CN115326602A - 锚固岩体动力性能监测与评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供锚固岩体动力性能监测与评价方法，涉及岩石力学领域，将锚固岩体装载于冲击试验系统，进行高应变率冲击试验；通过对冲击试验过程中的动态应变监测，获取冲击试验过程中的试样变形与锚固构件变形数据，分别计算锚固岩体吸收总冲击能量和锚固构件吸收的冲击能量；依据锚固岩体分析指标，获取锚固岩体动力性能并评价；针对目前高应变率锚固岩体的动力性能难以获取和评价的问题，通过圆柱形岩体试样作为实际地下工程中围岩的单元体，对试样施加锚固作用后进行冲击试验，获取试验过程中及试验后的数据，依据冲击能量判断锚固岩体的动力性能。

Description

锚固岩体动力性能监测与评价方法
技术领域
本发明涉及岩石力学领域，具体涉及锚固岩体动力性能监测与评价方法。
背景技术
地下工程围岩开挖卸荷后受开挖或开采带来的动力扰动，易导致冲击地压、岩爆等围岩瞬时大变形的发生，严重影响工程安全。
地下工程中围岩既是荷载来源，又是荷载的主要承担者。主动支护结构通过对围岩施加高预应力，调动和提高围岩自承能力，与围岩组成联合体，共同抵抗地下工程中的动力扰动。研究锚固岩体的动力性能，对于地下工程围岩的稳定控制具有重要意义。
冲击试验系统能够对材料在高应变率下的动力性能进行研究，但对于高应变率锚固岩体的动力性能研究较少，对于其动力性能的监测方法和评价方法尚未完善，难以得到锚固构件与岩体之间的相互耦合作用机理。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供锚固岩体动力性能监测与评价方法，通过圆柱形岩体试样作为实际地下工程中围岩的单元体，对试样施加锚固作用后进行冲击试验，获取试验过程中及试验后的数据，依据冲击能量判断锚固岩体的动力性能。
锚固岩体动力性能监测与评价方法，采用以下方案：
包括：
沿圆柱形试样直径方向安装锚固构件，锚固构件一端配合抵接试样的弧形侧限组件，获取单侧临空状态的锚固岩体；
将锚固岩体装载于冲击试验系统，进行高应变率冲击试验；
通过对冲击试验过程中的动态应变监测，获取冲击试验过程中的试样变形与锚固构件变形数据，分别计算锚固岩体吸收总冲击能量和锚固构件吸收的冲击能量；
依据锚固岩体分析指标，获取侧限条件下锚固岩体动力性能并评估评价。
进一步地，依据现场锚固支护结构对围岩所施加应力，配置锚固构件以对试样施加相等应力。
进一步地，在锚固构件上安装动态应变传感器，锚固构件配合试样位置布置动态压力传感器。
进一步地，锚固构件一端配合弧形垫片和垫片，另一端配合弧形侧限组件，其中弧形垫片一侧贴合试样侧壁，弧形侧限组件覆盖试样轴线一侧的外圆周面，动态压力传感器位于弧形垫片与垫片之间，锚固构件两端均配合有锚固锁具。
进一步地，在试样上布置若干标记点，并在锚固构件两端布置标记点，采集冲击试验过程中的图像，监测试样和锚固岩体的变形，分析不同冲击时刻试样裂隙的发展情况、锚固构件的变形情况、试样与锚固构件之间的变形协调情况。
进一步地，冲击试验结束后，对锚固岩体的破碎形态及破碎后的粒径进行分析，得到锚固岩体的变形破坏形态；对锚固构件冲击后的变形进行分析，得到锚固构件冲击后的变形特性。
进一步地，采用霍普金森冲击试验系统沿试样轴向对锚固岩体进行冲击，通过入射杆、透射杆的动态应变监测装置，得到单侧临空状态的锚固岩体冲击过程中的应力-应变曲线，对曲线进行积分得到锚固岩体吸收的总冲击能量。
进一步地，通过安装在锚固构件上的动态压力传感器和动态应变传感器，得到锚固构件上的受力和变形，将两者所绘制的曲线进行积分，得到在冲击过程中锚固构件吸收的冲击能量。
进一步地，锚固岩体分析指标包括能量分析指标和经济性分析指标，岩体吸收冲击能量等于锚固岩体吸收的总冲击能量减去锚固构件吸收的冲击能量，锚固岩体能量分析指标包括锚固构件能量吸收率、岩体能量吸收率和锚固岩体的锚固吸能提高系数。
