專利名稱：用于模型試驗的微型相似錨桿及其施工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及隧道、地鐵、地下廠房等地下工程的地質(zhì)力學模型試驗用錨固裝置，尤其涉 及一種巖土工程模型試驗中用于模型試驗的微型相似錨桿及其施工方法。
背景技術：
以相似理論為基礎的模型試驗，起源于17世紀，經(jīng)過幾個世紀的發(fā)展和完善，到20世紀 70年代，得到了空前的發(fā)展和廣泛的應用，其應用領域幾乎涉及科學研究的所有學科。地下 洞室模型試驗正是起始于這一時期，主要是由于交通、水電等工程中一些地下洞室的規(guī)模越 來越大，需要認真研究其圍巖的穩(wěn)定性。這種需要有力地促進了地下洞室模型試驗的發(fā)展； 反過來，地下洞室模型試驗解決了工程實際中的許多當時難以解決的問題，推動了大型地下 洞室工程的建設。在國內(nèi)，地下洞室模型試驗開始于20世紀70年代末期80年代初期，也是由 于工程建設的需要而發(fā)展起來的。要進行地質(zhì)力學模型試驗，就要有相應的錨固裝置，因此， 下面首先將國內(nèi)一些主要地質(zhì)力學模型試驗的錨桿及其埋設方法簡單說明一下-
(1) 長江科學院院報(2006，第6期)介紹了模型試驗中一種錨桿的埋設方法，此方法 完全按照工程施工順序，完成打錨桿孔、注漿、安裝錨桿的過程。這種相似錨桿埋設技術的 主要缺點是模型試驗的相似率一般比較大，打錨桿孔就顯得比較密集，容易造成模型的損 傷。所以這種操作一般對錨桿進行了一定的簡化，幾根簡化為一根，這樣就和實際工程中的 錨桿有出入，不能很好的模擬實際工程中的錨桿分布形態(tài)。
(2) 采礦技術(2007年，第l期)介紹了一種錨桿的埋設方法，將模型材料按照配比混合 均勻之后，將錨桿插入，不再拔出，等待模型養(yǎng)護完成，直接使用。這種相似錨桿埋設技術 的主要缺點是不能模擬實際工程中的錨桿注漿過程，實際工程中錨桿漿液的作用也不能由 模型試驗體現(xiàn)出來。
(3) 地下空間(2003年，第2期)介紹了一種錨桿的埋設方法，先在模型試塊中預留錨桿 孔洞，然后注漿，安裝錨桿，最后加壓測試。這種相似錨桿埋設技術的主要缺點是不能模 擬在加壓情況下的安裝錨桿并完成注漿過程，錨桿的安裝方案不符合實際工程的操作順序；
不能在模型試驗洞室里進行這樣的操作，僅適合單個塊體的試驗研究。
上述試驗裝置及加載系統(tǒng)普遍存在如下缺點
(1) 在打錨桿孔的過程中，錨桿比較密集，容易造成模型損傷；在模型試驗洞室內(nèi)打孔， 操作復雜、不易成功。
(2) 由于打的錨桿孔太密集等客觀原因而對錨桿進行了一定的簡化之后，幾根簡化為一 根，這樣就和實際工程中的錨桿有出入，不能很好的模擬實際工程中的錨桿分布形態(tài)。
(3) 注漿材料沒有經(jīng)過嚴格的挑選，或者沒有注漿材料。在模型上安裝相似錨桿之前， 沒有進行相應的拉拔試驗，不能保證注漿材料的質(zhì)量。
(4) 由于漿液流動性差等原因，注漿不能保證注滿孔洞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種具有方法簡單，操作方便，可滿足試驗 要求等優(yōu)點的用于模型試驗的微型相似錨桿及其施工方法。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案-
微型相似錨桿使用的是一種高分子聚合物材料一一尼龍棒。尼龍棒呈白色或微黃色半透 明狀，質(zhì)輕且堅硬，具有吸水性小，尺寸穩(wěn)定性好，無毒，電絕緣性能優(yōu)異等特點。
所述的尼龍棒的彈性模量為1.2 1.4GPa，長度為6cm，直徑為7. 2mm 。其長度根據(jù)相似 理論，按公式1' =l/c，式中，T是相似錨桿長度，1是實際錨桿長度，c是模型試驗與實 際工程的相似率； 由于在模型試驗中的錨桿是把n根實際工程中的錨桿簡化為模型試驗中的一根，所以， 根據(jù)相似理論，模型試驗使用的錨桿面積為s' =nXS/c，式中，s'是相似錨桿的面積，s 是實際錨桿面積，c是模型試驗與實際工程的相似率；
相似錨桿的彈性模量，根據(jù)相似理論，模型實驗使用的錨桿彈性模量E' =E/c， E'是相 似錨桿的彈性模量，E是實際錨桿的彈性模量，c是模型試驗與實際工程的相似率；
最大拉應力設計，根據(jù)相似理論，模型實驗使用的相似錨桿最大拉應力o ' =o /c，式中， o'是相似錨桿的最大拉應力，o是實際錨桿的最大拉應力，c是模型試驗與實際工程的相 似率。
模型試驗的微型相似錨桿施工方法可分為如下施工步驟.
