CN107941620B - 地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置及方法，包括支撑装置，所述的支撑装置分为上、下两部分，上部分设有待测锚网喷支护结构层；下部分设置有孔状加载气囊，所述的孔状加载气囊的底层通过支撑装置支撑，顶层设有孔状弹性橡胶传力层；所述的孔状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网喷支护结构层力学性能的有效测试；评价方法可对影响锚网喷支护结构力学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，以指导锚网喷支护方案的设计与实施。

Description

地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置及方法

技术领域

本发明涉及地下工程支护技术领域，尤其涉及一种地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置及方法。

背景技术

当前，随着各类地下工程或隧道建设规模和速度的迅猛发展，地下工程或隧道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。当地下工程或隧道开挖后，通过利用喷射混凝土、锚杆及钢筋网所形成的锚网喷支护结构是控制围岩变形破坏的一种有效初期支护手段，该种支护属于柔性支护的一种，它可一定程度上适应围岩变形，并可有效调动围岩自承能力，使围岩与支护形成一定的自承载结构，共同抵抗外部围岩的变形破坏。同时，锚网喷支护还具有施工工艺简单、施工速度快、密贴性、及时性及可分性等优点，使其在地下工程围岩支护工程中得到了广泛应用与推广。

在现场施工时，受开挖地下工程围岩强度等级及地质条件影响，锚网喷支护结构可选择单一喷射混凝土、锚杆及钢筋网进行使用，也可选取其中某几种进行联合使用。因此，锚网喷支护结构作为一类支护方式，其形式也存在很多种，比如单一的锚杆、钢筋网或喷射混凝土、锚杆+钢筋网组合、锚杆+喷射混凝土组合、钢筋网+喷射混凝土组合或锚杆+钢筋网+喷射混凝土组合等。此外，受地下工程循环爆破开挖震动影响或临界地下工程开挖扰动效应影响，锚网喷支护结构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，这也是影响锚网喷支护结构力学性能的重要因素。

然而，目前大多数学者在研究锚网喷支护结构力学性能时，往往选择单一的喷射混凝土、锚杆或钢筋网进行研究，缺乏对不同组合类型下锚网喷支护结构的宏观力学性能进行深入研究。而且，现有常规试验装置，也难以实现单一或不同组合类型锚网喷支护结构力学性能的有效测试。

发明内容

本发明针对不同组合支护类型及不同荷载作用工况下，锚网喷支护结构缺乏有效测试评价装置及方法的不足，提出了一种地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置及方法，可对单一的锚杆、钢筋网或喷射混凝土、锚杆+钢筋网组合、锚杆+喷射混凝土组合、钢筋网+喷射混凝土组合或锚杆+钢筋网+喷射混凝土组合等不同类型锚网喷支护结构进行加卸载测试。同时，借助中心控制系统和各类测试传感器，还可模拟单纯加卸载、循环加卸载等不同荷载作用工况。此外，本发明提出的锚网喷支护结构力学性能测试评价方法，可对影响锚网喷支护结构力学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，以指导锚网喷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：

地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置，包括支撑装置，所述的支撑装置分为上、下两部分，上部分设有待测锚网喷支护结构层；下部分设置有孔状加载气囊，所述的孔状加载气囊的底层通过支撑装置支撑，顶层设有孔状弹性橡胶传力层；所述的孔状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网喷支护结构层力学性能的有效测试。

进一步的，所述的支撑装置包括底部基座，底部基座上表面设置由F型钢板围护而成的框架结构，F型钢板朝向测试装置的内侧沿高度方向设有上、下外伸台阶翼缘，所述的上、下外伸台阶翼缘将支撑装置分隔为上、下两部分。

进一步的，所述的底部基座均匀间隔设有系列开孔，开孔位置活动设置基座孔塞。

进一步的，所述的F型钢板包括一个竖直设置的钢板，该钢板底部向外侧设置有外伸翼缘，用于和底部基座的连接，该钢板的中部设有一个向内侧沿伸的下外伸台阶翼缘，该钢板的顶部设有一个向内侧沿伸的上外伸台阶翼缘；其中上外伸台阶翼缘可沿F型钢板上下移动设置。

