锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法及应用

本发明涉及锚杆力学测试，尤其是提供了锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法及应用。

背景技术：

1、锚杆支护能充分发挥和调动围岩的自身强度和自稳能力，在巷道围岩支护工程中获得了广泛的应用。岩体锚杆支护工程中，锚杆受轴向拉伸载荷作用下，在锚固界面处会诱发界面轴向剪切应力，当锚固界面剪应力大于界面剪切强度时，锚固界面将发生剪切失效。锚固界面脱粘失效是巷道锚固失效的主要形式之一，而界面剪切失效是锚固界面脱粘失效的主要特征，锚固系统界面力学特性是岩体锚固机制研究的关键。

2、锚杆锚固系统由锚杆杆体、注浆体和岩体三部分组成，形成的锚固界面包括锚杆-锚固剂界面、锚固剂-岩体界面。受锚固剂力学性质、锚杆材料性质及杆体形态、岩体力学性质的综合影响，锚固界面的真实物理结构难以进行模拟，且界面力学参数不易通过试验标定，导致锚固界面力学特性的研究较为困难。常用的界面表征模型是通过将锚杆界面简化为光滑界面建立数值计算模型进行研究，但对于单个界面的力学特性仍难以通过试验测试获得。

3、锚固界面剪切刚度能够表征锚杆向岩体载荷传递的一个综合参数，在分析锚固界面载荷传递过程中具有重要的作用。中国专利cn115931551a公开了一种利用室内拉拔试验测定锚固界面剪切力学参数的方法，能够利用室内短锚杆拉拔试验测量锚固界面轴向刚度及强度，确定锚杆拉拔弹性阶段的界面刚度及强度参数，但受地质条件的影响，室内试验难以与现场情况完全相同，工程环境、岩体性质、围压条件等均会导致锚固界面剪切刚度测试结果产生较大误差；此外，中国专利cn115630465a公开了一种基于现场实测界面力学参数的锚杆锚固长度设计方法，该方法将长锚杆拉拔视为n个短锚杆拉拔锚固单元组合的离散化模型，利用现场短锚固拉拔试验，计算锚固围岩间的相对位移量，确定锚固界面剪应力与位移关系曲线，通过计算界面轴向剪切刚度，该方法受锚固长度的限制，难以进行长期的锚固性能监测，且试验数据处理过程较为复杂。

技术实现思路

1、为了更好的表征锚固界面的弹性变形特征，有效的分析岩体锚固工程的锚固效果，本发明提供锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法及应用，具体技术方案如下。

2、锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法，步骤包括：

3、s1.进行锚杆拉拔加载试验，得到锚杆的载荷-位移关系曲线；

4、s2.根据载荷-位移关系曲线，计算锚固端面处的载荷-位移曲线；

5、s3.根据锚固端面处的载荷-位移关系曲线，计算确定锚固端面弹性阶段轴向承载刚度和剪切强度；

6、s4.采用载荷传递法推导得到锚固界面弹性阶段剪切位移分布函数和剪应力分布函数；

7、s5.基于锚固界面弹性阶段剪切位移分布函数，计算确定锚固端面弹性承载刚度与轴向剪切刚度关系；

8、s6.根据锚杆拉拔试验确定的锚固端面弹性阶段轴向承载刚度，并采用matlab中的zeroin算法计算确定锚固界面轴向剪切刚度；

9、s7.计算确定锚固端面剪应力与轴力的关系；

10、s8.根据锚杆拉拔测试确定的锚固端面的剪切强度，计算确定锚固界面弹性极限锚固力。

11、优选的是，锚固端面弹性承载刚度与轴向剪切刚度关系表达式为：

12、

13、式中，ks为锚固端面轴向承载刚度，p0为锚固端面处的拉拔载荷，δs0为锚杆锚固端面处的位移，rb为锚杆半径，eb为锚杆材料的弹性模量，kss为锚固界面轴向剪切刚度。

14、优选的是，锚固端面剪应力与轴力的关系表达式为：

15、

16、式中，τs0是锚固端面处的剪应力，l为锚杆锚固段长度。

17、还优选的是，锚固界面弹性极限锚固力的关系表达式为：

18、

19、式中，pemax为锚固界面弹性极限锚固力，[τs]是锚杆拉拔载荷位移曲线标定的锚固界面剪切强度。

20、还优选的是，在计算确定锚固端面弹性阶段轴向承载刚度和剪切强度时，将锚杆与岩体之间包括锚固剂在内的部分简化为一个综合界面，将锚杆锚固界面的剪切协同变形作用简化为弹簧接触模型，锚杆侧面与岩体之间以切向线弹簧连接，切向线弹簧的刚度即为锚杆锚固界面轴向剪切刚度。

21、锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法的应用，应用于巷道锚杆锚固效果监测中，步骤还包括；在巷道内进行锚杆的原位拉拔加载试验，确定锚杆的拉拔力-位移曲线，再利用上述的锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法确定锚固界面承载刚度及剪切刚度。

