一種錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置及方法
2023-05-23 12:21:06
一種錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置及方法。所述模擬試驗裝置包括呈直線依次間隔排列的多個混凝土塊；各混凝土塊的中心位置沿模擬試驗裝置的長度方向設有由錨杆和錨杆應力計間隔組成而將各混凝土塊串聯在一起的錨杆軸，並在錨杆軸上安置錨杆應力計和應變計，所述固定混凝土塊為模擬試驗裝置的固定端；所述固定混凝土塊、錨杆應力計混凝土塊、錨杆應力計及應變計混凝土塊與應變計混凝土塊之間的預留縫內均設有壓力枕，在應變計混凝土塊、錨杆應力計剪切混凝土塊和錨杆應變剪切混凝土塊的預留縫處設有頂升裝置；在垂直於試驗裝置長度方向的過所述錨杆應力計截面上設置有多塊應變磚。本發明原理簡單、模擬狀態真實、成本低、試驗效果好。
【專利說明】一種錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用於巖土工程科研試驗和工程安全監測輔助設備，適用於巖土工 程錨杆工作狀態模擬試驗和工程安全監測錨杆應力計工作狀態模擬試驗的具體情況。
【背景技術】
[0002] 現有技術條件下，巖土工程普遍採用錨杆進行工程支護，錨杆是巖土體加固的杆 件體系結構，通過錨杆杆體的縱向拉力作用，克服巖土體抗拉能力遠遠低於抗壓能力的缺 點。既限制了巖土體脫離原體，又增加了巖土體的粘聚性。其實質上錨杆位於巖土體內與 巖土體形成一個新的複合體。這個複合體中的錨杆是解決圍巖體的抗拉能力低的關鍵。從 而使得巖土體自身的承載能力大大加強。錨杆是當代巖土體支護的最基本的組成部分，廣 泛應用於礦山、邊坡、隧道等進行主動加固。
[0003] 然而，現場錨杆和錨杆應力計在現場各種荷載工況下的工作狀態，以及相應的錨 固體的應力分布規律沒有進行研究，錨杆應力計在拉、剪組合荷載作用下的讀數變化規律 也無法做出預測，降低了錨杆和錨杆應力計的可控性。
【發明內容】
[0004] 為了克服現場錨杆和錨杆應力計在現場各種荷載工況下的工作狀態不可知的缺 陷，本發明旨在提供一種錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置及方法，該試驗裝置及 方法能有效模擬錨杆及錨杆應力計現場實際工作狀態以及相應的錨固體的應力分布規律， 並通過試驗研究錨杆應力計在拉、剪組合荷載作用下其監測物理量的變化規律。
[0005] 為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案是： 一種錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置，其結構特點是，包括呈直線依次間隔 排列的固定混凝土塊、錨杆應力計混凝土塊、錨杆應力計及應變計混凝土塊、應變計混凝土 塊、錨杆應力計剪切混凝土塊和錨杆應變剪切混凝土塊；所述固定混凝土塊、錨杆應力計混 凝土塊、錨杆應力計及應變計混凝土塊、應變計混凝土塊、錨杆應力計剪切混凝土塊和錨杆 應變剪切混凝土塊的中心位置沿模擬試驗裝置的長度方向設有由錨杆和錨杆應力計間隔 組成而將各混凝土塊串聯在一起的錨杆軸，並在錨杆軸上安置應變計，所述固定混凝土塊 為模擬試驗裝置的固定端；所述固定混凝土塊與錨杆應力計混凝土塊、錨杆應力計混凝土 塊與錨杆應力計及應變計混凝土塊、錨杆應力計及應變計混凝土塊與應變計混凝土塊之間 的預留縫內均設有用於模擬巖體拉載荷的壓力枕，在應變計混凝土塊、錨杆應力計剪切混 凝土塊和錨杆應變剪切混凝土塊的預留縫處設有用於模擬巖體剪載荷的頂升裝置；在垂直 於試驗裝置長度方向的所述錨杆應力計截面上設置有應變測量裝置。
[0006] 以下為本發明的進一步改進的技術方案： 所述錨杆應力計混凝土塊、錨杆應力計及應變計混凝土塊、應變計混凝土塊、錨杆應力 計剪切混凝土塊和錨杆應變剪切混凝土塊的底部均裝有底板，該底板下設有滾動部件。在 本發明的實施例中，底板優選為鋼板，滾動部件優選為滾軸。
