模拟地压作用下岩土与锚固体粘结性能的测试方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种模拟地层压力作用下原状岩土体与锚固体粘结性能测试系统及方法，包括量测装置、试样固定装置、地层压力模拟装置和压力注浆装置，试样的侧面与顶面分别安装压力囊，试样外侧安装径向变形测量计，注浆塞和止浆塞的一端均为无顶圆锥状，承托梁底部设置排气阀。本发明专利技术可对试样进行压力注浆并监测其径向变形，双压力囊可对试样侧向和竖向分别施压以模拟地层压力，硅胶垫片与带孔钢片置于试样上下面消除了端部摩擦效应，岩/土坯压缩并恢复初始地层压力后限制其竖向变形，试样的应力状态、应力路径和制备流程与锚杆实际情况相符，适用于各种工况下的岩土体与锚固体粘结性能测试。

【技术实现步骤摘要】
模拟地压作用下岩土与锚固体粘结性能的测试方法及系统
本专利技术涉及边坡、基坑、隧道、矿山、交通等工程中经常使用的锚杆测试技术，尤其涉及一种模拟地层压力作用下原状岩土体与锚固体粘结性能测试系统及测试方法。
技术介绍
锚杆支护技术因施工方便、造价低廉等优点广泛应用于边坡、基坑、隧道、矿山等岩土工程中，岩土体与锚固体的粘结性能直接影响到锚杆的承载能力。工程中多根据现场试验的结果来评价锚杆的承载能力，现场试验虽然可以反映锚杆的实际承载特性，但是存在成本高、试验周期时间长，影响工期、无法模拟各种工况(如暴雨工况、干湿循环工况等)等缺点。一些科研院所和高校通过室内模型试验研究岩土体与锚固体粘结性能，这些试验虽然能够保证锚杆的受力状态与实际情况相近，同时也可以较好地模拟锚杆实际工程中遇到的各种工况，但是，仍然存在模型尺寸相对较大，试验操作复杂、可重复性差、成本较高等问题。还用开展室内中心拉拔试验或直接剪切试验以测试岩土体与锚固体的粘结性能，这些试验虽然操作简单、效率较高且成本较低，但试验时试样的应力状态、应力路径及制备方法多与锚杆的实际情况不符。同时，由于岩土体的成因、结构及构造的复杂性，即使严格按照相似理论制作重塑或模拟岩土体试样，也很难模拟原状岩土体与锚固体的粘结性能，而利用原状岩土材料进行岩土体与锚固体的粘结性能测试时，如果试样的制备方法与锚杆实际的受力及施工状况不符，其试验结果也难以反映岩土体与锚固体的实际粘结特性。中国专利技术专利“用于富水软弱地层锚固体界面粘结性能测试的装置及方法(公开号：CN107288163A，申请公布日2017.10.24)”公开了一种利用筒状加载气囊侧向加压的锚固体界面粘结性能测试装置及方法，可用于测试富水软弱地层下锚固体界面粘结性能。试样外侧设置筒状加载气囊，可对试样的侧向加压，但不能对试样的端部加压，因而无法使原状岩土体压缩并恢复至初始地层应力状态；此外，试样的两端直接与上下盖板接触，导致试样两端存在摩擦效应，进而使试样的径向变形不均匀。中国专利技术专利“一种围压可控的岩石侧摩阻力测试装置及其方法(公开号：CN105547841A，申请公布日2016.05.04)”公开了一种利用三轴压力室施加围压的岩石侧摩阻力测试装置及其方法，可用于测试不同围压下基桩与岩石界面的侧摩阻力，但无法实现按桩基实际的施工工序进行制样；此外，围压施加以后，竖向压力通过导向管作用在试样顶端，而由于基桩与岩石刚度的不同，两者将产生一定的相对变形，导致两者界面处产生初始的侧摩阻力，影响测试结果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述技术的不足，针对工程锚杆的微元段，提出一种简便、可行且与锚杆实际应力状态、应力路径和施工工序相符的原状岩土体与锚固体粘结性能测试系统及方法。