CN109061108B - 真三维地质力学模型试验锚杆预埋装置及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了真三维地质力学模型试验锚杆预埋装置及操作方法，所述锚杆预埋装置包括底座，顶盖，连接件，护筒和箍环；护筒由两个半圆形筒组成，护筒上设有锚杆定位孔，使用时护筒插入底座卡槽内并用箍环固定为一体。本发明解决了真三维地质力学模型试验中系统锚杆埋设困难、锚杆位置和方向难以固定、埋设范围有限的技术难题，同时该发明装置构造简单、拆卸方便、实用可靠，操作方法容易掌握，具有广阔的应用前景。

Description

真三维地质力学模型试验锚杆预埋装置及操作方法

技术领域

本发明涉及一种地下工程试验装置，具体地说是一种模型试验中预埋锚杆的装置及操作方法。

背景技术

以相似理论为基础的地质力学模型试验方法一直以来都是研究地下工程围岩稳定与安全控制的一种重要手段，对地下工程的发展起着很大的推动作用，为工程设计与施工提供了宝贵的试验数据。但是在真三维地质力学模型试验中施作锚杆支护时，由于模型尺寸、试验设备和锚杆埋设工具的限制，系统锚杆存在埋设困难、锚杆方向和位置难以固定的难题，大大阻碍了真三维地质力学模型试验锚杆支护技术的发展。

目前，国内外关于地质力学模型试验中锚杆预埋装置及操作方法的研究现状如下：

(1)《土木工程学报》2011年第9期介绍了一种模型试验中预埋锚杆的方法，其采用的是制作模型体时在锚杆所在位置直接放入锚杆的方法，该法对水平和竖向锚杆的埋设可以保证其方向不变，但对斜向锚杆的方向难以固定，同时在后续填料压实的过程中也难以保证锚杆位置不发生变化。

(2)《岩石力学与工程学报》2010年第1期介绍了一种模型试验中注浆锚杆的施工工艺，其采用的是在制作模型时预埋稍大直径的锚杆，开挖后将其拔出形成锚孔，再插入锚杆并注浆堵孔，因受模型加锚洞室尺寸的影响，该法无法实现洞周任意部位的锚杆施做。

(3)《岩石力学与工程学报》2014年第12期提出了一种真三维模型试验中预埋锚杆的方法，其采用将夯实的模型体修剪成型后架设定位装置钻孔并埋入锚杆的方法，该法只能对隧洞上部的锚杆进行施工，无法施工隧洞下部锚杆和隧洞腰部的斜向锚杆。

(4)《煤炭学报》2013年第9期提出了一种深部煤巷地质力学模型试验中预应力锚杆的施作方法，其采用的是巷道开挖后人工钻孔，注入锚固剂后插入锚杆并施加预应力的方法，因受模型加锚洞室尺寸的影响，该法无法实现洞周任意部位的锚杆施做。

(5)申请号为201310102213.0的发明专利研发了一种地下工程模型试验中系统锚杆施作的定位装置和定位方法，采用的是将系统锚杆定位装置放于开挖成型的洞室后采用弯角风钻打孔并埋入微型锚杆的方法，因受模型加锚洞室尺寸的影响，该法无法实现洞周任意部位的锚杆施做，同时采用该定位装置只能大致确定锚杆的埋设方向，弯角风钻深入洞内较深时不可避免的会造成锚孔方向的偏离。

(6)申请号为201510477771.4的发明专利研发了一种能定位导向煤巷锚杆预埋的物理模拟方法，采用的是在锚杆所在位置埋设定位板，并在定位板上用螺栓固定锚杆的方法来预埋锚杆，但该法将定位板埋入模型体内，势必造成该处应力场的变化，不能模拟实际工程真实的应力环境，同时该法也不能保证后续填筑压实模型材料时定位板上固定的锚杆不发生方向的偏转。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有装置和技术的不足，提供一种简单实用，拆卸方便的真三维地质力学模型试验锚杆预埋装置和操作方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

