CN110849688A - 一种预应力锚杆（索）锚固力损失与隧洞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）锚固力损失与隧洞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)锚固力损失与隧洞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、模具短边拼接侧板、模具隧洞侧板、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隧洞模型。

Description

一种预应力锚杆(索)锚固力损失与隧洞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)锚固力损失与隧洞时效变形耦合作用的模型试验装置。
背景技术
隧洞是地下工程结构的重要组成部分，广泛运用于城市地铁、公路铁路隧道以及煤矿巷道中。在岩土体中进行隧洞开挖，引起隧洞周边围岩应力重新分布，当应力状态超过围岩弹性峰值状态后，围岩将产生塑性变形，隧洞周边围岩位移也将随之增大。锚杆、锚索是当代岩土工程中最基本的支护构件，通过锚杆(锚索)杆体的纵向拉力作用，克服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，隧洞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。那么在进行隧洞支护时，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)锚固力损失与隧洞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)锚固力损失与隧洞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、模具短边拼接侧板、模具隧洞侧板、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、两块隧洞侧板、若干长边拼接侧板和若干短边拼接侧板组成，底板表面粗糙，增大与模型岩样的摩擦力，隧洞侧板与长边拼接侧板长度相同，二者板底和板顶都分别有圆柱状突出和圆柱状孔洞，第一层长边拼接侧板搭在底板上与底板固定，打好基础，其他长边侧板依次由板底的圆柱状突出插入上一块板顶的圆柱状孔洞来完成拼装，短边拼接侧板高度与长边侧板对应，同样分层拼装，整个装置通过各支架、螺栓、螺杆来固定形成整体。
隧洞侧板上焊有空心隧洞模具，根据不同工况选择焊有不同隧洞模具的隧洞侧板，隧洞侧板所在高度决定模型岩样中隧洞的所在高度，空心隧洞模具边缘周围有半圆形凹陷，安装模具时，两个隧洞侧板在同一高度，使得两个相同的隧洞模型并在一起，两个半圆形凹陷形成锚杆(锚索)孔；隧洞侧板的高度任意，有若干对焊有不同隧洞模型的隧洞侧板备用，只需替换隧洞侧板便可填筑不同形状隧洞的模型。本实施例采用圆形隧洞模具，隧洞模具边缘每隔30°有半圆形凹陷，即整个模具组装完成后每隔30°有个锚杆(锚索)孔。
隧洞模具上设有锚杆(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，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，增加模具的整体性。
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，把隧洞侧板、长边拼接侧板、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，长边方向和短边方向都通过垫板传导液压千斤顶的压力来施加地应力，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，根据试验要求选择隧洞侧板，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；用生料带或其它密封材料将锚杆(锚索)孔密封，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，应变片通过导线与静态应变采集仪相连，用于准确施加不同大小的预应力，并可实时获取锚杆(锚索)在岩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，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；在岩样模型外表面沿着隧洞轮廓线间隔粘贴应变片，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隧洞模型。
2、该装置可根据试验要求，通过改变拼接侧板的数量、改变隧洞侧板的高度和替换焊有不同形状、大小隧洞模具的隧洞侧板来制作符合要求的隧洞模型；可以根据不同的工况设定不同深度的地应力，模拟精确。
3、该模具操作简单，加工方便，易于制作不同隧洞模型，可重复使用，节省人力物力。
附图说明
本实施例制作带锚杆(锚索)的圆形隧洞模型，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。
图中：1.模具底板，2.长边拼接侧板，3.短边拼接侧板，4.隧洞侧板，5.隧洞模具，6.固定模具侧板与底板的支架及螺栓，7.锚杆(锚索)孔，8.圆柱状突出，9.圆柱状孔洞，10.螺杆，11.螺杆孔，12.固定螺母，13.塑料实心管，14.固具，15.反力架，16.拼接反力板，17.液压千斤顶，18.推力器，19.垫板，20.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3所示，一种预应力锚杆(索)锚固力损失与隧洞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.长边拼接侧板，3.短边拼接侧板，4.隧洞侧板，5.隧洞模具，6.固定模具侧板与底板的支架及螺栓，7.锚杆(锚索)孔，8.圆柱状突出，9.圆柱状孔洞，10.螺杆，11.螺杆孔，12.固定螺母，13.塑料实心管，14.固具。加压系统有15.反力架，16.拼接反力板，17.液压千斤顶，18.推力器，19.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；隧洞模具焊于隧洞侧板上，隧洞模具边缘周围有半圆形凹陷，两个相同隧洞模型相并，使得两个半圆形凹陷形成锚杆(锚索)孔，锚杆(锚索)孔的位置决定锚杆(锚索)的定位；若干对焊有不同隧洞模型的隧洞侧板备用，只需替换隧洞侧板便可填筑不同形状隧洞的模型；模具周围是加压系统，养护成型后拆掉侧模及固定零件，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和两块隧洞侧板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圆柱状突出8插入上一块长边拼接侧板上面的对应的圆柱状孔洞9中，每拼装一层长边拼接侧板就将该层的短边拼接侧板放在相应位置，使得螺杆孔11与长边拼接侧板上的孔对齐，最后用螺杆10穿过螺杆孔11并用固定螺母12来加固；隧洞侧板4高度任意，同样有圆柱状突出8和圆柱状孔洞9，根据试验要求，将两块相同隧洞侧板4组装至合适、相同的高度，使得两个空心隧洞模具5并在一起形成若干锚杆(锚索)孔7；根据试验要求确定锚杆(锚索)的位置，将塑料实心管13穿过锚杆(锚索)孔7在空心隧洞模具5的内侧用固具14将实心管13固定。
按试验要求的条件将模具拼接固定好，将塑料实心管13穿过锚杆(锚索)孔7在空心隧洞模具5的内侧用固具14将实心管13固定；用生料带或其它密封材料将锚杆(锚索)孔密封，向模具中填筑相似材料，待其初凝后拔出实心管，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，将长边拼接侧板2、短边拼接侧板3、隧洞侧板4及相应的固定零件拆除；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，应变片通过导线与静态应变采集仪相连，用于准确施加不同大小的预应力，并可实时获取锚杆(锚索)在岩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，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。
将拼接反力板16安装在模具周围的反力架15上，液压千斤顶17安装在反力板16上，液压千斤顶17连接有推力器18，推力器推动垫板19来传递压力模拟地应力；在岩样模型20外表面沿着隧洞轮廓线间隔粘贴应变片，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；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。

