CN114112642A - 压拉转换加载装置及加锚岩体协同变形测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于岩土工程领域，具体地，涉及一种压拉转换加载装置及加锚岩体协同变形测试方法；(1)构建一种通过单轴压力试验机实现压拉转换的加载装置；(2)提出压拉转换加载装置的安装与加锚岩体协同变形测试方法；(3)提出单轴拉伸作用下加锚岩体蠕变特性的黏弹性理论分析方法。本发明通过压拉转换加载装置实现了应用单轴压力试验机对岩体的拉伸试验，并能够进行锚杆和岩体的协同变形测试。

Description

压拉转换加载装置及加锚岩体协同变形测试方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，具体地，涉及一种压拉转换加载装置及加锚岩体协同变形测试方法，可实现使用单轴压力试验机对加锚岩体进行直接拉伸力学试验，并可用于加锚岩体中锚杆和岩体的协同变形测试。

背景技术

随着我国基础设施建设的不断发展，岩土工程的施工中频发的各种问题也备受人们关注，例如边坡工程、隧道工程、采矿工程、钻井工程等。在这些岩土工程中，开挖卸荷时往往会产生拉应力，只要存在受拉区域，其稳定性就极大地受拉伸区控制。

抗拉强度远小于抗压强度是岩土材料最突出的特征之一。由于岩土材料抗拉强度较小，使得拉应力作用下的变形特性在边坡和地下工程等岩土工程的稳定性评价中占有极其重要的地位，而如何测量和评价拉应力作用下岩土锚固复合体的协同变形特性就显得尤为重要。

长期以来，对于岩土材料力学性质的研究主要集中在受压条件下的岩石力学响应，而对受拉条件的情况研究相对较少。一方面是对试样进行直接拉伸比较困难，另一方面是试验条件的限制。因此，本发明利用已有试验条件，设计了一种压拉转换加载装置，实现对加锚岩体的直接拉伸试验。相应地，提供了一种加锚岩体协同变形测试方法。并且，提出了一种单轴拉伸下加锚岩体蠕变特性的黏弹性理论分析方法，针对直接拉伸作用下的加锚岩体试样，建立了一种体现了岩体蠕变性质的黏弹性理论模型，推导出加锚岩体的蠕变理论公式。

发明内容

为克服现有试验装置的不足，本发明提供了一种压拉转换加载装置及加锚岩体协同变形测试方法，用于实现直接拉伸作用下加锚岩体试样的锚杆和岩体的协同变形测试。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种通过单轴压力试验机实现压拉转换加载装置包括：两组钢板及连接杆件，每块钢板设有四个螺栓孔，一组钢板包括上承压钢板和下施拉钢板，另一组包括上施拉钢板和下承压钢板，上、下施拉钢板有一中心突起圆柱，连接杆件两端带有螺纹，恰好能放入各钢板的螺栓孔；一组钢球，钢球内部有螺栓孔；一组安装钢板，安装钢板周围有四个螺栓孔，板中心有用于锚杆安装的孔；一对空心圆柱体，一端带有内径略小于钢球的圆环，在空心圆柱边缘处的四个螺栓孔对应于安装钢板螺栓孔。

所述两组钢板，一组钢板包括上承压钢板和下施拉钢板，另一组包括上施拉钢板和下承压钢板，交叉排列用杆件通过螺栓和垫片连接。其中，施拉钢板中心处的突起圆柱相对排列于中间部分，组成装置的主体部分；所述中心突起圆柱用于连接放入空心圆柱体的钢球，所述钢球内部提前车有螺栓孔用于连接中心突起圆柱；所述空心圆柱体与安装钢板分别通过螺栓进行连接；所述岩体试件通过高强度树脂与安装钢板连接，锚杆穿过安装钢板中心小孔通过螺帽进行固定。

