用于CT扫描技术进行大掺量膨胀剂锚杆锚固研究方法

技术领域

本发明涉及一种利用膨胀水泥在开孔钢管中扩头来大幅用于CT扫描技术进行大掺量膨胀剂锚杆锚固研究方法，属于土木工程试验装置领域。

背景技术

CT扫描技术是一种无损伤检测技术，因具有方便快捷、安全性高、结果形象直观等优点，已被广泛研究和应用。CT扫描可以动态、定量地量测材料在受力过程中内部结构的变化，所成图像能直观体现物体内部的缺陷和破损情况，并能对缺陷和破损进行定量分析。CT扫描技术的工作原理是在被测构件无损状态下，利用X 射线从多个方向扫描被检测物体某一断层，用专门的探测器把经过被检物体射线衰减后的信息采集下来，通过计算机采用专门的图像重建算法，把被扫描断面以二维或三维灰度图像形式展现出来，其检测直观结果就是被检物体断层图像。通过这种断层图像可以清晰反映被检物体选定断层内的结构层次、材质情况、有无缺陷等内部情况。

在边坡支护防护中，使用CT扫描技术对围岩体中锚固系统内部结构变化进行分析对研究地应力及浸水条件下锚固系统的长期稳定具有重要意义，但由于锚固系统中的金属成分对CT扫描影响较大，所成图像中容易出现伪影，因此无法准确分析锚固系统的内部结构变化。在目前的CT扫描技术应用中，对于既能模拟真实地应力及地下水条件，又能准确测定锚固系统的内部结构变化，还没有找到很好的方法。

发明内容

本发明提供的用于CT扫描技术进行大掺量膨胀剂锚杆锚固研究方法，使用玻璃纤维锚杆代替金属锚杆，用高强度碳纤维布包裹消防安全气垫充气代替金属构件对岩石周围施加压应力模拟地应力，即以非金属构件代替金属构件，解决了CT扫描中金属的存在对锚固系统内部的CT值产生较大影响的问题，可以更为真实研究在地应力及地下水作用下不同膨胀剂含量的锚固系统膨胀水泥浆压应力随时间的变化规律、在地应力及地下水作用下三主体（锚杆、锚固体、围岩）两界面（三主体之间界面）的破坏模式及演化规律、锚杆轴力及剪应力的分布规律，最终得到抗拔力随膨胀剂含量的变化规律，为实际工程中边坡支护防护提供参考及研究应用价值。

第一，解决岩体中的锚杆抗拔力不足，抗拔性能较低而引起的岩体锚杆失效。

第二， 解决传统传统锚杆的施工周期长，施工成本高的问题。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：用于CT扫描技术进行大掺量膨胀剂锚杆锚固研究方法，其特征在于，它包括以下步骤：

Step1：选取岩石材料或类岩石材料；

Step2：切割材料，制作多个完全相同的岩石样块或类岩石试块，在各个岩石样块或类岩石试块中心钻取圆柱体孔，将制作好的岩石样块或类岩石试块进行CT扫描，并记录岩石CT值，所述岩石CT值为岩石实验前的初始密实度值；

Step3：在距孔口的不同深度等距离布置多组压力传感器组，在岩石样块两相互垂直侧面上以“四角点一中心点”的方式布置10个压力传感器，在布置压力传感器的两侧面使用高强度碳纤维布包裹，四周固定消防安全起重气垫，充气施加压力以模拟真实条件下地应力；

Step4：在各圆柱体孔内固定相同的非金属锚杆，非金属锚杆上布置应变片，并且插入相同深度；

Step5：配制多组不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆，不同含量膨胀水泥浆的组数与圆柱体孔的数量相同，先向各个孔内灌注普通水泥浆进行垫底，然后将不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆分别注入圆柱体孔中并且将其振捣密实，最后在孔口使用普通水泥浆进行密封封口，同时对各组试验进行编号记录；

