一种应力围限条件下玄武岩纤维筋锚索承载力测试装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种应力围限条件下玄武岩纤维筋锚索承载力测试装置及方法。

背景技术

玄武岩纤维筋作为一种新型复合材料，具有强度高、难腐蚀、质量轻等优点，可广泛应用于边坡、隧道等工程的防护与加固，极大的提高了工程防护效果的耐久性和可靠性。其中，玄武岩纤维筋锚索承载力的准确测定是评估其承载力的关键，也是工程应用的前提。

目前，实验室内进行玄武岩纤维筋锚索承载力测试时，由于实样在非应力围限条件下进行测试，一方面这与原位地质条件下的工程实际不匹配，另一方面由于缺少应力围限作用，常常造成拉拔过程中实样的劈裂破坏，无法准确获取承载力参数。为此，本专利提供了一种应力围限条件下玄武岩纤维筋锚索承载力测试装置及方法，采用该装置进行应力围限条件下玄武岩纤维筋锚索承载力测试与实际情况更为符合，其结果可为玄武岩纤维筋锚索应用于工程岩体防护提供技术指导和参数设计。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种应力围限条件下玄武岩纤维筋锚索承载力测试装置及方法，能对不同原位地质条件下玄武岩纤维筋锚索的承载力进行测试，为新型锚索工程应用提供技术支持。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种应力围限条件下玄武岩纤维筋锚索承载力测试装置，包括样品室应力加载系统、样品室固定系统、样品室系统、拉拔系统、数据采集系统。

进一步地，所述样品室应力加载系统包括第一液压泵(100)、液压管线(102)以及液压接头(101)，其中，液压管线(102)一端与第一液压泵(100)连接，另一端与液压接头(101)连接；

所述样品室固定系统包括固定支架底板(201)、固定支架顶板(202)以及固定于固定支架底板(201)底部的固定支架底部螺栓(200)，固定支架顶板(202)中心开有一中心圆孔(211)；

所述样品室系统包括样品室套筒(301)以及恰好套设在样品室套筒(301)内的套筒内套(302)，样品室套筒(301)上设置有用于和所述液压接头(101)连接的液压油通道(303)，该液压油通道(303)上安装有液压油控制阀(304)；套筒内套(302)与样品室套筒(301)之间还设有用于使液压油流入的空腔(300)；

所述拉拔系统包括第二液压泵(500)、下部左夹具(501)、下部右夹具(502)、上部左夹具(503)、上部右夹具(504)、下部升降机(510)、上部升降机(511)以及下部夹具盒(505)和上部夹具盒(506)，其中，下部左夹具(501)和下部右夹具(502)设置在下部夹具盒(505)中且下部夹具盒(505)与下部升降机(510)之间固定，下部升降机(510)可带动下部夹具盒(505)上下移动；上部左夹具(503)和上部右夹具(504)设置在上部夹具盒(506)中且上部夹具盒(506)与上部升降机(511)之间固定，上部升降机(511)可带动上部夹具盒(506)上下移动；

所述数据采集系统包括应变采集仪(600)、第一计算机(104)、第二计算机(550)、粘贴在玄武岩纤维筋上的第一应变片(601)、固定在粘结剂中的第二应变片(602)、设置在第一液压泵(100)上的第一压力表(103)和设置在第二液压泵(500)上的第二压力表(540)，第一应变片和第二应变片均与应变采集仪(600)连接，第一压力表(103)和第二压力表(540)分别与第一计算机(104)和第二计算机(550)连接。

更进一步地，所述固定支架底板(201)和固定支架顶板(202)上均开设有多个用于安装调整螺栓的螺栓孔，固定支架底板(201)上的螺栓孔和固定支架顶板(202)上的螺栓孔数量相等且对应设置，调整螺栓安装在固定支架底板和固定支架顶板上对应的螺栓孔内并通过螺母固定，从而使固定支架底板和固定支架顶板的位置相对固定。

更进一步地，套筒内套两端的外径与样品室套筒的内径相等，套筒内套中间部分的外径小于样品室套筒的内径。

更进一步地，通过该装置测试应力围限条件下玄武岩纤维筋锚索承载力的实验样品包括试样(400)、填充在试样(400)中心空洞(403)的粘结剂(401)以及设置在空洞(403)内并被粘结剂(401)固定的玄武岩纤维筋(402)，试样、粘结剂和玄武岩纤维筋通过粘结剂的粘结作用形成一个整体。