压拉转换加载装置及加锚岩体协同变形测试方法，其试验步骤如下：

1、提前在锚杆两端加工螺纹，在锚杆的中部位置粘贴应变片；处理好的锚杆通过一种使用先张法施加预应力的长方体浇筑模具施加预应力，锚杆长于模具的长边，在模具短边钢板中心处有一锚杆孔，锚杆沿长边穿过锚杆孔后，使用螺帽在模具外侧对锚杆进行固定。将应变片连接到应变仪，通过不断拧紧固定锚杆的螺帽，对锚杆施加预应力，通过观察应变仪的数值变化确保预应力施加到目标值；保持锚杆此时的状态，解除与应变仪的连接。制备所要模拟岩体的砂浆材料，将其注入模具中；保持锚杆在螺帽拧紧的状态下，让试样在标准条件下养护28天；待试件养护完成后，卸去锚杆两端拧紧的螺帽，拆除浇筑模具，在岩体试件表面中部位置处粘贴应变片。

2、将上述制备完成的岩体试件和锚杆分别与压拉转换加载装置进行连接，岩体试件使用高强度树脂与安装钢板进行粘接，锚杆两端穿过安装钢板中心孔后，使用螺帽进行固定。

3、施拉钢板中心突起圆柱在端部有一螺栓，将放入空心圆柱体中的钢球与所述中心突起圆柱端部的螺栓经由钢球螺栓孔进行螺栓连接。

4、将已连接好试样的安装钢板的螺栓孔与3中的空心圆柱的螺栓孔对齐后，通过螺栓进行连接固定。

5、用杆件将承压钢板与施拉钢板进行连接，至此装有加锚岩体试样的压拉转换加载装置安装完毕。

6、将压拉转换加载装置安装到单轴压力试验机上，运行单轴压力试验机，进行加锚岩体试样的直接拉伸力学试验。

7、锚杆和岩体试件的应变通过预先贴好的应变片将应变数据传导到电脑终端，实现加锚岩体协同变形的测试，得到锚杆和岩体协同变形的试验数据。

在完成直接拉伸试验之后，压拉转换加载装置的拆除步骤如下：

1、运行单轴压力试验机，将施加于压拉转换加载装置的压力卸去。

2、取下压拉转换加载装置，将承压钢板和施拉钢板与杆件连接的螺栓分别拆除。

3、将安装钢板与空心圆柱的螺栓连接分别拆除。

4、将施拉钢板与钢球的螺栓连接分别拆除。

5、将锚杆两端的螺栓连接拆除，除去安装钢板上的高强度树脂，取出拉伸后的加锚岩体试样。

在处理完压拉转换加载装置和加锚岩体试样之后，对加锚岩体试样进行协同变形分析，步骤如下：

1、建立锚杆加固蠕变岩体的力学分析模型，进行单轴拉伸作用下锚杆与岩体协同变形的受力分析。

2、考虑岩体在拉应力作用下的蠕变特征，建立岩体的一维蠕变力学本构模型。

3、推导单轴拉伸作用下加锚岩体的黏弹性蠕变理论公式。

4、对比已进行试验的结果和理论公式的计算结果。

本发明通过单轴压力试验机对压拉转换加载装置施加轴向压力。压拉转换加载装置与试验机压头接触后，外侧上、下两块承压钢板分别受到向下和向上的压力，承压钢板通过连接杆件与施拉钢板连接，中间上、下两块施拉钢板相应的产生向上和向下的位移，试样的上、下端面与施拉钢板通过高强度树脂粘结，实现对试样的直接拉伸，并达成锚杆和岩体的协同变形。