进一步地，通过对比无锚岩体在动力冲击下吸收的能量，建立锚固岩体的锚固吸能提高系数，锚固岩体吸能提高系数等于锚固岩体吸收的总冲击能量与无锚岩体吸收的总冲击能量比值的百分比；建立经济性评价指标，经济性评价指标为锚固岩体吸收的总冲击能量与无锚岩体吸收的总冲击能量的差值相对于锚固构件成本的比值，对比不同锚固构件参数对锚固岩体动力性能的影响，获取优选的锚固构件参数。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
（1）针对目前高应变率锚固岩体的动力性能难以获取和评价的问题，通过圆柱形岩体试样作为实际地下工程中围岩的单元体，对试样施加锚固作用后进行冲击试验，获取试验过程中及试验后的数据，依据冲击能量判断锚固岩体的动力性能。
（2）采用冲击试验系统对锚固岩体进行冲击，通过入射杆、透射杆的动态应变监测装置对整个锚固岩体的变形数据进行获取，通过安装在锚固构件上的动态压力传感器和动态应变传感器对锚固构件的变形数据进行获取建立锚固岩体能量与经济性分析指标，分析岩体与锚固构件的能量耗散情况，优选锚固构件参数为实际支护提供模拟数据支撑。
（3）在冲击时收到弧形侧限组件的约束作用，所覆盖的半个圆周面保持稳定，未覆盖的半个圆周面处于临空状态，试样在动力冲击过程中在临空面发生强烈的瞬时大变形，模拟地下工程岩爆与冲击地压现象。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1中锚固岩体的结构示意图。
图2为本发明实施例1中锚固构件穿过试样的示意图。
图3为本发明实施例1中对锚固岩体进行冲击试验的示意图。
图中，1岩体，2锚固构件，3动态应变传感器，4钻孔，5弧形垫片，6动态压力传感器，7垫片，8锚固锁具，9挡板，10摄像采集装置，11发射装置，12子弹，13入射杆，14锚固岩体，15缓冲装置，16透射杆，17动态应变监测装置，18侧限组件。
具体实施方式
实施例1
本发明的一个典型实施例中，如图1-图3所示，给出一种锚固岩体动力性能监测与评价方法。
如图3所示锚固岩体动力性能监测与评价方法，通过圆柱形岩体1试样作为实际地下工程中围岩的单元体，对试样施加锚固作用后进行冲击试验，获取试验过程中及试验后的数据，依据冲击能量判断锚固岩体14的动力性能。
锚固岩体动力性能监测与评价方法包括：
沿圆柱形岩体1试样直径方向安装锚固构件2，锚固构件2一端配合抵接试样的弧形侧限组件18，获取单侧临空状态的锚固岩体14；
将锚固岩体14装载于冲击试验系统，进行高应变率冲击试验；
通过对冲击试验过程中的动态应变监测，获取冲击试验过程中的试样变形与锚固构件2变形数据，分别计算锚固岩体14吸收总冲击能量和锚固构件2吸收的冲击能量；
依据锚固岩体14分析指标，获取侧限条件下锚固岩体14动力性能并评价。
结合图1-图3，利用圆柱形岩体1、锚固构件2、弧形垫片5、动态压力传感器6、动态应变传感器3、普通垫片7、锚固锁具8和冲击试验系统，锚固岩体动力性能监测与评价方法包括以下步骤：
(1) 从工程现场进行岩体取样，打磨成圆柱形岩体1，以现场锚固支护结构对围岩施加的应力为依据，按照试验锚固构件2能够对圆柱形岩体1施加大小相等的应力，对锚固构件2的直径进行设计和加工。
(2) 在加工好的锚固构件2上安装动态应变传感器3，然后对圆柱形岩体1试样曲面中部沿圆柱形岩体1直径方向进行钻孔4，将锚固构件2通过钻孔4安装到圆柱形岩体1中，在锚固构件2一端依次安装弧形垫片5、动态压力传感器6、普通垫片7以及锚固锁具8；在锚固构件2另一端依次安装弧形侧限组件18和锚固锁具8并采用端锚、全长锚固等方式进行锚固。
(3) 采用透明挡板9将圆柱形岩体1围护起来，防止冲击时圆柱形岩体1发生飞溅，在圆柱形岩体1试样的一侧放置高速摄像采集装置10，通过高速摄像技术对圆柱形岩体1与锚固构件2的变形进行监测。
(4) 冲击结束后，对锚固岩体14的破碎形态及其破碎后的粒径进行分析，得到锚固岩体14的变形破坏形态，同时对锚固构件2冲击后的变形进行分析，得到锚固构件2冲击后的变形特性。通过数字散斑技术对锚固岩体14各个时段的裂缝数量与裂缝长度进行统计，分析锚固构件2对岩体裂缝的约束效应。
