CN110747912A - 一种预应力锚杆（索）锚固力损失与边坡时效变形耦合作用的模型试验装置 - Google Patents

一种预应力锚杆（索）锚固力损失与边坡时效变形耦合作用的模型试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于岩土工程领域，具体地，涉及一种预应力锚杆(索)锚固力损失与边坡时效变形耦合作用的模型试验装置。主要有制备系统和加压系统，制备系统包括模具底板、模具长边拼接侧板、模具可动侧板、模具短边拼接侧板、锚杆(锚索)孔、两个固定滑槽、两个钢折页、支架、螺栓、螺杆、塑料实心管、固具，加压系统包括反力架、拼接反力板、液压千斤顶、推力器、垫板。该装置可以制作能测量锚杆(锚索)预应力损失和岩体时效变形耦合作用的相似材料边坡模型。

Description

一种预应力锚杆(索)锚固力损失与边坡时效变形耦合作用的 模型试验装置
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，特别地涉及一种预应力锚杆(索)锚固力损失与边坡时效变形耦合作用的模型试验装置。
背景技术
锚杆、锚索是当代岩土工程中最基本的支护构件，通过锚杆杆体的纵向拉力作用，改善岩土体抗拉强度远低于其抗压强度的缺点，它可以有效地将围岩加固在一起，使围岩自身支护自身，现在广泛应用于边坡、隧道、坝体等工程技术中，而预应力锚杆、锚索的出现更是能及时提供支护抗力，加强对地层和结构物的变形控制能力，有利于岩体的稳定。
然而，研究发现，预应力锚杆、锚索的锚固力常常会有所损失，锚固力损失表现为所施加的初始预应力总是随着时间在不断减小，最后趋于稳定值。在工程中，如果锚杆预应力损失使得被加固地层抗剪强度低于稳定值，锚固结构与岩体会协调变形，从而导致锚杆、锚索丧失其加固作用。
所以，锚杆的预应力损失和岩石的时效变形的耦合作用对岩体的长期稳定性和安全性都具有显著的影响，边坡岩体工程的失稳破坏与两者的关系早已被大量的工程实例与试验研究所证明。那么在进行边坡岩体工程时，考虑预应力锚杆的锚固力损失和岩体时效变形是必不可少的。
发明内容
相似材料模型试验是解决本领域工程问题的常用方法，由于各工况不同，研究的主要因素不同，因此需要在实验室中按尺寸比原型缩小来制作出不同的试验模型。为克服现有技术的不足，本发明提供一种预应力锚杆(索)锚固力损失与边坡时效变形耦合作用的模型试验装置。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种预应力锚杆(索)锚固力损失与边坡时效变形耦合作用的模型试验装置，包括制备系统和加压系统。
制备系统包括模具底板、模具长边拼接侧板、模具可动侧板、模具短边拼接侧板、两个固定滑槽、两个钢折页、支架、螺栓、螺杆、塑料实心管、固具。其特征在于模具由一块底板、一块可动侧板、若干短边拼接侧板和若干长边拼接侧板组成，底板表面粗糙，增大与模型岩样的摩擦力，第一层长边拼接侧板搭在底板上与底板固定，打好基础，其他长边拼接侧板依次由板底的突起物从侧面插入上一块板顶的相应的缺陷处来完成拼装，短边拼接侧板高度与长边拼接侧板相同，同样分层拼装，可动侧板由钢折页连接在底板上，整个装置通过各支架、螺栓、螺杆来固定形成整体。
固定滑槽是嵌在底板上的沿轴向开有直槽孔的长条状金属构件；钢折页一端与可动侧板固定连接，另一端通过滑动螺栓与固定滑槽连接，从而使可动侧板与底板连接，改变滑动螺栓的位置以及钢折页的角度来实现对边坡模型的边坡位置和倾斜角的控制。
