一种通过研究膨胀性粘结材料在锚杆灌浆中的特性进行锚杆灌浆参数优化设计的方法

摘要

一种通过研究膨胀性粘结材料在锚杆灌浆中的特性进行锚杆灌浆参数优化设计的方法，该方法包括以下步骤：步骤1：确定锚杆灌浆工程所用的岩体类型；步骤2：得到其适用的最优膨胀率；步骤3：绘制出膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量与膨胀率之间的变化曲线，步骤4：绘制出不同的注浆孔孔径下，膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量下以及不同的锚固长度下极限抗拔力变化曲线；步骤5：进行锚杆灌浆参数优化设计。本发明提供的一种通过研究膨胀性粘结材料在锚杆灌浆中的特性进行锚杆灌浆参数优化设计的方法，可以解决在锚杆设计和施工中未对膨胀性粘结材料的特性进行研究的问题，优化了锚杆，为膨胀性粘结材料在锚杆设计和施工中的应用提供了重要的依据。

权利要求

1.一种通过研究膨胀性粘结材料在锚杆灌浆中的特性进行锚杆灌浆参数优化设计的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1：确定锚杆灌浆工程所用的岩体类型；

步骤2：采用有限元软件行对步骤1所确定的岩体进行数值模拟，确定上述岩体适用的膨胀率变化范围，得到其适用的最优膨胀率；

步骤3：配制不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料,通过室内配合比调配试验，绘制出膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量与膨胀率之间的变化曲线，膨胀剂掺量x＝膨胀剂质量/(膨胀剂质量+水泥质量)×100％，

步骤4：在室外制作模型试件，并采用加压设备，模拟现场锚固段围岩围压，采用不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料作为锚杆锚固体，在不同的注浆孔孔径以及不同的锚杆锚固长度下进行锚杆抗拔力试验，得到不同膨胀剂掺量、不同注浆孔孔径以及不同的锚固长度下的锚杆抗拔力数据，根据数据绘制出不同的注浆孔孔径下，膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量下以及不同的锚固长度下极限抗拔力变化曲线；

步骤5：进行锚杆灌浆参数优化设计，步骤为：

步骤5-1：根据步骤3得到的膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量与膨胀率之间的变化曲线，得到与步骤2的最优膨胀率对应的膨胀性粘结材料膨胀剂掺量；

步骤5-2：将原设计参数：锚杆锚固长度、注浆孔设计孔径以及膨胀性粘结材料设计膨胀剂掺量代入步骤3绘制的曲线进行判断，看是否为最优方案，若不是最优方案，则根据步骤3绘制的曲线数据对设计参数进行重新设计，从而实现锚杆灌浆参数的优化设计。

2.根据权利要求1所述的一种通过研究膨胀性粘结材料在锚杆灌浆中的特性进行锚杆灌浆参数优化设计的方法，其特征在于步骤2的方法为：步骤2-1：将不同类型的岩体采用不同的综合力学参数、不同类型岩体参数取值，根据一类岩体综合参数由高到低进行折减修正；

步骤2-2：根据步骤1确定的岩体类别，取定相关的参数，在大型有限元软件ADINA中建立模型，采用M-C材料模拟岩体单元，具有温度膨胀系数的线弹性材料模拟膨胀性粘结材料单元，线弹性材料模拟钢筋单元，调整膨胀性粘结材料的温度膨胀系数，直至材料屈服，得出相应的膨胀系数，调整不同的参数，得到不同的膨胀系数，据此得出该岩体适用的膨胀率变化范围，得到其适用的最优膨胀率。

3.根据权利要求1所述的一种通过研究膨胀性粘结材料在锚杆灌浆中的特性进行锚杆灌浆参数优化设计的方法，其特征在于步骤3的方法为：步骤3-1：配制不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料，所述膨胀性粘结材料为由水泥，膨胀剂添加定量的水调配成的浆液；

步骤3-2：将步骤3-1配制好的不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料采用膨胀率测试仪进行测试，测定不同膨胀剂掺量的最终膨胀率，进而绘制膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量与膨胀率之间的变化曲线，由变化曲线得到膨胀性粘结材料的膨胀率与膨胀剂掺量之间的关系式为