(5) 采用冲击试验系统对锚固岩体14进行冲击，通过入射杆13、透射杆16的动态应变监测装置17，得到圆柱形岩体1试样冲击过程中的应力-应变曲线，对曲线进行积分得到锚固岩体14吸收的总冲击能量E T ；通过安装在锚固构件2上的动态压力传感器6和动态应变传感器3，得到锚固构件2上的受力和变形，将两者所绘制的曲线进行积分，得到在冲击过程中锚固构件2吸收的冲击能量E A ，建立锚固岩体14能量分析指标，分析圆柱形岩体1与锚固构件2的能量耗散情况。
圆柱形岩体1直径等于或略小于冲击试验系统入射杆13与透射杆16的直径，试样长径比在1:0.5~1:1范围内，除了采用现场岩体外，试样可通过混凝土砂浆制作；当采用方形等其他形状的入射杆13和透射杆16时，岩体试样或混凝土砂浆试样的形状可换为与入射杆13和透射杆16一致的形状。
可采用现场锚杆或其相似材料制作，依据其锚固构件2直径和几何相似对钻孔4直径进行设计，所述的动态应变传感器3置于锚固构件2上，用于监测锚固构件2的应变。
弧形垫片5用于贴合圆柱形岩体1的柱面，使锚固锁具8能够夹紧圆柱形岩体1试样，动态压力传感器在普通垫片7和弧形垫片5之间，用于夹紧动态压力传感器6。
本实施例中，侧限组件18为配合锚固构件2一端的垫块，且设有贴合圆柱形岩体1试样外周壁的贴合面，若采用圆柱形岩体试样1，则贴合面呈半个圆周面，覆盖圆柱形岩体1试样轴线一侧的外圆周面；若采用方形试样，则贴合面呈凹形面，覆盖圆柱形岩体1试样轴线一侧的外周面，且未覆盖侧的圆柱形岩体1试样部分与覆盖侧的圆柱形岩体1试样相对于轴线对称分布。
需要指出的是，以圆柱形岩体1试样为例，在冲击时收到弧形侧限组件18的约束作用，所覆盖的半个圆周面保持稳定，未覆盖的半个圆周面处于临空状态，试样在动力冲击过程中在临空面发生强烈的瞬时大变形，模拟地下工程岩爆与冲击地压现象。
利用高速摄像技术进行变形监测，在圆柱形岩体1上布置若干标记点，并在锚固构件2两端布置标记点，用于通过高速摄像技术进行两者的变形监测，分析不同冲击时刻圆柱形岩体1裂隙的发展情况、锚固构件2的变形情况，圆柱形岩体1与锚固构件2之间的变形协调情况。
如图3所示，采用冲击试验系统通过发射装置11使子弹12高速冲击入射杆13，由入射杆13传导应力波，对锚固岩体14进行冲击，由缓冲装置15吸收透射杆16的冲击能量。
根据入射杆13与透射杆16上的应变监测数据得到入射波应变ε i 、透射波应变ε t 、反射波应变ε r 。通过三波法对入射波、透射波、反射波的应变进行分析，得到锚固岩体14的动态应变ε T 与应力σ T ，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 344708DEST_PATH_IMAGE002
式中，c 0 为应力波波速，L为试样长度，t为冲击时间，E 0 为入射杆13与透射杆16弹性模量，A 0 与A分别为入射杆13与试样的截面面积。通过对锚固岩体14的动态应力与应变进行积分，得到锚固岩体2吸收的总冲击能量E T ：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
通过对锚固构件2上的荷载F A 与应变ε A 进行积分，得到锚固构件2吸收的冲击能量E A ：
Figure 465110DEST_PATH_IMAGE004
式中，A a 为锚固构件2的截面面积。
圆柱形岩体1吸收冲击能量E R 等于锚固岩体14吸收的总冲击能量E T 减去锚固构件2吸收的冲击能量E A ：
E R =E T -E A
锚固构件2能量吸收率α等于锚固构件2吸收的冲击能量E A 与锚固岩体14吸收的总冲击能量E T 比值的百分比；圆柱形岩体1能量吸收率β等于圆柱形岩体1吸收冲击能量E R 与锚固岩体14吸收的总冲击能量E T 比值的百分比。
α=E A /E T ×100%
