一种可视化的锚杆室内拉拔试验装置和试验方法

1.本发明涉及锚杆力学性能测试及作用机理研究技术领域，尤其是提供了一种可视化的锚杆室内拉拔试验装置和试验方法。


背景技术：

2.对于开挖卸载的岩土工程而言，支护结构重在对围岩进行应力补偿和围岩加固，充分发挥围岩的主动承载作用。锚杆是一种结构简单的支护手段，它能最大限度地保持围岩的完整性、稳定性，能有效地控制围岩变形、位移和裂缝的发展，充分发挥围岩自身的支撑作用，把围岩从荷载变为承载体，其具有施工进度快、施工效率高、施工成本低、支护效果好等优点。
3.为了工程设计的需要，深入研究锚杆的作用机理，不仅需研究锚杆体的应力应变演变，还需重视岩土体内部的附加应力场变化。锚杆与岩体间的有机结合是产生锚固力的保证，而锚固方式和锚杆辅助构件的性能及其配置决定着这种结合的紧密程度，锚固方式的不同将导致锚杆作用机理的不同。深部岩体与浅部岩体主要区别在于岩体所处应力环境的差别，应力环境的不同导致岩体物理力学特性不同，进而导致岩体强度和变形性质的明显差异。
4.锚杆属于典型的隐蔽工程，传统的锚杆室内拉拔试验装置不能给锚杆四周的岩土体实施额外应力，导致锚杆的室内拉拔试验不能完全模拟实际的工程环境。现场监测和传统的试验手段往往无法实现周边岩土体的全域应变监测，而数值模拟存在诸多假设，无法反映真实的应变场变化。且围岩在锚杆施加、作用过程中的应力应变动态变化也未能实现同步监测，也就无法开展不同拉拔速率影响的研究。
5.综上，现有技术缺少一种在锚杆(索)拉拔作用下，广泛适用于各类岩土体材料、可复现不同应力环境、适用于各种形式锚杆索、可观测不同拉拔速率影响、实现全域应变实时监测的试验装置。


技术实现要素：

6.针对上述技术问题，本发明提供了一种可视化的锚杆室内拉拔试验装置和试验方法，适用于各类岩土体材料、各种形式锚杆索、以达到能够动态监测锚杆及加锚岩体内部应变演变的、复现不同应力环境的目的。
7.为了达到上述目的，第一方面，本发明提供了一种可视化的锚杆室内拉拔试验装置，包括围压加载系统、锚杆拉拔系统和应变监测系统；所述围压加载系统包括立体框架、加载千斤顶和透明加载板；所述立体框架内设置有加锚岩体，所述透明加载板包括多个并分别围设在所述加锚岩体的横向外周各侧面；所述加载千斤顶包括多个并分别阵列布置在所述立体框架横向外周各侧面，各所述加载千斤顶的活动杆朝向所述立体框架的中心处伸出并分别与相邻侧的透明加载板连接；所述锚杆拉拔系统包括待测锚杆和拉拔千斤顶；所述加锚岩体内设置有沿纵向延伸、前端与外部连通的定位孔道，所述待测锚杆居中穿设在
所述定位孔道内并且前端延伸至定位孔道端附近，所述定位孔道与待测锚杆之间浇筑有用于固定待测锚杆的浆体；所述拉拔千斤顶设置在所述加锚岩体的纵向前侧，拉拔千斤顶的活动杆与待测锚杆的前端连接；所述监测系统包括应力监测器、应变监测器和非接触式全场应变监测器；所述应力监测器用于监测所述待测锚杆的应力值；所述应变监测器用于监测所述加锚岩体的应变值；所述非接触全场应变监测器用于监测所述加锚岩体的平面应变场变化。
8.在一些优选的技术方案中，所述立体框架为长方体状的预制框架，所述加载千斤顶设置于所述长方体框架的四个横向相对侧面，各侧面的加载千斤顶沿着长度方向阵列布置，所述透明加载板为长方形板件，所述透明加载板包括四个并分别设置于所述加锚岩体的四个横向相对侧面，各侧的千斤顶的活动杆与相邻侧的透明加载板。
