[发明专利]压拉转换加载装置及加锚岩体协同变形测试方法

权利要求书

1.一种采用压拉转换加载装置进行加锚岩体协同变形的测试分析方法，其特征在于，该测试分析方法的具体步骤如下：

(1)构建一种通过单轴压力试验机实现压拉转换的加载装置，具体过程如下：所述通过单轴压力试验机实现压拉转换的加载装置包括：两组钢板及两组连接杆件，每块钢板设有四个螺栓孔，一组钢板包括上承压钢板和下施拉钢板，另一组包括上施拉钢板和下承压钢板，上、下施拉钢板有一中心突起圆柱，连接杆件两端带有螺纹，恰好能放入各钢板的螺栓孔；一对钢球，钢球内部有螺栓孔；一对安装钢板，安装钢板周围有四个螺栓孔，板中心有用于锚杆安装的孔；一对空心圆柱体，空心圆柱体一端带有内径略小于钢球的圆环，另一端边缘处有四个螺栓孔对应于安装钢板螺栓孔；

所述两组钢板交叉排列用连接杆件通过螺栓和垫片连接；其中，施拉钢板中心处的突起圆柱相对排列于中间部分，组成装置的主体部分；所述中心突起圆柱用于连接放入空心圆柱体的钢球，所述钢球内部提前车有螺栓孔用于连接中心突起圆柱；所述空心圆柱体与安装钢板分别通过螺栓进行连接；所述岩体试件通过高强度树脂与安装钢板连接，锚杆穿过安装钢板中心小孔通过螺帽进行固定；

(2)安装压拉转换加载装置与进行加锚岩体协同变形测试，具体步骤如下：

1)提前在锚杆两端加工螺纹，在锚杆的中部位置粘贴应变片；处理好的锚杆通过一种使用先张法施加预应力的长方体浇筑模具施加预应力，锚杆长于模具的长边，在模具短边钢板中心处有一锚杆孔，锚杆沿长边方向穿过短边钢板的锚杆孔后，使用螺帽在模具外侧对锚杆进行固定；将应变片连接到应变仪，通过不断拧紧固定锚杆的螺帽，对锚杆施加预应力，通过观察应变仪的数值变化确保预应力施加到目标值；保持锚杆此时的状态，解除与应变仪的连接；制备所要模拟岩体的砂浆材料，将其注入模具中；保持锚杆在螺帽拧紧的状态下，让试样在标准条件下养护28天；待试件养护完成后，卸去锚杆两端拧紧的螺帽，拆除浇筑模具，在岩体试件表面中部位置处粘贴应变片；

2)将上述制备完成的岩体试件和锚杆分别与压拉转换加载装置进行连接，岩体试件使用高强度树脂与安装钢板进行粘接，锚杆两端穿过安装钢板中心孔后，使用螺帽进行固定；

3)施拉钢板中心突起圆柱在端部有一螺栓，将放入空心圆柱体中的钢球与所述中心突起圆柱端部的螺栓经由钢球螺栓孔进行螺栓连接；

4)将已连接好试样的安装钢板的螺栓孔与步骤3)中的空心圆柱体边缘处的螺栓孔对齐后，通过螺栓进行连接固定；

5)用连接杆件将承压钢板与施拉钢板进行连接，至此装有加锚岩体试样的压拉转换加载装置安装完毕；

6)将压拉转换加载装置安装到单轴压力试验机上，运行单轴压力试验机，进行加锚岩体试样的直接拉伸力学试验；

7)锚杆和岩体试件的应变通过预先贴好的应变片将应变数据传输到电脑终端，实现加锚岩体协同变形的测试，得到锚杆和岩体协同变形的试验数据；

(3)拉伸试验完成后，压拉转换加载装置及加锚岩体的拆除，具体步骤如下：

1)运行单轴压力试验机，将施加于压拉转换加载装置的压力卸去；

2)取下压拉转换加载装置，将承压钢板和施拉钢板与连接杆件连接的螺栓分别拆除；

3)将安装钢板与空心圆柱的螺栓连接分别拆除；

4)将施拉钢板与钢球的螺栓连接分别拆除；

5)将锚杆两端的螺栓连接拆除，除去安装钢板上的高强度树脂，取出拉伸后的加锚岩体试样；

(4)进行单轴拉伸作用下加锚岩体蠕变特性的黏弹性理论分析。

2.根据权利要求1所述的一种采用压拉转换加载装置进行加锚岩体协同变形的测试分析方法，其特征在于，进行单轴拉伸作用下加锚岩体蠕变特性的黏弹性理论分析，具体分析步骤如下：

(1)建立锚杆加固蠕变岩体试样的力学分析模型，进行单轴拉伸作用下锚杆与岩体协同变形的受力分析，具体方法如下：忽略岩体自重和其他应力因素的影响，只考虑单轴拉伸作用，同时假定锚杆和岩体的变形一致，加锚岩体试样的受力由锚杆和岩体共同承担，故有：

ε＝ε_r＝ε_b                                (1)

式中，ε和σ分别为加锚岩体试样的总应变和总应力；ε_r和ε_b分别为岩体和锚杆的应变；σ_r和σ_b分别为岩体和锚杆各自承受的应力；A、A_r和A_b分别为加锚岩体试样总横截面积、岩体横截面积和锚杆横截面积；β为锚杆横截面积与试样总横截面积的比值；

(2)考虑岩体在直接拉伸作用下的蠕变特性，建立岩体的一维蠕变力学模型，具体方法如下，选用广义Kelvin模型作为岩体的蠕变模型，其本构方程为：

式中，E₁和E₂分别为岩体的瞬时弹性模量和黏弹性模量；η为黏滞系数；为σ_r对时间t的一阶导数；为ε_r对时间t的一阶导数；在考虑岩体的蠕变特性时，将锚杆作用等效转化为一根大刚度弹簧，应力应变满足胡克定律，即：

σ_b＝E_bε_b                                   (4)

式中E_b为锚杆的弹性模量；

(3)推导单轴拉伸作用下加锚岩体的黏弹性蠕变理论公式；具体方法如下：根据单轴拉伸作用下锚杆和岩体的受力情况和锚杆与岩体各自的本构方程，令试样受到的恒定总应力为σ₀，整理可得：

解得：

式中，t为蠕变时间；q₀＝E₂；q₁＝η₁；

(4)对比分析推导的理论公式的计算结果与已进行试验得到的结果；以试验结果为参考对象进行比较分析，根据上述建立的理论模型，通过不断调整力学参数，使计算得到的协同变形曲线逐渐逼近试验所得到的协同变形曲线。