更进一步地，所述的第一应变片用于测定实验样品受拉拔过程中玄武岩纤维筋的应变量，第二应变片用于测定实验样品受拉拔过程中粘结剂的应变量，第一压力表用于测定样品室应力加载系统给实验样品加载的围岩应力，第二压力表用于测定实验样品受到的拉拔力及最终要测试的玄武岩纤维筋锚索的承载力。

更进一步地，所述拉拔系统通过第一开关(520)控制下部左夹具(501)和下部右夹具(502)开合，通过第二开关(530)控制上部左夹具(503)和上部右夹具(504)开合，通过第三开关(521)控制下部升降机(510)上升、下降或停止，通过第四开关(531)控制上部升降机(511)上升、下降或停止，其中，下部左夹具(501)和下部右夹具(502)闭合后紧紧夹住固定支架底部螺栓(200)，上部左夹具(503)和上部右夹具(504)闭合后紧紧夹住玄武岩纤维筋(402)。

更进一步地，所述试样(400)的外径等于套筒内套(302)的内径，试样(400)、样品室套筒(301)及套筒内套(302)三者的高度相等。

更进一步地，固定支架顶板(202)的中心圆孔(211)直径为25mm，空洞(403)的直径为15mm或20mm或25mm。

本发明同时提供一种采用上述测试装置测试应力围限条件下玄武岩纤维筋锚索承载力的方法，具体包括：

(1)将由试样、粘结剂、玄武岩纤维筋组成的实验样品放置于样品室系统的套筒内套中，之后将实验样品和样品室系统组成的整体放置于固定支架底板和固定支架顶板之间，使玄武岩纤维筋上部穿过固定支架顶板的中心圆孔，调整螺母在对应的调整螺栓上的位置，从而调整固定支架底板和固定支架顶板之间的距离，使固定支架底板和固定支架顶板分别与试样的底面和顶面贴合，然后将螺母固定使实验样品和样品室系统组成的整体固定于固定支架底板和固定支架顶板之间；

(2)将液压接头与液压油通道对接后，打开液压油控制阀，启动第一液压泵，向样品室套筒与套筒内套之间的空腔中泵入液压油，通过控制液压泵压力大小对套筒内套中的试样施加压力，即产生作用于试样的围岩应力，施加的压力大小可以通过第一压力表测试；

(3)启动第三开关和第四开关使下部升降机和上部升降机分别带动下部夹具盒和上部夹具盒进行上下移动，使下部左夹具和下部右夹具位于固定支架底部螺栓外周，以及上部左夹具和上部右夹具位于玄武岩纤维筋上部外周；通过第一开关控制下部左夹具及下部右夹具的启闭最终使下部左夹具和下部右夹具夹住固定支架底部螺栓；同样，通过第二开关控制上部左夹具及上部右夹具的启闭最终使上部左夹具和上部右夹具夹住玄武岩纤维筋；之后，使第四开关处于停止状态使上部升降机位置不动，启动第三开关的下降状态使下部升降机下降，通过第二液压泵提供液压动力使下部升降机往下张拉，此时，玄武岩纤维筋及粘结剂受力产生变形，其应变量通过第一应变片和第二应变片测试并通过应变采集仪收集显示，张拉过程中玄武岩纤维筋锚索的承载力通过第二压力表测试，当粘结剂和玄武岩纤维筋两者中的任一个发生破坏时第二压力表所测试的数据便为要测试的应力围限条件下玄武岩纤维筋锚索的承载力。

采用上述技术方案，本发明具有如下优点：

本发明针对实际工程需要，可在圆柱形试样轴心采用钻孔机制造不同直径的空洞，以此进行不同孔径空洞(空洞内灌注粘结剂)条件下玄武岩限纤维筋锚索承载力的测试；通过控制第一液压泵压力大小可实现对套筒内套中圆柱形试样施加压力，产生作用于试样的围岩应力，避免了拉拔试验过程中实验样品的侧向劈裂，并且可以施加不同大小的应力荷载，能更准确的测试不同原位地质条件下玄武岩纤维筋锚索的承载力。使用本发明能对不同围岩应力、不同粘结剂灌注孔径条件下玄武岩纤维筋锚索承载力进行测试，为实际工程应用玄武岩纤维筋锚索进行危岩体加固提供技术指导。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的样品室固定系统示意图：(a)立体图，(b)固定支架顶板示意图，(c)固定支架底部螺栓和固定支架底板示意图。