Step6：灌浆后立即将多组压力传感器与压力采集系统连接，采集灌注膨胀水泥浆后不同时间的压力数据，同时对灌浆岩石进行初凝前的CT扫描一次，即初凝前岩石及膨胀浆体的CT值；初凝后将整个岩石浸泡于水中，在初凝后至28天中间，对灌浆岩石进行每一星期一次的CT扫描，同步记录压力数据和岩石及膨胀水泥浆体的CT值，即为该阶段岩石及膨胀水泥浆体的密实度值；

Step7：根据所采集的压力数据，绘制不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆压应力随时间变化图像；同时根据记录的CT值绘制不同膨胀剂含量的岩石及膨胀水泥浆体的CT值随时间变化图像，将两者变化图像在时间上建立对应关系，研究膨胀水泥浆体在真实岩体中的膨胀机理及变化规律；

Step8：待膨胀水泥浆终凝后进行逐级拉拔试验，通过CT扫描、压力采集系统、应变采集系统，分别获取数据CT值、压力数据、应变数据，绘制不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆的CT值、压力值、应变值随时间变化图像，并分析得到在真实环境条件下不同膨胀剂含量的锚固系统随时间变化规律、在真实环境条件下三主体和两界面破坏模式及演化规律、锚杆轴力及剪应力的分布规律，最终得到在真实环境条件下抗拔力随膨胀剂含量的变化规律；

所述三主体为：锚杆、锚固体和岩体或类岩石体；

所述两界面为：锚杆和锚固体之间、锚固体和岩体或类岩石体之间形成的两界面。

所述Step1中，选用各种岩体作为研究对象，类岩石材料为混凝土浇注。

切割岩石材料，在本试验中制作3个完全相同的300mm×300mm×300mm立方体岩石样块，在各个岩石样块中心钻取一个圆柱体孔，圆柱体孔的直径为40mm，深度为300mm；圆柱体孔的数量为3个；钻孔完成后，对将制作好的岩石样块进行CT扫描，并记录岩石CT值，所述岩石CT值即为岩石实验前的初始密实度值，以此得到作为试验前岩石样件内部的情况。

在距顶部孔口的50mm、150mm、250mm深度处等距离布置多组压力传感器组，每组压力传感器组由布置于同一深度截面上的三个压力传感器组成，在同一平面内，截面上的三个压力传感器相互夹角为120°；在岩石样块两相互垂直侧面上以“四角点和一中间点”的方式布置10个压力传感器；在布置压力传感器的两侧面使用高强度碳纤维布包裹四周，固定消防安全起重气垫，待碳纤维胶凝固后充气施加nMPa压力以模拟真实条件下地应力。

采用锚杆直径为20mm，长度为600mm的玻璃纤维锚杆，插入深度为300mm，在插入的300mm深度端从底部沿轴向在锚杆上铣槽，槽长度为250mm，宽5mm，深度为2mm，在槽里等间距布置应变片。

配制膨胀剂含量分别为15%、25%和35%的膨胀水泥浆，先向每个孔内灌注25mm高度普通水泥浆进行垫底，而后在孔中分别灌注250mm高度的不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆并且将其振捣密实，最后向每个孔内灌注25mm高度普通水泥浆进行封口。

采集的数据时间间隔为：灌注膨胀水泥浆后的前2小时内持续监测，后24小时内，每隔2小时采集一次压力数据；灌注膨胀水泥浆后的24小时到48小时内，每隔6小时采集一次压力数据；往后每隔两天采集一次压力数据，记录数据；同时对灌浆岩石进行初凝前的CT扫描一次，，即初凝前岩石及膨胀浆体的CT值；初凝后将整个岩石浸泡于水中，在初凝后至28天中间，对灌浆岩石进行每一星期一次的CT扫描，同步记录压力数据和岩石及膨胀水泥浆体的CT值，即初凝后至28天中间的岩石及膨胀水泥浆体的密实度值。

根据所采集的压力数据，绘制不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆压应力随时间变化图像；同时根据记录的压力数据和岩石及膨胀水泥浆体的CT值绘制不同膨胀剂含量的岩石及膨胀水泥浆体的CT值随时间变化图像，将两者变化图像在时间上建立对应关系，研究膨胀水泥浆体在真实岩体中的膨胀机理及变化规律。