为解决以上技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种模拟地压作用下岩土与锚固体粘结性能的测试方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一、土/岩坯制作及固定：按设计尺寸对原状岩土体进行切割、打磨，然后在制成的土/岩坯101的上下面依次安装硅胶垫片501、带孔钢片502、透水石503以及垫板504，然后将径向变形测量计405套在土/岩坯(101)外表面，再依次安装下盖板601、套筒602、侧压力囊603、中盖板604、顶塞506、底塞505、垫板607、顶压力囊608、上盖板609，最后利用第二螺栓610和第二螺母611完成固定；步骤二、施加模拟地层压力：启动加压装置613，调节第一调压阀615使侧压力囊603中的压力稳定在设定的径向压力σr，调节第二调压阀617使顶压力囊608中的压力稳定在设定的轴向压力σz，加压时利用弧形套箍405a外表面的光纤传感器405c监测土/岩坯101的径向变形；步骤三、钻孔：所述土/岩坯101的变形稳定后，使用第一螺栓605连接下盖板601和中盖板604，并旋紧第一螺母606保持土/岩坯101的竖向变形，然后依次拆除垫板607、顶压力囊608、上盖板609、底塞505以及顶塞506，最后利用钻具901在土/岩坯101的中心处按设计钻孔直径进行竖向钻孔，钻孔轴线的偏斜率不超过试样高度的2％；步骤四、插筋及压力注浆：将注浆塞802固定在下盖板601上，然后将筋体102竖直放在注浆塞802的对中孔上，启动压力注浆机构801将浆液在注满钻孔，安装止浆塞804，最后利用压力注浆机构801施加设计的注浆压力；步骤五、试样养护：钻孔中的浆液初凝形成锚固体103后，拆除注浆塞802及止浆塞804，然后将试样及下盖板601和中盖板604之间的试样固定装置一起放置到密封袋中进行密封养护；步骤六、粘结性能测试：所述锚固体103养护完成后，利用第三螺栓512和第三螺母513将下盖板601与承托梁510相固定，然后将锚固体103与传力装置、反力装置以及量测装置相连，通过控制仪404控制步进电机201使升降底座202匀速下降，进而依次带动升降螺杆203、承托梁510、地层压力模拟装置、试样固定装置以及土/岩坯101下降，而锚固体103通过传力装置与反力装置相连，故不存在位移，则锚固体103被拔出，拔出位移达到锚固体103长度的20％时，终止试验，获得测试结果。进一步的改进，所述模拟地层压力：径向压力σr及轴向压力σz的计算方法如下：式中k为压力系数，pz为上覆荷载所引起的锚杆微元所在位置的附加应力，pcz为锚杆微元所在位置的地层自重应力。进一步的改进，所述测试结果为锚固体103与土岩坯101界面剪应力τ，τ通过下式计算得到：式中：F为拉拔力，d为锚固体101直径，h为土/岩坯101高度，l为锚固体103拔出位移。一种模拟地压作用下岩土与锚固体粘结性能的测试系统，包括：量测装置、试样固定装置、地层压力模拟装置和压力注浆装置，所述试样固定装置包括下盖板601和中盖板604；所述下盖板601和中盖板604之间安装有土/岩坯101，土/岩坯101上下表面均安装由硅胶垫片501，硅胶垫片501外侧安装带孔钢片502，带孔钢片502外侧安装有透水石503，透水石503外侧安装有垫板504；所述中盖板604和下盖板601中部分别安装有顶塞506和底塞505，顶塞506和底塞505均穿过硅胶垫片501、带孔钢片502、透水石503和垫板504抵住土/岩坯101，顶塞506置于土/岩坯101顶部的上空腔509中并与中盖板604顶面齐平，底塞505固定于土/岩坯101