图3为本发明的样品室系统示意图：(a)立体图，(b)剖面图。

图4为本发明的实验样品示意图：(a)立体图-1，(b)立体图-2，(c)俯视图。

图5本发样品室固定系统、样品室系统、实验样品三者组合的剖面示意图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明采取的技术手段和技术效果，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供如下技术方案：一种测试应力围限条件下玄武岩纤维筋锚索承载力的试验装置，包括样品室应力加载系统、样品室固定系统、样品室系统、实验样品、拉拔系统和数据采集系统。其中：

样品室应力加载系统

样品室应力加载系统包括第一液压泵100、液压管线102、液压接头101；其中，液压管线102一端与第一液压泵100连接，另一端与液压接头101连接。

样品室固定系统

如图2所示，样品室固定系统包括固定支架底板201、固定支架顶板202以及固定于固定支架底板底部的固定支架底部螺栓200，固定支架底部螺栓200焊接于固定支架底板201底部，两者为一个整体，固定支架底部螺栓长度可以为20cm左右。固定支架底板和固定支架顶板均为钢制圆形板；固定支架顶板中心开有一中心圆孔211用于穿过玄武岩纤维筋。固定支架底板和固定支架顶板上均开设有多个用于安装调整螺栓的螺栓孔，多个螺栓孔沿固定支架底板或固定支架顶板的同一圆周均匀分布，固定支架底板上用于安装调整螺栓的螺栓孔和固定支架顶板上用于安装调整螺栓的螺栓孔数量相等且对应设置，调整螺栓安装在固定支架底板和固定支架顶板上对应的螺栓孔内并通过螺母固定，通过调整螺母在调整螺栓上的位置可以调整固定支架底板和固定支架顶板之间的距离，从而可以在测试时根据实验样品的高度使固定支架底板和固定支架顶板分别与实验样品的底面和顶面贴合。螺栓孔的孔径可以是10mm，中心圆孔211的孔径可以是25mm。

图2(b)所示固定支架顶板上均布的4个螺栓孔分别是第一螺栓孔207、第二螺栓孔208、第三螺栓孔209、第四螺栓孔210，4个螺栓孔沿固定支架顶板的同一圆周均布。相应地，固定支架底板上也均布有四个螺栓孔与上述第一螺栓孔207、第二螺栓孔208、第三螺栓孔209、第四螺栓孔210一一对应；第一螺栓2050、第二螺栓2051、第三螺栓2052和第四螺栓2053分别插入固定支架底板和固定支架顶板上对应的螺栓孔内，并通过螺母固定。其中，螺母2060和螺母2064分别安装在螺栓2050的上部和下部，螺母2061和螺母2065分别安装在螺栓2051的上部和下部，螺母2062和螺母2066分别安装在螺栓2052的上部和下部，螺母2063和螺母2067分别安装在螺栓2053的上部和下部。可以根据实际需要，通过调整上述螺母在螺栓上的位置，以控制固定支架底板和固定支架顶板之间的距离。

样品室系统

如图3(a)所示，样品室系统包括圆柱形样品室套筒301以及恰好套设在样品室套筒内的圆柱形套筒内套302，样品室套筒上设置有用于和所述液压接头101连接的液压油通道303，该液压油通道上安装有液压油控制阀304；套筒内套302与样品室套筒301之间还设有用于使液压油流入的空腔300，打开液压油控制阀后，液压油可流入空腔300。套筒内套形状如图3(b)所示，套筒内套两端的外径与样品室套筒的内径相等，保证套筒内套可恰好套入圆柱形样品室套筒；套筒内套中间部分的外径小于样品室套筒的内径，使套筒内套与样品室套筒之间形成用于使液压油流入的空腔300。套筒内套由高强柔性塑料制备，当液压油加入空腔时，随着液压油压力的增加，可以给实验样品中的圆柱形试样施加压力，即产生作用于试样的围岩应力，压力大小根据实际工程条件可以为10MPa、20MPa、30MPa等。

实验样品

如图4所示，通过本发明所述装置进行玄武岩纤维筋锚索承载力测试的实验样品包括圆柱形试样400、填充在圆柱形试样中心空洞403中的粘结剂401以及设置在空洞内并被粘结剂固定的玄武岩纤维筋402，其中，圆柱形试样轴心向采用钻孔机制造空洞403，玄武岩纤维筋置于空洞403中，并向空洞中灌注粘结剂401，使圆柱形试样、粘结剂和玄武岩纤维筋通过粘结剂的粘结作用形成一个整体。圆柱形试样的外径等于套筒内套302的内径，使圆柱形试样刚好放置于套筒内套中，圆柱形试样、圆柱形样品室套筒及套筒内套三者的高度相等。可以通过改变中心空洞403孔径的大小来测试不同孔径空洞(空洞内灌注粘结剂)条件下玄武岩限纤维筋锚索的承载力。