真三维地质力学模型试验锚杆预埋装置，其特征是，包括底座、顶盖、连接件、护筒和箍环，所述护筒由两个半圆形护筒构成，护筒下部卡入底座的凹槽，外部通过箍环使两个半圆形护筒固定为一体，顶部通过所述的连接件与顶盖相连；在所述的护筒侧壁上设有锚杆定位孔。

进一步的，所述底座是一块具有一定厚度的圆形有机玻璃板，底座直径稍大于护筒外径，底座上开有一定深度的环形凹槽，环形凹槽的外径和内径与护筒的外径和内径相同，此凹槽用于将护筒与底座固定。

进一步的，所述顶盖为一块圆形有机玻璃板，其直径略小于护筒内径，填筑锚固模型体时可将其放入护筒内对护筒内模型材料分层压实，顶盖侧壁中间部位钻有三个互成120°的螺栓孔。

进一步，所述连接件为固定螺栓，使用时将其穿过护筒上部边缘预留的钻孔并与顶盖侧壁上的螺栓孔连接，用于固定顶盖与护筒，以保证护筒内模型体处于封闭和约束状态，防止锚杆钻孔和安放模型体时导致模型体破裂。

进一步的，所述护筒由两个具有一定厚度的有机玻璃半圆形护筒组成，采用两个有机玻璃半圆形护筒主要是为了后续脱模方便，护筒上布设有“梅花形”分布的锚杆定位孔，所述锚杆定位孔直径稍大于锚固模型体上的锚孔直径；

护筒上部边缘布设三个互成120°的钻孔，该钻孔直径略大于顶盖固定螺栓直径。

所述箍环为三个强力型卡箍，卡箍直径略大于护筒外径，使用时将三个卡箍分别卡紧护筒的上、中、下三个部位使两个半圆形护筒固定为一体。

一种用于真三维地质力学模型试验的锚杆预埋方法，步骤如下：

1)组装所述的锚杆预埋装置。

首先分别在两个半圆形护筒内壁粘贴一层防爆膜，，然后把两个半圆形护筒卡入底座凹槽内，将三个箍环依次套在护筒上部、中部和下部并用箍环螺栓拧紧，使两个分离的半圆形护筒固定为一体。

2)制作锚固模型体。

将搅拌均匀的模型材料分多次倒入护筒内并初步夯实，然后放入顶盖，对初步夯实的模型材料进一步压实，如此循环填料和压实，直至模型材料填满整个护筒。

3)风干锚固模型体。

拆卸箍环，抽出护筒，将压实成型的锚固模型体连同底座一起放置通风干燥处风干养护。

4)在锚固模型体上钻锚孔。

风干完成后，把护筒重新卡入底座凹槽内，并用箍环固定为一体，将顶盖放入护筒内锚固模型体上部，用连接件将顶盖与护筒连接固定，然后穿过各锚杆定位孔在锚固模型体上钻设锚孔，锚孔完成后将各锚孔内的碎屑清理干净。

5)在锚固模型体上埋设锚杆。

拆除箍环，取出顶盖和护筒，将加工好的微型锚杆裹上石英砂和石膏的混合料依次插入刚钻取的锚孔，并注入石膏液将微型锚杆与锚固模型体的模型材料紧密粘结。

6)养护。

所有锚杆埋设完毕后，将整个锚固模型体放置通风干燥处养护，使微型锚杆与锚固模型体的模型材料粘结固化。

7)安放锚固模型体。

养护完成后，重新将护筒插入底座凹槽，用箍环固定，并把顶盖放入护筒内锚固体上部用连接件与护筒连接固定，然后把锚杆预埋装置提升至试验台架内预先留设的模型槽内，依次拆下顶盖、底座，箍环和护筒，把锚固模型体轻轻放入，倒入模型材料并充分压实，使锚固模型体和槽外的模型材料粘结为一体，至此，模型体内的锚杆预埋完毕。