进一步的，所述的待测锚网喷支护结构层的形式包括但不限于单一的锚杆、钢筋网或喷射混凝土、锚杆+钢筋网组合、锚杆+喷射混凝土组合、钢筋网+喷射混凝土组合和锚杆+钢筋网+喷射混凝土组合。

待测锚网喷支护结构层中的钢筋网周边固定于F型钢板内侧下外伸台阶翼缘上表面；锚杆通过开孔位置自上而下依次穿过钢筋网、孔状弹性橡胶、孔状加载气囊和底部基座，锚杆两外端通过锚杆托盘及螺母进行固定安装；喷射混凝土均匀的喷射在钢筋网的上表面，喷射厚度依据不同的试验要求而定。

进一步的，所述的锚网喷支护结构层中，锚杆、钢筋网、喷射混凝土部位安装有应力监测传感器，喷射混凝土上表面安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。

进一步的，所述的孔状加载气囊均匀间隔设置有系列开孔，开孔位置与底部基座开孔位置相对应，孔状加载气囊通过进、排气管与第一动力源相连，实现孔状加载气囊的充排气；所述的第一动力源为高压气泵。

进一步的，所述的孔状弹性橡胶位于孔状加载气囊上表面，孔状弹性橡胶均匀间隔设置有系列开孔，开孔位置与底部基座及孔状加载气囊开孔位置相对应，开孔位置活动设置橡胶孔塞。

本发明还提供了一种地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据试验要求，在需要安装锚杆的位置移除底部基座与孔状弹性橡胶中相应位置的孔塞，并在测试装置内表面均匀涂抹一层润滑油膏；

步骤2：与孔状加载气囊相连的进气管开始进气，当孔状弹性橡胶上表面与F型钢板下外伸翼缘上表面平齐时，停止充气，孔状加载气囊处于稳压状态；

步骤3：沿孔状弹性橡胶上表面铺设钢筋网，并将钢筋网固定在F型钢板上；

步骤4：沿孔状弹性橡胶、孔状加载气囊和底部基座开孔位置，安装锚杆，并利用锚杆托盘及螺母进行固定；

步骤5：在钢筋网的上表面均匀喷射一定厚度的喷射混凝土；

步骤6：待喷射混凝土终凝和养护完成后，将F型钢板内侧上外伸台阶翼缘紧密贴合在喷射混凝土上表面，并进行固定。

步骤7：与孔状加载气囊相连的进气管继续充气，当孔状加载气囊加载压力达到锚网喷支护结构层极限承载力的3％～5％时，停止加载，系统再次处于稳压状态。

步骤8：按每级荷载为5KN～10KN的梯度进行阶梯型加卸载或循环加卸载，直到锚网喷支护结构层开裂破坏，停止加载，记录加载过程中的应力、位移等试验数据。

步骤9：与孔状加载气囊相连的排气管开始排气，将孔状加载气囊内的气体全部排出。

步骤10：拆除F型钢板内侧上部外伸台阶翼缘，并移走喷射混凝土、钢筋网及锚杆等试验构件，并在底部基座与孔状弹性橡胶开孔处安放孔塞，试验结束，可进行下一个工作循环。

进一步的，所述的试验方法中，所述的步骤1-10中喷射混凝土、钢筋网及锚杆等构件可根据待测锚网喷支护结构的具体组合形式进行选择性设置。

本发明还提供了一种采用所述的地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置进行地下工程锚网喷支护结构力学性能评价的方法，包括以下步骤：

步骤A：根据试验目的，确定影响锚网喷支护结构力学性能的各因素，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，利用所述的地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置及试验方法，制备相应待测锚网喷支护结构层。

步骤C：对待测锚网喷支护结构层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：根据待测锚网喷支护结构组合形式及影响因素，确定标准组与对比组，并在标准组与对比组监测数据中选择某一力学性能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，得到影响锚网喷支护结构力学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：对所述影响锚网喷支护结构力学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锚网喷支护结构力学性能指标的对应关系，得到相应拟合曲线或数学表达式，从而建立各因素对锚网喷支护结构力学性能的影响规律，以指导地下工程锚网喷支护结构方案的设计与实施。