待膨胀水泥浆终凝后利用液压千斤顶，对锚杆进行逐级加卸载，当荷载达到某一等级时，进行卸载处理，将整个锚固系统连同消防安全起重气垫放置在螺旋CT机上扫描，也可放入浸水容器后模拟浸水条件进行扫描，同步使用压力采集系统和应变采集系统进行采集压力数据和应变数据，之后再重新加载到下一等级，再进行扫描测试，如此循环至锚杆拔出，试验结束，所述每次卸载后进行CT扫描是为获得在每次等级加载过程中岩石及膨胀水泥浆体前后多次的密实度变化；

获取数据CT值、压力数据、应变数据，绘制不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆的CT值、压力值、应变值随时间变化图像，并分析可以得到在真实环境条件下不同膨胀剂含量的锚固系统随时间变化规律、在真实环境条件下锚杆、锚固体和土壤体三主体及三主体之间形成的两界面的破坏模式及演化规律、锚杆轴力及剪应力的分布规律，最终得到在真实环境条件下抗拔力随膨胀剂含量的变化规律，所述的真实环境是指模拟不同的地应力及浸水条件下的环境。

其中，所提到多次CT扫描得到的CT值，包括Step2中所述岩石实验前的初始CT值，Step6中膨胀水泥浆初凝前岩石及膨胀浆体的CT值；初凝后至28天中间每一星期一次的CT扫描获得的岩石及膨胀水泥浆体CT值，Step8中每次卸载后进行CT扫描获得的岩石及膨胀水泥浆体CT值，将所有CT值绘制成图，即可展现出岩体在灌注不同含量的膨胀水泥浆前，灌注后膨胀水泥浆初凝前，初凝后至28天中间，初凝后进行拉拔实验过程中的变化关系，同时也可获得在这过程中膨胀水泥浆体的变化关系。

本发明有如下有益效果：

1、本发明提供的用于CT扫描技术进行大掺量膨胀剂锚杆锚固研究的方法，使用玻璃纤维锚杆代替金属锚杆，用高强度碳纤维布包裹消防安全气垫充气代替金属构件对岩石周围施加压应力模拟地应力，即以非金属构件代替金属构件，解决了CT扫描中金属的存在对锚固系统内部的CT值产生较大影响的问题，可以更为真实研究在地应力及地下水作用下不同膨胀剂含量的锚固系统膨胀水泥浆压应力随时间的变化规律、在地应力及地下水作用下三主体两界面的破坏模式及演化规律、锚杆轴力及剪应力的分布规律，最终得到抗拔力随膨胀剂含量的变化规律，为实际工程中边坡支护防护提供参考及研究应用价值。

2、该装置完全模拟真实边坡支护防护环境中的锚杆锚固支护情况，研究锚杆抗拔力在不同的环境条件下随不同膨胀剂含量的变化规律及在真实环境条件下三主体（锚杆、锚固体、土壤体）两界面（三主体之间界面）破坏模式及演化规律、锚杆轴力及剪应力的分布规律；

3、该专利装置中，使用玻璃纤维锚杆代替金属锚杆，用高强度碳纤维布包裹消防安全气垫充气代替金属构件对岩石周围施加压应力模拟地应力，即以非金属构件代替金属构件，解决了CT扫描中金属的存在对锚固系统内部的CT值产生较大影响的问题；

4、该专利运用CT扫描技术、压力采集系统、应变采集系统、三者共同结合使用，从内部应力，内部变形，各界面破坏损伤进行全程监测，外部进行施加围压，模拟出在真实环境条件下的锚杆支护下的真实情况，使得得到的数据真实有效，更加精确，符合实际应用。

5、可研究在地应力和地下浸水条件下，抗拔力随膨胀剂含量的变化规律，锚固体的界面正应力、剪应力、轴力的分布规律；

6、该装置可循环使用，结构简单，材料易得，易操作，大幅节约试验成本及周期，环境效益显著。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明整体示意图；

图2为本发明岩体两相互垂直侧面压力传感器布置图；

图3为本发明1-1剖面图；

图中，玻璃纤维锚杆1、膨胀水泥浆锚固体2、岩石样块3、消防安全起重气垫4、压力传感器5、高强度碳纤维布6、消防安全起重气垫输气口7、应变片8、压力传感器组9。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例一：