一种具体实施例：如图5所示，圆柱形样品室套筒的内径为60mm，套筒外径为70mm，套筒内套内径为50mm，套筒内套两端外径为60mm，保证套筒内套可恰好套入圆柱形样品室套筒，套筒内套中间部分的外径小于60mm，使套筒内套与样品室套筒之间形成用于使液压油流入的空腔。圆柱形试样的外径为50mm，可使圆柱形试样刚好放置于套筒内套，空洞403直径根据试验需要，可以为15mm、20mm、25mm等；固定支架顶板的中心圆孔的直径为25mm。

拉拔系统

如图1所示，所述的拉拔系统包括第二液压泵500、下部左夹具501、下部右夹具502、上部左夹具503、上部右夹具504、下部升降机510、上部升降机511以及下部夹具盒505和上部夹具盒506，其中，下部左夹具和下部右夹具设置在下部夹具盒中且下部夹具盒与下部升降机之间固定，下部升降机可带动下部夹具盒上下移动(上升或下降)；上部左夹具和上部右夹具设置在上部夹具盒中且上部夹具盒与上部升降机之间固定，上部升降机可带动上部夹具盒上下移动(上升或下降)。拉拔系统通过第二液压泵500控制，该第二液压泵500上还设置有第一开关520、第二开关530、第三开关521、第四开关531以及用于测定拉拔力(即玄武岩纤维筋锚索承载力)的第二压力表540，第二液压泵500用于给上部升降机和下部升降机提供动力使其进行上下移动(上升或下降)。其中，通过第一开关520可以控制下部左夹具和下部右夹具开合，通过第二开关530可以控制上部左夹具和上部右夹具开合，通过第三开关521可以控制下部升降机上升、下降或停止，通过第四开关531可以控制上部升降机上升、下降或停止。第三开关、第四开关应具备三种控制状态，即上升、下降、停止(即关闭断电状态)。下部左夹具和下部右夹具闭合后可紧紧夹住固定支架底部螺栓200，上部左夹具和上部右夹具闭合后可紧紧夹住玄武岩纤维筋402。

需要说明，为了在测试时上部左夹具和上部右夹具能够夹紧玄武岩纤维筋，以及下部左夹具和下部右夹具能够夹紧固定支架底部螺栓，上部左夹具和上部右夹具以及下部左夹具和下部右夹具(以下均称“夹具”)的内壁均设置有牙齿，牙齿上设置有内螺纹丝，夹具及内螺纹丝的设置高度可以是25-50cm，优选30cm，螺纹丝的间距可以是1mm，螺纹丝的刻痕深度可以是1-2mm，相应地，玄武岩纤维筋及固定支架底部螺栓的外周壁上均设置有与相应夹具的内螺纹丝适配的外螺纹丝，上部左夹具和上部右夹具夹住玄武岩纤维筋，以及下部左夹具和下部右夹具夹住固定支架底部螺栓以后，通过内外螺纹丝的配合增加摩擦力，在受拉力测试时，玄武岩纤维筋和固定支架底部螺栓不会从相应的夹具中脱出。也可以进一步采用液压控制的方案给上部左夹具和上部右夹具及下部左夹具和下部右夹具提供动力使其紧紧夹住玄武岩纤维筋及固定支架底部螺栓。

数据采集系统

数据采集系统包括第一计算机104、第二计算机550、应变采集仪600、粘贴在玄武岩纤维筋上的第一应变片601和固定在粘结剂中的第二应变片602、设置在第一液压泵100上的第一压力表103和设置在第二液压泵500上的第二压力表540。第一应变片和第二应变片均与应变采集仪600连接可以采集应变量数据，其中，第一应变片用于测定实验样品受拉拔过程中玄武岩纤维筋的应变量，第二应变片用于测定实验样品受拉拔过程中粘结剂的应变量。第一压力表103和第二压力表540分别与第一计算机104和第二计算机550连接，其中，第一压力表用于测定样品室应力加载系统给实验样品加载的围岩应力，并由第一计算机104实时采集和记录第一压力表输出的压力大小；第二压力表用于测定实验样品受到的拉拔力及最终要测试的玄武岩纤维筋锚索的承载力，并由第二计算机550实时采集和记录第二压力表输出的压力大小。

