CN110864971A - 一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验装置及方法，本发明实施例通过两块半圆外部约束圆筒拼接成筒体，并在拼接后的筒体内放置混凝土试样，在混凝土试样与外部约束圆筒之间设置环形柔性压力枕，并将环形柔性压力枕与外部注水加压装置连接，通过注水加压装置为压力枕注水加压，从而模拟施加围岩压力的过程。本发明外部约束圆筒与底部加载托盘以及混凝土试样组成的空间，正好将环状柔性压力枕约束在此空间内；柔性压力枕充水加压时，压力枕内压力相等，柔性压力枕能能均匀的将压力施加在试样上；本发明加压装置，不需要特殊的仪器设备就能进行，使用方便，操作简单。

Description

一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验装置及方法

技术领域

本发明涉及锚固结构设计技术领域，特别是一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验装置及方法。

背景技术

锚杆长期以来被广泛应用于土木和采矿工程中的岩体加固，锚杆通过抑制岩体内部的变形来加固岩体。锚固系统中主要存在两个界面，第一个界面是锚杆与粘结材料之间的界面，第二个界面为粘结材料与被加固岩体之间的界面。根据力的传力机理分析，施加在锚杆上的拉拔力通过第一个界面以剪应力的形式传递给粘结材料，最后粘结材料又将荷载通过第二个界面以剪应力的形式传递给岩体。由此可见，界面上剪应力的大小直接关系着锚固结构的安全。大量的研究已经证明，界面上的剪应力由三个部分组成：粘结力、摩擦和机械咬合力(比如钢筋肋与砂浆间的咬合)。分析三部分形成的机理不难看出，除了粘结力与组成界面的材料属性有关之外，摩擦力与机械咬合力都与界面上的法向应力有关系，特别是在界面产生滑移以后，法向应力的大小对界面上的剪应力的影响更加明显。锚固结构的实际工程应用中，锚固结构的围压主要来源于锚固结构锚固段周边围岩的压力。

目前对于锚固结构的研究，除了理论分析外还有现场拉拔试验及实验室模型试验。现场试验能够真实反映锚固结构实际受力情况，能够最大程度揭示锚固结构的受力特点。但是，比较精密测试仪器受现场环境的影响巨大，并且体型庞大的实验设备又很难搬运到施工现场。由于这些原因，现场原位试验在实际的研究当中受到了很大的制约。实验室内的模型试验，恰恰能够克服现场试验的诸多弱点。但是实验室模型试验也有一个最大的缺陷就是很难还原锚固结构现场的受力状态，尤其是其受到的围岩压力的情况。

在大量的进行的锚固结构实验室模型拉拔试验中，有的试件周边没有任何约束，有的在试件周边施加单向荷载模拟围压。到目前为止，很少有试验研究能够在试件上施加与现场情况比较吻合的围压。究其原因，主要还是实验室当中没有合适的加载装置，能够对试件施加围压。

发明内容

本发明的目的是提供一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验装置及方法，旨在解决现有技术中锚固结构拉拔试验缺少围压加载装置的问题，实现模拟施加围岩压力的过程，提高试验准确度。

为达到上述技术目的，本发明提供了一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验装置，所述装置包括：

两块半圆形外部约束圆筒，通过圆筒拼接螺栓进行拼接，拼接后的外部约束圆筒内放置混凝土试样，在试样与外部约束圆筒之间设置环形柔性压力枕，所述环形柔性压力枕与注水加压装置连接；

外部约束圆筒底部设置有底部加载托盘，混凝土试样底部埋置锚固螺栓与底部加载托盘固定连接，底部加载托盘中心焊接有拉杆，混凝土试件顶部锚固有锚杆，所述拉杆与锚杆位于同一轴线上；

所述锚杆与试验机上部夹具固定连接，所述拉杆与试验机下部夹具固定连接。

优选地，所述环形柔性压力枕在顶端设置接口和排气孔，接口与外部的注水加压装置连接。

优选地，所述接口与注水加压装置之间设置阀门和压力表。

本发明还提供了一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将混凝土试样通过锚固螺栓与底部加载托盘连接，将焊接在底部加载托盘上的拉杆与拉拔试验机的下部夹具固定连接，将充满水的环形柔性压力枕套在混凝土试样的周边，再将外部约束圆筒罩在环形柔性压力枕的周边，用螺栓将外部约束圆筒拼接在一起；

S2、将锚杆与试验机的上部夹具固定，锚杆与底部加载托盘中心的拉杆在同一轴线上；

S3、将外部注水加压装置的管路与环形柔性压力枕通过接口连接，打开注水加压装置的阀门，同时打开排气孔，启动注水加压装置向柔性压力枕注水，待水满后关闭排气孔，继续向柔性压力枕内注水加压，当施加压力达到试验需要的围压时，关闭阀门并保持施加在试样周边的围压；