[0007] 所述錨杆應力計混凝土塊、錨杆應力計及應變計混凝土塊、應變計混凝土塊、錨杆 應力計剪切混凝土塊和錨杆應變剪切混凝土塊內的錨杆軸上包裹有水泥砂漿。
[0008] 優選地，所述錨杆軸上包裹的水泥砂漿呈圓筒狀。
[0009] 進一步地，所述頂升裝置為水平差位安置的千斤頂，本發明的實施例布設有4個 千斤頂，所述水平差位安置是指每個接縫兩端各設置一個千斤頂，但不設置在接縫的同一 側。
[0010] 所述錨杆應力計混凝土塊內設有至少一個錨杆應力計，所述錨杆應力計及應變計 混凝土塊內設有至少一個錨杆應力計並安置至少一個應變計，所述應變計混凝土塊與錨杆 應力計剪切混凝土塊的接縫處設有一個錨杆應力計；所述應變計混凝土塊內設有至少一個 應變計。
[0011] 所述應變測量裝置為多塊水平對稱設置在錨杆應力計兩側的應變磚，本發明實施 例優選為10塊，兩邊各等間距設置五塊。
[0012] 所述錨杆應力計通過電纜與相應的錨杆應力計讀數儀相連，所述應變磚和應變計 通過電纜與相應的應變計讀數儀相連。
[0013] 一種利用上述的錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置進行模擬試驗的方法， 其特徵在於，包括如下步驟： 1) 試驗準備時在固定混凝土塊、錨杆應力計混凝土塊、錨杆應力計及應變計混凝土塊 南側、應變計混凝土塊之間的三條預留縫之間均安置壓力枕，在應變計混凝土塊、錨杆應力 計剪切混凝土塊和錨杆混凝土塊之間的兩條預留縫處設置頂升裝置，並將錨杆應力計和應 變計電纜與對應的錨杆應力計讀數儀和應變計讀數儀連接； 2) 試驗時，按照預先設計的工況、最大加載和加載分級對壓力枕和頂升裝置進行分級 加載，每一級加載分別讀取錨杆應力計、應變計和應變磚讀數直至最大加載級數，完成升載 試驗，分級加載完成之後，按與升載試驗一樣進行減載試驗，直至加載值為零，即完成單次 試驗工作； 3) 試驗工作完成後先進行數據處理，將各錨杆應力計讀數儀和應變計讀數儀的讀數換 算成監測物理量，並模擬得出載荷與應力的關係。
[0014] 以下根據本發明的實施例對本發明做詳細的描述： 一種錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置，由固定混凝土塊1、錨杆應力計混凝土 塊2、錨杆應力計及應變計混凝土塊3、應變計混凝土塊4、錨杆應力計剪切混凝土塊5和錨 杆混凝土塊6組成，中心安置由錨杆10和錨杆應力計11間隔組成錨杆軸，並在錨杆上安置 應變計12,除固定混凝土塊1外其它混凝土塊底部安置鋼板18,並在鋼板底部安置滾軸13。 在混凝土塊澆築之前，選擇安裝有錨杆應力計位置的3個斷面沿截面方向對稱布置十塊應 變磚17。在本模型試件的製作中在錨杆的周圍首先澆注一層圓柱體型水泥砂漿19,然後再 澆注混凝土塊，整個模型截面的介質就分為錨杆、水泥砂漿和混凝土塊。
[0015] 本發明的試驗方法如下：試驗準備時在固定混凝土塊1、錨杆應力計混凝土塊2、 錨杆應力計及應變計混凝土塊3、應變計混凝土塊4等3條預留縫之間均安置壓力枕7,在 應變計混凝土塊4、錨杆應力計剪切混凝土塊5和錨杆混凝土塊6等2條預留縫對向錯位安 置千斤頂16,並將錨杆應力計和應變計電纜與對應的錨杆應力計讀數儀14和應變計讀數 儀15連接。
[0016] 試驗時，按照預先設計的各種工況及及最大加載和加載分級，組合或單獨對3個 壓力枕7和4個千斤頂16分級加載，每一級加載分別讀取錨杆應力計、應變計和應變磚讀 數直至最大加載級，完成升載試驗，之後，按與升載程序一樣進行減載試驗，直至加載值為 零，即完成單次試驗工作，按預先設計要求，可進行單次或多次試驗。