进一步地，第一应变片601和第二应变片602的量程均为大量程应变片，量程范围为0-15％，其量程超过粘结剂和玄武岩纤维筋这两种材料的在拉拔试验过程中发生破坏时的极限变形能力，可以保证拉拔试验过程中应变片不会因拉力过大或测试对象变形过大而发生破坏，保证应变片可以准确测试拉拔过程中粘结剂和玄武岩纤维筋的变形量。

进一步地，为了避免与第二应变片602连接的导线在拉拔过程中被拉断，可以在第二应变片顶部至粘结剂顶部之间设置一个直径约为3-5mm的塑料软管603，导线与第二应变片602连接后穿过塑料软管引出，然后再与应变采集仪600连接，在拉拔过程中，当实验样品收到拉拔力向下移动时，应变片和塑料软管固定在实验样品的粘结剂中随实验样品下移，但是与第二应变片602连接的导线可以在塑料软管中活动，这样可防止拉拔过程中导线被拉断，避免应变片失效。

采用本发明进行应力围限条件下玄武岩纤维筋锚索承载力测试的方法具体为：

首先，将由圆柱形试样、粘结剂、玄武岩纤维筋组成的实验样品放置于样品室系统的套筒内套中，之后将实验样品和样品室系统组成的整体放置于固定支架底板和固定支架顶板之间，使玄武岩纤维筋上部穿过固定支架顶板的中心圆孔，通过调整样品室固定系统的螺母在对应的调整螺栓上的位置，控制固定支架底板和固定支架顶板之间的距离，使固定支架底板和固定支架顶板分别与圆柱形试样的底面和顶面贴合，然后将螺母固定使实验样品和样品室系统组成的整体固定于固定支架底板和固定支架顶板之间；

其次，将液压接头与液压油通道对接后，打开液压油控制阀，启动第一液压泵，向圆柱形样品室套筒与套筒内套之间的空腔中泵入液压油，通过控制液压泵压力大小对套筒内套中的圆柱形试样施加压力，即产生作用于圆柱形试样的围岩应力，压力大小根据实际工程条件可以为10MPa、20MPa、30MPa等，施加的压力大小可以通过第一压力表显示，并由第一计算机实时采集和记录第一压力输出的压力大小；

最后，启动第三开关和第四开关使下部升降机和上部升降机分别带动下部夹具盒和上部夹具盒进行上下移动，使下部夹具盒中的下部左夹具和下部右夹具位于固定支架底部螺栓外周，以及上部夹具盒中的上部左夹具和上部右夹具位于玄武岩纤维筋上部外周；通过第一开关控制下部左夹具及下部右夹具的启闭最终使下部左夹具和下部右夹具夹住固定支架底部螺栓；同样，通过第二开关控制上部左夹具及上部右夹具的启闭最终使上部左夹具和上部右夹具夹住玄武岩纤维筋；之后，使第四开关处于停止状态使上部升降机位置不动，启动第三开关的下降状态使下部升降机下降，第二液压泵提供液压动力使下部升降机往下张拉，此时，玄武岩纤维筋及粘结剂受拉力产生变形，应变量通过第一应变片和第二应变片测试并通过应变采集仪收集显示，张拉过程中玄武岩纤维筋锚索的承载力通过第二液压泵上的第二压力表显示，并由第二计算机实时采集和记录第二压力表输出的压力大小，当粘结剂和玄武岩纤维筋两者中的任一个先发生破坏时第二压力表所测试的数据便为要测试的应力围限条件下玄武岩纤维筋锚索的承载力。

拉力测试时也可以是控制下部升降机不动，控制上部升降机上升对实验样品进行张拉，从而测试应力围限条件下玄武岩纤维筋锚索的承载力。

需要说明，玄武岩纤维筋锚索有多个部分组成，其中，玄武岩纤维筋和粘结剂只是其中的两部分，实际应用中，一种情况是：玄武岩纤维筋的承载力足够大，但粘结剂的承载力(粘结力)有限，拉力测试中粘结剂受力先发生破坏，此时测试的玄武岩纤维筋锚索的承载力即为粘结剂的承载力。另一种情况是：粘结剂的承载力足够大，但玄武岩纤维筋的承载力有限，拉力测试中玄武岩纤维筋受力先发生破坏，此时测试的玄武岩纤维筋锚索的承载力即为玄武岩纤维筋的承载力。因此，实际测试中，粘结剂和玄武岩纤维筋两者中的任一个先发生破坏时，第二压力表所测试的数据便为应力围限条件下玄武岩纤维筋锚索的承载力，也是本发明要测试的承载力。

以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。