进一步的，所述的步骤A中，可根据地下工程常用锚网喷支护参数、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，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网喷支护结构层喷射混凝土起裂时的承载力、峰值承载力及相应表面鼓出位移。所述的喷射混凝土起裂可由声发射传感器在试验过程中接收的内部混凝土损伤声发射信号进行判断确定。所述的承载力可由孔状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锚网喷支护结构层表面位移传感器监测数据进行确定。

本发明的有益效果是：

1)本发明提出的锚网喷支护结构力学性能测试评价装置，测试对象可以是单一的锚杆、钢筋网或喷射混凝土、锚杆+钢筋网组合、锚杆+喷射混凝土组合、钢筋网+喷射混凝土组合或锚杆+钢筋网+喷射混凝土组合支护，功能性强，弥补了常规试验装置难以有效测试的不足。

2)本发明借助孔状加载气囊及孔状弹性橡胶可实现与锚喷支护结构层的面-面接触，确保作用在锚喷支护结构层的加载压力分布更均匀，提高试验精度。

3)本发明借助孔状加载气囊、孔状弹性橡胶、孔状底部基座等构件，可满足单根或多根锚杆的设置。

4)本发明借助可活动设置上部外伸翼缘的F型钢板，可满足不同厚度喷射混凝土的设置。

5)本发明借助中心控制系统及各类测试传感器，可以模拟单纯加卸载、循环加卸载等不同荷载作用工况，符合现场锚网喷支护结构的受力特点。

6)本发明该种测试评价装置各构件均可采用组合式连接，拆卸方便，可根据具体试验要求，调换其中某一构件尺寸，以满足不同试验需求。

7)本发明借助正交试验分析方法，对单因素或多因素影响的锚网喷支护结构力学性能进行全面定量分析及评价，更加符合现场实际，可对地下工程锚网喷支护结构的设计，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是本发明实施例测试评价装置的中心断面图；

图2是本发明实施例测试评价装置的俯视剖面图；

图3是本发明实施例底部基座的三维效果图；

图4是本发明实施例F型钢板的三维效果图；

图5是本发明实施例F型钢板的侧视图；

图6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—F型钢板；3—孔状加载气囊；4—孔状弹性橡胶；5—上外伸台阶翼缘；6—锚杆；7—锚杆托盘；8—钢筋网；9—钢筋压条；10—喷射混凝土；11—高压气泵；12—中心控制系统；13—螺母。

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，本发明提出了一种地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置，并给出了具体测试评价方法，可有效解决上述问题，并可实现不同组合支护类型及荷载作用工况下，锚网喷支护结构力学性能的有效测试与评价。

现以单根锚杆的锚网喷支护结构为例，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和图2所示，一种地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置，在图1、图2中整个装置是以矩形为例进行的示意，该装置可以设计长圆柱形或者别的形状；具体的，包括支撑装置，支撑装置分为上、下两部分，上部分设有待测锚网喷支护结构层；下部分设置有孔状加载气囊，所述的孔状加载气囊的底层通过支撑装置支撑，顶层设有孔状弹性橡胶传力层；所述的孔状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网喷支护结构层力学性能的有效测试。

待测锚网喷支护结构层的形式包括但不限于单一的锚杆、钢筋网或喷射混凝土、锚杆+钢筋网组合、锚杆+喷射混凝土组合、钢筋网+喷射混凝土组合和锚杆+钢筋网+喷射混凝土组合。

钢筋网8整齐的铺设在孔状弹性橡胶4上表面，钢筋网8的四个边角通过高强螺栓和钢筋压条9固定在F型钢板2上。

锚杆6通过开孔位置自上而下依次穿过钢筋网8、孔状弹性橡胶4、孔状加载气囊3和底部基座1，锚杆6两外端通过锚杆托盘7及螺母13进行固定安装。

喷射混凝土10均匀的喷射在钢筋网8的上表面，喷射厚度依据不同的试验要求而定。

具体的，支撑装置包括底部基座1、F型钢板2；底部基座1位于测试评价装置底部，形状为矩形，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；底部基座1均匀间隔设有系列开孔，开孔位置活动设置基座孔塞。