[0017] 試驗工作完成後先進行數據處理，數據處理包括錨杆應力計、應變計和應變磚根 據讀數和已經檢定的相關參數換成監測物理量，並根據標定值計算每一級荷載值，並製成 相關表格。之後進行各種工況成果分析，通過統計分析方法，分析各種工況下各級荷載量與 各監測物理量之間的關係，並將研究成果應用於具體工程實踐。
[0018] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明適合適用於巖土工程錨杆工作狀 態模擬試驗和工程安全監測錨杆應力計工作狀態模擬試驗的具體情況。原理簡單、模擬狀 態真實、成本低、試驗效果好。
[0019] 綜上所述，本發明通過模擬現場錨杆和錨杆應力計工作狀態的試驗揭示錨杆在現 場各種荷載工況下的工作狀態，以及相應的錨固體的應力分布規律，並揭示錨杆應力計在 拉、剪組合荷載作用下的讀數變化規律。
[0020] 以下結合附圖和實施例對本發明作進一步闡述。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發明一個實施例的結構原理圖； 圖2是圖1的側面示意圖； 圖3是本發明垂直於試驗裝置長度方向的過所述錨杆應力計的截面圖； 圖4是某工況下錨杆應力計試驗值和計算值與荷載的關係曲線圖。
[0022] 在圖中 1 一固定混凝土塊，2-錨杆應力計混凝土塊，3-錨杆應力計及應變計混凝土塊，4一應 變計混凝土塊，5-錨杆應力計期切混凝土塊，6-錨杆期切混凝土塊，7-壓力枕，8-錨杆 應力計剪切縫，9 一錨杆剪切縫，10-錨杆，11 一錨杆應力計，12-應變計，13-滾軸，14 一錨 杆應力計讀數儀，15-應變計讀數儀，16-千斤頂，17-應變磚，18-鋼板，19 一水泥砂漿。
[0023]
【具體實施方式】 圖1、圖2和圖3所示為一種錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗方法和裝置的一個實 施例。
[0024] 本實施例是 申請人:承擔某國家重點工程的科研課題試驗，對該工程大面積支護錨 杆及錨杆應力計讀數超量程問題進行試驗研究，本試驗裝置和方法是該課題試驗項目之 〇
[0025] 本實施例實驗裝置的總長度為4670mm，模型截面為850mmX500mm，自固定混凝土 塊1至鋪杆混凝土塊6長度分別為900mm、1020mm、850mm、600mm、600mm和500mm，固定混凝 土塊1、錨杆應力計混凝土塊2、錨杆應力計及應變計混凝土塊南側3、應變計混凝土塊4等 3條預留縫均為60_，應變計混凝土塊4、錨杆應力計剪切混凝土塊5和錨杆混凝土塊6等 2條預留縫均為10mm，錨杆直徑為32mm，模型製作之前先按設計方案製作模板和鋼板，將錨 杆10和錨杆應力計11及點焊式鋼筋應變計12按設計安裝到位，先行澆築固定混凝土塊1， 並採用導管方式將將錨杆10和錨杆應力計11組成的錨杆包裹水泥砂漿，待水泥砂漿柱體 形成後，按32mm等間距在錨杆應力計斷面安置應變磚並澆築混凝土塊，並對混凝土塊進行 28天養護。
[0026] 所述固定混凝土塊1為長方體混凝土塊，軸向中心安裝錨杆10,在整個試驗裝置 中作為固定端。
[0027] 錨杆應力計混凝土塊2為長方體混凝土塊，軸向中心安置由錨杆應力計11和錨杆 10組成的錨杆軸，錨杆軸包裹圓柱體型水泥砂漿19,並沿錨杆應力計截面方向對稱布置十 塊應變磚17,模擬拉荷載作用下錨杆及錨杆應力計在的工作狀態。
[0028] 錨杆應力計及應變計混凝土塊3為長方體混凝土塊，軸向中心安置由錨杆應力計 11和錨杆10組成的錨杆軸，並在錨杆應力計上安裝貼片式應變計12,錨杆軸包裹圓柱體型 水泥砂漿19,模擬拉荷載作用下錨杆應力計11應力與應變工作狀態。
[0029] 應變計混凝土塊4為長方體混凝土塊，軸向中心安置錨杆10,並在錨杆上安裝貼 片式應變計12,錨杆包裹圓柱體型水泥砂漿19,模擬拉荷載作用下錨杆10的應變工作狀 態。
[0030] 錨杆應力計剪切混凝土塊5為長方體混凝土塊，軸向中心安置由錨杆應力計11和 錨杆10組成的錨杆軸，其中錨杆應力計11中心位於錨杆應力計剪切混凝土塊5與應變計 混凝土塊4分縫處，錨杆軸包裹圓柱體型水泥砂漿19,模擬剪荷載作用下錨杆應力計11應 力工作狀態。
