本實(shí)用新型涉及地下巖石工程，尤其是深埋地下工程的摩擦型錨桿錨固體的安全性試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

為了保證地下洞室的穩(wěn)定，需要對(duì)圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，但隨著工程埋深的不斷增加和地下工程領(lǐng)域的不斷擴(kuò)張，水電、核廢料存儲(chǔ)、石油儲(chǔ)備等地下工程對(duì)支護(hù)的安全性要求也越來(lái)越高，支護(hù)系統(tǒng)不僅能夠保證施工期的圍巖穩(wěn)定，同時(shí)還需要解決圍巖的長(zhǎng)期安全問(wèn)題。

錨桿支護(hù)屬于主動(dòng)支護(hù)，錨桿支護(hù)的作用主要有懸吊作用、組合梁作用、加固拱作用和楔固作用等，可以充分利用圍巖的自承能力，提高隧洞圍巖的穩(wěn)定性，將荷載體變?yōu)槌休d體。

隨著支護(hù)技術(shù)的不斷基本，在圍巖支護(hù)工程中對(duì)錨桿類型進(jìn)行不斷優(yōu)化，目前國(guó)內(nèi)外使用的錨桿種類已有數(shù)百種之多，在工程中常用的錨桿按其錨固方式可分為機(jī)械錨固、粘結(jié)錨固和摩擦錨固。

摩擦式錨桿的承載能力較低，支護(hù)強(qiáng)度弱，但其延性好，可屈服，吸能效果好，在應(yīng)對(duì)巖爆沖擊時(shí)可有效緩沖能量，另外，其施工速度快，技術(shù)成熟，錨桿可在安裝后立即發(fā)揮作用，保證支護(hù)的及時(shí)性。隨著工程對(duì)安全性的要求越來(lái)越高，摩擦式錨桿的安全性也愈加重要。

地下工程錨桿類型的選擇需要同時(shí)考慮施工速度和錨桿性能兩個(gè)因素，摩擦型錨桿施工速度快，能夠快速發(fā)揮支護(hù)作用，但其本身力學(xué)性能較弱，支護(hù)強(qiáng)度低，安裝質(zhì)量難以得到控制，因此其錨固力和支護(hù)效果很難得到保證。

根據(jù)摩擦型錨桿的特性及其決定的使用條件，當(dāng)?shù)叵露词規(guī)r體破裂嚴(yán)重或者存在巖爆風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，摩擦型錨桿加固形成的錨固體的效果以及承載力不足可能難以滿足設(shè)計(jì)的要求，但目前缺少了解摩擦型錨桿的實(shí)際錨固強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，也就無(wú)法提供直接的評(píng)價(jià)依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種摩擦型錨桿錨固體安全性試驗(yàn)裝置，目的是評(píng)價(jià)錨固體實(shí)際承擔(dān)的圍巖變形和荷載變化的能力，揭示錨桿應(yīng)力與錨固系統(tǒng)安全之間的關(guān)系，判斷摩擦型錨桿作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性，了解工程中可能出現(xiàn)的錨桿應(yīng)力超限的真實(shí)指標(biāo)，并且可以在必要時(shí)幫助建立新的錨固體安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，為工程驗(yàn)收時(shí)的安全評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種摩擦型錨桿錨固體安全性試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)樣塊，所述試驗(yàn)樣塊為取自現(xiàn)場(chǎng)的巖塊或模擬現(xiàn)場(chǎng)的混凝土試塊，所述試驗(yàn)樣塊的中部設(shè)有鉆孔，所述鉆孔內(nèi)布置待試驗(yàn)的摩擦型錨桿，所述摩擦型錨桿上設(shè)有應(yīng)變計(jì)，所述摩擦型錨桿和所述試驗(yàn)樣塊之間采用水泥砂漿灌注填充，所述的水泥砂漿內(nèi)預(yù)埋有應(yīng)變磚，所述應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變磚位于同一水平線上，所述摩擦型錨桿兩側(cè)的試驗(yàn)樣塊中開(kāi)鑿出一定的空間，該空間內(nèi)安裝有千斤頂，所述千斤頂上方設(shè)有承壓鋼板。