用于CT扫描技术进行大掺量膨胀剂锚杆锚固研究的装置及使用方法，该方法包括以下步骤：

Step1：选用混凝土试块为试验所用材料；

Step2：使用混凝土浇筑制作3个完全相同的立方体类岩试样，其尺寸大小均为：300mm×300mm×300mm；在浇注试块过程中，在每个类岩试样中心预留一个圆柱体孔，圆柱体孔的直径为40mm，深度为300mm；待28天后，对类岩试样进行CT扫描一次，得到类岩试样内部的CT值（CT值即为密实度值）。

Step3：在距顶部孔口的50mm、150mm、250mm深度处等距离布置多组压力传感器组，每组压力传感器组由布置于同一深度截面上的三个压力传感器组成，在同一平面内，截面上的三个压力传感器相互夹角为120°；在岩石样块两相互垂直侧面上以“四角点和一中间点”的方式布置10个压力传感器；在布置压力传感器的两侧面使用高强度碳纤维布包裹四周固定消防安全起重气垫，待碳纤维胶凝固后充气施加1MPa压力以模拟真实条件下地应力；

Step4：选取锚杆直径为20mm，长度为600mm的玻璃纤维锚杆，插入类岩试样中心孔中，深度为300mm，在插入的300mm深度端从底部沿轴向在锚杆上铣槽，槽长度为250mm，宽5mm，深度为2mm，在槽里等间距布置应变片。

Step5：用电子秤称取3组标号为42.5的水泥，重量分别为183.6g、162g、140.4g，称取重量分别为32.4g、34g、75.6g的膨胀剂，称取3组温水( 50摄氏度左右)，每组64.8g，依次将3组水泥、膨胀剂及温水混合，配置成膨胀剂含量为15％、25％、35％的膨胀水泥浆。接下来先向每个孔内灌注25mm高度普通水泥浆垫底，然后再向各个孔中分别灌注250mm高度的不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆并且将其振捣密实，最后向每个孔内灌注25mm高度普通水泥浆进行封口；

Step6：将多组压力传感器组与压力采集系统连接，采集灌注膨胀水泥浆后不同时间的压力数据，采集的数据时间间隔为：灌注膨胀水泥浆后的前2小时内持续监测，后24小时内，每隔2小时采集一次压力数据；灌注膨胀水泥浆后的24小时到48小时内，每隔6小时采集一次压力数据；往后每隔两天采集一次压力数据，记录数据；同时对灌浆岩石进行初凝前的CT扫描一次；初凝后将整个岩石浸泡于水中，在初凝后至28天中间，对灌浆岩石进行每一星期一次的CT扫描，同步记录压力数据和CT值（CT值即为岩石及膨胀水泥浆体的密实度值)。

Step7：根据所采集的压力数据，绘制不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆压应力随时间变化图像；同时根据记录的CT值绘制不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆的CT值随时间变化图像，将两者变化图像在时间上建立对应关系，研究膨胀水泥浆体在真实岩体中的膨胀机理及变化规律 。

Step8中，待膨胀水泥浆终凝后利用液压千斤顶，对锚杆进行逐级加卸载，当荷载达到某一等级时，进行卸载处理，将整个锚固系统连同消防安全起重气垫放置在螺旋CT机上扫描（也可放入浸水容器后模拟浸水条件进行扫描），同步使用压力采集系统和应变采集系统进行采集压力数据和应变数据，之后再重新加载到下一等级，再进行扫描测试，如此循环至锚杆拔出，试验结束。获取数据CT值、压力数据、应变数据，绘制不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆的CT值、压力值、应变值随时间变化图像，并分析可以得到在真实环境条件下不同膨胀剂含量的锚固系统随时间变化规律、在真实环境条件下三主体（锚杆、锚固体、土壤体）两界面（三主体之间界面）破坏模式及演化规律、锚杆轴力及剪应力的分布规律，最终得到在真实环境条件下抗拔力随膨胀剂含量的变化规律，本发明中的真实环境是指模拟不同的地应力及浸水条件下。