底部的下空腔508中并与土/岩坯101底面齐平；所述下盖板601和中盖板604上穿过有第一螺栓605，第一螺栓605连接有第一螺母606；所述中盖板604上方安装有垫板607和顶压力囊608，顶压力囊608顶部盖有上盖板609；所述土/岩坯101外周安装有侧压力囊603，侧压力囊603外包裹有套筒602；所述上盖板609中心处设置供顶压力囊608导管通过的穿孔；所述中盖板604一侧设有供光纤传感器405c通过的出线孔612；所述上盖板609与下盖板601固定连接；所述地层压力模拟装置包括加压装置613，加压装置613、第一调压阀615、第一压力表616以及侧压力囊603依次连接，加压装置613、阀门614、第二调压阀617、第二压力表618以及顶压力囊608依次连接；所述量测装置包括位移计402、力传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟地压作用下岩土与锚固体粘结性能的测试方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一、土/岩坯制作及固定：按设计尺寸对原状岩土体进行切割、打磨，然后在制成的土/岩坯(101)的上下面依次安装硅胶垫片(501)、带孔钢片(502)、透水石(503)以及垫板(504)，然后将径向变形测量计(405)套在土/岩坯(101)外表面，再依次安装下盖板(601)、套筒(602)、侧压力囊(603)、中盖板(604)、顶塞(506)、底塞(505)、垫板(607)、顶压力囊(608)、上盖板(609)，最后利用第二螺栓(610)和第二螺母(611)完成固定；步骤二、施加模拟地层压力：启动加压装置(613)，调节第一调压阀(615)使侧压力囊(603)中的压力稳定在设定的径向压力σr，调节第二调压阀(617)使顶压力囊(608)中的压力稳定在设定的轴向压力σz，加压时利用弧形套箍(405a)外表面的光纤传感器(405c)监测土/岩坯(101)的径向变形；步骤三、钻孔：所述土/岩坯(101)的变形稳定后，使用第一螺栓(605)连接下盖板(601)和中盖板(604)，并旋紧第一螺母(606)保持土/岩坯(101)的竖向变形，然后依次拆除垫板(607)、顶压力囊(608)、上盖板(609)、底塞(505)以及顶塞(506)，最后利用钻具(901)在土/岩坯(101)的中心处按设计钻孔直径进行竖向钻孔，钻孔轴线的偏斜率不超过试样高度的2％；步骤四、插筋及压力注浆：将注浆塞(802)固定在下盖板(601)上，然后将筋体(102)竖直放在注浆塞(802)的对中孔上，启动压力注浆机构(801)将浆液在注满钻孔，安装止浆塞(804)，最后利用压力注浆机构(801)施加设计的注浆压力；步骤五、试样养护：钻孔中的浆液初凝形成锚固体(103)后，拆除注浆塞(802)及止浆塞(804)，然后将试样及下盖板(601)和中盖板(604)之间的试样固定装置一起放置到密封袋中以对锚固体(103)进行密封养护；步骤六、粘结性能测试：所述锚固体(103)养护完成后，利用第三螺栓(512)和第三螺母(513)将下盖板(601)与承托梁(510)相固定，然后将锚固体(103)与传力装置、反力装置以及量测装置相连，通过控制仪(404)控制步进电机(201)使升降底座(202)匀速下降，进而依次带动升降螺杆(203)、承托梁(510)、地层压力模拟装置、试样固定装置以及土/岩坯(101)下降，而锚固体(103)通过传力装置与反力装置相连，故不存在位移，则锚固体(103)被拔出，拔出位移达到锚固体(103)长度的20％时，终止试验，获得测试结果。...