可动侧板上设有锚杆(锚索)孔，塑料实心管的直径略大于所选锚杆(锚索)直径，略小于锚杆(锚索)孔直径，实心管穿过锚杆(锚索)孔插入成型模具内部，用可动侧板的固具将实心管固定，穿过的锚杆(锚索)孔位置决定锚杆(锚索)的定位。
拼接侧板可根据试验要求来增加或减少以填筑不同大小的试验模型材料，长边拼接侧板上设有螺杆滑槽，可动侧板根据试验要求固定好角度和位置后，改变每层螺杆的位置使得螺杆紧贴于可动侧板，螺杆通过两边的固具固定来增加模具的整体性，并防止可动侧板在填筑材料和振捣的过程中发生转动，从而保证试验模型的精确，短边拼接侧板内部有贯穿的孔洞，与长边拼接侧板的孔洞对应，用螺杆插入并用螺母紧固。
模具周围是加压系统，包括反力架、拼接反力板、液压千斤顶、推力器、垫板。岩样模型填筑养护好后，把可动侧板、短边拼接侧板以及相应的固定零件拆除，把地应力施加装置拼装，长边方向通过长边拼接侧板传导液压千斤顶的压力来施加地应力，短边方向通过垫板传导液压千斤顶的压力来施加地应力，垫板比短边拼接侧板略短来防止长边压力的损失，根据试验要求设定每一层液压千斤顶的压力值进行地应力加载，模拟不同深度的地应力。
本发明的模具按照设计要求，选择拼接侧板的数量，调整可动侧板的位置和角度，拼接固定形成整体后，将塑料实心管穿过锚杆(锚索)孔插入模具内部，用固具将实心管固定；向模具中填筑相似材料，待其初凝后拔出实心管，形成孔道；相似材料达到固定强度后，将试块脱模，把在锚头位置处黏贴有电阻应变片的锚杆(锚索)穿入预留孔道，应变片通过导线与电阻应变仪相连，用于准确施加不同大小的预应力，并可实时获取锚杆(锚索)在试样变形过程中的轴向应力变化；用带有导管的橡胶封隔器沿着锚杆(锚索)插入预留孔道一段距离，使得孔道内形成空隙，通过导管往空隙里注入锚固剂，这部分来作为锚杆(锚索)的锚固段，预留孔道内的剩余部分来作为锚杆(锚索)的张拉段；待锚固剂硬化后，借助千斤顶张拉锚杆(锚索)至设计规定应力，用锚具将张拉端锚杆(锚索)锚固；在孔道与锚杆(锚索)空隙中高压注入同种相似材料，养护成型，完成加预应力锚杆(锚索)的边坡模型岩样；把拼接反力板安装在反力架上，液压千斤顶安装在反力板上；在岩样模型上粘贴电阻应变片，通过电阻应变仪来显示测量结果，监测岩样变形；根据试验要求设定每一层液压千斤顶的压力值进行地应力加载，模拟不同深度的地应力来进行试验。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、该装置可以制作能测量锚杆(锚索)预应力损失和岩体时效变形耦合作用的相似材料边坡模型。
2、该装置可以根据试验要求，通过改变拼接侧板的数量和可动侧板的位置来制作不同大小、不同角度的边坡模型；可以根据不同的工况设定不同深度的地应力，模拟精确，节省人力物力。
3、该模具操作简单，易于制作，可重复使用。
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：制备系统示意图一。
图2：制备系统示意图二。
图3：加压系统示意图。
图4：整体组合示意图。
图中：1.模具底板，2.模具长边拼接侧板，3.模具短边拼接侧板，4.模具可动侧板，5.贯穿孔，6.固定模具底板和长边拼接侧板的支架及螺栓，7.连接短边拼接侧板的螺杆及螺栓，8.锚杆(锚索)孔，9.塑料实心管，10.固定滑槽，11.滑动螺栓，12.钢折页，13.固具，14.长边拼接侧板突出，15.长边拼接侧板插槽，16.螺杆滑槽，17.螺杆，18.螺杆固具，19.反力架，20.拼接反力板，21.液压千斤顶，22.推力器，23.垫板，24.锚杆(锚索)，25.岩样模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
