專利名稱：錨固系統(tǒng)工作機制二維試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種錨固系統(tǒng)工作機制二維試驗方法，屬巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，該方法可用于巖土工程中全長粘結(jié)型錨桿及相應錨固系統(tǒng)力學行為和工作機制的試驗研究中。
背景技術(shù)：
錨桿是巖土工程中應用最廣泛的支護加固方式，而全長粘結(jié)型錨桿則是應用最多的錨桿類型。被加固的巖土體稱為錨固體，錨桿和錨固體之間通過錨固劑或粘結(jié)劑膠結(jié)在一起。雖然這種類型錨桿應用非常廣泛，但相應錨固系統(tǒng)工作機制的揭示一直是該領(lǐng)域的一個研究難題。錨桿拉拔試驗是該問題研究中的主要試驗方法，至今仍被廣泛采用。傳統(tǒng)的試驗方法通常將整個試樣置于一個密閉的試樣室中，錨桿通過錨固劑安裝在錨固體鉆孔中，僅錨桿試驗夾持部分外露。此時，錨桿安裝于鉆孔中，處于密閉狀態(tài)，無法直接觀察到拉拔過程中錨固劑、錨固體變形破裂的發(fā)育發(fā)展過程以及錨桿的變形過程，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)測非常困難，因此，這兩個交界面力學行為的認識和數(shù)學力學描述一直難以深入系統(tǒng)研究。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在問題，本發(fā)明的目的在于提供一種錨固系統(tǒng)工作機制二維試驗方法，所述二維試驗方法按以下步驟進行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)表面上對應粘帖應變片，按錨固長度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機的試樣室內(nèi)，設(shè)定水平和垂直荷載級別,先對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，施加拉拔荷載，并對拉拔過程全程攝像，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)工作機制二維試驗方法改變了傳統(tǒng)錨固系統(tǒng)工作機制的試驗方法，試驗方法采用板形錨桿和板形試塊，通過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方法轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎冒逍五^桿和板形錨固體的二維試驗方法，使得應變片等監(jiān)測設(shè)備的安裝更加容易，并通過兩塊板形試塊之間的間隙全過程直接實時記錄和拍攝試驗過程中錨桿、錨固劑和試塊的響應，克服了傳統(tǒng)密閉試驗方法無法直接觀察試驗過程的缺陷。
圖I是本發(fā)明的試驗布置方案示意2是本發(fā)明試驗方法中板形試塊形狀的示意3是本發(fā)明試驗方法中板形錨桿形狀的示意圖
圖4是實施例I監(jiān)測得到的板形錨桿拉拔力與位移的關(guān)系曲線圖5是實施例I監(jiān)測得到的板形錨桿軸力沿桿長的分布曲線圖6是實施例I監(jiān)測得到的板形錨桿與錨固劑交界面剪應力分布曲線圖7是實施例2監(jiān)測得到的板形錨桿拉拔力與位移的關(guān)系曲線圖8是實施例2監(jiān)測得到的板形錨桿軸力沿桿長的分布曲線圖9是實施例2監(jiān)測得到的板形錨桿與錨固劑交界面剪應力分布曲線圖10是實施例2監(jiān)測得到的板形錨桿拉拔力與位移的關(guān)系曲線圖11是實施例2監(jiān)測得到的板形錨桿軸力沿桿長的分布曲線圖12是實施例2監(jiān)測得到的板形錨桿與錨固劑交界面剪應力分布曲線
具體實施例方式實施例I本實施例對本發(fā)明錨固系統(tǒng)工作機制二維試驗方法作進一步詳細地描述。(一 )試驗材料的選擇試驗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目的和所制定的試驗方案，在本實施例中，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，錨固長度LI為32cm，外伸長度L2為50cm，錨桿長度為錨固長度LI和外伸長度L2之和，為82cm ；c在板形疊合體試樣制作模具內(nèi)放置兩個板形試塊I、板形錨桿2，保證板形錨桿2與兩個板形試塊I之間的間隙大小相等，分別固定兩個板形試塊I、板形錨桿2，在兩個板形試塊I內(nèi)表面上對應粘貼應變片；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機的試樣室內(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，保證加載過程中試樣的穩(wěn)定和施加荷載在試樣表面分布均勻；c進行監(jiān)測設(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 按5kN/分鐘的速率施加拉拔荷載8，并對板形錨桿2的錨固段LI全程攝像，實時監(jiān)測并記錄數(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。(五)試驗數(shù)據(jù)分析圖4 6為本實施例試驗數(shù)據(jù)分析所得的曲線，圖4是板形錨桿拉拔加載過程中拉拔力與位移的關(guān)系曲線，可見，隨著拉拔力的逐漸增大，錨桿端部位移也近似線性增長，但增長到一定數(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力沿桿長的分布曲線，可見，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力沿桿長的分布曲線，可見，界面剪應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)育的位置和擴展情況。結(jié)合試驗曲線和試樣破壞過程分析可深入了解錨固系統(tǒng)的工作機制。