F型钢板2包括一个竖直钢板，竖直钢板底部设置的外伸翼缘固定于底部基座1周边处，该钢板的中部设有一个向内侧沿伸的下外伸台阶翼缘，该钢板的顶部设有一个向内侧沿伸的上外伸台阶翼缘；其中上外伸台阶翼缘5可沿竖直钢板2上下自由移动，并通过高强螺栓固定在F型钢板2上；下外伸台阶翼缘与竖直钢板是一体式结构。

锚网喷支护结构层中，锚杆6、钢筋网8、喷射混凝土10部位安装有应力监测传感器，喷射混凝土10上表面安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12相连。高压气泵11为第一动力源，第一动力源与中心控制系统12相连，可实现单纯加卸载或循环荷载等不同工况作用下锚网喷支护结构力学性能的有效测试。

孔状加载气囊3位于F型钢板2下外伸台阶翼缘与底部基座1上表面所成空间的下半部分，孔状加载气囊3均匀间隔设置有系列开孔，开孔位置与底部基座1开孔位置相对应，孔状加载气囊3通过进、排气管与第一动力源相连，实现孔状加载气囊3的充排气。

孔状弹性橡胶4位于孔状加载气囊3上表面，孔状弹性橡胶4均匀间隔设有系列开孔，开孔位置与底部基座1及孔状加载气囊3开孔位置相对应，开孔位置活动设置橡胶孔塞。

上述的地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置，具体试验方法包括以下步骤：

步骤1：根据试验要求，在需要安装锚杆6的位置移除底部基座1与孔状弹性橡胶4中相应位置的孔塞，并在测试装置内表面均匀涂抹一层润滑油膏。

步骤2：与孔状加载气囊3相连的进气管开始进气，当孔状弹性橡胶4上表面与F型钢板2下外伸翼缘上表面平齐时，停止充气，孔状加载气囊3处于稳压状态。

步骤3：沿孔状弹性橡胶4上表面铺设钢筋网8，并将钢筋网8固定在F型钢板2上。

步骤4：沿孔状弹性橡胶4、孔状加载气囊3和底部基座1开孔位置，安装锚杆6，并利用锚杆托盘7及螺母13进行固定。

步骤5：在钢筋网8的上表面均匀喷射一定厚度的喷射混凝土10。

步骤6：待喷射混凝土10终凝和养护完成后，将F型钢板2内侧上外伸台阶翼缘5紧密贴合在喷射混凝土10上表面，并进行固定。

步骤7：与孔状加载气囊3相连的进气管继续充气，当孔状加载气囊3加载压力达到锚网喷支护结构层极限承载力的3％～5％时，停止加载，系统再次处于稳压状态。

步骤8：按每级荷载为5KN～10KN的梯度进行阶梯型加卸载或循环加卸载，直到锚网喷支护结构层开裂破坏，停止加载。记录加载过程中的应力、位移等试验数据。

步骤9：与孔状加载气囊3相连的排气管开始排气，将孔状加载气囊3内的气体全部排出。

步骤10：拆除F型钢板2内侧上部外伸台阶翼缘5，并移走喷射混凝土10、钢筋网8及锚杆6等试验构件，并在底部基座1与孔状弹性橡胶4开孔处安放孔塞，试验结束，可进行下一个工作循环。

除本发明实施例该种单根锚杆6形式的锚网喷支护结构层外，若待测锚网喷支护结构层的形式为其他类型组合时，则所述的试验方法中步骤1-10中喷射混凝土10、钢筋网8及锚杆6等构件可根据具体待测锚网喷支护结构的具体组合形式进行选择性设置。

图6列出了不同组合形式下锚网喷支护结构力学性能测试评价分析流程图。采用所述的地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置及试验方法，在进行地下工程锚网喷支护结构力学性能评价时，包括以下步骤：

步骤A：根据试验目的，确定影响锚网喷支护结构力学性能的各因素，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，利用所述的地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置及方法，制备相应待测锚网喷支护结构层。

