一种利用室内拉拔试验测定锚固界面剪切力学参数的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用室内拉拔试验测定锚固界面剪切力学参数的方法，涉及力学测试试验技术领域。该方法包括：利用短锚杆拉拔试验测量锚固界面轴向刚度及强度，确定锚杆拉拔弹性阶段的界面刚度及强度参数；利用试验机进行锚杆拉拔加载，监测拉拔过程中锚杆的拉伸变形和拔出的相对位移总量，得到锚杆拉拔载荷与相对位移的关系曲线；计算锚杆与锚固基体间的相对位移量；确定锚固界面剪应力与位移的关系曲线；计算锚固界面的轴向抗剪强度，计算锚固界面的轴向剪切刚度。该方法可以确定不同锚杆、不同岩性、不同锚固剂等情况下锚固界面刚度和抗剪强度及其损伤演化规律。抗剪强度及其损伤演化规律。抗剪强度及其损伤演化规律。

【技术实现步骤摘要】
一种利用室内拉拔试验测定锚固界面剪切力学参数的方法


[0001]本专利技术涉及力学测试试验
，尤其是一种利用室内拉拔试验测定锚固界面剪切力学参数的方法。

技术介绍

[0002]锚杆锚固系统的承载作用即在围岩中钻孔并置入锚杆，采用机械方式或粘结材料使得锚杆与围岩间形成有效接触，锚杆通过接触界面传递外部荷载或平衡内部荷载以充分调动围岩自身承载能力，从而形成锚杆
‑
围岩协同工作的强化锚固体系。因此，锚固界面的接触力学性能是决定锚杆锚固系统承载性能的关键。
[0003]螺纹钢锚杆锚固的真实界面物理结构及力学作用比较复杂，包括锚杆与锚固剂的粘结与机械咬合界面、锚固剂与围岩的粘结界面，其以粘结为主，若围岩钻孔粗糙，其机械咬合作用也比较明显。针对真实界面物理结构的模拟分析较为困难，且模拟参数不易通过试验标定。界面模型的建立在于简化原模型并正确表征原模型的力学行为，最简单有效的方法是将真实锚固界面简化为平滑界面，也即将各种肋型结构的锚杆简化为光圆锚杆，将凹凸不平的围岩钻孔简化为光滑钻孔，将有厚度的锚固剂层简化为无厚度的接触面，然后在试验标定和理论分析的基础上，获得界面力学参数，尤其是锚杆拉拔方向的界面刚度、抗剪强度等，以有效模拟室内试验及工程测试结果。
[0004]锚杆锚固界面失效以锚杆与锚固剂或锚固剂与围岩的界面剪切失效为主，界面所能提供的最大剪应力即为抗剪强度。界面刚度是指接触界面在界面应力作用下抵抗界面位移的能力，即抵抗变形或滑移的能力。在有限元计算方面，界面刚度取值过大将引起界面收敛困难及结构整体刚度过高，刚度取值过小会引起结构整体刚度过低。界面刚度性能对于界面的载荷传递及损伤破坏具有重要影响，是控制结构整体刚度及性能的关键因素，界面刚度大小也是理论分析及数值计算的重要参数。