9.在一些优选的技术方案中，所述加锚岩体为预制混凝土或真实岩土体，所述加锚岩体设置为长方体，所述定位孔道沿所述长方体的长度方向居中设置。
10.在一些优选的技术方案中，所述锚杆拉拔系统还包括锚垫板，所述锚垫板贴设在所述加锚岩体的前表面并与所述定位孔道的前端相对布置，所述拉拔千斤顶通过锚垫板支撑，拉拔千斤顶的活动杆与所述待测锚杆的前端连接。
11.在一些优选的技术方案中，所述待测锚杆为粘结端锚式预应力锚杆，所述粘结端锚式预应力锚杆的自由段套装pvc塑料管并一体浇筑成型；或者，所述待测锚杆为锚索件。
12.在一些优选的技术方案中，所述应力监测器设置在所述待测锚杆上并用于监测所述待测锚杆的应力值，所述应变监测器埋设与所述加锚岩体内部并用于监测所述加锚岩体的应变值。
13.在一些优选的技术方案中，所述非接触全场应变测量系统包括采用工业摄像头，所述工业摄像头实时采集物体各个变形阶段的数字图像，所述立体框架设置有观测视窗以及用于安装所述工业摄像头的架体。
14.为了达到上述目的，第二方面，本发明提供了一种可视化的锚杆室内拉拔试验方法，使用上述的可视化的锚杆拉拔试验装置进行试验，包括：
15.s1：将应变监测器安放在固定位置，预制加锚岩体；
16.s2：设置围压，通过立体框架周向布置的加载千斤顶为加锚岩体加载至指定压力；
17.s3：在预制加锚岩体表面钻取定位孔道，选定待测锚杆的形式并安装应力监测器，将待测锚杆置于定位孔道内并浇筑浆体固定；
18.s4：待浆体凝结后，套装锚垫板，通过拉拔千斤顶对待测锚杆进行分级拉拔试验，同时记录应力监测器的拉力和位移、应变监测器的位移，以及非接触全场应变测量系统监测的岩土体表面的平面应变场变化，直至锚杆被拉出或断裂；
19.s5：开展同种锚杆，不同a、b预设值的平行实验，统计监测数据；
20.s6：通过汇总对比相距锚杆中心相同距离位置处的加锚岩体平面应变监测结果与埋入式混凝土应变计读数，确定修正系数，消除边界条件的影响。
21.s7：循环s1-s6步骤，开展不同锚杆形式、不同拉拔速率、不同锚固段长度、不同锚杆直径等多因素平行实验，充分掌握待测锚杆锚固机理。
22.在一些优选的技术方案中，所述步骤s4包括：
23.s401：所述非接触全场应变测量系统实时采集物体各个变形阶段的数字图像；
24.s402：利用数字图像相关算法进行物体表面变形点的匹配，重建出匹配点的坐标；
25.s403：通过汇总距待测锚杆中心不同距离处的平面应变，最终实现相同工况下的全域应变监测。
26.在一些优选的技术方案中，非接触全场应变测量系统监测方法包括：
27.s40a：设置不同a、b取值开展多工况研究；
28.s40b：距离每个工况观测距离待测锚杆(7)中心距离a、b、(x-a)、(y-b)共四个截面的平面应变；
29.s40c：全面研究据锚杆中心不同距离处的平面应变情况。
30.现对于现有技术，本发明的技术优势主要体现在：
31.本发明提供的一种可视化的锚杆室内拉拔试验装置和方法，围压加载系统的立体框架内设置有加锚岩体，通过加载千斤顶对加锚岩体的横向外周各侧面施加载荷，模拟围压加载工况；在加锚岩体内设置有沿纵向延伸定位孔道，将锚杆拉拔系统的待测锚杆穿设在所述定位孔道内并通过浆体固定，通过拉拔千斤顶对待测锚杆施加载荷；监测系统的应力监测器监测所述待测锚杆的应力值、应变监测器监测所述加锚岩体的应变值、非接触全场应变监测器监测所述加锚岩体的平面应变场变化，能够适用于各类岩土体材料、各种形式锚杆索、动态监测锚杆及加锚岩体内部应变演变的、复现不同应力环境；复现锚杆作用于实际工程的真实应力环境，可观测不同拉拔速率对锚固系统的影响，可观测不同锚垫板形状及尺寸对锚固系统的影响，适用于多种形式的锚杆(索)作用机理研究，结构简单，操作便利。
