專利名稱：錨固系統(tǒng)工作機(jī)制二維試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種錨固系統(tǒng)工作機(jī)制二維試驗(yàn)方法，屬巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，該方法可用于巖土工程中全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿及相應(yīng)錨固系統(tǒng)力學(xué)行為和工作機(jī)制的試驗(yàn)研究中。
背景技術(shù)：
錨桿是巖土工程中應(yīng)用最廣泛的支護(hù)加固方式，而全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿則是應(yīng)用最多的錨桿類型。被加固的巖土體稱為錨固體，錨桿和錨固體之間通過(guò)錨固劑或粘結(jié)劑膠結(jié)在一起。雖然這種類型錨桿應(yīng)用非常廣泛，但相應(yīng)錨固系統(tǒng)工作機(jī)制的揭示一直是該領(lǐng)域的一個(gè)研究難題。錨桿拉拔試驗(yàn)是該問(wèn)題研究中的主要試驗(yàn)方法，至今仍被廣泛采用。傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法通常將整個(gè)試樣置于一個(gè)密閉的試樣室中，錨桿通過(guò)錨固劑安裝在錨固體鉆孔中，僅錨桿試驗(yàn)夾持部分外露。此時(shí)，錨桿安裝于鉆孔中，處于密閉狀態(tài)，無(wú)法直接觀察到拉拔過(guò)程中錨固劑、錨固體變形破裂的發(fā)育發(fā)展過(guò)程以及錨桿的變形過(guò)程，且由于鉆孔中錨 桿與錨固劑交界面、錨固劑與錨固體交界面為圓弧面，且非常小，精確監(jiān)測(cè)非常困難，因此，這兩個(gè)交界面力學(xué)行為的認(rèn)識(shí)和數(shù)學(xué)力學(xué)描述一直難以深入系統(tǒng)研究。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述存在問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種錨固系統(tǒng)工作機(jī)制二維試驗(yàn)方法，所述二維試驗(yàn)方法按以下步驟進(jìn)行a制作尺寸相等的兩塊板形試塊，按設(shè)定的板形錨桿厚度和錨固劑形成粘結(jié)層厚度，確定兩塊板形試塊之間的間距，在兩塊板形試樣內(nèi)表面上對(duì)應(yīng)粘帖應(yīng)變片，按錨固長(zhǎng)度LI固定好板形錨桿在兩塊板形試塊之間的位置，在板形錨桿和板形試塊之間的空隙內(nèi)充填錨固劑，板形錨桿兩側(cè)的錨固劑形成粘結(jié)層厚度相等，均為4 8mm，制作成由板形試塊、板形錨桿和錨固劑粘結(jié)而成的板形疊合體試樣；b將板形疊合體試樣放置于試驗(yàn)機(jī)的試樣室內(nèi)，設(shè)定水平和垂直荷載級(jí)別,先對(duì)試樣室加載板施加垂直方向荷載，并讀取荷載和位移數(shù)據(jù)，再施加水平方向荷載，并讀取荷載和位移數(shù)據(jù)；c將處于水平荷載和垂直荷載狀態(tài)下板形疊合體試樣的錨桿外伸端連接到拉拔加載機(jī)，施加拉拔荷載，并對(duì)拉拔過(guò)程全程攝像，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。所述板形試塊的厚度、高度和長(zhǎng)度比例為I : 4 10，板形試塊可為巖石或人工材料。所述的板形錨桿為長(zhǎng)方體，板形錨桿的寬度與板形試塊厚度相同，板形錨桿的寬度與厚度之比為2. 5 1，板形錨桿為金屬材料中的一種。所述錨固劑的類型為水泥或樹(shù)脂中的一種。由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明錨固系統(tǒng)工作機(jī)制二維試驗(yàn)方法改變了傳統(tǒng)錨固系統(tǒng)工作機(jī)制的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)方法采用板形錨桿和板形試塊，通過(guò)板形錨桿和板形試塊形狀及結(jié)構(gòu)形式的改變，使得傳統(tǒng)的錨桿與粘結(jié)層、粘結(jié)層與錨固體之間的圓弧形接觸面變?yōu)槠矫?