应当指出，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，本文所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。
如图1-图4所示，一种预应力锚杆(索)锚固力损失与边坡时效变形耦合作用的模型试验装置，包括制备系统和加压系统。制备系统有1.模具底板，2.模具长边拼接侧板，3.模具短边拼接侧板，4.模具可动侧板，5.贯穿孔，6.固定模具底板和长边拼接侧板的支架及螺栓，7.连接短边拼接侧板的螺杆及螺栓，8.锚杆(锚索)孔，9.塑料实心管，10.固定滑槽，11.滑动螺栓，12.钢折页，13.固具，14.长边拼接侧板突出，15.长边拼接侧板插槽，16.螺杆滑槽，17.螺杆，18.螺杆固具。加压系统有19.反力架，20.拼接反力板，21.液压千斤顶，22.推力器，23.垫板。其特征在于：侧面由若干拼接侧板拼接而成，增减拼接侧板的数量来制作不同大小的模型岩样；两个固定滑槽对称嵌于底板上；钢折页一端与可动侧板固定连接，另一端通过滑动螺栓与滑槽相连，从而改变可动侧板的位置和角度来模拟不同的边坡；养护成型后，在原来模具的基础上加上加压系统模拟地应力；液压千斤顶根据不同的工况不同的深度来设定不同的压力值。
本实施例中所采用的模具为钢模，由模具底板1、若干长边拼接侧板2、若干短边拼接侧板3和可动侧板4组成，底板表面粗糙，增大与岩石岩样的摩擦力；长边拼接侧板2在组装时，先将第一层搭在底板上，用固定模具底板和长边拼接侧板的支架及螺栓6来固定，为整个装置打好基础，然后依次将第二块长边拼接侧板下面的两个突出14插入上一块拼接侧板上面的对应的插槽15中，每拼装一层长边拼接侧板就将相应层的短边拼接侧板放在相应位置，使得贯穿孔5与长边拼接测上的孔对齐，最后通过连接短边拼接侧板的螺杆及螺栓7，穿过贯穿孔5固定形成整体；固定滑槽10为长条状金属构件，嵌在底板1上，可动侧板4由钢折页12和滑动螺栓11连接在固定滑槽10上，根据试验要求的条件调整好可动侧板4的位置和角度，固定滑动螺栓11，通过支架及螺栓6、7固定整个模具形成整体；拼接侧板2上设有带有螺纹的螺杆滑槽16，可动侧板4固定好角度和位置后，滑动每层拼接侧板上螺杆17的位置使得螺杆17紧贴于可动侧板4，螺杆通过两端的螺杆固具18将其位置固定，来防止可动侧板4在填筑材料和振捣的过程中发生偏移，从而保证试验模型岩样的精确；可动侧板4上设有锚杆(锚索)孔8，塑料实心管9的直径略大于所选锚杆(锚索)直径，略小于锚杆(锚索)孔8直径，塑料实心管9穿过锚杆(锚索)孔8插入模具内部，确定好位置后用固具13将塑料实心管9固定。
按试验要求的条件将模具拼接固定好后，把塑料实心管9穿过锚杆(锚索)孔8插入模具内部，确定好位置后用可动侧板外侧的固具13将塑料实心管9固定；用生料带或其他密封材料将锚杆(锚索)孔8和螺杆滑槽16密封；向模具中填筑岩石相似材料，待其初凝后拔出塑料实心管9，形成孔道；可选用改性橡胶粉-砂浆材料作为岩石相似材料，该材料主要是在水泥砂浆中加入粒度为40目的改性橡胶粉配合而成；橡胶粉经NaOH溶液处理后，可以提高橡胶粉与水泥砂浆之间的黏结力。可以通过调节水灰比以及橡胶粉等的质量以满足相似材料与岩石的物理力学性质的相似性。