附图说明
32.下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
33.图1是所提供的可视化的锚杆室内拉拔试验装置的优选实施例的结构示意图。
34.图2是所提供的可视化的锚杆室内拉拔试验装置的优选实施例的结构示意图整体剖面示意图。
35.图3是所提供的可视化的锚杆室内拉拔试验装置的定位孔道相对位置示意图。
36.图4是所提供的可视化的锚杆室内拉拔试验方法的优选实施例的流程框图。
37.图5是非接触全场应变测量系统监测方法的流程框图。
38.图6是据锚杆中心不同距离处非接触全场应变测量方法的流程框图。
39.图中，1立体框架，2观测视窗，3加载千斤顶，4透明加载板，5加锚岩体，6定位孔道，7待测锚杆，8锚垫板，9拉拔千斤顶，10工业摄像头。
具体实施方式
40.锚杆在现场监测和传统的试验手段往往无法实现周边岩土体的全域应变监测，而数值模拟存在诸多假设，无法反映真实的应变场变化。且围岩在锚杆施加、作用过程中的应力应变动态变化也未能实现同步监测，也就无法开展不同拉拔速率影响的研究。
41.为此，本发明提供了一种可视化的锚杆室内拉拔试验装置和试验方法，下面结合
附图对本发明的优选实施例进行详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
42.如图1、图2和图3所示，本发明提供的一种可视化的锚杆室内拉拔试验装置，包括围压加载系统、锚杆拉拔系统和应变监测系统；围压加载系统包括立体框架1、加载千斤顶3和透明加载板4；立体框架1内设置有加锚岩体5，透明加载板4包括多个并分别围设在加锚岩体5的横向外周各侧面；加载千斤顶3包括多个并分别阵列布置在立体框架1横向外周各侧面，各加载千斤顶3的活动杆朝向立体框架1的中心处伸出并分别与相邻侧的透明加载板4连接；锚杆拉拔系统包括待测锚杆7和拉拔千斤顶9；加锚岩体5内设置有沿纵向延伸、前端与外部连通的定位孔道6，待测锚杆7居中穿设在定位孔道6内并且前端延伸至定位孔道6端附近，定位孔道6与待测锚杆7之间浇筑有用于固定待测锚杆7的浆体；拉拔千斤顶9设置在加锚岩体5的纵向前侧，拉拔千斤顶9的活动杆与待测锚杆7的前端连接；监测系统包括应力监测器、应变监测器和非接触式全场应变监测器；应力监测器用于监测待测锚杆7的应力值；应变监测器用于监测加锚岩体5的应变值；非接触全场应变监测器用于监测加锚岩体5的平面应变场变化。所提供的可视化的锚杆室内拉拔试验装置，结构简单，操作便利，能够广泛适用于各类岩土体材料、可复现不同应力环境、适用于各种形式锚杆索、可观测不同拉拔速率影响、实现全域应变实时监测，便于大规模制造推广。