1) 制作錨孔，將預埋錨桿按照模型設計要求預先埋設于模型預制塊中；
2) 制作模型體，把埋設有預埋錨桿的模型預制塊按照施工方案砌筑于模型體中；
3) 在開挖過程中，每開挖到一個設有預埋錨桿的位置，拔出預埋錨桿，形成錨桿孔，采 用針管注漿技術，完成注漿插錨操作，并在微型相似錨桿末端粘好微型托盤，完成施工。
所述施工方法l)中所述的預埋錨桿是采用直徑為8咖、長度為6. 5cm的細鐵棒，所述的 模型預制塊是通過把試驗材料放入模具中壓制成型而得。模型預制塊為用于砌筑成型模型體。
所述步驟l)中，預埋錨桿的埋設方法為，選擇長度略大于相似錨桿的細鐵棒，直徑比 相似錨桿略大，以便于注漿；將預埋錨桿的外端部加工成一個平行面，并使此平行面與水平 面平行，便于在模型試驗開挖過程中將錨桿拔出；在制作模型預制塊的模具上鉆孔，以確定 預埋錨桿在模型預制塊中位置，試塊壓制成功后，預埋錨桿就會固定在指定位置，預埋錨桿 的埋設位置即為錨孔的位置。
所述注漿材料為108建筑用膠與重晶石粉的混合物，108建筑用膠和重晶石粉質(zhì)量配合 比范圍為l: 3-4?？筛鶕?jù)注漿材料凝結(jié)硬化后錨桿的拉拔力等要求進行配比的調(diào)整。
本發(fā)明的有益效果是
(1) 由于是預留孔洞，不會產(chǎn)生由于在模型上打錨桿孔而造成的模型損傷，保證了模型 的完整性。
(2) 由于孔洞預留，不會造成模型材料的損傷，所以相似錨桿可以做的很小，直徑最小 可以做到2mm，可以盡可能少的簡化相似錨桿，可以很精確的模擬實際工程中錨桿的分布。
(3) 漿液選擇嚴格，注漿方法簡單有效。
(4) 該方法和技術可廣泛應用于水利、交通、能源、礦山等工程領域的巖土地質(zhì)力學模 型試驗研究，應用前景廣闊，經(jīng)濟效益顯著。
具體實施例方式
下面結(jié)合相關試驗對本發(fā)明做進一步說明。
地質(zhì)力學模型試驗的相似錨桿應該能夠滿足各種模型試驗工況要求，盡量使模型試驗中 的錨桿根數(shù)和位置能夠與實際工程相對應，并且要做到注漿飽和。這就要求相似錨桿的尺寸 能夠盡量小，錨桿注漿技術先進。
根據(jù)上述要求并克服國內(nèi)外已有的地質(zhì)力學模型試驗錨桿埋設過程中的缺點，在國家自 然科學基金重點項目一雙江口洞群穩(wěn)定模型試驗中，我們研制了新的微型相似錨桿埋設技術。 通過選擇合適的預埋錨桿材料、微型相似錨桿材料和注漿材料，將預埋錨桿按照模型設計要 求埋設在預制模型預制塊中，把埋設有預埋錨桿的模型預制塊按照施工方案安裝在模型中。 在開挖過程中，每開挖到一個設有預埋錨桿的掌子面，拔出預埋錨桿，形成錨桿孔洞，插入 微型相似錨桿，采用針管注漿技術，完成打錨桿和注漿過程，并在微型相似錨桿末端粘好微 型托盤。
本微型相似錨桿的技術要求-(1)微型相似錨桿長度
根據(jù)相似理論，模型實驗使用的錨桿長度
r -i/c a)
式(i)中，r是微型相似錨桿長度，i是實際錨桿長度，c是模型試驗與實際工程的相
似率。雙江口工程實際錨桿的尺寸為9m，相似率為150,按公式(1)計算可得出相似錨桿的 長度為6cm。
(2) 微型相似錨桿橫截面積
在模型試驗中的錨桿是把n根實際工程中的錨桿簡化為模型試驗中的一根，所以，根據(jù) 相似理論，模型試驗使用的微型相似錨桿面積為-
s' =nXs/c (2) 式(2)中，s'是微型相似錨桿的面積，s是實際錨桿面積，c是模型試驗與實際工程的相似 率。本模型試驗中的錨桿一根代替實際錨桿30根，由實際錨桿的直徑為36mm，相似率為150, 可得相似錨桿的半徑為7. 2mm。
(3) 微型相似錨桿的彈性模量