，將傳統(tǒng)的采用圓柱形錨桿和正方形錨固體的三維試驗(yàn)方法轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎冒逍五^桿和板形錨固體的二維試驗(yàn)方法，使得應(yīng)變片等監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝更加容易，并通過(guò)兩塊板形試塊之間的間隙全過(guò)程直接實(shí)時(shí)記錄和拍攝試驗(yàn)過(guò)程中錨桿、錨固劑和試塊的響應(yīng)，克服了傳統(tǒng)密閉試驗(yàn)方法無(wú)法直接觀察試驗(yàn)過(guò)程的缺陷。


圖I是本發(fā)明的試驗(yàn)布置方案示意2是本發(fā)明試驗(yàn)方法中板形試塊形狀的示意3是本發(fā)明試驗(yàn)方法中板形錨桿形狀的示意圖
圖4是實(shí)施例I監(jiān)測(cè)得到的板形錨桿拉拔力與位移的關(guān)系曲線圖5是實(shí)施例I監(jiān)測(cè)得到的板形錨桿軸力沿桿長(zhǎng)的分布曲線圖6是實(shí)施例I監(jiān)測(cè)得到的板形錨桿與錨固劑交界面剪應(yīng)力分布曲線圖7是實(shí)施例2監(jiān)測(cè)得到的板形錨桿拉拔力與位移的關(guān)系曲線圖8是實(shí)施例2監(jiān)測(cè)得到的板形錨桿軸力沿桿長(zhǎng)的分布曲線圖9是實(shí)施例2監(jiān)測(cè)得到的板形錨桿與錨固劑交界面剪應(yīng)力分布曲線圖10是實(shí)施例2監(jiān)測(cè)得到的板形錨桿拉拔力與位移的關(guān)系曲線圖11是實(shí)施例2監(jiān)測(cè)得到的板形錨桿軸力沿桿長(zhǎng)的分布曲線圖12是實(shí)施例2監(jiān)測(cè)得到的板形錨桿與錨固劑交界面剪應(yīng)力分布曲線
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I本實(shí)施例對(duì)本發(fā)明錨固系統(tǒng)工作機(jī)制二維試驗(yàn)方法作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。(一 )試驗(yàn)材料的選擇試驗(yàn)材料包括用于制作板形試塊I、錨固劑3和板形錨桿2的材料，材料的選擇主要取決于試驗(yàn)?zāi)康暮退贫ǖ脑囼?yàn)方案，在本實(shí)施例中，板形試塊I的材料為混凝土，錨固劑3的材料為水泥，板形錨桿2的材料為銅；( 二)板形疊合體試樣制作a在模具內(nèi)制作厚5cm、高20cm、長(zhǎng)50cm的混凝土板形試塊I ;b加工寬5cm、厚20mm的銅質(zhì)板形錨桿2，錨固長(zhǎng)度LI為32cm，外伸長(zhǎng)度L2為50cm，錨桿長(zhǎng)度為錨固長(zhǎng)度LI和外伸長(zhǎng)度L2之和，為82cm ；c在板形疊合體試樣制作模具內(nèi)放置兩個(gè)板形試塊I、板形錨桿2，保證板形錨桿2與兩個(gè)板形試塊I之間的間隙大小相等，分別固定兩個(gè)板形試塊I、板形錨桿2，在兩個(gè)板形試塊I內(nèi)表面上對(duì)應(yīng)粘貼應(yīng)變片；d在板形試塊I和板形錨桿2之間的間隙內(nèi)充填錨固劑3，在板形錨桿2單側(cè)的厚度為4mm,錨固劑3總厚度為8mm,板形錨桿厚度為20mm,因此,兩個(gè)板形試塊I之間的間隙為 28mm ；e完成板形疊合體試樣制作。(三)施加初始荷載a將制作好的板形疊合體試樣放置在試驗(yàn)機(jī)的試樣室內(nèi)，在試樣與加載板5、6以及固定板4、10接觸的位置涂抹凡士林，起到潤(rùn)滑作用，降低試樣加載變形后與加載板5、6和固定板4、10之間的摩擦作用,避免影響試樣的應(yīng)力分布；b試樣安裝好后，首先施加IkN的垂直荷載，使得加載板6、固定板4與試樣緊密接觸，然后在左側(cè)施加IkN的水平荷載，使得加載板5、固定板10和試樣緊密接觸，保證加載過(guò)程中試樣的穩(wěn)定和施加荷載在試樣表面分布均勻；c進(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)備校訂和初始化；d按5kN/分鐘的速率施加20kN的垂直荷載6和20kN的水平荷載7至設(shè)定荷載；(四)錨桿拉拔試驗(yàn) 按5kN/分鐘的速率施加拉拔荷載8，并對(duì)板形錨桿2的錨固段LI全程攝像，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄數(shù)據(jù)，在板形錨桿2被拉斷或板形錨桿2與板形試塊I之間錨固劑3破壞失效
