一种群锚效应模型试验装置及检测方法与流程

本发明涉及锚杆系统检测领域，尤其涉及一种群锚效应模型试验装置及检测方法。

背景技术：

锚杆支护系统因其经济安全、灵活便捷及对施工环境扰动较小等特点在土木交通领域得到了较为普遍的应用，特别是在边坡、隧道、基坑与地下硐室围岩稳定支护等工程中备受青睐。随着锚杆支护系统的应用，系统呈现出集群化、系统化和结构化的特点，为保证锚杆系统能够安全运营，锚杆系统模型试验得到了发展。国内外针对于单锚试验研究较为深入，形成了较为完备试验方法与评价指标。针对于群锚系统，受限于试验方法与测试技术，研究则较为薄弱，现阶段，国内外针对群锚效应研究试验主要为上拔力模型试验，基于该试验得到上拔力-位移关系曲线，通过研究上拔力变化分析群锚之间的相互作用，进行群锚效应研究。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的是提供一种群锚效应模型试验装置及检测方法，解决现有锚杆群锚系统室内试验不能准确模拟现场锚杆真实现状，提高试验测试精度和试验所得群锚效应系数精度的问题。

技术方案：本发明包括模型箱，所述的模型箱内设有模拟地层系统，模型箱的一侧设有群锚系统，所述的群锚系统贯穿模型箱内的模拟地层系统，所述的模型箱上方设有载荷加载系统，所述的群锚系统上设有锚杆检测系统，所述的锚杆检测系统与检测控制系统连接。

所述的载荷加载系统包括智能加载系统和加载控制系统，所述的智能加载系统与加载控制系统连接，加载控制系统主要用于自动控制智能加载系统为模型提供单级加载、低周循环加载或振动荷载加载。

所述的智能加载系统底部设有刚性垫层，所述的刚性垫层固定在模型箱顶部，使得智能加载系统的荷载可以均匀传递至模拟土体上。

所述的智能加载系统采用千斤顶，通过千斤顶智能加载系统模拟土层重度。

所述的群锚系统包括若干锚杆锚固系统，所述的锚杆锚固系统包括承台、锚杆系统和锚具系统，所述的锚杆系统插入模型箱的模拟地层系统中，锚具系统与承台主要用于锚杆锚固端设置，同时方便测力环布置。

所述的锚杆检测系统包括测力环和应变系统，所述的测力环位于锚具系统与承台之间，所述的应变系统设置在锚杆内，所述的测力环和应变系统均与检测控制系统连接，测力环用以测量加载过程中锚杆锚固端应力变化，检测控制系统主要作用是实时记录应力应变变化。

所述的应变系统采用应变片或光纤，用于测量加载过程中锚杆的应变变化。

所述的模型箱外围设有反力架，反力架顶部的内侧固定有智能加载系统，为载荷加载系统提供可靠的加载。

所述的模拟地层系统包括至少一个模拟地层，每两个模拟地层之间形成一个模拟界面，模型箱最外侧的模拟地层与群锚系统之间形成另一个模拟界面，模拟地层主要用于模拟锚固工程土岩层接触面、滑移面或优势滑移面，模拟界面可模拟锚固工程锚喷、挂网锚喷、格构梁与格构梁锚喷等多种界面形式。

所述的一种群锚效应模型试验装置的检测方法，包括以下步骤：

(1)根据地质资料与试验场地情况，利用相似原理进行试验装置设计；

(2)根据试验设计方案进行基本材性试验；

(3)对试验模具进行组装，并浇筑或填筑模拟地层，制作模拟地层时预留锚杆孔，并根据材料性质进行自然养护；

(4)模拟地层养护完成后，安装锚杆锚固系统与相关的检测系统；

(5)依据设计滑移面对装置进行调试；

(6)调试完成后进行群锚系统锚固性能检测模型试验；

(7)通过检测系统完整记录试验整个阶段的应力应变曲线。

有益效果：本发明改良了现有群锚检测装置及检测方法，提高了测试精度；拓展完善了群锚效应影响因素的研究，如对滑面与锚杆位置关系、锚杆间的空间位置形态(角度、垂距等)与土体应力形态等因素的整体考虑，使得试验所得群锚效应系数更加精确；提出了基于智能千斤顶/智能加载系统、动力作用(振动荷载)下的群锚效应检测方法。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括模型箱13，方便模型制作，填筑模拟地层，从而形成模拟界面。模型箱13外围设有反力架15，反力架15两侧的底部通过地脚螺栓16固定在地面上，使得反力架15与地面可靠连接。反力架15及地脚螺栓16属于荷载加载系统的辅助结构，主要用于可靠的传递加载系统的加载反力，反力架15可为钢架、排架或其他结构，仅需保证反力架15与地脚螺栓16在荷载施加时变形微小至忽略不计。模型箱13的顶部固定有荷载加载刚性垫层3，荷载加载刚性垫层3顶部设有载荷加载系统。荷载加载系统包括多个智能加载系统1与加载控制系统2，荷载加载系统主要用于模拟土体重度，根据模型试验相似比换算，对土层重度进行模拟。多个智能加载系统1均与加载控制系统2连接，其中，智能加载系统1设置在载荷加载刚性垫层3与反力架15之间，加载控制系统2放置在反力架15顶部。智能加载系统1采用智能千斤顶模拟土层重度；加载控制系统2主要用于自动控制智能加载系统1，为模型提供单级加载、低周循环加载或振动荷载加载。将荷载加载系统架设在荷载加载刚性垫层3之上，使得智能加载系统1的荷载可以均匀传递至模拟土体上。荷载加载刚性垫层3的形制多样，可为格构式或实腹式结构，对于结构的要求为：能可靠的传递千斤顶群组施加的荷载且不增加附加位移。