实施例二：

用于CT扫描技术进行大掺量膨胀剂锚杆锚固研究的方法，该方法包括以下步骤：

Step1：选用硬性砂岩为试验所用材料；

Step2：切割岩石材料，制作3个完全相同的300mm×300mm×300mm立方体岩石样块，在各个岩石样块中心转取1个圆柱体孔，圆柱体孔的直径为40mm，深度为300mm；圆柱体孔的数量为3个；钻孔完成后，对将制作好的岩石样块进行CT扫描，并记录CT值（CT值即为岩石密实度值)。

Step3：在距顶部孔口的50mm、150mm、250mm深度处等距离布置多组压力传感器组，每组压力传感器组由布置于同一深度截面上的三个压力传感器组成，在同一平面内，截面上的三个压力传感器相互夹角为120°；在岩石样块两相互垂直侧面上以“四角点和一中间点”的方式布置10个压力传感器；在布置压力传感器的两侧面使用高强度碳纤维布包裹四周固定消防安全起重气垫，待碳纤维胶凝固后充气施加1.5MPa压力以模拟真实条件下地应力；

Step4：选取锚杆直径为20mm，长度为600mm的玻璃纤维锚杆，插入类岩试样中心孔中，深度为300mm，在插入的300mm深度端从底部沿轴向在锚杆上铣槽，槽长度为250mm，宽5mm，深度为2mm，在槽里等间距布置应变片。

Step5：用电子秤称取3组标号为42.5的水泥，重量分别为183.6g、162g、140.4g，称取重量分别为32.4g、34g、75.6g的膨胀剂，称取3组温水( 50摄氏度左右)，每组64.8g，依次将3组水泥、膨胀剂及温水混合，配置成膨胀剂含量为15％、25％、35％的膨胀水泥浆，接下先向每个孔内灌注25mm高度普通水泥浆垫底，然后再向各个孔中分别灌注250mm高度的不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆并且将其振捣密实，最后向每个孔内灌注25mm高度普通水泥浆进行封口；

Step6：将多组压力传感器组与压力采集系统连接，采集灌注膨胀水泥浆后不同时间的压力数据，采集的数据时间间隔为：灌注膨胀水泥浆后的前2小时内持续监测，后24小时内，每隔2小时采集一次压力数据；灌注膨胀水泥浆后的24小时到48小时内，每隔6小时采集一次压力数据；往后每隔两天采集一次压力数据，记录数据；同时对灌浆岩石进行初凝前的CT扫描一次；初凝后将整个岩石浸泡于水中，在初凝后至28天中间，对灌浆岩石进行每一星期一次的CT扫描，同步记录压力数据和CT值（CT值即为岩石及膨胀水泥浆体的密实度值)。

Step7：根据所采集的压力数据，绘制不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆压应力随时间变化图像；同时根据记录的CT值绘制不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆的CT值随时间变化图像，将两者变化图像在时间上建立对应关系，研究膨胀水泥浆体在真实岩体中的膨胀机理及变化规律 。

Step8中，待膨胀水泥浆终凝后利用液压千斤顶，对锚杆进行逐级加卸载，当荷载达到某一等级时，进行卸载处理，将整个锚固系统连同消防安全起重气垫放置在螺旋CT机上扫描（也可放入浸水容器后模拟浸水条件进行扫描），同步使用压力采集系统和应变采集系统进行采集压力数据和应变数据，之后再重新加载到下一等级，再进行扫描测试，如此循环至锚杆拔出，试验结束。获取数据CT值、压力数据、应变数据，绘制不同膨胀剂含量的膨胀水泥浆的CT值、压力值、应变值随时间变化图像，并分析可以得到在真实环境条件下不同膨胀剂含量的锚固系统随时间变化规律、在真实环境条件下三主体（锚杆、锚固体、土壤体）两界面（三主体之间界面）破坏模式及演化规律、锚杆轴力及剪应力的分布规律，最终得到在真实环境条件下抗拔力随膨胀剂含量的变化规律，本发明中的真实环境是指模拟不同的地应力及浸水条件下。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。