锚杆支护模型试验法向-剪切闭环加载控制方法及系统

本发明属于岩土工程预应力锚杆室内模型试验，具体涉及锚杆支护模型试验法向-剪切闭环加载控制方法及系统。

背景技术：

1、预应力锚杆主动支护技术广泛应用于隧道、地下洞室、矿山巷道及边坡等岩土工程，室内相似模型剪切试验是揭示锚杆支护岩体受力、变形及破坏机理的核心研究手段。

2、如图1所示，常规预应力锚杆主动支护模型试验装置普遍由主机框架、模型试验箱、法向加载装置、剪切加载装置、荷载检测装置、位移检测装置和控制系统组成。模型试验箱安装于主机框架内部，岩土相似材料填装于模型试验箱内，锚杆按照设定的数量、间距和布置形式安装于试样中。模型试验箱顶部设置承载板，法向加载装置（液压缸、伺服作动器或电动加载机构）与承载板连接，推动承载板向下移动，以向试样施加法向荷载。剪切加载装置设置于模型试验箱侧部，通过推动剪切箱、上部箱体或相应剪切部件发生水平位移，使试样沿预设剪切面产生相对错动。法向加载装置中通常设置法向荷载传感器，用于实时检测承载板传递至试样的法向荷载；在承载板或法向作动器附近设置竖向位移传感器，用于检测承载板竖向移动量以及试样压缩、回弹或剪胀引起的竖向变形。剪切加载装置中设置剪切荷载传感器，用于检测实时剪切荷载，并在剪切移动部件附近设置水平位移传感器，用于检测剪切箱或试样的水平位移。各传感器将采集到的信号传输至控制系统，控制系统对荷载、位移和时间数据进行同步记录，并生成相应试验曲线。

3、前述现有试验装置通常先启动法向加载装置，使法向荷载逐渐增加至设定值，当法向荷载达到目标值并保持一定时间后，再启动剪切加载装置，以恒定水平位移速率或恒定加载速率进行剪切。剪切过程中，法向加载装置一般保持原有控制状态，剪切加载装置则按照预先设定的速率持续运行，直至水平位移达到终止值、剪切荷载下降至规定比例或者加载装置达到安全行程后停止试验。

4、现有技术虽然能够完成模型试样的法向加载、水平剪切加载以及荷载和位移数据采集，但法向加载与剪切加载通常相互独立，难以保证剪切全过程中的法向边界条件始终稳定。试样在剪切过程中会依次经历压密、剪胀、滑移及峰后破坏等阶段，孔隙闭合和颗粒重排可能使法向荷载降低，颗粒咬合、结构面爬升及裂隙扩展又可能使法向荷载升高，局部滑移或破坏面贯通还可能引起法向荷载突变。现有控制系统通常不能根据上述变化及时调节法向加载输出，也不能依据法向荷载偏差程度自动降低或暂停剪切加载，往往只有在荷载、位移或行程超过安全上限后才执行急停或保护操作。此外，现有设备虽然能够采集竖向位移数据，但该数据多用于试验结果分析，尚未充分用于压密、剪胀状态识别及加载控制，容易造成法向调节响应滞后或调节过量，当剪切加载因异常情况暂停后，法向荷载恢复范围、稳定时间及重新启动速率通常依赖人工经验确定，缺少统一的恢复判据，不利于试验过程的自动化。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的第一个目的提供锚杆支护模型试验法向-剪切闭环加载控制方法，在剪切过程中实时计算法向荷载偏差，并结合竖向位移变化识别试样压密或剪胀状态，根据法向荷载偏差程度自动保持、减速或暂停剪切加载，在法向荷载恢复稳定后再自动恢复剪切，以提高模型试验加载路径的一致性和试验结果的可靠性。基于相同的发明构思，本发明的第二个目的提供利用前述锚杆支护模型试验法向-剪切闭环加载控制方法的试验系统。

2、本发明实施例中，锚杆支护模型试验法向-剪切闭环加载控制方法，基于预应力锚杆主动支护模型试验系统来实现，试验系统包括主机框架、模型试验箱、承载板、法向加载装置、法向荷载传感器、竖向位移传感器、剪切加载装置、剪切荷载传感器、水平位移传感器、以及控制系统，模型试验箱安装于主机框架内部，岩土相似材料填装于模型试验箱内，锚杆安装于试样中；控制方法包括如下步骤：

3、s1、在模型试验箱内按照试验方案完成预应力锚杆布设，填充岩土相似材料，施加预应力，完成试样制备；

4、s2、通过控制系统设定试验控制参数，试验控制参数包括法向目标荷载、法向荷载允许偏差、法向荷载暂停阈值、初始剪切加载速率、水平位移终止值及安全阈值；

5、s3、启动法向加载装置，对试样施加法向荷载，实时同步采集法向荷载与竖向位移数据，待法向荷载稳定在预设法向荷载允许偏差区间并持续稳压预设时长后，判定满足剪切启动条件；