【技术特征摘要】
1.一种模拟地压作用下岩土与锚固体粘结性能的测试方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤一、土/岩坯制作及固定：按设计尺寸对原状岩土体进行切割、打磨，然后在制成的土/岩坯(101)的上下面依次安装硅胶垫片(501)、带孔钢片(502)、透水石(503)以及垫板(504)，然后将径向变形测量计(405)套在土/岩坯(101)外表面，再依次安装下盖板(601)、套筒(602)、侧压力囊(603)、中盖板(604)、顶塞(506)、底塞(505)、垫板(607)、顶压力囊(608)、上盖板(609)，最后利用第二螺栓(610)和第二螺母(611)完成固定；步骤二、施加模拟地层压力：启动加压装置(613)，调节第一调压阀(615)使侧压力囊(603)中的压力稳定在设定的径向压力σr，调节第二调压阀(617)使顶压力囊(608)中的压力稳定在设定的轴向压力σz，加压时利用弧形套箍(405a)外表面的光纤传感器(405c)监测土/岩坯(101)的径向变形；步骤三、钻孔：所述土/岩坯(101)的变形稳定后，使用第一螺栓(605)连接下盖板(601)和中盖板(604)，并旋紧第一螺母(606)保持土/岩坯(101)的竖向变形，然后依次拆除垫板(607)、顶压力囊(608)、上盖板(609)、底塞(505)以及顶塞(506)，最后利用钻具(901)在土/岩坯(101)的中心处按设计钻孔直径进行竖向钻孔，钻孔轴线的偏斜率不超过试样高度的2％；步骤四、插筋及压力注浆：将注浆塞(802)固定在下盖板(601)上，然后将筋体(102)竖直放在注浆塞(802)的对中孔上，启动压力注浆机构(801)将浆液在注满钻孔，安装止浆塞(804)，最后利用压力注浆机构(801)施加设计的注浆压力；步骤五、试样养护：钻孔中的浆液初凝形成锚固体(103)后，拆除注浆塞(802)及止浆塞(804)，然后将试样及下盖板(601)和中盖板(604)之间的试样固定装置一起放置到密封袋中以对锚固体(103)进行密封养护；步骤六、粘结性能测试：所述锚固体(103)养护完成后，利用第三螺栓(512)和第三螺母(513)将下盖板(601)与承托梁(510)相固定，然后将锚固体(103)与传力装置、反力装置以及量测装置相连，通过控制仪(404)控制步进电机(201)使升降底座(202)匀速下降，进而依次带动升降螺杆(203)、承托梁(510)、地层压力模拟装置、试样固定装置以及土/岩坯(101)下降，而锚固体(103)通过传力装置与反力装置相连，故不存在位移，则锚固体(103)被拔出，拔出位移达到锚固体(103)长度的20％时，终止试验，获得测试结果。2.根据权利要求1所述的模拟地压作用下岩土与锚固体粘结性能的测试方法，其特征在于，所述模拟地层压力：径向压力σr及轴向压力σz的计算方法如下：式中：k为压力系数，pz为上覆荷载所引起的锚杆微元所在位置的附加应力，pcz为锚杆微元所在位置的地层自重应力。3.根据权利要求1所述的模拟地压作用下岩土与锚固体粘结性能的测试方法，其特征在于，所述测试结果为锚固体(103)与土/岩坯(101)界面剪应力τ，τ通过下式计算得到：式中：F为拉拔力，d为锚固体(101)直径，h为土/岩坯(101)高度，l为锚固体(103)拔出位移。4.一种模拟地压作用下岩土与锚固体粘结性能的测试系统，包括：量测装置、试样固定装置、地层压力模拟装置和压力注浆装置，其特征在于，所述试样固定装置包括下盖板(601)和中盖板(604)；所述下盖板(601)和中盖板(604)之间安装有土/岩坯(101)，土/岩坯(101)上下表面均安装由硅胶垫片(501)，硅胶垫片(501)外侧安装带孔钢片(502)，带孔钢片(502)外侧安装有透水石(503)，透水石(503)外侧安装有垫板(504)；所述中盖板(604)和下盖板(601)中部分别安装有顶塞(506)和底塞(505)，顶塞(506)和底塞(505)均穿过硅胶垫片(501)、带孔钢片(502)、透水石(503)和垫板(504)抵住土/岩坯(101)，顶塞(506)置于土/岩坯(101)顶部的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昌富，朱世民，毛凤山，唐仁华，张根宝，黄佳斌，温永凯，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43