本发明具有如下有益效果：

(1)有效解决真三维地质力学模型试验中系统锚杆施工技术难题。通过在模型试验台架外事先制作模型体并预埋锚杆，随后将锚固成功的模型体放入试验台架内预留的模型槽内，可以很好的解决真三维地质力学模型试验中系统锚杆埋设困难、锚杆位置和方向难以准确固定的技术难题，同时也可以在隧洞周边任意方位和任意范围内施作任意间距的系统锚杆，为地质力学模型试验锚杆支护技术的发展提供了新的方法。

(2)本发明涉及的锚杆预埋装置构造简单、实用可靠，拆卸方便，可满足各种类型模型试验中系统锚杆支护要求。

(3)本发明提出的锚杆预埋方法简单实用，容易掌握，具有广阔的应用前景。

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为锚杆预埋装置结构示意图；

图2为顶盖结构示意图；

图3为护筒结构示意图；

图4为底座结构示意图；

图中，1为顶盖；2为固定螺栓；3为顶盖螺栓孔；4为半圆形护筒；5为护筒螺栓孔；6为锚杆定位孔；7为底座；8为箍环；9为顶盖手柄。

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；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，国内外关于地质力学模型试验的锚杆预埋装置及操作方法中存在各种不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种真三维地质力学模型试验锚杆预埋装置及操作方法；有效解决真三维地质力学模型试验中系统锚杆施工技术难题。通过在模型试验台架外事先制作模型体并预埋锚杆，随后将锚固成功的模型体放入试验台架内预留的模型槽内，可以很好的解决真三维地质力学模型试验中系统锚杆埋设困难、锚杆位置和方向难以准确固定的技术难题，同时也可以在隧洞周边任意方位和任意范围内施作任意间距的系统锚杆，为地质力学模型试验锚杆支护技术的发展提供了新的方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1～图4中，真三维地质力学模型试验锚杆预埋装置，包括底座7、顶盖1、固定螺栓2、两个半圆形护筒4、三个箍环8，两个半圆形护筒4插入底座7的环形凹槽与底座7固定，三个箍环8分别箍紧护筒4的上部、中部和下部，使两个护筒4固定为一体。护筒4上布设有呈“梅花形”分布的锚杆定位孔6。顶盖1侧壁中间部位钻有3个互成120°的顶盖螺栓孔3，在锚杆钻孔和安放锚固模型体时，顶盖1通过固定螺栓2穿过护筒4上部边缘的护筒螺栓孔5与护筒4固定，以保证护筒4内模型体处于封闭和约束状态，防止其破裂损坏。在填筑模型材料时，将顶盖1放入护筒4内模型材料上方作为传力板以压实护筒4内模型材料，其上部的顶盖手柄9是为了方便顶盖1的放入和取出。

如图2所示，顶盖1为一块圆形有机玻璃板，其直径略小于护筒内径，填筑锚固模型体时可将其放入护筒内对护筒内模型材料分层压实，顶盖侧壁中间部位钻有三个互成120°的螺栓孔，与固定螺栓2进行配合；固定螺栓2，使用时将其穿过护筒上部边缘预留的钻孔并与顶盖侧壁上的螺栓孔连接，用于固定顶盖与护筒，以保证护筒内模型体处于封闭和约束状态，防止锚杆钻孔和安放模型体时导致模型体破裂。

在顶盖1上还设有一个顶盖手柄9，放置顶盖和取出顶盖时，手持手柄进行操作。

如图3所示，护筒由两个具有一定厚度的有机玻璃半圆形护筒组成，采用两个有机玻璃半圆形护筒主要是为了后续脱模方便，护筒上布设有“梅花形”分布的锚杆定位孔，在对锚固模型体进行钻孔时，手电钻依次垂直插入各锚杆定位孔6进行钻孔；锚杆定位孔直径稍大于锚固模型体上的钻孔的直径；

