[实用新型]锚杆工程受力模拟实验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及岩土工程领域应用的锚杆在工程现场的受力规律研究，特别是涉及一种锚杆工程受力模拟实验装置。

背景技术

作为一种有效的支护手段，锚杆已经广泛应用于煤矿巷道、山岭隧洞和城市地铁等地下工程的各个领域。然而，由于锚杆-围岩相互作用的复杂性，锚杆的轴力和界面剪应力分布规律尚不明确，在工程实践中还难以对其支护效应进行准确的定量评价，工程支护优化设计仍面临挑战。

如图1所示，地下隧洞开挖后，在原岩应力作用下围岩内表面收敛变形到虚线所示位置，在锚杆外侧一端，即a点附近，围岩产生的位移大于锚杆位移，因此锚杆受到向外的剪切力，锚杆阻止围岩向外运动，起到积极的支护作用；在锚杆内侧一端，即b点附近，锚杆产生的位移大于围岩位移，因此锚杆受到向内的剪切力。上述锚杆-围岩相互作用过程可以概括为著名的“中性点理论”。根据该理论，锚杆围岩相互作用的关键在于围岩在变形的过程中不同部位对锚杆的作用力方向及大小不一致。

研究锚杆工程受力分布规律，要从现场试验和室内模拟实验两方面出发。基于现场试验，可以得到锚杆大致的受力分布规律，但是由于现场条件极其复杂，进行大规模现场试验非常困难，而且不能人为控制边界条件来研究不同因素的影响。相对于现场试验，室内模拟实验简单易行，对于验证理论分析的结论和指导现场工程实践具有重要意义。

但是，由于锚杆和围岩之间复杂的相互作用关系，在实验室一般难以模拟锚杆在工程现场的受力情况。现有的实验室测试中，普遍采用传统的拉拔试验进行锚杆测试，试验过程中锚杆外露端承受拉力，使锚杆从基体中向外拔出；但是，锚杆应用在实际隧洞工程中时，除了预先施加的一部分预应力外，不存在其他的外部拉拔力，而上述围岩变形是导致锚杆受力的最根本原因。由于锚杆在拉拔试验条件下受力状态与现场条件下受力状态有很大差别，故常规拉拔实验不能反映锚杆在现场情况下的受力状态。

发明内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种真实反映锚杆在工程现场受力状态的锚杆工程受力模拟实验装置。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种锚杆工程受力模拟实验装置，包括U型槽、三棱柱垫块、加载垫块、侧挡板、类梯形试件和锚杆试件；

所述的U型槽为整体结构，包括底板和两个侧壁，底板下表面与试验机加载装置接触，承受试验机压力；

所述的三棱柱垫块，两个直角面分别与U型槽的底板和侧壁内表面接触，其斜面与类梯形试件两个斜面匹配，即U型槽的底板和三棱柱的斜面组合形成梯形空间，用于安放类梯形试件；

所述的加载垫块，下半部分为弧形钢板与类梯形试件上表面接触，其两侧与三棱柱垫块斜面之间留有空隙，防止加载过程中两者发生挤压；上半部分呈柱形，与试验机加载装置接触；加载垫块的作用在于将试验机压力均匀传递到类梯形试件上表面；

所述的侧挡板固定在U型槽的前后两侧，其作用在于防止类梯形试件发生轴向变形，以满足平面应变状态的要求，同时防止U型槽的侧壁受压向两侧变形；其制作材料除了选用钢材外，还可以选用高强度透明材料，从而在实验过程中随时观察记录试件的变形破坏情况；

所述的类梯形试件，上下表面为同轴圆弧面，左右侧面的延伸线通过上述圆弧面的轴线，前后侧面垂直于水平面，下表面和U型槽底板内表面之间预留变形空间，在下表面中心设有垂直于其表面的锚杆孔，用于安装锚杆试件，左右侧面与三棱柱垫块斜面接触，前后侧面与侧挡板接触，四个侧面均涂有润滑材料，以减小其受到的剪切力；

所述的锚杆试件，安装在上述类梯形试件的锚孔中，通过砂浆或树脂锚固剂固定。

作为一种优选方式，本实用新型在锚杆的杆体轴向上对称开凿两条矩形凹槽，其中一条用于容置应变测量设备，另一条凹槽底部标注有刻度，以方便测算锚杆实验前后的变形量。

作为一种优选方式，本实用新型在锚杆托盘和试件之间，安装有压力传感器，用于测量锚杆在该位置的轴力。

本实用新型的原理是：

隧洞围岩的受力、变形和破坏问题可以近似认为是轴对称问题。因此，取其一部分（即本实用新型所述类梯形试件）进行试验即可反映围岩整体的性质，相对于全断面实验装置，本实用新型可以开展大比例尺的实验研究。