步骤C：对待测锚网喷支护结构层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：根据待测锚网喷支护结构组合形式及影响因素，确定标准组与对比组，并在标准组与对比组监测数据中选择某一力学性能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，得到影响锚网喷支护结构力学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：对所述影响锚网喷支护结构力学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锚网喷支护结构力学性能指标的对应关系，得到相应拟合曲线或数学表达式，从而建立各因素对锚网喷支护结构力学性能的影响规律，以指导地下工程锚网喷支护方案的设计与实施。

步骤A中，可根据地下工程常用锚网喷支护参数、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，设计正交试验方案。

本发明实施例该种单根锚杆6形式的锚网喷支护结构层，试验目的为评价锚杆6+钢筋网8+喷射混凝土10支护力学性能，所述的步骤A中各因素主要包括锚杆6直径、锚杆6材料强度等级、钢筋网8格大小、强度等级、钢筋直径、喷射混凝土10强度等级和喷射混凝土10厚度。若布设多根锚杆6，步骤A中各因素还包括锚杆6间排距。

步骤D中，可将所述被测试件锚杆6直径最小、锚杆6间排距最大、锚杆6材料强度等级最低或钢筋网8格最大、强度等级最低、钢筋直径最小或喷射混凝土10强度等级最低和喷射混凝土10厚度最小的试验方案作为标准组，将其他不同锚杆6直径、锚杆6间排距、锚杆6材料强度等级、钢筋网8格大小、强度等级、钢筋直径、喷射混凝土10强度等级和喷射混凝土10厚度的试验方案作为标准组；

步骤D中，力学性能参数为待测锚网喷支护结构层喷射混凝土10起裂时的承载力、峰值承载力及相应表面鼓出位移。所述的喷射混凝土10起裂可由声发射传感器在试验过程中接收的内部混凝土损伤声发射信号进行判断确定。所述的承载力可由孔状加载气囊3压力监测数据进行确定。所述的表面鼓出位移可由锚网喷支护结构层表面位移传感器监测数据进行确定。

除本发明实施例该种单根锚杆6形式的锚网喷支护结构层外，若待测锚网喷支护结构层为单一锚杆6支护时，所述的步骤A中各因素则为锚杆6直径、锚杆6间排距及锚杆6材料强度等级；

若待测锚网喷支护结构层为单一钢筋网8时，所述的步骤A中各因素为钢筋网8格大小、强度等级及钢筋直径；

若待测锚网喷支护结构层为单一喷射混凝土10支护时，所述的步骤A中各因素为喷射混凝土10强度等级和喷射混凝土10厚度；

若待测锚网喷支护结构层为锚杆6+钢筋网8支护时，所述的步骤A中各因素为锚杆6直径、锚杆6间排距、锚杆6材料强度等级、钢筋网8格大小、强度等级及钢筋直径；

若待测锚网喷支护结构层为锚杆6+喷射混凝土10支护时，所述的步骤A中各因素为锚杆6直径、锚杆6间排距、锚杆6材料强度等级、喷射混凝土10强度等级和喷射混凝土10厚度；

若待测锚网喷支护结构层为钢筋网8+喷射混凝土10支护时，所述的步骤A中各因素为钢筋网8格大小、强度等级、钢筋直径、喷射混凝土10强度等级和喷射混凝土10厚度。

在所述的步骤D中，除本发明实施例该种单根锚杆6形式的锚网喷支护结构层外，若待测锚网喷支护结构层形式满足以下情形时，标准组与对比组可依据下述内容进行确定：

当试验方案为评价单一锚杆6支护力学性能时，将所述被测试件锚杆6直径最小、锚杆6间排距最大及锚杆6材料强度等级最低的试验方案作为标准组，将其他不同锚杆6直径、锚杆6间排距及锚杆6材料强度等级的试验方案作为对比组；

当试验方案为评价单一钢筋网8支护力学性能时，将所述被测试件钢筋网8格最大、强度等级最低、钢筋直径最小的试验方案作为标准组，将其他不同钢筋网8格大小、强度等级及钢筋直径的试验方案作为对比组；