β=E R /E T ×100%
通过对比无锚岩体在动力冲击下吸收的能量E R ，建立锚固岩体14的锚固吸能提高系数γ，锚固岩体14吸能提高系数γ等于锚固岩体14吸收的总冲击能量E T 与无锚岩体吸收的总冲击能量E R 比值的百分比。
γ=E R /E T ×100%
根据上述指标，对锚固构件2的强度、延伸率、直径以及预应力等参数进行综合评价，得到适用于潜在动力扰动的地下工程锚固构件2参数。同时建立经济性指标η：
η=(E T -E R )/C
式中，锚固岩体14中锚固构件2材料的成本C。
通过经济性指标η，分析相同成本下不同锚固构件2参数对锚固岩体14吸能性能的影响，得到经济合理的锚固构件2参数。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.锚固岩体动力性能监测与评价方法，其特征在于，包括：
沿圆柱形试样直径方向安装锚固构件，锚固构件一端配合抵接试样的弧形侧限组件，获取单侧临空状态的锚固岩体；
将锚固岩体装载于冲击试验系统，进行高应变率冲击试验；
通过对冲击试验过程中的动态应变监测，获取冲击试验过程中的试样变形与锚固构件变形数据，分别计算锚固岩体吸收总冲击能量和锚固构件吸收的冲击能量；
依据锚固岩体分析指标，获取侧限条件下锚固岩体动力性能并评价。
2.如权利要求1所述的锚固岩体动力性能监测与评价方法，其特征在于，依据现场锚固支护结构对围岩所施加应力，配置锚固构件以对试样施加相等应力。
3.如权利要求1所述的锚固岩体动力性能监测与评价方法，其特征在于，在锚固构件上安装动态应变传感器，锚固构件配合试样位置布置动态压力传感器。
4.如权利要求3所述的锚固岩体动力性能监测与评价方法，其特征在于，锚固构件一端配合弧形垫片和垫片，另一端配合弧形侧限组件，其中弧形垫片一侧贴合试样侧壁，弧形侧限组件覆盖试样轴线一侧的外圆周面，动态压力传感器位于弧形垫片与垫片之间，锚固构件两端均配合有锚固锁具。
5.如权利要求1所述的锚固岩体动力性能监测与评价方法，其特征在于，在试样上布置若干标记点，并在锚固构件两端布置标记点，采集冲击试验过程中的图像，监测试样和锚固岩体的变形，分析不同冲击时刻试样裂隙的发展情况、锚固构件的变形情况、试样与锚固构件之间的变形协调情况。
6.如权利要求1所述的锚固岩体动力性能监测与评价方法，其特征在于，冲击试验结束后，对锚固岩体的破碎形态及破碎后的粒径进行分析，得到锚固岩体的变形破坏形态；对锚固构件冲击后的变形进行分析，得到锚固构件冲击后的变形特性。
7.如权利要求1所述的锚固岩体动力性能监测与评价方法，其特征在于，采用霍普金森冲击试验系统沿试样轴向对锚固岩体进行冲击，通过入射杆、透射杆的动态应变监测装置，得到单侧临空状态的锚固岩体冲击过程中的应力-应变曲线，对曲线进行积分得到锚固岩体吸收的总冲击能量。
8.如权利要求7所述的锚固岩体动力性能监测与评价方法，其特征在于，通过安装在锚固构件上的动态压力传感器和动态应变传感器，得到锚固构件上的受力和变形，将两者所绘制的曲线进行积分，得到在冲击过程中锚固构件吸收的冲击能量。
9.如权利要求1所述的锚固岩体动力性能监测与评价方法，其特征在于，锚固岩体分析指标包括能量分析指标和经济性分析指标，岩体吸收冲击能量等于锚固岩体吸收的总冲击能量减去锚固构件吸收的冲击能量，锚固岩体能量分析指标包括锚固构件能量吸收率、岩体能量吸收率和锚固岩体的锚固吸能提高系数。
10.如权利要求9所述的锚固岩体动力性能监测与评价方法，其特征在于，通过对比无锚岩体在动力冲击下吸收的能量，建立锚固岩体的锚固吸能提高系数，锚固岩体吸能提高系数等于锚固岩体吸收的总冲击能量与无锚岩体吸收的总冲击能量比值的百分比；建立经济性评价指标，经济性评价指标为锚固岩体吸收的总冲击能量与无锚岩体吸收的总冲击能量的差值相对于锚固构件成本的比值，对比不同锚固构件参数对锚固岩体动力性能的影响，获取优选的锚固构件参数。
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