S4、启动试验机，以位移方式施加荷载，直至锚固结构破坏为止，改变施加在试样周围的压力值大小，重复以上锚杆拉拔试验过程，对于不同围压下采集到的数据进行分析，研究试样周边围压对锚固结构界面剪应力的影响。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

与现有技术相比，本发明实施例通过两块半圆外部约束圆筒拼接成筒体，并在拼接后的筒体内放置混凝土试样，在混凝土试样与外部约束圆筒之间设置环形柔性压力枕，并将环形柔性压力枕与外部注水加压装置连接，通过注水加压装置为压力枕注水加压，从而模拟施加围岩压力的过程。本发明外部约束圆筒由两块半圆筒及半圆筒顶部焊接的半圆环状铁板组成，外部约束圆筒与底部加载托盘以及混凝土试样组成的空间，正好将环状柔性压力枕约束在此空间内，试验过程中能够实现压力枕与试样紧密接触，径向约束的效果良好；柔性压力枕充水加压时，压力枕内压力相等，柔性压力枕能能均匀的将压力施加在试样上；本发明加压装置，不需要特殊的仪器设备就能进行，使用方便，操作简单。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验装置的立体示意图；

图2为本发明实施例中所提供的一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验装置的侧面示意图；

图3为本发明实施例中所提供的一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验方法流程图；

图中，1-试验机夹具，2-混凝土试样，3-底部加载托盘，4-锚固螺栓，5-拉杆，6-砂浆，7-锚杆，8-外部约束圆筒，9-圆筒拼接螺栓，10-环形柔性压力枕，11-接口，12-压力表，13-阀门，14-注水加压装置，15-容器，16-排气孔。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

下面结合附图对本发明实施例所提供的一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验装置及方法进行详细说明。

如图1-2所示，本发明公开了一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验装置，所述装置包括：

两块半圆形外部约束圆筒，通过圆筒拼接螺栓进行拼接，拼接后的外部约束圆筒内放置混凝土试样，在试样与外部约束圆筒之间设置环形柔性压力枕，所述环形柔性压力枕与注水加压装置连接；

外部约束圆筒底部设置有底部加载托盘，混凝土试样底部埋置锚固螺栓与底部加载托盘固定连接，底部加载托盘中心焊接有拉杆，混凝土试件顶部锚固有锚杆，所述拉杆与锚杆位于同一轴线上；

所述锚杆与试验机上部夹具固定连接，所述拉杆与试验机下部夹具固定连接。

两个半圆形外部约束圆筒通过两组圆筒拼接螺栓固定，拼接为一个圆筒，此圆筒直径为350mm，筒壁厚度为8mm，材料为钢材。

约束圆筒内装有直径为284mm的混凝土试样，试样中心钻孔直径为60mm，用水泥砂浆将直径18mm的螺纹钢筋锚固，形成锚杆。混凝土试样中通过埋置在混凝土基体中的锚固螺栓与底部加载托盘固定在一起，底部加载托盘中心位置处焊接拉杆，拉杆与锚杆在同一轴线上。

在外部约束圆筒与混凝土试样之间设置环形柔性压力枕，环形柔性压力枕在顶端设置接口和排气孔，接口与外部的注水加压装置连接，注水加压装置的进水端连接装有水的容器，在接口与注水加压装置之间设置阀门和压力表，通过阀门控制注水的通断，并通过压力表测量施加围压的大小。在注水过程中需要打开排气孔，并在水满后关闭排气孔。

通过上述装置进行施加围岩压力的过程如下：

将做好的混凝土试样通过锚固螺栓与底部加载托盘连接，将焊接在底部加载托盘上的拉杆与拉拔试验机的下部夹具固定连接，将充满水的环形柔性压力枕套在混凝土试样的周边，然后再将外部约束圆筒罩在环形柔性压力枕的周边，最后用螺栓将外部约束圆筒拼接在一起。

将锚杆与试验机的上部夹具固定，保证锚杆与底部加载托盘中心的拉杆在同一轴线上，保证施加拉力不产生偏心。

将外部注水加压装置的管路与环形柔性压力枕通过接口连接，打开注水加压装置的阀门，同时打开排气孔，启动注水加压装置向柔性压力枕注水，待水满后关闭排气孔，继续向柔性压力枕内注水加压，观察压力表读数，当施加压力达到试验需要的围压时，关闭阀门，保持施加在试样周边的围压。

启动试验机，以位移方式施加荷载，直至锚固结构破坏为止，改变施加在试样周围的压力值大小，重复以上锚杆拉拔试验过程，对于不同围压下采集到的数据进行分析，研究试样周边围压对锚固结构界面剪应力的影响。

