一种变截面锚杆及冲击作用下层状岩石锚固效果测试方法技术

本发明专利技术一种变截面锚杆及冲击作用下层状岩石锚固效果测试方法，属于岩石动力学试验模拟技术领域。其特征在于：该变截式锚杆的主体为三个部分构成，分别为可掘进式钻头，空心无缝钢管和螺纹钢，其中空心无缝钢管和螺纹钢的直径应符合常规岩石锚杆在锚固时受力分析得到锚杆的轴力和剪应力的分布函数。其施工和测试方法分别为适用该变截面锚杆的特征进行的，本发明专利技术的目的是将爆破施工现场的实际围岩损伤情况根据实验方法模拟出来，对层状岩石在不同锚固角度与锚杆数量下的破坏特性进行了系统研究，为相关工程提供了参考价值。为相关工程提供了参考价值。为相关工程提供了参考价值。

【技术实现步骤摘要】
一种变截面锚杆及冲击作用下层状岩石锚固效果测试方法

：
[0001]本专利技术属于岩石动力学试验模拟
，特别是涉及一种模拟层状岩石在变截面锚杆及其锚固状态下受到冲击作用的测试方法。

技术介绍
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[0002]在实际爆破施工过程中，由于岩石的不均质性，自身常带有一些裂隙节理，使其结构呈现出不连续性，形成层状岩石结构。层状复合岩石结构是地下工程中常出现的岩体结构之一，与单一结构的岩体不同，层状复合岩石是由多层性能各异的岩石复合而成，各组分的岩石性质不同，并且在岩石交界处存在缺陷，其破坏机制及方式也明显不同于普通岩体，因此在实际工程中为增强围岩强度，减少工程事故发生，对围岩加固处理是一个十分必要的工程程序。
[0003]在加固围岩措施中，锚杆锚固支护的方法因经济实用而在工程中得到了广泛应用，锚杆作为稳定围岩的辅助工具，其本质为一根受拉杠杆，它的作用为通过杆件将不稳定的围岩结构与基岩相连，使得多块岩体组合成一个稳定的复合体结构，在保证整个工程体完整性的同时，利用锚杆大幅度提高了岩石自身的抗剪抗拉能力，增强了整个岩体的承载能力与稳定性，以此来达到巩固围岩的目的。然而常规岩石锚杆在施工过程中需要先进行钻孔再进行锚固，无法在钻进的同时进行锚固，效率低下。其次常规岩石锚杆在锚固时整体受力并非处处相同的，而常规锚杆的整体材料确是处处相同的，在一定程度上造成的材料的浪费，成本增加，因此急需一种变截面锚杆来来解决上述问题。
[0004]由于层状岩石的不稳定性，在爆破冲击下围岩的破坏形态常常表现出一种不确定性，而这种爆破冲击下围岩的破坏形态不确定性却很难判断，目前还没有很好的解决办法。