后停止試驗(yàn)。(五)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖4 6為本實(shí)施例試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析所得的曲線，圖4是板形錨桿拉拔加載過(guò)程中拉拔力與位移的關(guān)系曲線，可見(jiàn)，隨著拉拔力的逐漸增大，錨桿端部位移也近似線性增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)到一定數(shù)值后錨固體發(fā)生拉拔破壞，拉拔力迅速下降；圖5給出了板形錨桿錨固段軸向應(yīng)力沿桿長(zhǎng)的分布曲線，可見(jiàn)，在拉拔荷載作用下，錨桿最大軸力發(fā)生在錨固段的外端頭，由此向內(nèi)錨桿軸力迅速降低，可據(jù)此分析錨桿破壞的位置；圖6給出了板形錨桿與錨固劑交界面上剪應(yīng)力沿桿長(zhǎng)的分布曲線，可見(jiàn)，界面剪應(yīng)力與錨桿軸力分布規(guī)律不同，在錨固段外端頭最小，向內(nèi)迅速增大至峰值，之后迅速降低，可據(jù)此分析界面破裂發(fā)育的位置和擴(kuò)展情況。結(jié)合試驗(yàn)曲線和試樣破壞過(guò)程分析可深入了解錨固系統(tǒng)的工作機(jī)制。實(shí)施例2(一 )試驗(yàn)材料的選擇試驗(yàn)材料包括用于制作板形試塊I、錨固劑3和板形錨桿2的材料，材料的選擇主要取決于試驗(yàn)?zāi)康暮退贫ǖ脑囼?yàn)方案，在本實(shí)施例中，板形試塊I的材料為大理巖，錨固劑3的材料為水泥，板形錨桿2的材料為鋼材；( 二)板形疊合體試樣制作a切割打磨制作厚5cm、高20cm、長(zhǎng)50cm的大理巖板形試塊I ;b加工寬5cm、厚20mm的鋼質(zhì)板形錨桿2，錨固長(zhǎng)度LI為32cm，外伸長(zhǎng)度L2為50cm，錨桿長(zhǎng)度為錨固長(zhǎng)度LI和外伸長(zhǎng)度L2之和，為82cm ；c在板形疊合體試樣制作模具內(nèi)放置兩個(gè)板形試塊I、板形錨桿2，保證板形錨桿2與兩個(gè)板形試塊I之間的間隙大小相等，分別固定兩個(gè)板形試塊I、板形錨桿2，在兩個(gè)板形試塊I內(nèi)表面上對(duì)應(yīng)粘貼應(yīng)變片；d在板形試塊I和板形錨桿2之間的間隙內(nèi)充填錨固劑3，在板形錨桿2單側(cè)的厚度為8mm,錨固劑3總厚度為16mm,板形錨桿厚度為20mm,因此,兩個(gè)板形試塊I之間的間隙為 36mm ；e完成板形疊合體試樣制作。(三)施加初始荷載a將制作好的板形疊合體試樣放置在試驗(yàn)機(jī)的試樣室內(nèi)，在試樣與加載板5、6以及固定板4、10接觸的位置涂抹凡士林，起到潤(rùn)滑作用，降低試樣加載變形后與加載板5、6和固定板4、10之間的摩擦作用,避免影響試樣的應(yīng)力分布；b試樣安裝好后，首先施加IkN的垂直荷載，使得加載板6、固定板4與試樣緊密接觸，然后在左側(cè)施加IkN的水平荷載，使得加載板5、固定板10和試樣緊密接觸，保證加載過(guò)程中試樣的穩(wěn)定和施加荷載在試樣表面分布均勻；c進(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)備校訂和初始化；d按5kN/分鐘的速率施加20kN的垂直荷載6和20kN的水平荷載7至設(shè)定荷載；(四)錨桿拉拔試驗(yàn)按5kN/分鐘的速率施加拉拔荷載8，并對(duì)板形錨桿2的錨固段LI全程攝像，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄數(shù)據(jù)，在板形錨桿2被拉斷或板形錨桿2與板形試塊I之間錨固劑3破壞失效