本发明实施例通过两块半圆外部约束圆筒拼接成筒体，并在拼接后的筒体内放置混凝土试样，在混凝土试样与外部约束圆筒之间设置环形柔性压力枕，并将环形柔性压力枕与外部注水加压装置连接，通过注水加压装置为压力枕注水加压，从而模拟施加围岩压力的过程。本发明外部约束圆筒由两块半圆筒及半圆筒顶部焊接的半圆环状铁板组成，外部约束圆筒与底部加载托盘以及混凝土试样组成的空间，正好将环状柔性压力枕约束在此空间内，试验过程中能够实现压力枕与试样紧密接触，径向约束的效果良好；柔性压力枕充水加压时，压力枕内压力相等，柔性压力枕能能均匀的将压力施加在试样上；本发明加压装置，不需要特殊的仪器设备就能进行，使用方便，操作简单。

如图3所示，本发明实施例还公开了一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将混凝土试样通过锚固螺栓与底部加载托盘连接，将焊接在底部加载托盘上的拉杆与拉拔试验机的下部夹具固定连接，将充满水的环形柔性压力枕套在混凝土试样的周边，再将外部约束圆筒罩在环形柔性压力枕的周边，用螺栓将外部约束圆筒拼接在一起；

S2、将锚杆与试验机的上部夹具固定，锚杆与底部加载托盘中心的拉杆在同一轴线上；

S3、将外部注水加压装置的管路与环形柔性压力枕通过接口连接，打开注水加压装置的阀门，同时打开排气孔，启动注水加压装置向柔性压力枕注水，待水满后关闭排气孔，继续向柔性压力枕内注水加压，当施加压力达到试验需要的围压时，关闭阀门并保持施加在试样周边的围压；

S4、启动试验机，以位移方式施加荷载，直至锚固结构破坏为止，改变施加在试样周围的压力值大小，重复以上锚杆拉拔试验过程，对于不同围压下采集到的数据进行分析，研究试样周边围压对锚固结构界面剪应力的影响。

两个半圆形外部约束圆筒通过两组圆筒拼接螺栓固定，拼接为一个圆筒，此圆筒直径为350mm，筒壁厚度为8mm，材料为钢材。

约束圆筒内装有直径为284mm的混凝土试样，试样中心钻孔直径为60mm，用水泥砂浆将直径18mm的螺纹钢筋锚固，形成锚杆。混凝土试样中通过埋置在混凝土基体中的锚固螺栓与底部加载托盘固定在一起，底部加载托盘中心位置处焊接拉杆，拉杆与锚杆在同一轴线上。

在外部约束圆筒与混凝土试样之间设置环形柔性压力枕，环形柔性压力枕在顶端设置接口和排气孔，接口与外部的注水加压装置连接，注水加压装置的进水端连接装有水的容器，在接口与注水加压装置之间设置阀门和压力表，通过阀门控制注水的通断，并通过压力表测量施加围压的大小。在注水过程中需要打开排气孔，并在水满后关闭排气孔。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验装置，其特征在于，所述装置包括：

两块半圆形外部约束圆筒，通过圆筒拼接螺栓进行拼接，拼接后的外部约束圆筒内放置混凝土试样，在试样与外部约束圆筒之间设置环形柔性压力枕，所述环形柔性压力枕与注水加压装置连接；

外部约束圆筒底部设置有底部加载托盘，混凝土试样底部埋置锚固螺栓与底部加载托盘固定连接，底部加载托盘中心焊接有拉杆，混凝土试件顶部锚固有锚杆，所述拉杆与锚杆位于同一轴线上；

所述锚杆与试验机上部夹具固定连接，所述拉杆与试验机下部夹具固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验装置，其特征在于，所述环形柔性压力枕在顶端设置接口和排气孔，接口与外部的注水加压装置连接。

3.根据权利要求2所述的一种拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验装置，其特征在于，所述接口与注水加压装置之间设置阀门和压力表。

4.一种利用权利要求1-3任意一项所述装置实现拉拔试验中施加围岩压力的柔性加压试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、将混凝土试样通过锚固螺栓与底部加载托盘连接，将焊接在底部加载托盘上的拉杆与拉拔试验机的下部夹具固定连接，将充满水的环形柔性压力枕套在混凝土试样的周边，再将外部约束圆筒罩在环形柔性压力枕的周边，用螺栓将外部约束圆筒拼接在一起；

S2、将锚杆与试验机的上部夹具固定，锚杆与底部加载托盘中心的拉杆在同一轴线上；

S3、将外部注水加压装置的管路与环形柔性压力枕通过接口连接，打开注水加压装置的阀门，同时打开排气孔，启动注水加压装置向柔性压力枕注水，待水满后关闭排气孔，继续向柔性压力枕内注水加压，当施加压力达到试验需要的围压时，关闭阀门并保持施加在试样周边的围压；

S4、启动试验机，以位移方式施加荷载，直至锚固结构破坏为止，改变施加在试样周围的压力值大小，重复以上锚杆拉拔试验过程，对于不同围压下采集到的数据进行分析，研究试样周边围压对锚固结构界面剪应力的影响。

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