当试验方案为评价单一喷射混凝土10支护力学性能时，将所述被测试件喷射混凝土10强度等级最低和喷射混凝土10厚度最小的试验方案作为标准组，将其他不同喷射混凝土10强度等级和喷射混凝土10层度的试验方案作为对比组；

当试验方案为评价锚杆6+钢筋网8支护力学性能时，将所述被测试件锚杆6直径最小、锚杆6间排距最大、锚杆6材料强度等级最低或钢筋网8格最大、强度等级最低及钢筋直径最小的试验方案作为标准组，将其他不同锚杆6直径、锚杆6间排距、锚杆6材料强度等级、钢筋网8格大小、强度等级及钢筋直径的试验方案作为对比组；

当试验方案为评价锚杆6+喷射混凝土10支护力学性能时，将所述被测试件锚杆6直径最小、锚杆6间排距最大、锚杆6材料强度等级最低或喷射混凝土10强度等级最低和喷射混凝土10厚度最小的试验方案作为标准组，将其他不同锚杆6直径、锚杆6间排距、锚杆6材料强度等级、喷射混凝土10强度等级和喷射混凝土10厚度的试验方案作为对比组；

当试验方案为评价钢筋网8+喷射混凝土10支护力学性能时，将所述被测试件钢筋网8格最大、强度等级最低、钢筋直径最小或喷射混凝土10强度等级最低和喷射混凝土10厚度最小的试验方案作为标准组，将其他钢筋网8格大小、强度等级、钢筋直径、喷射混凝土10强度等级和喷射混凝土10厚度的试验方案作为对比组。

本发明所公开的该种地下工程锚网喷支护结构力学性能测试试验装置，测试对象可以是单一的锚杆6、钢筋网8或喷射混凝土10、锚杆6+钢筋网8组合、锚杆6+喷射混凝土10组合、钢筋网8+喷射混凝土10组合或锚杆6+钢筋网8+喷射混凝土10组合支护，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锚网喷支护结构力学性能进行全面定量分析及评价，更加符合现场实际，可对地下工程锚网喷支护结构的设计，起到有效指导意义。

以上所述仅为本发明测试评价装置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 (7)

1.地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置，其特征在于，包括支撑装置，所述的支撑装置分为上、下两部分，上部分设有待测锚网喷支护结构层；下部分设置有孔状加载气囊，所述的孔状加载气囊的底层通过支撑装置支撑，顶层设有孔状弹性橡胶传力层；所述的孔状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，可实现包括单纯加卸载、循环荷载工况下的锚网喷支护结构层力学性能的有效测试；

所述的支撑装置包括底部基座，底部基座上表面设置由F型钢板围护而成的框架结构，F型钢板朝向测试装置的内侧沿高度方向设有上外伸台阶翼缘和下外伸台阶翼缘，所述的上外伸台阶翼缘和下外伸台阶翼缘将支撑装置分隔为上、下两部分；所述孔状弹性橡胶传力层上表面与F型钢板下外伸台阶翼缘的上表面平齐时，钢筋网铺设在孔状弹性橡胶传力层上表面，钢筋网的边角固定在F型钢板上；待测锚网喷支护结构层中的钢筋网周边固定于F型钢板内侧下外伸台阶翼缘上表面；所述的上外伸台阶翼缘沿F型钢板上下可移动设置；

所述的底部基座均匀间隔设有系列开孔，开孔位置活动设置基座孔塞；所述的孔状加载气囊均匀间隔设置有系列开孔，开孔位置与底部基座开孔位置相对应，孔状加载气囊通过进、排气管与第一动力源相连，实现孔状加载气囊的充排气；所述的孔状弹性橡胶传力层位于孔状加载气囊上表面，孔状弹性橡胶传力层均匀间隔设置有系列开孔，开孔位置与底部基座及孔状加载气囊开孔位置相对应，开孔位置活动设置橡胶孔塞；

锚杆通过开孔位置自上而下依次穿过钢筋网、孔状弹性橡胶传力层、孔状加载气囊和底部基座，锚杆两外端通过锚杆托盘及螺母进行固定安装；喷射混凝土均匀的喷射在钢筋网的上表面，喷射厚度依据不同的试验要求而定；