[0031] 錨杆應變剪切混凝土塊6為長方體混凝土塊，軸向中心安置錨杆10,並在錨杆安 裝貼片式應變計12,應變計12位於錨杆軸包裹圓柱體型水泥砂漿19,模擬剪荷載作用下錨 杆應變工作狀態。
[0032] 固定混凝土塊1、錨杆應力計混凝土塊2、錨杆應力計及應變計混凝土塊3、應變計 混凝土塊4預留縫之間均安置壓力枕7,在進行模擬試驗時，採用壓力枕7模擬巖體拉荷載。
[0033] 應變計混凝土塊4、錨杆應力計剪切混凝土塊5和錨杆應變剪切混凝土塊6預留縫 之間均水平差位安置千斤頂16,在進行模擬試驗時，採用千斤頂16模擬巖體剪荷載。
[0034] 模擬裝置中心軸由錨杆10和錨杆應力計11間隔組成錨杆軸，將各混凝土塊串聯， 在進行模擬試驗時，適用於各種工況組合試驗。
[0035] 除固定混凝土塊1外錨杆軸包裹圓柱體型水泥砂漿19,進行模擬鑽孔和注漿真實 現場。
[0036] 除固定混凝土塊1外其它混凝土塊底部安置鋼板18,並在鋼板底部安置滾軸13， 在進行模擬試驗時，活動混凝土塊在外力作用下自由運動。
[0037] 錨杆應力計位置的3個斷面沿截面方向對稱布置十塊應變磚17,在進行模擬試驗 時，當外力作用下監測錨杆應力計周邊巖體的應變。
[0038] 為了達到研究目的，試驗時做了多種工況及工況組合試驗，僅以某工況為例，對 模型2個壓力枕7同時分級加載，測量錨杆應力計應力與荷載模型拉荷載）關係式，試驗 前對壓力枕7進行了標定，試驗時壓力枕7分0· 0MPa~l. 25MPal4級加載(換算成荷載為 0. 0KN~400KN)，每一級加載後作短暫停頓後讀取錨杆應力計讀數，資料處理時將錨杆應力 計讀數換算成監測物理量，並繪製荷載與應力關係曲線，研究項目同時對各工部作了非線 性有限元分析計算，本工況試驗的錨杆應力計試驗值和計算值與荷載關係曲線如圖4所 示，從圖可以看出，試驗值與計算值擬合效果是相當理想的，也說明了模型試驗裝置和試驗 方法是有效的。
[0039] 本發明在工程實踐中被證明效果良好，具有如下長足之處： 1) 試驗裝置結構簡單、成本低、模擬狀態真實、能多種工況同時試驗； 2) 試驗原理清晰，方法簡便，成果真實有效。
[0040] 上述實施例闡明的內容應當理解為這些實施例僅用於更清楚地說明本發明，而不 用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式 的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。
【權利要求】
1. 一種錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置，其特徵在於，包括呈直線依次間隔 排列的固定混凝土塊（1 )、錨杆應力計混凝土塊（2 )、錨杆應力計及應變計混凝土塊（3 )、應 變計混凝土塊（4)、錨杆應力計剪切混凝土塊（5)和錨杆應變剪切混凝土塊（6);所述固定 混凝土塊（1)、錨杆應力計混凝土塊（2)、錨杆應力計及應變計混凝土塊（3)、應變計混凝土 塊（4)、錨杆應力計剪切混凝土塊（5)和錨杆應變剪切混凝土塊（6)的中心位置沿模擬試驗 裝置的長度方向設有由錨杆（10)和錨杆應力計（11)間隔組成而將各混凝土塊串聯在一起 的錨杆軸，並在錨杆軸上安置應變計（12)，所述固定混凝土塊（1)為模擬試驗裝置的固定 端；所述固定混凝土塊（1)與錨杆應力計混凝土塊（2)、錨杆應力計混凝土塊（2)與錨杆應 力計及應變計混凝土塊（3)、錨杆應力計及應變計混凝土塊（3)與應變計混凝土塊（4)之間 的預留縫內均設有用於模擬巖體拉載荷的壓力枕（7)，在應變計混凝土塊（4)、錨杆應力計 剪切混凝土塊（5)和錨杆應變剪切混凝土塊（6)的預留縫處設有用於模擬巖體剪載荷的頂 升裝置；在垂直於試驗裝置長度方向的所述錨杆應力計（11)截面上設置有應變測量裝置。