相对于现有的技术，本发明具有如下有益效果：

1、使传统的单轴压力试验机不仅能够完成压力试验，还能够转压为拉，实现试样的直接拉伸试验。

2、对试样施加拉力过程中，位于试样安装钢板和施拉钢板之间的钢球能够实现对试样受力的平衡，防止力的偏心。

3、对加锚试样施加拉力的过程中，锚杆及岩体同时发生变形，可直接测得二者的协同变形关系。

4、通过理论计算和试验两种方式实现对加锚岩体协同变形的对比分析，使试验结果更加可靠。

5、本发明结构简单，易于维护，具有较好的经济性和可靠性。

附图说明

图1为利用单轴压力试验机实现压拉转换加载装置。

图2为杆件连接用螺栓详图。

图3为杆件详图。

图4为安装钢板详图。

图5为安装钢板与螺栓连接详图。

图6为空心圆柱体与螺栓连接详图。

图7为钢球详图。

图8为加锚岩体与安装钢板连接详图。

图9为施拉钢板详图。

图10为上、下承压钢板详图。

图11为空心圆柱详图。

图12为加锚岩体协同变形分析技术路线图。

图13为加锚岩体受力分析图。

图14为锚杆和岩体的力学本构模型。

图中，1、23螺栓，2、22垫片，3上承压钢板，4上施拉钢板，5连接杆件，6、19钢球，7、18空心圆柱体，8连接杆件，9、17为同一锚杆的两端，10、16固定锚杆用螺帽，11、15安装钢板，12、14安装钢板用螺栓，13岩体试件，20下施拉钢板，21下承压钢板，24安装钢板螺栓孔，25锚杆孔，26钢球螺栓孔，27承压/施拉钢板螺栓孔，28中心突起圆柱，29空心圆柱体螺栓孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，一种结构简单、成本低廉的通过单轴压力试验机实现压拉转换加载装置包括：两组钢板3、20，4、21及连接杆件5、8，每块钢板设有四个螺栓孔27，一组钢板包括上承压钢板3和下施拉钢板20，另一组包括上施拉钢板4和下承压钢板21，上、下施拉钢板4、20有一中心突起圆柱28，连接杆件5、8两端带有螺纹，恰好能放入各钢板的螺栓孔24；一组钢球6、19，钢球6、19内部有螺栓孔26；一组安装钢板11、15，安装钢板11、15周围有四个螺栓孔24，板中心有用于锚杆安装的孔25；一对空心圆柱体7、18，一端带有内径略小于钢球的圆环，在空心圆柱边缘处的四个螺栓孔29对应于安装钢板螺栓孔24。

所述两组钢板，一组钢板包括上承压钢板3和下施拉钢板20，另一组包括上施拉钢板4和下承压钢板21，交叉排列用杆件5、8通过螺栓1、23和垫片2、22连接。其中，施拉钢板4、20中心处的突起圆柱28相对排列于中间部分，组成装置的主体部分；所述中心突起圆柱28用于连接放入空心圆柱体7、18的钢球6、19，所述钢球内部提前车有螺栓孔26用于连接中心突起圆柱28；所述空心圆柱体7、18与安装钢板11、15分别通过螺栓12、14进行连接；所述岩体试件13通过高强度树脂与安装钢板11、15连接，锚杆9、17穿过安装钢板中心小孔25通过螺帽10、16进行固定。

压拉转换加载装置及加锚岩体协同变形测试方法，其试验步骤如下：

1、锚杆9、17提前在两端加工有螺纹，在锚杆的中部位置粘贴应变片；处理好的锚杆9、17通过一种使用先张法施加预应力的长方体浇筑模具施加预应力，锚杆长于模具的长边，在模具短边钢板中心处有一锚杆孔，锚杆9、17沿长边穿过锚杆孔后，使用螺帽在模具外侧对锚杆9、17进行固定；将应变片连接到应变仪，通过不断拧紧固定锚杆的螺帽，对锚杆9、17施加预应力，通过观察应变仪的数值变化确保预应力施加到目标值；保持锚杆9、17此时的状态，解除与应变仪的连接；制备所要模拟岩体的砂浆材料，将其注入模具中；保持锚杆9、17在螺帽拧紧的状态下，目的是让试样保持在预应力不发生变化的情况下，在标准条件下养护28天；待试件养护完成后，卸去锚杆9、17两端拧紧的螺帽，拆除浇筑模具，在岩体试件13表面中部位置处粘贴应变片。