所述的待测锚网喷支护结构层的形式包括单一的锚杆、钢筋网或喷射混凝土、锚杆+钢筋网组合、锚杆+喷射混凝土组合、钢筋网+喷射混凝土组合和锚杆+钢筋网+喷射混凝土组合。

2.如权利要求1中的地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置，其特征在于，所述的待测锚网喷支护结构层中，锚杆、钢筋网、喷射混凝土部位安装有应力监测传感器，喷射混凝土上表面安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中的地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置，其特征在于，所述的第一动力源为高压气泵。

4.利用权利要求1-3任一所述的一种地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据试验要求，在需要安装锚杆的位置移除底部基座与孔状弹性橡胶中相应位置的孔塞，并在测试装置内表面均匀涂抹一层润滑油膏；

步骤2：与孔状加载气囊相连的进气管开始进气，当孔状弹性橡胶上表面与F型钢板下外伸翼缘上表面平齐时，停止充气，孔状加载气囊处于稳压状态；

步骤3：沿孔状弹性橡胶上表面铺设钢筋网，并将钢筋网固定在F型钢板上；

步骤4：沿孔状弹性橡胶、孔状加载气囊和底部基座开孔位置，安装锚杆，并利用锚杆托盘及螺母进行固定；

步骤5：在钢筋网的上表面均匀喷射一定厚度的喷射混凝土；

步骤6：待喷射混凝土终凝和养护完成后，将F型钢板内侧上外伸台阶翼缘紧密贴合在喷射混凝土上表面，并进行固定；

步骤7：与孔状加载气囊相连的进气管继续充气，当孔状加载气囊加载压力达到锚网喷支护结构层极限承载力的设定比例时，停止加载，系统再次处于稳压状态；

步骤8：按每级荷载为设定值的梯度进行阶梯型加卸载或循环加卸载，直到锚网喷支护结构层开裂破坏，停止加载，记录加载过程中的应力、位移试验数据；

步骤9：与孔状加载气囊相连的排气管开始排气，将孔状加载气囊内的气体全部排出；

步骤10：拆除F型钢板内侧上部外伸台阶翼缘，并移走喷射混凝土、钢筋网及锚杆，并在底部基座与孔状弹性橡胶开孔处安放孔塞，试验结束，可进行下一个工作循环；

其中，所述的步骤1-10中喷射混凝土、钢筋网及锚杆可根据待测锚网喷支护结构的具体组合形式进行选择性设置。

5.利用权利要求1-3任一项所述的地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置进行地下工程锚网喷支护结构力学性能评价的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：根据试验目的，确定影响锚网喷支护结构力学性能的各因素，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，利用地下工程锚网喷支护结构力学性能测试评价装置及试验方法，制备相应待测锚网喷支护结构层；

步骤C：对待测锚网喷支护结构层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、变形及破坏的监测数据；

步骤D：根据待测锚网喷支护结构组合形式及影响因素，确定标准组与对比组，并在标准组与对比组监测数据中选择某一力学性能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，得到影响锚网喷支护结构力学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：对所述影响锚网喷支护结构力学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，获取各显著性影响因素不同水平与一个或多个锚网喷支护结构力学性能指标的对应关系，得到相应拟合曲线或数学表达式，从而建立各因素对锚网喷支护结构力学性能的影响规律，以指导地下工程锚网喷支护结构方案的设计与实施。

6.如权利要求5所述的进行地下工程锚网喷支护结构力学性能评价的方法，其特征在于，所述的步骤A中，可根据地下工程常用锚网喷支护参数、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，设计正交试验方案。

7.如权利要求5所述的进行地下工程锚网喷支护结构力学性能评价的方法，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网喷支护结构层喷射混凝土起裂时的承载力、峰值承载力及相应表面鼓出位移；喷射混凝土起裂由声发射传感器在试验过程中接收的内部混凝土损伤声发射信号进行判断确定；承载力由孔状加载气囊压力监测数据进行确定；表面鼓出位移由锚网喷支护结构层表面位移传感器监测数据进行确定。