4 3 2

膨胀率y＝6395.8x-4793.1x+1386.5x-32.897x-0.0369，拟合优度R2＝1，x为膨胀剂掺量。

4.根据权利要求1所述的一种通过研究膨胀性粘结材料在锚杆灌浆中的特性进行锚杆灌浆参数优化设计的方法，其特征在于步骤4的方法为：步骤4-1：大型试件制作：采用混凝土浇筑制成大型试验试件(1)，大型试验试件(1)中间钻取不同直径的孔洞作为锚杆的注浆孔，试件(1)的前后左右四面采用可测压力的设备(2)进行加压稳固，以模拟围岩的围压，以确保围岩在膨胀性材料作用下不会出现破坏；

步骤4-2：锚杆灌浆养护：待大型试验试件(1)养护至28天后，在钻取的注浆孔中放入锚杆(3)并采用膨胀剂掺量分别为0％，6％，12％，15％，20％的膨胀性粘结材料作为锚固体(4)进行填充振捣密实，洒水覆膜保养14天；

步骤4-3：进行锚杆拉拔试验：待锚固体(4)保养至规定时间后，对锚固长度不同的锚杆采用拉拔仪进行极限抗拔力测试，同时，采用锚杆拉拔试验位移测量装置进行位移同步测量，绘制出膨胀性粘结材料不同膨胀率锚固剂抗拔力与位移之间的曲线，并最终绘制出膨胀性粘结材料不同膨胀率下锚杆极限抗拔力变化曲线。

说明书

一种通过研究膨胀性粘结材料在锚杆灌浆中的特性进行锚杆

灌浆参数优化设计的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及岩土锚固领域，尤其是一种通过研究膨胀性粘结材料在锚杆灌浆中的特性进行锚杆灌浆参数优化设计的方法。

背景技术

[0002] 岩土锚固是岩土工程领域中最重要的锚固手段之一。岩土锚固已在我国边坡支护，基坑支护，矿井开挖支护，隧洞及地下工程稳定，以及坝肩稳定支护，航道，水库，机场，抗倾，抗浮结构等工程建设中获得广泛应用，并且具有其他加固方式难得取代的优势。岩土锚固技术是通过埋设在岩土体中的锚杆，将结构物与岩土体紧紧地锚固在一起，依赖锚杆和岩土体的抗剪强度传递结构物的拉力或使岩土体自身的不稳定部分得到加固，以保持锚固系统(岩土体，灌浆体，锚杆杆体和这些介质之间的界面)的稳定。

[0003] 实际工程中的岩体内部，往往有地应力存在，特别是埋深较大，地质构造较为复杂的地区，往往存在较大的地应力，锚杆往往受到地应力的径向围压的作用，研究注浆锚杆在径向围压作用下的破坏规律及作用机理，探究如何利用岩体的围压作用，提高锚杆的抗拔力具有重要意义。另外，在利用岩体自身围压的作用同时，采用具有膨胀性的水泥浆代替无膨胀性的水泥浆，一方面消除了水泥浆干缩性对抗拔力的影响，另一方面，在钻孔周围强大围压的作用下，锚固水泥浆膨胀性被限制，则水泥浆会对对锚杆和孔壁产生较大的径向压力，这种压力对提高锚杆的抗拔力具有重要作用。

[0004] 一般来说，钻孔附近的的围岩一般承受较大的地应力，倘若在埋深较大的工程中，地应力遵循海姆(Heim)法则，即在深部岩体中，地应力呈现出类似于静水压力，即在各个方向上地应力是相同的，所以，钻孔附近围岩承受着地应力的外压力和膨胀性水泥的内压力，这一方面保证了围压不会因膨胀力而破坏，同时增大了锚固浆体与围岩之间的摩擦力。其次，因膨胀而产生的径向力，对锚杆具有较大的嵌固作用，特别是应用带肋钢筋作为锚杆时，这种嵌固作用更加明显。所用膨胀性水泥是由水泥，膨胀性物质(高铝水泥，氧化钙，氢氧化钙及钙加上封闭剂等物质)混合而成调配成的混合物，该混合物在适当的配比下生成具有膨胀性的钙凡石，该物质性质稳定，强度高，在一定围压作用下自体较难破坏。