2、将上述制备完成的岩体试件13和锚杆9、17分别与压拉转换加载装置进行连接，岩体试件13使用高强度树脂与安装钢板11、15进行粘接，锚杆两端9、17分别车有螺纹，穿过孔25后，使用螺帽10和16分别进行固定。

3、上施拉钢板4的中心突起圆柱28在端部有一螺栓，将放入空心圆柱体7中的钢球6与所述中心突起圆柱28端部的螺栓经由钢球螺栓孔26进行螺栓连接。下施拉钢板20的中心突起圆柱28在端部有一螺栓，将放入空心圆柱体18中的钢球19与所述中心突起圆柱28端部的螺栓经由钢球螺栓孔26进行螺栓连接。

4、完成步骤3后，2中所述已安装构件的安装钢板11和15的螺栓孔24与3中的空心圆柱7和18的螺栓孔29对齐后，分别通过螺栓12和14进行连接固定。

5、用杆件5将上承压钢板3与下施拉钢板20进行连接，用杆件8将上施拉钢板4与下承压钢板21进行连接，至此装有加锚岩体试样的压拉转换加载装置安装完毕。

6、将压拉转换加载装置安装到单轴压力试验机上，运行单轴压力试验机施加轴向压力，进行加锚岩体试样的直接拉伸力学试验。

7、锚杆9、17和岩体试件13的应变通过预先贴好的应变片将应变数据传导到终端电脑，实现加锚岩体协同变形的测试，得到锚杆和岩体协同变形的试验数据。

在完成直接拉伸试验之后，压拉转换加载装置的拆除步骤如下：

1、运行单轴压力试验机，将施加于压拉转换加载装置的压力卸去。

2、取下压拉转换加载装置，将上承压钢板3和下施拉钢板20与杆件5连接的螺栓分别拆除，将上施拉钢板4和下承压钢板21与杆件8连接的螺栓分别拆除。

3、将安装钢板11和15与空心圆柱7和18的螺栓12和14分别拆除。

4、将上施拉钢板4和下施拉钢板20的中心突起圆柱28与钢球6、19的螺栓连接分别拆除。

5、卸去固定锚杆两端9、17的螺栓10和16，除去安装钢板11和15上的高强度树脂，取下拉伸后的岩体试件13。

在处理完压拉转换加载装置和加锚岩体试样之后，对加锚岩体试样进行协同变形分析，步骤如下：

1、建立锚杆加固蠕变岩体试样的力学分析模型，进行单轴拉伸作用下锚杆与岩体协同变形的受力分析，见图13。

具体方法如下：忽略岩体自重和其他应力因素的影响，只考虑单轴拉伸作用，同时假定锚杆和岩体的变形一致，加锚岩体试样的受力由锚杆和岩体共同承担，故有：

ε＝ε_r＝ε_b (1)

式中，ε和σ分别为加锚岩体试样的总应变和总应力；ε_r和ε_b分别为岩体和锚杆的应变；σ_r和σ_b分别为岩体和锚杆各自承受的应力；A、A_r和A_b分别为加锚岩体试样总横截面积、岩体横截面积和锚杆横截面积；β为锚杆横截面积与试样总横截面积的比值。

2、考虑岩体在直接拉伸作用下的蠕变特性，建立岩体的一维蠕变力学模型。

具体方法如下，选用广义Kelvin模型作为岩体的蠕变模型，见图14上方虚线框，其本构方程为：

式中，E₁和E₂分别为岩体的瞬时弹性模量和黏弹性模量；η为黏滞系数；

为σ_r对时间t的一阶导数；

为ε_rσ_r对时间t的一阶导数。

在考虑岩体的蠕变特性时，将锚杆作用等效转化为一根大刚度弹簧，见图14下方虚线框，应力应变满足胡克定律，即：

σ_b＝E_bε_b (4)