22、进一步优选的是，锚杆拉拔加载试验的步骤具体包括：

23、a1.根据锚杆锚固长度与自由段长度，并安装千斤顶；

24、a2.通过砂浆将锚杆口抹平，并设置承压垫板；

25、a3.在锚杆尾部设置垫板，安装中空千斤顶；

26、a4.液压加载，记录锚杆拉拔力以及锚杆位移量，绘制锚杆的拉拔-位移曲线。

27、进一步优选的是，在相同锚固剂作用条件下，锚固界面剪切强度与轴向剪切刚度不变，计算获得不同锚固长度下的锚固界面弹性极限锚固力。

28、进一步优选的是，锚固端面轴向承载刚度表征锚固界面的弹性变形特征。

29、进一步优选的是，选取锚杆拉拔加载试验中载荷位移曲线上锚杆弹性阶段的两点，计算锚固端面弹性阶段的载荷增量及位移增量。

30、本发明提供的锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法及应用有益效果是：通过锚杆拉拔试验获得锚固端面的载荷及位移的计算方法，利用锚固端面轴向承载刚度表征锚固界面的弹性变形特征，给出了锚固端面轴向承载刚度及剪切强度的试验标定方法。采用载荷传递法推导锚固界面弹性阶段载荷传递规律，根据锚固端面轴向承载刚度与锚固界面剪切刚度的关系表达式进行计算，确定了锚固界面弹性极限锚固力的计算方法。该方法不受锚固长度的限制，只需通过锚杆拉拔试验获得锚固端面处的载荷-位移曲线，即可通过简单计算获得锚固界面剪切刚度，并对不同锚固长度下的界面弹性极限锚固力进行预计，锚杆的支护设计提供科学依据。应用于已经完成锚杆支护的巷道中，可通过定期进行锚杆拉拔测试试验，对锚固界面承载刚度及剪切刚度的监测，评估巷道内锚杆的支护效果。

技术特征：

1.锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法，其特征在于，步骤包括：

2.根据权利要求1所述的锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法，其特征在于，所述锚固端面弹性承载刚度与轴向剪切刚度关系表达式为：

3.根据权利要求2所述的锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法，其特征在于，所述锚固端面剪应力与轴力的关系表达式为：

4.根据权利要求3所述的锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法，其特征在于，所述锚固界面弹性极限锚固力的关系表达式为：

5.根据权利要求1所述的锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法，其特征在于，在计算确定锚固端面弹性阶段轴向承载刚度和剪切强度时，将锚杆与岩体之间包括锚固剂在内的部分简化为一个综合界面，将锚杆锚固界面的剪切协同变形作用简化为弹簧接触模型，锚杆侧面与岩体之间以切向线弹簧连接，切向线弹簧的刚度即为锚杆锚固界面轴向剪切刚度。

6.锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法的应用，其特征在于，应用于巷道锚杆锚固效果监测中，步骤还包括；在巷道内进行锚杆的原位拉拔加载试验，确定锚杆的拉拔力-位移曲线，再利用权利要求1至5所述的锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法确定锚固界面承载刚度及剪切刚度。

7.根据权利要求6所述的锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法的应用，其特征在于，所述锚杆拉拔加载试验的步骤具体包括：

8.根据权利要求6所述的锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法的应用，其特征在于，在相同锚固剂作用条件下，锚固界面剪切强度与轴向剪切刚度不变，计算获得不同锚固长度下的锚固界面弹性极限锚固力。

9.根据权利要求6所述的锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法的应用，其特征在于，所述锚固端面轴向承载刚度表征锚固界面的弹性变形特征。

10.根据权利要求6所述的锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法的应用，其特征在于，选取锚杆拉拔加载试验中载荷位移曲线上锚杆弹性阶段的两点，计算锚固端面弹性阶段的载荷增量及位移增量。

技术总结
本发明提供了锚杆锚固界面轴向剪切刚度的测试方法及应用，涉及锚杆力学测试技术领域，该方法包括：锚杆拉拔加载试验，确定载荷位移关系曲线；计算锚固端面处的载荷位移曲线；计算确定锚固端面弹性阶段轴向承载刚度和剪切强度；采用载荷传递法推导得到锚固界面弹性阶段剪切位移分布函数和剪应力分布函数；计算确定锚固端面弹性承载刚度与轴向剪切刚度关系；采用MATLAB中的zeroin算法计算确定锚固界面轴向剪切刚度；计算确定锚固端面剪应力与轴力的关系，根据锚杆拉拔测试计算确定锚固界面弹性极限锚固力。该方法应用于巷道锚杆检测，可以对巷道锚杆的锚固承载性能进行有效评价，为巷道围岩支护参数的确定提供参考方法。

技术研发人员：赵同彬,李龙飞,邢明录,王学斌,王晓皓,陈仕伟
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/4