Claims (5)

1.一种预应力锚杆(索)锚固力损失与隧洞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、模具短边拼接侧板、模具隧洞侧板、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、两块隧洞侧板、若干长边拼接侧板和若干短边拼接侧板组成，底板表面粗糙，增大与模型岩样的摩擦力，隧洞侧板与长边拼接侧板长度相同，二者板底和板顶都分别有圆柱状突出和圆柱状孔洞，第一层长边拼接侧板搭在底板上与底板固定，打好基础，其他长边侧板依次由板底的圆柱状突出插入上一块板顶的圆柱状孔洞来完成拼装，短边拼接侧板高度与长边侧板对应，同样分层拼装，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，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，根据试验要求选择隧洞侧板，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；用生料带或其它密封材料将锚杆(锚索)孔密封，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，应变片通过导线与静态应变采集仪相连，用于准确施加不同大小的预应力，并可实时获取锚杆(锚索)在岩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，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；在岩样模型外表面沿着隧洞轮廓线间隔粘贴应变片，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)锚固力损失与隧洞时效变形耦合作用的模型试验装置，其特征在于，所述隧洞侧板上焊有空心隧洞模具，根据不同工况选择焊有不同隧洞模具的隧洞侧板，隧洞侧板所在高度决定模型岩样中隧洞的所在高度，空心隧洞模具边缘周围有半圆形凹陷，安装模具时，两个隧洞侧板在同一高度，使得两个相同的隧洞模型并在一起，两个半圆形凹陷形成锚杆(锚索)孔；隧洞侧板的高度任意，有若干对焊有不同隧洞模型的隧洞侧板备用，只需替换隧洞侧板便可填筑不同形状隧洞的模型。
3.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆(索)锚固力损失与隧洞时效变形耦合作用的模型试验装置，其特征在于，所述隧洞模具上设有锚杆(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。
4.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆(索)锚固力损失与隧洞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，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，增加模具的整体性。
5.根据权利要求1所述的一种预应力锚杆(索)锚固力损失与隧洞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，把隧洞侧板、长边拼接侧板、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，长边方向和短边方向都通过垫板传导液压千斤顶的压力来施加地应力，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。
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