式中E_b为锚杆的弹性模量。

3、推导单轴拉伸作用下加锚岩体的黏弹性蠕变理论公式。具体方法如下：根据单轴拉伸作用下锚杆和岩体的受力情况和锚杆与岩体各自的本构方程，令试样受到的恒定总应力为σ₀，整理可得：

解得：

式中，t为蠕变时间；

q₀＝E₂；q₁＝η₁。

4、对比分析推导的理论公式的计算结果与已进行试验得到的结果。以试验结果为参考对象进行比较分析，根据上述建立的理论模型，通过不断调整力学参数，使计算得到的协同变形曲线逐渐逼近试验所得到的协同变形曲线。

5、完成加锚岩体的协同变形分析过程。

Claims (4)

1.一种压拉转换加载装置及加锚岩体协同变形的测试分析方法，其特征在于，构建一种通过单轴压力试验机实现压拉转换的加载装置，具体过程如下：一种通过单轴压力试验机实现压拉转换加载装置包括：两组钢板及连接杆件，每块钢板设有四个螺栓孔，一组钢板包括上承压钢板和下施拉钢板，另一组包括上施拉钢板和下承压钢板，上、下施拉钢板有一中心突起圆柱，连接杆件两端带有螺纹，恰好能放入各钢板的螺栓孔；一组钢球，钢球内部有螺栓孔；一组安装钢板，安装钢板周围有四个螺栓孔，板中心有用于锚杆安装的孔；一对空心圆柱体，一端带有内径略小于钢球的圆环，在空心圆柱边缘处的四个螺栓孔对应于安装钢板螺栓孔；

所述两组钢板，一组钢板包括上承压钢板和下施拉钢板，另一组包括上施拉钢板和下承压钢板，交叉排列用杆件通过螺栓和垫片连接；其中，施拉钢板中心处的突起圆柱相对排列于中间部分，组成装置的主体部分；所述中心突起圆柱用于连接放入空心圆柱体的钢球，所述钢球内部提前车有螺栓孔用于连接中心突起圆柱；所述空心圆柱体与安装钢板分别通过螺栓进行连接；所述岩体试件通过高强度树脂与安装钢板连接，锚杆穿过安装钢板中心小孔通过螺帽进行固定；

加锚岩体协同变形的测试分析方法具体步骤如下：

(1)构建一种通过单轴压力试验机实现压拉转换的加载装置；

(2)压拉转换加载装置的安装与加锚岩体协同变形测试方法的试验步骤；

(3)拉伸试验完成后，压拉转换加载装置及加锚岩体的拆除步骤；

(4)单轴拉伸作用下加锚岩体蠕变特性的黏弹性理论分析方法。

2.根据权利要求1所述的一种压拉转换加载装置及加锚岩体协同变形的测试分析方法，其特征在于，压拉转换加载装置的安装与加锚岩体协同变形测试方法的试验步骤，具体步骤如下：

(1)提前在锚杆两端加工螺纹，在锚杆的中部位置粘贴应变片；处理好的锚杆通过一种使用先张法施加预应力的长方体浇筑模具施加预应力，锚杆长于模具的长边，在模具短边钢板中心处有一锚杆孔，锚杆沿长边穿过锚杆孔后，使用螺帽在模具外侧对锚杆进行固定；将应变片连接到应变仪，通过不断拧紧固定锚杆的螺帽，对锚杆施加预应力，通过观察应变仪的数值变化确保预应力施加到目标值；保持锚杆此时的状态，解除与应变仪的连接；制备所要模拟岩体的砂浆材料，将其注入模具中；保持锚杆在螺帽拧紧的状态下，让试样在标准条件下养护28天；待试件养护完成后，卸去锚杆两端拧紧的螺帽，拆除浇筑模具，在岩体试件表面中部位置处粘贴应变片；