后停止試驗(yàn)。 (五)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖7 9為本實(shí)施例試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析所得的曲線，圖7是板形錨桿拉拔加載過(guò)程中拉拔力與位移的關(guān)系曲線，可見(jiàn)，隨著拉拔力的逐漸增大，錨桿端部位移也近似線性增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)到一定數(shù)值后錨固體發(fā)生拉拔破壞，拉拔力迅速下降；圖8給出了板形錨桿錨固段軸向應(yīng)力沿桿長(zhǎng)的分布曲線，可見(jiàn)，在拉拔荷載作用下，錨桿最大軸力發(fā)生在錨固段的外端頭，由此向內(nèi)錨桿軸力迅速降低，可據(jù)此分析錨桿破壞的位置；圖9給出了板形錨桿與錨固劑交界面上剪應(yīng)力沿桿長(zhǎng)的分布曲線，可見(jiàn)，界面剪應(yīng)力與錨桿軸力分布規(guī)律不同，在錨固段外端頭最小，向內(nèi)迅速增大至峰值，之后迅速降低，可據(jù)此分析界面破裂發(fā)育的位置和擴(kuò)展情況。結(jié)合試驗(yàn)曲線和試樣破壞過(guò)程分析可深入了解錨固系統(tǒng)的工作機(jī)制。實(shí)施例3(一)試驗(yàn)材料的選擇試驗(yàn)材料包括用于制作板形試塊I、錨固劑3和板形錨桿2的材料，材料的選擇主要取決于試驗(yàn)?zāi)康暮退贫ǖ脑囼?yàn)方案，在本實(shí)施例中，板形試塊I的材料為石膏，錨固劑3的材料為樹(shù)脂,板形錨桿2的材料為鋁材；( 二)板形疊合體試樣制作a切割打磨制作厚5cm、高20cm、長(zhǎng)50cm的石膏板形試塊I ;b加工寬5cm、厚20mm的鋁質(zhì)板形錨桿2，錨固長(zhǎng)度LI為32cm，外伸長(zhǎng)度L2為50cm，錨桿長(zhǎng)度為錨固長(zhǎng)度LI和外伸長(zhǎng)度L2之和，為82cm ；c在板形疊合體試樣制作模具內(nèi)放置兩個(gè)板形試塊I、板形錨桿2，保證板形錨桿2與兩個(gè)板形試塊I之間的間隙大小相等，分別固定兩個(gè)板形試塊I、板形錨桿2，在兩個(gè)板形試塊I內(nèi)表面上對(duì)應(yīng)粘貼應(yīng)變片；d在板形試塊I和板形錨桿2之間的間隙內(nèi)充填錨固劑3，在板形錨桿2單側(cè)的厚度為6mm,錨固劑3總厚度為12mm,板形錨桿厚度為20mm,因此,兩個(gè)板形試塊I之間的間隙為 32mm ；e完成板形疊合體試樣制作。(三)施加初始荷載a將制作好的板形疊合體試樣放置在試驗(yàn)機(jī)的試樣室內(nèi)，在試樣與加載板5、6以及固定板4、10接觸的位置涂抹凡士林，起到潤(rùn)滑作用，降低試樣加載變形后與加載板5、6和固定板4、10之間的摩擦作用,避免影響試樣的應(yīng)力分布；
b試樣安裝好后，首先施加IkN的垂直荷載，使得加載板6、固定板4與試樣緊密接觸，然后在左側(cè)施加IkN的水平荷載，使得加載板5、固定板10和試樣緊密接觸，保證加載過(guò)程中試樣的穩(wěn)定和施加荷載在試樣表面分布均勻；c進(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)備校訂和初始化；d按2kN/分鐘的速率施加IOkN的垂直荷載6和IOkN的水平荷載7至設(shè)定荷載；(四)錨桿拉拔試驗(yàn)按2kN/分鐘的速率施加拉拔荷載8，并對(duì)板形錨桿2的錨固段LI全程攝像，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄數(shù)據(jù)，在板形錨桿2被拉斷或板形錨桿2與板形試塊I之間錨固劑3破壞失效
后停止試驗(yàn)。