2. 根據權利要求1所述的錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置，其特徵在於，所 述錨杆應力計混凝土塊（2)、錨杆應力計及應變計混凝土塊（3)、應變計混凝土塊（4)、錨杆 應力計剪切混凝土塊（5)和錨杆應變剪切混凝土塊（6)的底部均裝有底板，該底板下設有 滾動部件。
3. 根據權利要求1所述的錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置，其特徵在於， 所述錨杆應力計混凝土塊（2)、錨杆應力計及應變計混凝土塊（3)、應變計混凝土塊（4)、錨 杆應力計剪切混凝土塊（5)和錨杆應變剪切混凝土塊（6)內的錨杆軸上包裹有水泥砂漿 (19)。
4. 根據權利要求3所述的錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置，其特徵在於，所 述錨杆軸上包裹的水泥砂漿（19)呈圓筒狀。
5. 根據權利要求1所述的錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置，其特徵在於，所 述頂升裝置為水平差位安置的千斤頂（16)。
6. 根據權利要求1所述的錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置，其特徵在於，所 述錨杆應力計混凝土塊（2)內設有至少一個錨杆應力計（11)，所述錨杆應力計及應變計混 凝土塊（3)內設有至少一個錨杆應力計（11)並安置至少一個應變計（12)，所述應變計混凝 土塊（4)與錨杆應力計剪切混凝土塊（5)的接縫處設有一個錨杆應力計（11);所述應變計 混凝土塊（4)內設有至少一個應變計（12)。
7. 根據權利要求1飛之一所述的錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置，其特徵 在於，所述應變測量裝置為多塊水平對稱設置在錨杆應力計（11)兩側的應變磚（17)。
8. 根據權利要求1飛之一所述的錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置，其特徵 在於，所述錨杆應力計（11)通過電纜與相應的錨杆應力計讀數儀（14)相連，所述應變磚 (17)和應變計（12)通過電纜與相應的應變計讀數儀（15)相連。
9. 一種利用權利要求1-8之一所述的錨杆及錨杆應力計工作狀態模擬試驗裝置進行 模擬試驗的方法，其特徵在於，包括如下步驟： 1)試驗準備時在固定混凝土塊（1)、錨杆應力計混凝土塊（2)、錨杆應力計及應變計混 凝土塊南側（3)、應變計混凝土塊（4)之間的三條預留縫之間均安置壓力枕（7)，在應變計 混凝土塊（4 )、錨杆應力計剪切混凝土塊（5 )和錨杆混凝土塊（6 )之間的兩條預留縫處設置 頂升裝置，並將錨杆應力計和應變計電纜與對應的錨杆應力計讀數儀（14)和應變計讀數儀 (15)連接； 2) 試驗時，按照預先設計的工況、最大加載和加載分級對壓力枕（7)和頂升裝置進行分 級加載，每一級加載分別讀取錨杆應力計、應變計和應變磚讀數直至最大加載級數，完成升 載試驗，分級加載完成之後，按與升載試驗一樣進行減載試驗，直至加載值為零，即完成單 次試驗工作； 3) 試驗工作完成後先進行數據處理，將各錨杆應力計讀數儀（14)和應變計讀數儀 (15)的讀數換算成監測物理量，並模擬得出載荷與應力的關係。
【文檔編號】G01N3/00GK104155176SQ201410431188
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月28日 優先權日:2014年8月28日
【發明者】邱山鳴, 黃太平, 鄭斌, 赫曉光, 李守雷 申請人:中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司