43.在一些优选的实施例中，立体框架1为长方体状的预制框架，加载千斤顶3设置于长方体框架的四个横向相对侧面，各侧面的加载千斤顶3沿着长度方向阵列布置。同时，加锚岩体5为预制混凝土或真实岩土体，加锚岩体5设置为长方体，定位孔道6沿长方体的长度方向居中设置。其中，透明加载板4为长方形板件，透明加载板4包括四个并分别设置于加锚岩体5的四个横向相对侧面，各侧的千斤顶的活动杆与相邻侧的透明加载板4。在一些优选的实施例中，锚杆拉拔系统还包括锚垫板8，锚垫板8贴设在加锚岩体5的前表面并与定位孔道6的前端相对布置，拉拔千斤顶9通过锚垫板8支撑，拉拔千斤顶9的活动杆与待测锚杆7的前端连接。上述结构适用于各类岩土体材料，包括均匀连续介质、不同相对位置及角度的节理岩体、随机节理裂隙岩体等；通过加载千斤顶群与预制框架施加围压，双向可分别施加两组不同大小围压，复现锚杆作用于实际工程的真实应力环境。
44.在一些优选的实施例中，待测锚杆7为粘结端锚式预应力锚杆，粘结端锚式预应力锚杆的自由段套装pvc塑料管并一体浇筑成型；或者，待测锚杆7为锚索件。可观测不同拉拔速率对锚固系统的影响；可观测不同锚垫板形状及尺寸对锚固系统的影响；适用于机械端锚式预应力锚杆、端部黏结式预应力锚杆、全长黏结式普通锚杆等多种形式的锚杆(索)作用机理研究；在一些优选的实施例中，应力监测器设置在待测锚杆7上并用于监测待测锚杆7的应力值，应变监测器埋设与加锚岩体5内部并用于监测加锚岩体5的应变值。同时，非接触全场应变测量系统包括采用工业摄像头10，工业摄像头10实时采集物体各个变形阶段的数字图像，立体框架1设置有观测视窗2以及用于安装工业摄像头10的架体。可实现锚杆施作、锚杆拉拔、锚固系统失效的全过程锚杆变形、岩土体变形及锚固体破坏的实时监测。
45.图4是所提供的可视化的锚杆室内拉拔试验方法的优选实施例的流程框图。如图4所示，在一些优选的实施例中，所提供的可视化的锚杆室内拉拔试验方法，使用可视化的锚杆拉拔试验装置进行试验，步骤包括：
46.s1：将应变监测器安放在固定位置，预制加锚岩体5；
47.s2：设置围压，通过立体框架1周向布置的加载千斤顶3为加锚岩体5加载至指定压力；
48.s3：在预制加锚岩体5表面钻取定位孔道6，选定待测锚杆7的形式并安装应力监测器，将待测锚杆7置于定位孔道6内并浇筑浆体固定；
49.s4：待浆体凝结后，套装锚垫板8，通过拉拔千斤顶9对待测锚杆7进行分级拉拔试验，同时记录应力监测器的拉力和位移、应变监测器的位移，以及非接触全场应变测量系统监测的加锚岩体5表面的平面应变场变化，直至待测锚杆7被拉出或断裂；
50.s5：开展同种锚杆，不同a、b预设值的平行实验，统计监测数据；
51.s6：通过汇总对比相距锚杆中心相同距离位置处的加锚岩体5平面应变监测结果与埋入式混凝土应变监测器读数，确定修正系数，消除边界条件的影响；
52.s7：循环s1-s6步骤，开展不同待测锚杆7形式、不同拉拔速率、不同锚固段长度、不同待测锚杆7直径等多因素平行实验，以充分掌握待测锚杆7锚固机理。
53.所提供的试验方法能够实现周边岩土体的全域应变监测、反映真实的应变场变化。围岩在锚杆施加、作用过程中的应力应变动态变化也未能实现同步监测，能够开展不同拉拔速率影响的研究。
54.图5是非接触全场应变测量系统监测方法的流程框图。如图5所示，在一些优选的实施例中，步骤s4包括：
55.s401：所述非接触全场应变测量系统实时采集物体各个变形阶段的数字图像；
56.s402：利用数字图像相关算法进行物体表面变形点的匹配，重建出匹配点的坐标；
57.s403：汇总距待测锚杆7中心不同距离处的平面应变，最终实现相同工况下的全域应变监测。
58.这种方案的试验方法汇总距待测锚杆7中心不同距离处的平面应变，最终实现相同工况下的全域应变监测，使得试验结果能够更加客观、全面的反映待测锚杆的应变情况。