(五)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖7 9為本實(shí)施例試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析所得的曲線，圖7是板形錨桿拉拔加載過(guò)程中拉拔力與位移的關(guān)系曲線，可見(jiàn)，隨著拉拔力的逐漸增大，錨桿端部位移也近似線性增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)到一定數(shù)值后錨固體發(fā)生拉拔破壞，拉拔力迅速下降；圖8給出了板形錨桿錨固段軸向應(yīng)力沿桿長(zhǎng)的分布曲線，可見(jiàn)，在拉拔荷載作用下，錨桿最大軸力發(fā)生在錨固段的外端頭，由此向內(nèi)錨桿軸力迅速降低，可據(jù)此分析錨桿破壞的位置；圖9給出了板形錨桿與錨固劑交界面上剪應(yīng)力沿桿長(zhǎng)的分布曲線，可見(jiàn)，界面剪應(yīng)力與錨桿軸力分布規(guī)律不同，在錨固段外端頭最小，向內(nèi)迅速增大至峰值，之后迅速降低，可據(jù)此分析界面破裂發(fā)育的位置和擴(kuò)展情況。結(jié)合試驗(yàn)曲線和試樣破壞過(guò)程分析可深入了解錨固系統(tǒng)的工作機(jī)制。
權(quán)利要求
1.錨固系統(tǒng)工作機(jī)制二維試驗(yàn)方法，其特征在于所述錨固系統(tǒng)工作機(jī)制二維試驗(yàn)方法按以下步驟進(jìn)行 a制作尺寸相等的兩塊板形試塊(I)，按設(shè)定的板形錨桿(2)厚度和錨固劑(3)形成粘結(jié)層厚度，確定兩塊板形試塊(I)之間的間距，在兩塊板形試樣(I)內(nèi)表面上對(duì)應(yīng)粘帖應(yīng)變片，按錨固長(zhǎng)度LI固定好板形錨桿(2)在兩塊板形試塊(I)之間的位置，在板形錨桿(2)和板形試塊(I)之間的空隙內(nèi)充填錨固劑(3)，板形錨桿(2)兩側(cè)的錨固劑(3)形成粘結(jié)層厚度相等，均為4 8mm，制作成由板形試塊(I)、板形錨桿(2)和錨固劑(3)粘結(jié)而成的板形疊合體試樣； b將板形疊合體試樣放置于試驗(yàn)機(jī)的試樣室內(nèi)，設(shè)定水平和垂直荷載級(jí)別，先對(duì)試樣室加載板施加垂直方向荷載(7)，并讀取荷載和位移數(shù)據(jù)，再施加水平方向荷載(8)，并讀取荷載和位移數(shù)據(jù)； c將處于水平荷載和垂直荷載狀態(tài)下板形疊合體試樣的錨桿外伸端連接到拉拔加載機(jī)，施加拉拔荷載(9)，并對(duì)拉拔過(guò)程全程攝像，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的錨固系統(tǒng)工作機(jī)制二維試驗(yàn)方法，其特征在于所述板形試塊(I)的厚度、高度和長(zhǎng)度比例為1:4: 10，板形試塊(I)可為巖石或人工材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的錨固系統(tǒng)工作機(jī)制二維試驗(yàn)方法，其特征在于所述的板形錨桿(2)為長(zhǎng)方體，板形錨桿(2)的寬度與板形試塊(I)厚度相同，板形錨桿(2)的寬度與厚度之比為2. 5 1，板形錨桿(2)為金屬材料中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的錨固系統(tǒng)工作機(jī)制二維試驗(yàn)方法，其特征在于所述錨固劑(3)的類型為水泥或樹(shù)脂中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種錨固系統(tǒng)工作機(jī)制二維試驗(yàn)方法，屬巖土工程技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用板形錨桿(2)，將板形試塊(1)和板形錨桿(2)通過(guò)錨固劑(3)粘結(jié)在一起，制作成板形疊合體試樣，對(duì)板形疊合體試樣施加一定初始荷載后進(jìn)行錨桿拉拔試驗(yàn)，在此過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄觀察錨固劑(3)和板形試塊(1)的變形破裂情況、板形錨桿(2)的變形和軸力分布，實(shí)現(xiàn)了錨固系統(tǒng)工作過(guò)程的直接觀察和實(shí)時(shí)跟蹤。本發(fā)明對(duì)于研究錨固系統(tǒng)工作機(jī)制具有重要的意義。
文檔編號(hào)E02D33/00GK102776900SQ20121019242
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者盧景景, 周輝, 張傳慶, 徐榮超, 楊凡杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所