[发明专利]用于模型试验的微型相似锚杆及其施工方法

说明书

技术领域

本发明涉及隧道、地铁、地下厂房等地下工程的地质力学模型试验用锚固装置，尤其涉及一种岩土工程模型试验中用于模型试验的微型相似锚杆及其施工方法。

背景技术

以相似理论为基础的模型试验，起源于17世纪，经过几个世纪的发展和完善，到20世纪70年代，得到了空前的发展和广泛的应用，其应用领域几乎涉及科学研究的所有学科。地下洞室模型试验正是起始于这一时期，主要是由于交通、水电等工程中一些地下洞室的规模越来越大，需要认真研究其围岩的稳定性。这种需要有力地促进了地下洞室模型试验的发展；反过来，地下洞室模型试验解决了工程实际中的许多当时难以解决的问题，推动了大型地下洞室工程的建设。在国内，地下洞室模型试验开始于20世纪70年代末期80年代初期，也是由于工程建设的需要而发展起来的。要进行地质力学模型试验，就要有相应的锚固装置，因此，下面首先将国内一些主要地质力学模型试验的锚杆及其埋设方法简单说明一下：

(1)长江科学院院报(2006，第6期)介绍了模型试验中一种锚杆的埋设方法，此方法完全按照工程施工顺序，完成打锚杆孔、注浆、安装锚杆的过程。这种相似锚杆埋设技术的主要缺点是：模型试验的相似率一般比较大，打锚杆孔就显得比较密集，容易造成模型的损伤。所以这种操作一般对锚杆进行了一定的简化，几根简化为一根，这样就和实际工程中的锚杆有出入，不能很好的模拟实际工程中的锚杆分布形态。

(2)采矿技术(2007年，第1期)介绍了一种锚杆的埋设方法，将模型材料按照配比混合均匀之后，将锚杆插入，不再拔出，等待模型养护完成，直接使用。这种相似锚杆埋设技术的主要缺点是：不能模拟实际工程中的锚杆注浆过程，实际工程中锚杆浆液的作用也不能由模型试验体现出来。

(3)地下空间(2003年，第2期)介绍了一种锚杆的埋设方法，先在模型试块中预留锚杆孔洞，然后注浆，安装锚杆，最后加压测试。这种相似锚杆埋设技术的主要缺点是：不能模拟在加压情况下的安装锚杆并完成注浆过程，锚杆的安装方案不符合实际工程的操作顺序；不能在模型试验洞室里进行这样的操作，仅适合单个块体的试验研究。

上述试验装置及加载系统普遍存在如下缺点：

(1)在打锚杆孔的过程中，锚杆比较密集，容易造成模型损伤；在模型试验洞室内打孔，操作复杂、不易成功。

(2)由于打的锚杆孔太密集等客观原因而对锚杆进行了一定的简化之后，几根简化为一根，这样就和实际工程中的锚杆有出入，不能很好的模拟实际工程中的锚杆分布形态。

(3)注浆材料没有经过严格的挑选，或者没有注浆材料。在模型上安装相似锚杆之前，没有进行相应的拉拔试验，不能保证注浆材料的质量。

(4)由于浆液流动性差等原因，注浆不能保证注满孔洞。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种具有方法简单，操作方便，可满足试验要求等优点的用于模型试验的微型相似锚杆及其施工方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

微型相似锚杆使用的是一种高分子聚合物材料——尼龙棒。尼龙棒呈白色或微黄色半透明状，质轻且坚硬，具有吸水性小，尺寸稳定性好，无毒，电绝缘性能优异等特点。

所述的尼龙棒的弹性模量为1.2~1.4GPa，长度为6cm，直径为7.2mm。其长度根据相似理论，按公式l′＝l/c，式中，l′是相似锚杆长度，l是实际锚杆长度，c是模型试验与实际工程的相似率；

由于在模型试验中的锚杆是把n根实际工程中的锚杆简化为模型试验中的一根，所以，根据相似理论，模型试验使用的锚杆面积为：s′＝n×s/c，式中，s′是相似锚杆的面积，s是实际锚杆面积，c是模型试验与实际工程的相似率；

相似锚杆的弹性模量，根据相似理论，模型实验使用的锚杆弹性模量E′＝E/c，E′是相似锚杆的弹性模量，E是实际锚杆的弹性模量，c是模型试验与实际工程的相似率；

最大拉应力设计，根据相似理论，模型实验使用的相似锚杆最大拉应力σ′＝σ/c，式中，σ′是相似锚杆的最大拉应力，σ是实际锚杆的最大拉应力，c是模型试验与实际工程的相似率。

模型试验的微型相似锚杆施工方法可分为如下施工步骤.

1)制作锚孔，将预埋锚杆按照模型设计要求预先埋设于模型预制块中；

2)制作模型体，把埋设有预埋锚杆的模型预制块按照施工方案砌筑于模型体中；

3)在开挖过程中，每开挖到一个设有预埋锚杆的位置，拔出预埋锚杆，形成锚杆孔，采用针管注浆技术，完成注浆插锚操作，并在微型相似锚杆末端粘好微型托盘，完成施工。