在采用上述技術(shù)方案的同時(shí)，本實(shí)用新型還可以采用或者組合采用以下進(jìn)一步的技術(shù)方案：

所述應(yīng)變計(jì)為單片應(yīng)變片，所述單片應(yīng)變片布置在所述試驗(yàn)樣塊的相同高度處并沿所述摩擦型錨桿的軸向粘貼在其外表面上。

所述應(yīng)變磚上等間距環(huán)向布置四組應(yīng)變花，每個(gè)應(yīng)變花包括四個(gè)應(yīng)變片，每個(gè)應(yīng)變片之間的角度為45°，應(yīng)變花在錨桿桿體上均勻環(huán)向布置，互成120°角。

本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型提供的試驗(yàn)裝置，能夠直接測(cè)量錨桿、水泥砂漿形成的錨固體實(shí)際承擔(dān)的巖體變形和荷載變化的能力，了解摩擦型錨桿的實(shí)際錨固強(qiáng)度，明確錨桿與水泥砂漿之間的荷載分配關(guān)系，確定錨桿超限荷載，能夠幫助建立錨桿體安全性評(píng)價(jià)體系，為工程設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的裝置的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本實(shí)用新型的應(yīng)變磚的細(xì)節(jié)圖。

具體實(shí)施方式

參照附圖1-2。

本實(shí)用新型的一種摩擦型錨桿錨固體安全性試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)樣塊1，所述試驗(yàn)樣塊1為取自現(xiàn)場(chǎng)的巖塊或模擬現(xiàn)場(chǎng)的混凝土試塊，如果是取自現(xiàn)場(chǎng)的巖塊，則需要準(zhǔn)備與現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件相同的大尺度巖塊，巖塊尺度推薦為1.0m×1.0m×0.5m(高×寬×長(zhǎng))，如果難以獲得與現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件相同的巖塊，可以采用混凝土試塊代替，但強(qiáng)度要與現(xiàn)場(chǎng)圍巖強(qiáng)度盡量保持一致，以便更加準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

所述試驗(yàn)樣塊1的中部設(shè)有鉆孔2，鉆孔2上方覆蓋有墊板3，鉆孔2內(nèi)布置待試驗(yàn)的摩擦型錨桿4，錨桿4的長(zhǎng)度要超過(guò)1.5m，摩擦型錨桿4上設(shè)有應(yīng)變計(jì)5，摩擦型錨桿4和試驗(yàn)樣塊1之間采用水泥砂漿6灌注填充，灌注砂漿的類型與配比等與現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格一致，即保證錨固體的真實(shí)性。

由于摩擦型錨桿主要作用對(duì)象為灌注在鉆孔內(nèi)的砂漿，因此砂漿的受力狀態(tài)需要重點(diǎn)關(guān)注，為了測(cè)量砂漿體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，需要在砂漿內(nèi)預(yù)埋應(yīng)變磚，所述的水泥砂漿6內(nèi)預(yù)埋有應(yīng)變磚8，應(yīng)變磚8和應(yīng)變計(jì)5位于同一水平線上，摩擦型錨桿4兩側(cè)的試驗(yàn)樣塊中開(kāi)鑿出一定的空間，該空間內(nèi)安裝有千斤頂9，千斤頂9的上方設(shè)有承壓鋼板10。

應(yīng)變計(jì)5為單片應(yīng)變片，所述單片應(yīng)變片布置在所述試驗(yàn)樣塊1的相同高度處并沿所述摩擦型錨桿4的軸向粘貼在其外表面上。

應(yīng)變磚8上等間距環(huán)向布置四組應(yīng)變花7，每個(gè)應(yīng)變花7包括四個(gè)應(yīng)變片，每個(gè)應(yīng)變片之間的角度為45°，應(yīng)變花7在錨桿桿體上均勻環(huán)向布置，互成120°角。

本實(shí)用新型的裝置用來(lái)進(jìn)行摩擦型錨桿錨固體安全性試驗(yàn)的具體過(guò)程如下：

(1)材料準(zhǔn)備

按照實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)布置試驗(yàn)裝置，本實(shí)施例的試驗(yàn)方法應(yīng)用實(shí)施例1的試驗(yàn)裝置。

準(zhǔn)備與現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件相同的大尺度巖塊，巖塊尺度推薦為1.0m×1.0m×0.5m(高×寬×長(zhǎng))，如果難以獲得與現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件相同的巖塊，可以采用混凝土試塊代替，但強(qiáng)度要與現(xiàn)場(chǎng)圍巖強(qiáng)度盡量保持一致，以便更加準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