技术实现思路
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[0005]专利技术目的：
[0006]本专利技术提供一种变截面锚杆与爆破冲击作用下层状岩石锚固效果测试方法，其目的是将爆破施工现场的实际围岩损伤情况根据实验方法模拟出来，对层状岩石在不同锚固角度与锚杆数量下的破坏特性进行了系统研究，为相关工程提供了参考价值。
[0007]技术方案：
[0008]一种变截面锚杆，包括可掘进式钻头，其特征在于：该变截式锚杆的主体为三个部分构成，第一部分为可掘进式钻头，第二部分为大于可掘进式钻头直径的空心无缝钢管，空心无缝钢管的两端均加工设置有内螺纹，一端连接可掘进式钻头，另一端连接小于空心无缝钢管直径的螺纹钢，第三部分为螺纹钢，其两端加工设置有外螺纹，一端连接空心无缝钢管，另一端作为锚杆的自由端；空心无缝钢管和螺纹钢的直径应符合常规岩石锚杆在锚固时受力分析得到锚杆的轴力P(x)和剪应力的分布函数τ(x)：
[0009][0010]其中，D为锚固体直径，E为锚杆与锚固剂复合弹性模量，K为锚固体剪切刚度，P为锚固体的轴向荷载，τ(x)为轴向锚固长度为x时的剪应力，p(x)为轴向锚固长度为x时的轴力。
[0011]2、一种采用如上变截面锚杆的施工方法，其特征在于：该施工流程步骤如下：
[0012](1)将可掘进式钻头连接到大直径空心无缝钢管的一端，大直径空心无缝钢管的另一端连接到锚杆钻机上，对进行岩体钻孔加锚固；
[0013](2)当锚杆钻机钻进到施工所需深度时，停止钻进并取下锚杆钻机，对大直径空心无缝钢管内部进行注浆，注浆结束后拧上连接管套；
[0014](3)将小直径螺纹钢通过连接管套与大直径空心无缝钢管组合到一起，随后进行整体注浆；
[0015](4)将锚杆自由端套上垫片，并拧好螺栓。
[0016]3、一种采用如上变截面锚杆在爆破冲击作用下层状岩石锚固效果测试方法，其特征在于：该方法按如下步骤进行：
[0017](1)将从实际工程中取出的岩石试样加工成50mm
×
50mm标准圆柱体试件；
[0018](2)进行等厚度切割，沿试样的轴向方向切割成相互独立的四片，沿试样的径向方向使用深孔台钻进行等距钻孔，多孔试样孔距等分，分别加工成单孔、两孔与三孔，沿圆周位置成0
°
、30
°
、60
°
与90
°
角度打孔，孔洞直径为10mm，随后使用硅酸盐水泥砂浆将试样的四片独立体粘结到一起，以此形成层状岩石结构；
[0019](3)分别对试件进行不同锚固角度与锚杆数量的锚固；
[0020](4)利用霍普金森系统对试件进行冲击；
[0021]根据锚固力分布和虎克定律可得弹性状态下锚固段的拉伸变形：
[0022][0023][0024]其中：D为锚固体直径；P为锚固体的轴向荷载；E为锚固体弹性模量；ω(x)为锚固段剪切位移变形；u(x)为坐标x处锚固体的轴向位移；其中G为锚固体剪切模量；e是数学中的一个专用数学常数，一个无限不循环小数，又叫欧拉数；
[0025]依据弹性波在不同介质界面的传播条件，界面两侧合力需相等，界面与入射杆端的合力为：P1(t)＝A0E(ε
i
+ε
r
)；界面与透射杆端的合力为：P2(t)＝A0Eε
t
。试验中根据试样受力的平衡原理，试样的平均应力为：
[0026][0027]其中：E为弹性模量；其中A和A0分别是试样和杆的横截面积；ε
r
(t)、ε
t
(t)为弹性SHPB杆上的反射应变与透射应变；ε
i
(t)为入射杆上时间为t时的应变脉冲；指的时间，是该函数中的自变量；
[0028]以此来模拟工程现场围岩所受到的爆破冲击，对不同锚固状态下的层状岩石进行强度分析，为实际工程施工提供数据。
[0029]在步骤(2)中，采用60
°
的锚固角度为最佳。
[0030]在步骤(2)中，采用两根锚杆锚固效果为最佳。
[0031]优点及效果：
[0032]与现有技术相比，本结构与试验方法合理，具有以下优点：
[0033]1、变截式锚杆的杆体由直径不同的两部分杆体组成，具有高于普通岩石锚杆所能提供的抗拉能力和抗剪能力，同时又可以针对不同岩层进行按需锚固，能在提高锚固效果的同时又节约了成本。
[0034]2、采用岩石切割技术将完整岩石切片，利用硅酸盐水泥砂浆将其重新粘接，以此来模拟实际工程中所遇到的层状岩石结构，还原了实际工程中的层状岩石的层状特性。
[0035]3、爆破施工过程中，岩石受到爆破冲击、机械振动等反复冲击荷载作用下，多处于高应变率状态，因此利用霍普金森系统进行冲击实验，模拟高应变率下的层状岩石的状态，以此探究岩石性能，为实际工程提供参考。
[0036]4、由于实际施工过程中工况复杂，多层岩石锚固方向往往无法定向控制，常需要根据现场实际工况调整锚固角度与锚杆数量，本实验方法充分模拟现场围岩结构的多样性，分别制备了不同锚固角度(包括0
°
、30
°
、60
°
与90
°
)与不同锚杆数量(1
‑
3根)的岩石试件，以此来充本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变截面锚杆，包括可掘进式钻头，其特征在于：该变截式锚杆的主体为三个部分构成，第一部分为可掘进式钻头，第二部分为大于可掘进式钻头直径的空心无缝钢管，空心无缝钢管的两端均加工设置有内螺纹，一端连接可掘进式钻头，另一端连接小于空心无缝钢管直径的螺纹钢，第三部分为螺纹钢，其两端加工设置有外螺纹，一端连接空心无缝钢管，另一端作为锚杆的自由端；空心无缝钢管和螺纹钢的直径应符合常规岩石锚杆在锚固时受力分析得到锚杆的轴力的分布函数P(x)和剪应力的分布函数τ(x)：其中，D为锚固体直径，E为锚杆与锚固剂复合弹性模量，K为锚固体剪切刚度，P为锚固体的轴向荷载，τ(x)为轴向锚固长度为x时的剪应力，p(x)为轴向锚固长度为x时的轴力。2.一种采用如权利要求1变截面锚杆的施工方法，其特征在于：该施工流程步骤如下：(1)将可掘进式钻头连接到大直径空心无缝钢管的一端，大直径空心无缝钢管的另一端连接到锚杆钻机上，对进行岩体钻孔加锚固；(2)当锚杆钻机钻进到施工所需深度时，停止钻进并取下锚杆钻机，对大直径空心无缝钢管内部进行注浆，注浆结束后拧上连接管套；(3)将小直径螺纹钢通过连接管套与大直径空心无缝钢管组合到一起，随后进行整体注浆；(4)将锚杆自由端套上垫片，并拧好螺栓。3.一种采用如权利要求1变截面锚杆在爆破冲击作用下层状岩石锚固效果测试方法，其特征在于：该方法按如下步骤进行：(1)将从实际工程中取出的岩石试样加工成50mm
×
50mm标准圆柱体试件；(2)进行等厚度切割，沿试样的轴向方向切割成相互独立的四片，沿试样的径向方向使用深孔台钻进行等距钻孔，多孔试样孔距等分，分别加工成单孔、两孔与三孔，沿圆周位置成0
°
、30
°
、60
°

【专利技术属性】
技术研发人员：王军祥，于海越，郭连军，孙杰，宁宝宽，孙港，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：