系，得到相应拟合曲线或数学表达式，从而建立各因素对隧道锚固围岩复合承载性能的影响规律，以指导隧道锚固支护方案的设计与实施。

2.如权利要求1所述的测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验方法，其特征在于，所述的柔性加载气囊及待测锚固围岩模型内部围岩、锚杆、锚固剂部位安装有应力监测传感器，待测锚固围岩模型临空面处安装有位移监测传感器和声发射监测传感器，所述的应力监测传感器、位移监测传感器、声发射监测传感器与中心控制系统相连。

3.如权利要求1所述的测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验方法，其特征在于，所述的步骤A中，可根据隧道常用工程锚杆支护设计参数、以往试验数据和参考文献确定所述各因素的取值范围，进而确定正交试验方案中各因素的水平，并将各因素及相应水平进行正交组合，来设计正交试验方案。

4.如权利要求1所述的测试评价隧道锚固围岩复合承载性能的试验方法，其特征在于，所述的步骤D中，所述的力学性能参数为待测锚固围岩模型起裂时的承载力、峰值承载力及相应表面鼓出位移；所述的待测锚固围岩模型的开裂破坏可由声发射传感器在试验过程中接收的内部围岩体损伤声发射信号进行判断确定；所述的承载力可由柔性加载气囊压力监测数据进行确定；所述的表面鼓出位移可由待测锚固围岩模型临空面处位移传感器监测数据进行确定。