根據(jù)相似理論，模型實驗使用的微型相似錨桿彈性模量
E' =E/c (3) 式(3)中，E'是微型相似錨桿的彈性模量，E是實際錨桿的彈性模量，c是模型試驗 與實際工程的相似率。雙江口工程實際錨桿的彈性模量為210GPa,相似率為150，按照公式 (3)可得相似錨桿的彈性模量為1. 4GPa。本尼龍材料的彈性模量為1.2、.4GPa范圍，故滿 足要求。
(4) 最大拉應力設計
根據(jù)相似理論，模型實驗使用的微型相似錨桿最大拉應力
o ' =o /c (4)
式(4)中，o'是微型相似錨桿的最大拉應力，o是實際錨桿的最大拉應力，c是模型 試驗與實際工程的相似率。本模型試驗最大拉應力達到3. 7MPa，滿足工程現(xiàn)場要求。
(5) 本專利中的微型錨桿使用高分子聚合物材料如尼龍棒，力學性能滿足模型試驗要求。
(6) 預埋錨桿的設計
預埋錨桿選擇長度等于微型相似錨桿的細鐵棒，直徑比微型相似錨桿略大，便于以后注 漿工序。預埋錨桿的頭部加工成一個平行面，并使此平行面與水平面平行，便于模型試驗開 挖過程中的預埋錨桿拔出。
(7) 預埋錨桿的埋設方法
在預制模型預制塊的模子上鉆孔，以確定預埋錨桿在預制模型預制塊中位置。試塊壓制 成功后，預埋錨桿就會固定在指定位置。
(8) 模型注漿材料的選擇
本模型試驗使用的注漿材料是108建筑用膠，108建筑用膠和重晶石粉質(zhì)量配合比范圍 為l: 3-4,符合注漿材料流動性較好，固結(jié)時間適宜，固結(jié)之后能夠達到力學指標的要求。 在使用此注漿材料進行的預埋錨桿拉拔試驗中，拉拔力達到要求。
權利要求
1.一種用于模型試驗的微型相似錨桿，其特征是，所述微型相似錨桿為一種高分子聚合物材料——尼龍棒，尼龍棒的長度根據(jù)相似理論，按公式l′＝l/c，式中，l′是相似錨桿長度，1是實際錨桿長度，c是模型試驗與實際工程的相似率；由于在模型試驗中的錨桿是把n根實際工程中的錨桿簡化為模型試驗中的一根，所以，根據(jù)相似理論，模型試驗使用的錨桿面積為s′＝n×s/c，式中，s′是相似錨桿的面積，s是實際錨桿面積，c是模型試驗與實際工程的相似率；相似錨桿的彈性模量，根據(jù)相似理論，模型實驗使用的錨桿彈性模量E′＝E/c，E′是相似錨桿的彈性模量，E是實際錨桿的彈性模量，c是模型試驗與實際工程的相似率；最大拉應力設計，根據(jù)相似理論，模型實驗使用的相似錨桿最大拉應力σ′＝σ/c，式中，σ′是相似錨桿的最大拉應力，σ是實際錨桿的最大拉應力，c是模型試驗與實際工程的相似率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于模型試驗的微型相似錨桿及其施工方法。經(jīng)過試驗研究，選擇了滿足相似率要求的一種高分子聚合物——尼龍棒作為相似錨桿材料，由這種材料所制作的錨桿尺寸極小(直徑最小可小于2mm)，故稱為微型相似錨桿。本微型相似錨桿的施工步驟為1)制作錨孔，將直徑稍大的預埋錨桿按照模型設計要求預先埋設于模型預制塊中；2)制作模型體，把埋設有預埋錨桿的模型預制塊按照施工方案砌筑于模型體中；3)在開挖過程中，每開挖到一個設有預埋錨桿的位置，拔出預埋錨桿，形成錨桿孔，采用針管注漿技術，完成注漿插錨操作，并在微型相似錨桿末端粘好微型托盤，完成施工。
文檔編號E02D33/00GK101343881SQ20081013897
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月18日 優(yōu)先權日2008年8月18日
發(fā)明者磊 張, 朱維申, 李術才, 馬慶松 申請人:山東大學