模型箱13采用一侧可拆卸的箱体结构，可拆卸端插有群锚系统，群锚系统包括若干锚杆锚固系统，本发明主要研究被动型锚杆，对于主动性锚杆也可尝试使用，装置可设置锚杆系统的中距、边距、滑面与锚杆位置关系、锚杆间的空间位置(形态角度、垂距)等。锚杆锚固系统包括承台7、锚杆系统8与锚具系统9，其中，锚杆系统8插入模型箱13内的模拟土体中，并贯穿所有的模拟土体，锚杆系统8的端部设有锚具系统9，锚具系统9靠近模型箱13的一侧设有承台7，锚具系统9与承台7之间设有测力环6，三者紧密连接。锚具系统9与承台7主要用于锚杆锚固端设置，同时方便测力环6布置，图中的锚杆系统8是指锚杆本体与锚固浆液。

锚杆锚固系统上均设有锚杆检测系统，主要包括测力环6和应变系统10，测力环6用以测量加载过程中锚杆锚固端应力变化；应变系统10用于测量加载过程中锚杆应变变化。测力环6和应变系统10均与检测控制系统11连接，检测控制系统11主要作用是实时记录应力应变变化。应变系统10采用应变片或光纤，传统检测手段为应变片检测，应变片贴于表面进行相应检测，光纤检测时利用光纤测量技术进行应变测量。

模型箱13内可以浇筑有一种或多种不同的模拟土体，图1所示的模型箱13内浇筑有两种不同的模拟土体，从而形成第一模拟地层4和第二模拟地层14，其中，第一模拟地层4位于模型箱最外侧，第一模拟地层4与第二模拟地层14之间形成第二模拟界面12，第一模拟地层4与锚杆锚固系统的承台7之间形成第一模拟界面5。

模拟界面主要用于模拟现场锚固系统所处的真实状态，其中，第一模拟界面5可模拟锚固工程锚喷、挂网锚喷、格构梁与格构梁锚喷等多种界面形式，其与锚杆系统锚固用承台7可形成整体。第二模拟界面12可模拟锚固工程土岩层接触面、滑移面与优势滑移面，图1中给出的第二模拟界面12即是两种土岩层接触面，该接触面也可认为是锚固土岩层滑移面与或优势滑移面。第二模拟界面12可以为平面也可以为曲面，设置应依据现实的地勘资料进行相应的模拟。

模拟土层主要用于模拟现场锚固系统所处的土岩层环境，设置模拟地层系统的原则是：

1)依据现实的地勘资料进行相应的模拟，设置模拟地层数目、土体参数与设计锚杆穿越的土层一致或者根据相似原理进行模拟；

2不论如何进行相似模拟，第二模拟地层14的最后一层厚度至少为锚杆设计锚固段长度+超钻深度。图1中给出的模拟地层为两种土岩层，第一模拟地层4为被锚固体，第二模拟地层14为基岩/稳定土岩层。

本发明装置的检测方法为：

(1)根据地质资料与试验场地情况，利用相似原理进行试验装置设计，如模型箱、刚性垫层与反力架尺寸；模拟锚杆系统参数设计；加载系统千斤顶布设；混凝土配合比设计；模拟土体/原状样敷设；模拟界面模板设计。

(2)根据试验设计方案进行基本材性试验，主要包括颗粒分析试验、相对密度试验与界限含水率等土体基本试验与锚杆弹性模量、拉伸、剪切性能等基本试验。

(3)对试验模具进行组装，验证接缝处的密闭性而后浇筑/填筑模拟地层，制作模拟地层时预留锚杆孔后根据材料性质进行自然养护(水泥砂浆/混凝土养护期至少28天、砂土养护期至少7天、粉土养护期至少10天、非饱和黏性土养护期至少15天、饱和黏性土养护期至少25天)。

(4)模拟地层养护完成后，安装锚杆锚固系统与相关的检测系统，若第一模拟界面采用锚喷、挂网锚喷、格构梁、格构梁锚喷等界面形式设计时，在锚杆锚固系统安装完成后进行第一模拟界面制作，完成后养护至少28天；同期，进行模拟土体固结试验、直剪试验、三轴试验等相关试验，若模拟土体中存在模拟岩层，应对模拟岩层材料进行抗压/抗折/劈裂等相关试验。

(5)依据设计滑移面进行荷载加载系统、刚性垫层与反力架进行架设与调试，验证加载的可靠性，在加载系统调试期间进行检测系统调试验证，保证加载过程中检测系统能够正常工作。

(6)调试完成后进行群锚系统锚固性能检测模型试验，试验分为单级加载、低周循环加载与振动荷载加载试验等，具体加载试验如表一所示。

(7)通过检测系统在试验整个阶段完整记录锚杆应力应变曲线，用以进行群锚效应研究，得到群锚效应系数。

表一试验加载方式

本发明针对上拔力模型试验无法真实模拟锚杆系统真实受力状态，且所研究的群锚效应仅局限于边距中距等部分影响因素，提出了仿真类型的模拟试验装置与检测方法。该装置与相应的检测方法不仅在试验中模拟了被动型锚杆工作的真实受力状态，针对于群锚效应研究，不仅进行了中距与边距的考虑，还对于滑面与锚杆位置关系、锚杆间的空间位置形态(角度、垂距等)与土体应力形态等其他因素对锚杆群锚效应系数的影响。