59.图6是据锚杆中心不同距离处非接触全场应变测量方法的流程框图。如图6所示，在一些优选的实施例中，非接触全场应变测量系统监测方法包括：
60.s40a：设置不同a、b取值开展多工况研究；
61.s40b：距离每个工况观测距离待测锚杆(7)中心距离a、b、(x-a)、(y-b)共四个截面的平面应变；
62.s40c：全面研究据锚杆中心不同距离处的平面应变情况。
63.这种方案的非接触全场应变测量系统监测方法能够全面研究据锚杆中心不同距离处的平面应变情况，更加详细的从不同方位反映待测锚杆7的受力产生的应变情况。
64.以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.一种可视化的锚杆室内拉拔试验装置，其特征在于：包括围压加载系统、锚杆拉拔系统和应变监测系统；所述围压加载系统包括立体框架(1)、加载千斤顶(3)和透明加载板(4)；所述立体框架(1)内设置有加锚岩体(5)，所述透明加载板(4)包括多个并分别围设在所述加锚岩体(5)的横向外周各侧面；所述加载千斤顶(3)包括多个并分别阵列布置在所述立体框架(1)横向外周各侧面，各所述加载千斤顶(3)的活动杆朝向所述立体框架(1)的中心处伸出并分别与相邻侧的透明加载板(4)连接；所述锚杆拉拔系统包括待测锚杆(7)和拉拔千斤顶(9)；所述加锚岩体(5)内设置有沿纵向延伸、前端与外部连通的定位孔道(6)，所述待测锚杆(7)居中穿设在所述定位孔道(6)内并且前端延伸至定位孔道(6)端附近，所述定位孔道(6)与待测锚杆(7)之间浇筑有用于固定待测锚杆(7)的浆体；所述拉拔千斤顶(9)设置在所述加锚岩体(5)的纵向前侧，拉拔千斤顶(9)的活动杆与待测锚杆(7)的前端连接；所述监测系统包括应力监测器、应变监测器和非接触式全场应变监测器；所述应力监测器用于监测所述待测锚杆(7)的应力值；所述应变监测器用于监测所述加锚岩体(5)的应变值；所述非接触全场应变监测器用于监测所述加锚岩体(5)的平面应变场变化。2.根据权利要求1所述的可视化的锚杆室内拉拔试验装置，其特征在于：所述立体框架(1)为长方体状的预制框架，所述加载千斤顶(3)设置于所述长方体框架的四个横向相对侧面，各侧面的加载千斤顶(3)沿着长度方向阵列布置，所述透明加载板(4)为长方形板件，所述透明加载板(4)包括四个并分别设置于所述加锚岩体(5)的四个横向相对侧面，各侧的千斤顶的活动杆与相邻侧的透明加载板(4)。3.根据权利要求1或2所述的可视化的锚杆室内拉拔试验装置，其特征在于：所述加锚岩体(5)为预制混凝土或真实岩土体，所述加锚岩体(5)设置为长方体，所述定位孔道(6)沿所述长方体的长度方向居中设置。4.根据权利要求1或2所述的可视化的锚杆室内拉拔试验装置，其特征在于：所述锚杆拉拔系统还包括锚垫板(8)，所述锚垫板(8)贴设在所述加锚岩体(5)的前表面并与所述定位孔道(6)的前端相对布置，所述拉拔千斤顶(9)通过锚垫板(8)支撑，拉拔千斤顶(9)的活动杆与所述待测锚杆(7)的前端连接。5.根据权利要求1所述的可视化的锚杆室内拉拔试验装置，其特征在于：所述待测锚杆(7)为粘结端锚式预应力锚杆，所述粘结端锚式预应力锚杆的自由段套装pvc塑料管并一体浇筑成型；或者，所述待测锚杆(7)为锚索件。6.根据权利要求1所述的可视化的锚杆室内拉拔试验装置，其特征在于：所述应力监测器设置在所述待测锚杆(7)上并用于监测所述待测锚杆(7)的应力值，所述应变监测器埋设与所述加锚岩体(5)内部并用于监测所述加锚岩体(5)的应变值。