相似材料达到规定强度后，将可动侧板4、短边拼接侧板3以及相应的固定零件6、7、11、12、13、17、18等拆除；在锚杆(锚索)24的锚头位置处粘贴电阻应变片，电阻应变片通过导线与电阻应变仪连接，以便准确施加不同大小的预应力，并实时获取锚杆(锚索)的轴向应力变化，即显示所述电阻应变片的测量结果；把锚杆(锚索)插入预留孔道，用带有导管的橡胶封隔器沿着锚杆(锚索)插入预留孔道一段距离，使得孔道内形成空隙，通过导管往空隙里注入锚固剂，这部分来作为锚杆(锚索)的锚固段，预留孔道内的剩余部分来作为锚杆(锚索)的张拉段；待锚固剂硬化后，借助千斤顶张拉锚杆(锚索)至设计规定应力后，用锚具将张拉端锚杆(锚索)锚固；最后在孔道与锚杆(锚索)空隙中高压注入同种相似材料，养护成型完成可测量锚杆预应力损失和岩体变形的边坡模型岩样。
将拼接反力板20安装在模具周围的反力架19上，液压千斤顶21安装在反力板20上，根据试验要求设定每一层液压千斤顶21的压力值，液压千斤顶21连接有推力器22，推力器22推动长边拼接侧板2来传递压力模拟长边方向的地应力，推力器22推动垫板23来传递压力模拟短边方向的地应力；垫板比短边拼接侧板略短来防止传递长边压力时有损失；在模型岩样25上粘贴电阻应变片，以便实时获取试验模型岩样的变形，即显示所述电阻应变片的测量结果。
开始试验，记录试验结果，得到锚杆(锚索)轴力随时间变化的数据和岩体变形随时间变化的数据。
考虑预应力锚杆(锚索)锚固力损伤与边坡岩体蠕变变形耦合作用的理论公式如下：
岩体的蠕变应变方程：
Figure BDA0002251441060000071
预应力锚杆(锚索)的锚固力松弛方程：
σb(t)＝Eb(δ0-εr) (2)
式中：
Figure BDA0002251441060000082
Figure BDA0002251441060000083
Ab和Ar分别为预应力锚杆(锚索)和岩体的横截面积，Eb为锚杆(锚索)体的弹性模量，δ0为锚索的初始预张拉应变量，E1和E2分别为岩体的瞬时弹性模量和黏弹性模量，η1和η2为岩体的黏滞系数。
其中Ab、Ar、Eb、δ0、E1为已知量，结合实验数据并基于上述理论公式来反演得到E2、η1、η2的值。从而为分析更复杂的工况提供了理论模型与力学参数。

Claims (6)

1.一种预应力锚杆(索)锚固力损失与边坡时效变形耦合作用的模型试验装置，包括制备系统和加压系统；制备系统包括模具底板、模具长边拼接侧板、模具可动侧板、模具短边拼接侧板、两个固定滑槽、两个钢折页、支架、螺栓、螺杆、塑料实心管、固具；其特征在于模具由一块底板、一块可动侧板、若干短边拼接侧板和若干长边拼接侧板组成，底板表面粗糙，增大与模型岩样的摩擦力，第一层长边拼接侧板搭在底板上与底板固定，打好基础，其他长边拼接侧板依次由板底的突起物从侧面插入上一块板顶的相应的缺陷处来完成拼装，短边拼接侧板高度与长边拼接侧板相同，同样分层拼装，可动侧板由钢折页连接在底板上，整个装置通过各支架、螺栓、螺杆来固定形成整体；制备系统周围是加压系统，加压系统包括反力架、拼接反力板、液压千斤顶、推力器、垫板；
本发明的模具按照设计要求，选择拼接侧板的数量，调整可动侧板的位置和角度，拼接固定形成整体后，将塑料实心管穿过锚杆(锚索)孔插入模具内部，用固具将实心管固定；向模具中填筑相似材料，待其初凝后拔出实心管，形成孔道；相似材料达到固定强度后，将试块脱模，把在锚头位置处黏贴有电阻应变片的锚杆(锚索)穿入预留孔道，应变片通过导线与电阻应变仪相连，用于准确施加不同大小的预应力，并可实时获取锚杆(锚索)在试样变形过程中的轴向应力变化；用带有导管的橡胶封隔器沿着锚杆(锚索)插入预留孔道一段距离，使得孔道内形成空隙，通过导管往空隙里注入锚固剂，这部分来作为锚杆(锚索)的锚固段，预留孔道内的剩余部分来作为锚杆(锚索)的张拉段；待锚固剂硬化后，借助千斤顶张拉锚杆(锚索)至设计规定应力，用锚具将张拉端锚杆(锚索)锚固；在孔道与锚杆(锚索)空隙中高压注入同种相似材料，养护成型，完成加预应力锚杆(锚索)的边坡模型岩样；把拼接反力板安装在反力架上，液压千斤顶安装在反力板上；在岩样模型上粘贴电阻应变片，通过电阻应变仪来显示测量结果，监测岩样变形；根据试验要求设定每一层液压千斤顶的压力值进行地应力加载，模拟不同深度的地应力来进行试验。