錨桿長(zhǎng)度要超過(guò)1.5m，灌注砂漿類型與配比等與現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格一致，即保證錨固體的真實(shí)性。

(2)測(cè)試元件安裝

測(cè)試元件主要為應(yīng)變計(jì)，其中錨桿上的應(yīng)變計(jì)采用單片應(yīng)變計(jì)順軸向粘貼，并在巖塊或者混凝土試塊相同高度處布置應(yīng)變計(jì)。

由于摩擦型錨桿主要作用對(duì)象為灌注在鉆孔內(nèi)的砂漿，因此砂漿的受力狀態(tài)需要重點(diǎn)關(guān)注。為了測(cè)量砂漿體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，需要在砂漿內(nèi)預(yù)埋應(yīng)變磚，應(yīng)變磚上等間距布設(shè)3組應(yīng)變花，每個(gè)應(yīng)變花由4個(gè)應(yīng)變片組成，應(yīng)變花在圓筒上均勻布置，互成120°角，以獲得加載過(guò)程中水泥砂漿的全應(yīng)力張量。

在應(yīng)變磚上嵌固的3組應(yīng)變花，序號(hào)用i表示，對(duì)應(yīng)的極角為θ_i；每組應(yīng)變花由4個(gè)應(yīng)變片組成，用序號(hào)用j表示，對(duì)應(yīng)的角度為ψ_ij。根據(jù)應(yīng)變觀測(cè)值ε_k與巖體應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系，可得到下列觀測(cè)值方程組：

Eε_k＝A_k1σ_x+A_k2σ_y+A_k3σ_z+A_k4τ_xy+A_k5τ_yz+A_k6τ_zx

式中：

k＝4(i-1)+j,i＝1～3,j＝1～4

式中K₁、K₂、K₃為應(yīng)變花并非直接粘貼在鉆孔巖壁上的修正系數(shù)，它們根據(jù)鉆孔半徑R、巖石(或者混凝土)的彈性模量E、泊松比μ和水泥砂漿的彈性模量E₁、泊松比μ₁按下列計(jì)算確定：

K₁＝2d₁(1-μμ₁)(1-μ₁)+μμ₁

K₂＝d₂+d₃μ₁/R²+d₄/R⁴

K₃＝μ₁-2d₁(μ₁-μ)(1-μ₁)/μ

式中：

d₁＝1/2(1-μ₁)

d₂＝(1+χ₁)/D

d₃＝-4R²(1+χ₁)/D

d₄＝3R²(1+χ₁)/D

D＝(1+χ₁)²

ζ＝G₁/G＝[E₁(1+μ)]/[E(1+μ₁)]

χ＝3-4μ,χ₁＝3-4μ₁

應(yīng)變磚一次測(cè)量可獲得12個(gè)觀測(cè)值方程，解6個(gè)應(yīng)力分量的未知量，利用最小二乘法原理，得到求解應(yīng)力分量最佳值的正規(guī)方程組，即可獲得水泥砂漿的全應(yīng)力張量。

式中D，ξ，χ，χ1以及M沒(méi)有特殊含義，是為了簡(jiǎn)化公式而設(shè)定的過(guò)渡量。

(3)錨固體安全性試驗(yàn)

在大尺度巖塊或者混凝土試塊的鉆孔中灌注水泥砂漿，并在其中埋設(shè)應(yīng)變磚和應(yīng)變計(jì)，將黏貼有應(yīng)變計(jì)的錨桿放入鉆孔中，盡量將應(yīng)變磚和應(yīng)變計(jì)控制在同一水平線，錨桿底部距離巖塊底部大約10cm，頂部出露大約30cm，在巖塊中間位置兩側(cè)鑿出能夠布置千斤頂?shù)目臻g，利用千斤頂對(duì)巖塊施加荷載(為了保證巖塊的完整，可以增加承壓鋼板)直至錨桿與砂漿脫離，記錄下此時(shí)的千斤頂讀數(shù)、錨桿應(yīng)變計(jì)讀數(shù)和砂漿應(yīng)變磚讀數(shù)，計(jì)算得到錨桿應(yīng)力、水泥砂漿應(yīng)力，評(píng)估兩者的安全性。