實施例2(一 )試驗材料的選擇試驗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目的和所制定的試驗方案，在本實施例中，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，錨固長度LI為32cm，外伸長度L2為50cm，錨桿長度為錨固長度LI和外伸長度L2之和，為82cm ；c在板形疊合體試樣制作模具內(nèi)放置兩個板形試塊I、板形錨桿2，保證板形錨桿2與兩個板形試塊I之間的間隙大小相等，分別固定兩個板形試塊I、板形錨桿2，在兩個板形試塊I內(nèi)表面上對應粘貼應變片；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機的試樣室內(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，保證加載過程中試樣的穩(wěn)定和施加荷載在試樣表面分布均勻；c進行監(jiān)測設(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)錨桿拉拔試驗按5kN/分鐘的速率施加拉拔荷載8，并對板形錨桿2的錨固段LI全程攝像，實時監(jiān)測并記錄數(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。 (五)試驗數(shù)據(jù)分析圖7 9為本實施例試驗數(shù)據(jù)分析所得的曲線，圖7是板形錨桿拉拔加載過程中拉拔力與位移的關(guān)系曲線，可見，隨著拉拔力的逐漸增大，錨桿端部位移也近似線性增長，但增長到一定數(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力沿桿長的分布曲線，可見，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力沿桿長的分布曲線，可見，界面剪應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)育的位置和擴展情況。結(jié)合試驗曲線和試樣破壞過程分析可深入了解錨固系統(tǒng)的工作機制。實施例3(一)試驗材料的選擇試驗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目的和所制定的試驗方案，在本實施例中，板形試塊I的材料為石膏，錨固劑3的材料為樹脂,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，錨固長度LI為32cm，外伸長度L2為50cm，錨桿長度為錨固長度LI和外伸長度L2之和，為82cm ；c在板形疊合體試樣制作模具內(nèi)放置兩個板形試塊I、板形錨桿2，保證板形錨桿2與兩個板形試塊I之間的間隙大小相等，分別固定兩個板形試塊I、板形錨桿2，在兩個板形試塊I內(nèi)表面上對應粘貼應變片；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機的試樣室內(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，保證加載過程中試樣的穩(wěn)定和施加荷載在試樣表面分布均勻；c進行監(jiān)測設(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)錨桿拉拔試驗按2kN/分鐘的速率施加拉拔荷載8，并對板形錨桿2的錨固段LI全程攝像，實時監(jiān)測并記錄數(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。
(五)試驗數(shù)據(jù)分析圖7 9為本實施例試驗數(shù)據(jù)分析所得的曲線，圖7是板形錨桿拉拔加載過程中拉拔力與位移的關(guān)系曲線，可見，隨著拉拔力的逐漸增大，錨桿端部位移也近似線性增長，但增長到一定數(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力沿桿長的分布曲線，可見，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力沿桿長的分布曲線，可見，界面剪應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)育的位置和擴展情況。結(jié)合試驗曲線和試樣破壞過程分析可深入了解錨固系統(tǒng)的工作機制。
權(quán)利要求
1.錨固系統(tǒng)工作機制二維試驗方法，其特征在于所述錨固系統(tǒng)工作機制二維試驗方法按以下步驟進行 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)表面上對應粘帖應變片，按錨固長度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機的試樣室內(nèi)，設(shè)定水平和垂直荷載級別，先對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，施加拉拔荷載(9)，并對拉拔過程全程攝像，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)工作機制二維試驗方法，其特征在于所述板形試塊(I)的厚度、高度和長度比例為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)工作機制二維試驗方法，其特征在于所述的板形錨桿(2)為長方體，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)工作機制二維試驗方法，其特征在于所述錨固劑(3)的類型為水泥或樹脂中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種錨固系統(tǒng)工作機制二維試驗方法，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)通過錨固劑(3)粘結(jié)在一起，制作成板形疊合體試樣，對板形疊合體試樣施加一定初始荷載后進行錨桿拉拔試驗，在此過程中實時記錄觀察錨固劑(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，實現(xiàn)了錨固系統(tǒng)工作過程的直接觀察和實時跟蹤。本發(fā)明對于研究錨固系統(tǒng)工作機制具有重要的意義。
文檔編號E02D33/00GK102776900SQ20121019242
公開日2012年11月14日 申請日期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 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所