2.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆(索)锚固力损失与边坡时效变形耦合作用的模型试验装置，其特征在于，所述固定滑槽是嵌在底板上的沿轴向开有直槽孔的长条状金属构件；钢折页一端与可动侧板固定连接，另一端通过滑动螺栓与固定滑槽连接，从而使可动侧板与底板连接，改变滑动螺栓的位置以及钢折页的角度来实现对边坡模型的边坡位置和倾斜角的控制。
3.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆(索)锚固力损失与边坡时效变形耦合作用的模型试验装置，其特征在于，所述可动侧板上设有锚杆(锚索)孔，塑料实心管的直径略大于所选锚杆(锚索)直径，略小于锚杆(锚索)孔直径，实心管穿过锚杆(锚索)孔插入成型模具内部，用可动侧板的固具将塑料实心管固定，穿过的锚杆(锚索)孔位置决定锚杆(锚索)的定位。
4.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆(索)锚固力损失与边坡时效变形耦合作用的模型试验装置，其特征在于，所述拼接侧板可根据试验要求来增加或减少以填筑不同大小的试验模型材料，长边拼接侧板上设有螺杆滑槽，可动侧板根据试验要求固定好角度和位置后，改变每层螺杆的位置使得螺杆紧贴于可动侧板，螺杆通过两边的固具固定来增加模具的整体性，并防止可动侧板在填筑材料和振捣的过程中发生转动，从而保证试验模型的精确，短边拼接侧板内部有贯穿的孔洞，与长边拼接侧板的孔洞对应，用螺杆插入并用螺母紧固。
5.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆(索)锚固力损失与边坡时效变形耦合作用的模型试验装置，其特征在于，当岩样模型填筑养护好后，把可动侧板、短边拼接侧板以及相应的固定零件拆除，把地应力施加装置拼装，长边方向通过长边拼接侧板传导液压千斤顶的压力来施加地应力，短边方向通过垫板传导液压千斤顶的压力来施加地应力，垫板比短边拼接侧板略短来防止长边压力的损失，设定每一层液压千斤顶的压力值进行地应力加载，模拟不同深度的地应力。
6.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆(索)锚固力损失与边坡时效变形耦合作用的模型试验装置，其特征在于，考虑预应力锚杆(锚索)锚固力损伤与边坡岩体蠕变变形耦合作用的理论公式如下：
岩体的蠕变应变方程：
Figure FDA0002251441050000031
预应力锚杆(锚索)的锚固力松弛方程：
σb(t)＝Eb(δ0-εr) (2)
式中：
Figure FDA0002251441050000032
Figure FDA0002251441050000033
Figure FDA0002251441050000034
Ab和Ar分别为预应力锚杆(锚索)和岩体的横截面积，Eb为锚杆(锚索)体的弹性模量，δ0为锚索的初始预张拉应变量，E1和E2分别为岩体的瞬时弹性模量和黏弹性模量，η1和η2为岩体的黏滞系数。
其中Ab、Ar、Eb、δ0、E1为已知量，结合实验数据并基于上述理论公式来反演得到E2、η1、η2的值。从而为分析更复杂的工况提供了理论模型与力学参数。
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