进一步的，护筒上部边缘布设三个互成120°的钻孔，该钻孔直径略大于顶盖固定螺栓直径；固定螺栓在固定护筒和顶盖时，穿过该钻孔与顶盖上的螺纹孔配合。

如图4所示，所述底座7是一块具有一定厚度的圆形有机玻璃板，底座直径稍大于护筒外径，底座上开有一定深度的环形凹槽，环形凹槽的外径和内径与护筒的外径和内径相同，此凹槽用于将护筒与底座固定。

所述箍环为三个强力型卡箍，卡箍直径略大于护筒外径，使用时将三个卡箍分别卡紧护筒的上、中、下三个部位使两个半圆形护筒固定为一体。

本发明提出的一种用于真三维地质力学模型试验的锚杆预埋方法，包括以下步骤：

1)组装锚杆预埋装置。首先分别在两个半圆形护筒4的内壁粘贴一层防爆膜，将后续填筑的模型材料与有机玻璃护筒4隔绝，避免两者发生化学反应，同时也为了方便脱模护筒4内的模型体，然后把两个半圆形护筒4插入底座7的凹槽内，将三个箍环8依次套在护筒4的上部、中部和下部并箍紧，使两个分离的半圆形护筒4固定为一体。

2)制作锚固模型体。将搅拌均匀的模型材料分多次倒入护筒4内并初步夯实，然后放入顶盖1，采用千斤顶对初步夯实的模型材料进一步压实，如此循环填料和压实，直至模型材料填满整个护筒4。

3)风干锚固模型体。拆卸箍环8，抽出护筒4，将压实成型的锚固模型体连同底座7一起放置通风干燥处风干养护。

4)在锚固模型体钻锚孔。风干完成后，把护筒4重新插入底座7的凹槽内，并用箍环8固定为一体，将顶盖1放入护筒4内锚固模型体的上部，用固定螺栓2将顶盖1与护筒4连接固定，然后把手电钻依次垂直插入各锚杆定位孔6在锚固模型体上钻设锚孔，锚孔钻设完成后用空压机将各锚孔内的碎屑清理干净。

5)在锚孔内埋设锚杆。拆除箍环8，取出顶盖1和护筒4，将加工好的微型锚杆裹上石英砂和石膏的混合料依次插入刚钻取的锚孔，并注入石膏液使微型锚杆与锚固模型体材料紧密粘结。

6)养护。所有锚杆埋设完毕后，将整个锚固模型体放置通风干燥处养护，使微型锚杆与锚固模型体的材料粘结固化。

7)安放锚固模型体。养护完成后，重新将护筒4插入底座7的凹槽内，用箍环8固定，并把顶盖1放入护筒4内锚固体上部用固定螺栓2与护筒4连接固定，然后把锚杆预埋装置提升至试验台架内预先留设的模型槽内，依次拆下顶盖1、底座7，箍环8和护筒4，把锚固模型体轻轻放入，倒入模型材料并充分压实，使锚固模型体和槽外的模型材料粘结为一体，至此，模型体内的锚杆预埋完毕。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.真三维地质力学模型试验锚杆预埋装置，其特征是，包括底座、顶盖、连接件、护筒、箍环，所述护筒由两个半圆形护筒构成，护筒下部卡入底座的凹槽，外部通过箍环使两个半圆形护筒固定为一体，顶部通过所述的连接件与顶盖相连；在所述的护筒侧壁上布设有“梅花形”分布的锚杆定位孔，所述定位孔直径稍大于锚固模型体上的锚孔直径，所述顶盖侧壁中间部位设有三个互成120°的螺栓孔，所述的护筒上部边缘布设三个互成120°的钻孔，该钻孔直径略大于顶盖固定螺栓直径，所述底座是一块具有一定厚度的圆形有机玻璃板，底座直径稍大于护筒外径，底座上开有一定深度的环形凹槽，环形凹槽的外径和内径与护筒的外径和内径相同，所述顶盖为一块圆形有机玻璃板，其直径略小于护筒内径；