6、s4、启动剪切加载装置，以初始剪切加载速率对试样施加水平剪切荷载，试验全过程统一时间基准，同步采集法向荷载、剪切荷载、竖向位移、水平位移实时数据；

7、s5、根据实时法向荷载与法向目标荷载计算法向荷载偏差，根据法向荷载偏差大小分级执行维持、降低或暂停剪切加载的调控策略；根据竖向位移及实时法向荷载的变化趋势判断模型试验箱内试样处于压密状态或剪胀状态，修正法向加载装置输出压力；

8、当法向荷载偏差过大触发剪切加载暂停后，持续监测法向荷载状态，待法向荷载恢复至稳定状态后，恢复剪切加载；

9、s6、当水平位移达到水平位移终止值，或者剪切荷载在达到峰值剪切荷载后下降至峰值剪切荷载的预设比例,或者法向荷载、剪切荷载、竖向位移、水平位移及法向加载装置和剪切加载装置的行程中的任一参数超过安全阈值时，停止法向加载和剪切加载，保存试验全过程数据；

10、s7、试验结束，控制系统输出用于评价本次试验加载稳定性的加载稳定性评价参数。

11、本发明实施例中，锚杆支护模型试验法向-剪切闭环加载试验系统，包括主机框架、模型试验箱、承载板、法向加载装置、法向荷载传感器、竖向位移传感器、剪切加载装置、剪切荷载传感器、水平位移传感器、以及控制系统，模型试验箱安装于主机框架内部，岩土相似材料填装于模型试验箱内，锚杆安装于试样中；控制系统按照本技术提供的加载控制方法对模型试验箱中的试样进行法向加载和剪切加载。

12、与现有技术相比，本发明较优技术方案的有益效果包括：

13、1、本发明构建了基于法向荷载偏差的分级闭环调控逻辑，打破了传统锚杆支护模型试验中法向加载、剪切加载相互独立缺乏标准化联动调控流程的技术瓶颈。传统试验剪切过程中剪切速率固定不变，无法响应法向荷载的实时波动，极易出现法向边界荷载大幅偏离设定值的问题。本发明通过计算实时法向荷载与目标荷载的偏差值，划分允许波动、轻度偏离、严重偏离三级阈值，对应实现剪切加载速率维持、减速调节、暂停剪切加载的分级自适应调控，可在法向荷载小幅波动时保障试验连续进行，大幅偏离时及时制动稳压，有效规避了传统试验因法向荷载失稳导致的试验数据失真问题，从加载控制逻辑层面提升了试验过程的边界稳定性。

14、2、本发明融合竖向位移形变特征与法向荷载变化趋势，判别试样剪切过程中的压密、剪胀两种核心变形状态，并针对性开展法向加载压力前置修正调节。传统试验仅能在法向荷载出现明显偏差后进行被动补偿调节，存在响应滞后、调节过量、荷载波动反复的缺陷。本发明在试样压密致荷载衰减时主动提升法向输出压力，在试样剪胀致荷载激增时主动降低法向输出压力，实现了法向荷载的预判式稳压控制，有效抵消了岩土试样剪切变形过程中固有孔隙压密、颗粒咬合、体积扩张带来的荷载扰动，缩小了法向荷载波动区间，让试验全过程法向边界条件始终贴合预设工况。

15、3、本发明建立了标准化、可量化的法向荷载稳定判定标准与分级剪切重启机制，摒弃了传统试验依赖人工经验判断荷载稳定性、手动恢复加载的粗放式操作模式。本发明明确了法向荷载稳定的数值区间阈值，在剪切加载因荷载失稳暂停后，待荷载自动恢复至标准区间且稳定达标，先以低速重启剪切加载规避冲击荷载，稳定后再恢复初始试验速率，全程无需人工干预。本发明实现了加载扰动、稳压修复、试验重启的全流程自动化闭环运行，提升了试验操作的标准化程度。

16、4、本发明的加载稳定性评价参数，包括法向荷载平均偏差、法向荷载最大偏差、法向荷载波动程度、剪切加载减速次数、剪切加载暂停次数、以及法向荷载处于允许范围内的累计时间比例等核心指标，构建了完整的试验效果评价体系。传统试验仅能依靠试验曲线定性判断加载效果，无量化评价依据，不同批次、不同工况的试验数据缺乏统一评判标准，试验重复性与数据可比性极差。本发明通过量化参数可精准判定单组试验数据有效性，直观对比不同试验组的加载稳定性差异，有效筛选合格试验数据，解决传统模型试验数据可信度低、难以用于锚杆支护机理精准分析与参数优化的问题。

17、5、本发明配套的法向-剪切闭环加载试验系统，基于传统预应力锚杆模型试验设备改造升级，无需更换硬件设备，仅通过优化控制系统逻辑即可实现双向耦合闭环调控，设备适配性与兼容性强。该试验系统可适配不同岩土相似材料、不同锚杆布设参数、不同法向预压荷载的支护模型试验，统一了各类工况下的加载控制标准与试验流程。相较于传统设备试验成功率低、无效试验次数多的问题，本试验系统减少了试验耗材损耗与试验周期，在保障试验精度大幅提升的同时，有效降低了室内模型试验的科研成本，为隧道、边坡、巷道等岩土工程锚杆支护参数优化研究提供了高效、可靠的试验平台。