(2)将上述制备完成的岩体试件和锚杆分别与压拉转换加载装置进行连接，岩体试件使用高强度树脂与安装钢板进行粘接，锚杆两端穿过安装钢板中心孔后，使用螺帽进行固定；

(3)施拉钢板中心突起圆柱在端部有一螺栓，将放入空心圆柱体中的钢球与所述中心突起圆柱端部的螺栓经由钢球螺栓孔进行螺栓连接；

(4)将已连接好试样的安装钢板的螺栓孔与3中的空心圆柱的螺栓孔对齐后，通过螺栓进行连接固定；

(5)用杆件将承压钢板与施拉钢板进行连接，至此装有加锚岩体试样的压拉转换加载装置安装完毕；

(6)将压拉转换加载装置安装到单轴压力试验机上，运行单轴压力试验机，进行加锚岩体试样的直接拉伸力学试验；

(7)锚杆和岩体试件的应变通过预先贴好的应变片将应变数据传导到电脑终端，实现加锚岩体协同变形的测试，得到锚杆和岩体协同变形的试验数据。

3.根据权利要求1所述的一种压拉转换加载装置及加锚岩体协同变形的测试分析方法，其特征在于，拉伸试验完成后，压拉转换加载装置及加锚岩体的拆除步骤，具体步骤如下：

(1)运行单轴压力试验机，将施加于压拉转换加载装置的压力卸去；

(2)取下压拉转换加载装置，将承压钢板和施拉钢板与杆件连接的螺栓分别拆除；

(3)将安装钢板与空心圆柱的螺栓连接分别拆除；

(4)将施拉钢板与钢球的螺栓连接分别拆除；

(5)将锚杆两端的螺栓连接拆除，除去安装钢板上的高强度树脂，取出拉伸后的加锚岩体试样。

4.根据权利要求1所述的一种压拉转换加载装置及加锚岩体协同变形的测试分析方法，其特征在于，在单轴拉伸作用下加锚岩体蠕变特性的黏弹性理论分析方法，具体分析步骤如下：

(1)建立锚杆加固蠕变岩体试样的力学分析模型，进行单轴拉伸作用下锚杆与岩体协同变形的受力分析，具体方法如下：忽略岩体自重和其他应力因素的影响，只考虑单轴拉伸作用，同时假定锚杆和岩体的变形一致，加锚岩体试样的受力由锚杆和岩体共同承担，故有：

ε＝ε_r＝ε_b (1)

式中，ε和σ分别为加锚岩体试样的总应变和总应力；ε_r和ε_b分别为岩体和锚杆的应变；σ_r和σ_b分别为岩体和锚杆各自承受的应力；A、A_r和A_b分别为加锚岩体试样总横截面积、岩体横截面积和锚杆横截面积；β为锚杆横截面积与试样总横截面积的比值；

(2)考虑岩体在直接拉伸作用下的蠕变特性，建立岩体的一维蠕变力学模型，具体方法如下，选用广义Kelvin模型作为岩体的蠕变模型，其本构方程为：

式中，E₁和E₂分别为岩体的瞬时弹性模量和黏弹性模量；η为黏滞系数；

为σ_r对时间t的一阶导数；

为ε_rσ_r对时间t的一阶导数；在考虑岩体的蠕变特性时，将锚杆作用等效转化为一根大刚度弹簧，应力应变满足胡克定律，即：

σ_b＝E_bε_b (4)

式中E_b为锚杆的弹性模量；

(3)推导单轴拉伸作用下加锚岩体的黏弹性蠕变理论公式；具体方法如下：根据单轴拉伸作用下锚杆和岩体的受力情况和锚杆与岩体各自的本构方程，令试样受到的恒定总应力为σ₀，整理可得：

解得：

式中，t为蠕变时间；

q₀＝E₂；q₁＝η₁；

(4)对比分析推导的理论公式的计算结果与已进行试验得到的结果；以试验结果为参考对象进行比较分析，根据上述建立的理论模型，通过不断调整力学参数，使计算得到的协同变形曲线逐渐逼近试验所得到的协同变形曲线。

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