预埋方法的步骤为：

1)组装所述的锚杆预埋装置

2)制作锚固模型体

将搅拌均匀的模型材料分多次倒入护筒内并初步夯实，然后放入顶盖，对初步夯实的模型材料进一步压实，如此循环填料和压实，直至模型材料填满整个护筒；

3)风干锚固模型体

拆卸箍环，抽出护筒，将压实成型的锚固模型体连同底座一起放置通风干燥处风干养护；

4)在锚固模型体上钻锚孔

风干完成后，把护筒重新卡入底座凹槽内，并用箍环固定为一体，将顶盖放入护筒内锚固模型体上部，用连接件将顶盖与护筒连接固定，然后穿过各锚杆定位孔在锚固模型体上钻设锚孔，锚孔完成后将各锚孔内的碎屑清理干净；

5)在锚固模型体上埋设锚杆

拆除箍环，取出顶盖和护筒，将加工好的微型锚杆裹上石英砂和石膏的混合料依次插入刚钻取的锚孔，并注入石膏液将微型锚杆与锚固模型体的模型材料紧密粘结；

6)养护；

7)安放锚固模型体。

2.如权利要求1所述的真三维地质力学模型试验锚杆预埋装置，其特征是，所述连接件为固定螺栓。

3.如权利要求1所述的真三维地质力学模型试验锚杆预埋装置，其特征是，所述护筒由两个具有一定厚度的有机玻璃半圆形护筒组成。

4.如权利要求1所述的真三维地质力学模型试验锚杆预埋装置，其特征是，所述箍环为三个强力型卡箍，卡箍直径略大于护筒外径，三个卡箍分别卡紧护筒的上、中、下三个部位使两个半圆形护筒固定为一体。

5.利用权利要求1-4任一项 所述的真三维地质力学模型试验锚杆预埋装置进行锚杆预埋的方法，步骤如下：

1)组装所述的锚杆预埋装置；

2)制作锚固模型体

将搅拌均匀的模型材料分多次倒入护筒内并初步夯实，然后放入顶盖，采用千斤顶对初步夯实的模型材料进一步压实，如此循环填料和压实，直至模型材料填满整个护筒；

3)风干锚固模型体

拆卸箍环，抽出护筒，将压实成型的锚固模型体连同底座一起放置通风干燥处风干养护；

4)在锚固模型体钻锚孔

风干完成后，把护筒重新卡入底座的凹槽内，并用箍环固定为一体，将顶盖放入护筒内锚固模型体上部，用连接件将顶盖与护筒连接固定，然后穿过锚杆定位孔在锚固模型体上钻设锚孔，锚孔钻设完成后将各锚孔内的碎屑清理干净；

5)在锚固模型体上埋设锚杆

拆除箍环，取出顶盖和护筒，将加工好的微型锚杆裹上石英砂和石膏的混合料依次插入刚钻设的锚孔，并注入石膏液将微型锚杆与锚固模型体的模型材料紧密粘结；

6)养护

所有锚杆埋设完毕后，将整个锚固模型体放置通风干燥处养护，使微型锚杆与模型材料粘结固化；

7)安放锚固模型体

养护完成后，重新将护筒插入底座凹槽，用箍环固定，并把顶盖放入护筒内锚固体上部用连接件与护筒连接固定，然后把锚杆预埋装置提升至试验台架内预先留设的模型槽内，依次拆下顶盖、底座，箍环和护筒，把锚固模型体轻轻放入，倒入模型材料并充分压实，使锚固模型体和槽外的模型材料粘结为一体，至此，模型体内的锚杆预埋完毕。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，锚杆预埋装置的组装方法是：分别在两个半圆形护筒内壁粘贴一层防爆膜，然后把两个半圆形护筒卡入底座凹槽内，将三个箍环依次套在护筒上部、中部和下部并用箍环螺栓拧紧，使两个分离的半圆形护筒固定为一体。

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