技术实现思路

[0005]为了明确锚固界面轴向剪切刚度与强度参数，有效分析模拟室内试验及工程测试结果，本专利技术提供了一种利用室内拉拔试验测定锚固界面剪切力学参数的方法，其具体的技术方案如下。
[0006]一种利用室内拉拔试验测定锚固界面剪切力学参数的方法，该方法包括：
[0007]S1.通过数值模拟的方法计算短锚杆拉拔试验测量锚固界面轴向刚度及强度，确定锚杆拉拔弹性阶段的界面刚度及强度参数；
[0008]S2.利用试验机进行锚杆拉拔加载试验，监测拉拔过程中锚杆的拉伸变形和拔出的相对位移量，得到锚杆拉拔载荷与相对位移的关系曲线；
[0009]S3.计算锚杆与锚固基体间的相对位移量；
[0010]S4.计算确定锚固界面平均剪应力与位移的关系曲线；
[0011]S5.计算锚固界面的轴向抗剪强度，计算锚固界面的轴向剪切刚度；
[0012]S6.确定锚固界面刚度损伤演化参数。
[0013]优选的是，锚杆拉拔加载试验的步骤包括：
[0014]在材料拉伸试验机上安装锚固拉拔装置，将锚杆拉拔试样的锚固基体放置在锚固拉拔装置内，试验机夹持试验锚杆，试验锚杆的自由端安装U形固定件，锚固基体端口位置安装L形固定件，引伸计两端分别与U形固定件和L形固定件连接，U形固定件和L形固定件之间的间距等于引伸计的标距；材料拉伸试验机对锚杆施加拉拔力，得到锚杆拉拔载荷与锚杆上引伸计固定点之间的相对位移的关系曲线。
[0015]优选的是，锚杆拉拔截面的相对位移δ
s1
的计算方式为：
[0016][0017]其中，δ
s0
为锚杆拉拔端头的位移；l
e
为引伸计的标距；d
b
为锚杆直径；E
b
为锚杆材料的弹性模量。
[0018]优选的是，锚固界面平均剪应力τ
s1
的计算方式为：
[0019][0020]其中，P1为短锚杆拉拔载荷；d
b
为锚固界面直径；l
a
为短锚杆拉拔的锚固长度。
[0021]优选的是，锚固界面的轴向抗剪强度[τ
s
]的计算方式为：
[0022][0023]其中，P
1max
为短锚杆拉拔极限载荷；d
b
为锚固界面直径；l
a
为短锚杆拉拔的锚固长度。
[0024]优选的是，根据锚固界面平均剪应力与位移的关系曲线，计算弹性阶段点处的斜率k
ss1
的计算方式为：
[0025][0026]其中，Δτ
s1
为锚固界面轴向剪应力变化量；Δδ
s1
为锚固界面相对位移变化量，[τ
s
]拉拔极限载荷所对应的抗剪强度；拉拔极限载荷所对应的剪切位移。
[0027]优选的是，锚固界面刚度损伤演化参数包括峰后抗剪强度、峰后剪切刚度、峰后剪切刚度损伤参数。
[0028]优选的是，峰后抗剪强度[τ
′
s
]的计算方式为：
[0029][τ
s
]＝[τ
s
](1
‑
D
τ
)
[0030]其中，D
τ
为抗剪强度损伤变量，[τ
s
]为锚固界面抗剪强度；
[0031]所述峰后剪切刚度k
′
ss1
的计算方式为：
[0032]k
′
ss1
＝k
ss1
(1
‑
D
k
)
[0033]其中，D
k
为轴向剪切刚度损伤变量，k
ss1
为弹性阶段点处的斜率。
[0034]优选的是，轴向剪切刚度损伤变量D
k
的计算方式为：
[0035][0036]其中，δ
s
为峰后锚固界面相对位移；拉拔极限载荷所对应的剪切位移；D
τ
为抗剪强度损伤变量。
[0037]本专利技术提供的一种利用室内拉拔试验测定锚固界面剪切力学参数的方法有益效果包括：
[0038](1)利用短锚杆拉拔试验进行锚固界面力学参数的测量标定，由于短锚杆拉拔的锚固长度较小，锚固长度范围内的锚杆轴力差值较小，可忽略锚杆沿锚固长度的变形量，假定其界面剪应力均匀分布。
[0039](2)考虑到真实界面物理结构的模拟较为困难，模拟参数不易通过试验标定，该方法将真实锚固界面简化为平滑界面，将有厚度的锚固剂层简化为无厚度的接触面，获得锚杆轴向界面刚度、抗剪强度及界面轴向刚度损伤变量，以实现有效模拟，模拟确定测试结果。
[0040](3)该方法中进行锚杆拉拔加载试验时，在锚固基体及锚杆表面固定引伸计的方式测量锚杆端头位移，方法简单实用，测量精度较高，并根据测量结果提出了锚固界面相对位移的计算方法，可有效获得锚固界面剪应力与剪切位移关系曲线。
[0041](4)通过分析短锚杆拉拔试验结果，给出了界面轴向抗剪强度、刚度及其损伤演本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用室内拉拔试验测定锚固界面剪切力学参数的方法，其特征在于，该方法包括：S1.通过数值模拟的方法计算短锚杆拉拔试验测量锚固界面轴向刚度及强度，确定锚杆拉拔弹性阶段的界面刚度及强度参数；S2.利用试验机进行锚杆拉拔加载试验，监测拉拔过程中锚杆的拉伸变形和拔出的相对位移量，得到锚杆拉拔载荷与相对位移的关系曲线；S3.计算锚杆与锚固基体间的相对位移量；S4.计算确定锚固界面平均剪应力与位移的关系曲线；S5.计算锚固界面的轴向抗剪强度，计算锚固界面的轴向剪切刚度；S6.确定锚固界面刚度损伤演化参数。2.根据权利要求1所述的一种利用室内拉拔试验测定锚固界面剪切力学参数的方法，其特征在于，所述锚杆拉拔加载试验的步骤包括：在材料拉伸试验机上安装锚固拉拔装置，将锚杆拉拔试样的锚固基体放置在锚固拉拔装置内，试验机夹持试验锚杆，试验锚杆的自由端安装U形固定件，锚固基体端口位置安装L形固定件，引伸计两端分别与U形固定件和L形固定件连接，U形固定件和L形固定件之间的间距等于引伸计的标距；材料拉伸试验机对锚杆施加拉拔力，得到锚杆拉拔载荷与锚杆上引伸计固定点之间的相对位移的关系曲线。3.根据权利要求1所述的一种利用室内拉拔试验测定锚固界面剪切力学参数的方法，其特征在于，所述锚杆拉拔截面的相对位移δ
s1
的计算方式为：其中，δ
s0
为锚杆拉拔端头的位移；l
e
为引伸计的标距；d
b
为锚杆直径；E
b
为锚杆材料的弹性模量。4.根据权利要求1所述的一种利用室内拉拔试验测定锚固界面剪切力学参数的方法，其特征在于，所述锚固界面平均剪应力τ
s1
的计算方式为：其中，P1为短锚杆拉拔载荷；d
b
为锚固界面直径；l
a
为短锚杆拉拔的锚固长度。5.根据权利要求1所述的一种利用室内拉拔试验测定锚固界面剪切力学参数的方法，其特征在于，所述锚固界面的轴向抗剪强度[τ
s
]的计算方式为：其中，P
1max
为短锚...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭磊，赵同彬，邢明录，刘亚鑫，尹延春，郭伟耀，陈仕伟，王晓皓，李龙飞，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：