7.根据权利要求1或6所述的可视化的锚杆室内拉拔试验装置，其特征在于：所述非接触全场应变测量系统包括采用工业摄像头(10)，所述工业摄像头(10)实时采集物体各个变形阶段的数字图像，所述立体框架(1)设置有观测视窗(2)以及用于安装所述工业摄像头(10)的架体。8.一种可视化的锚杆室内拉拔试验方法，使用权利要求1至7任一项所述的可视化的锚杆拉拔试验装置进行试验，其特征在于：
s1：将应变监测器安放在固定位置，预制加锚岩体(5)；s2：设置围压，通过立体框架(1)周向布置的加载千斤顶(3)为加锚岩体(5)加载至指定压力；s3：在预制加锚岩体(5)表面钻取定位孔道(6)，选定待测锚杆(7)的形式并安装应力监测器，将待测锚杆(7)置于定位孔道(6)内并浇筑浆体固定；s4：待浆体凝结后，套装锚垫板(8)，通过拉拔千斤顶(9)对待测锚杆(7)进行分级拉拔试验，同时记录应力监测器的拉力和位移、应变监测器的位移，以及非接触全场应变测量系统监测的加锚岩体(5)表面的平面应变场变化，直至待测锚杆(7)被拉出或断裂；s5：开展同种锚杆，不同a、b预设值的平行实验，统计监测数据；s6：通过汇总对比相距锚杆中心相同距离位置处的加锚岩体(5)平面应变监测结果与埋入式混凝土应变监测器读数，确定修正系数，消除边界条件的影响；s7：循环s1-s6步骤，开展不同待测锚杆(7)形式、不同拉拔速率、不同锚固段长度、不同待测锚杆(7)直径等多因素平行实验，以充分掌握待测锚杆(7)锚固机理。9.根据权利要求8所述的可视化的锚杆室内拉拔试验方法，其特征在于，所述步骤s4包括：s401：所述非接触全场应变测量系统实时采集物体各个变形阶段的数字图像；s402：利用数字图像相关算法进行物体表面变形点的匹配，重建出匹配点的坐标；s403：汇总距待测锚杆(7)中心不同距离处的平面应变，最终实现相同工况下的全域应变监测。10.根据权利要求8或9所述的可视化的锚杆室内拉拔试验方法，其特征在于，非接触全场应变测量系统监测方法包括：s40a：设置不同a、b取值开展多工况研究；s40b：距离每个工况观测距离待测锚杆(7)中心距离a、b、(x-a)、(y-b)共四个截面的平面应变；s40c：全面研究据锚杆中心不同距离处的平面应变情况。

技术总结
本发明公开了一种可视化的锚杆室内拉拔试验装置和试验方法，装置的围压加载系统的立体框架内设置有加锚岩体，透明加载板围设在加锚岩体的横向外周各侧面，各加载千斤顶的活动杆与透明加载板连接，加锚岩体内设置有定位孔道，锚杆拉拔系统的待测锚杆穿设在定位孔道内并通过浆体固定，拉拔千斤顶与待测锚杆连接；监测系统的应力监测器用于监测待测锚杆的应力值，应变监测器用于监测加锚岩体的应变值，非接触全场应变监测器用于监测加锚岩体的平面应变场变化。本发明所提供的装置能够反映真实的应变场变化，且围岩在锚杆施加、作用过程中的应力应变动态变化能实现同步监测，适合于开展不同拉拔速率影响的研究。开展不同拉拔速率影响的研究。开展不同拉拔速率影响的研究。


技术研发人员：王志军 李杨 刘利 朱瑞扩 朱正国 韩宝华 董宇苍 钱政权 王聪 尚颋 蒋大良 贺常松 刘锦良
受保护的技术使用者：石家庄铁道大学 中国铁建股份有限公司
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/9/14