[0005] 现阶段，膨胀剂作为水泥中的添加剂，主要作用还是用于补偿混凝土的收缩，以及产生微量的自膨胀应力，所以其膨胀率非常有限，常常在10-6到10-4级别。对于大膨胀率(10-3到10-1的膨胀率)的水泥浆，现阶段研究的极少，特别是在水泥浆中添加一定量的膨胀剂，并在周围限制其膨胀，利用约束作用使其产生膨胀力，并加以利用的工程更是极为少见。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种通过研究膨胀性粘结材料在锚杆灌浆中的特性进行锚杆灌浆参数优化设计的方法，可以解决在在锚杆设计和施工中未对膨胀性粘结材料的特性进行研究的问题，优化了锚杆，为膨胀性粘结材料在锚杆设计和施工中的应用提供了重要的依据。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种通过研究膨胀性粘结材料在锚杆灌浆中的特性进行锚杆灌浆参数优化设计的方法，该方法包括以下步骤：

[0008] 步骤1：确定锚杆灌浆工程所用的岩体类型；

[0009] 步骤2：采用有限元软件行对步骤1所确定的岩体进行数值模拟，确定上述岩体适用的膨胀率变化范围，得到其适用的最优膨胀率；

[0010] 步骤3：配制不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料,通过室内配合比调配试验，绘制出膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量与膨胀率之间的变化曲线，

[0011] 膨胀剂掺量＝膨胀剂质量/(膨胀剂质量+水泥质量)×100％，

[0012] 步骤4：在室外制作模型试件，并采用加压设备，模拟现场锚固段围岩围压，采用不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料作为锚杆锚固体，在不同的注浆孔孔径以及不同的锚杆锚固长度下进行锚杆抗拔力试验，得到不同膨胀剂掺量、不同注浆孔孔径以及不同的锚固长度下的锚杆抗拔力数据，根据数据绘制出不同的注浆孔孔径下，膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量下以及不同的锚固长度下极限抗拔力变化曲线；

[0013] 步骤5：进行锚杆灌浆参数优化设计，步骤为：

[0014] 步骤5-1：根据步骤3得到的膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量与膨胀率之间的变化曲线，得到与步骤4-1的的最优膨胀率对应的膨胀性粘结材料膨胀剂掺量；

[0015] 步骤5-2：将原设计参数：锚杆锚固长度、注浆孔设计孔径以及膨胀性粘结材料设计膨胀剂掺量代入步骤3绘制的曲线进行判断，看是否为最优方案，若不是最优方案，则根据步骤3绘制的曲线数据对设计参数进行重新设计，从而实现锚杆灌浆参数的优化设计。

[0016] 步骤2的方法为：

[0017] 步骤2-1：将不同类型的岩体采用不同的综合力学参数、不同类型岩体参数取值，根据一类岩体综合参数由高到低进行折减修正；

[0018] 步骤2-2：根据步骤1确定的岩体类别，取定相关的参数，在大型有限元软件ADINA中建立模型，采用M-C材料模拟岩体单元，具有温度膨胀系数的线弹性材料模拟膨胀性粘结材料单元，线弹性材料模拟钢筋单元，调整膨胀性粘结材料的温度膨胀系数，直至材料屈服，得出相应的膨胀系数，调整不同的参数，得到不同的膨胀性系数，据此得出该岩体适用的膨胀率变化范围，得到其适用的最优膨胀率。

[0019] 步骤3的方法为：

[0020] 步骤3-1：配制不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料，所述膨胀性粘结材料为由水泥，膨胀剂添加定量的水调配成的浆液；

[0021] 步骤3-2：将步骤3-1配制好的不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料采用膨胀率测试仪进行测试，测定不同膨胀剂掺量的最终膨胀率，进而绘制膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量与膨胀率之间的变化曲线，由变化曲线得到膨胀性粘结材料的膨胀率与膨胀剂掺量之间的关系式为

[0022] 膨胀率y＝6395.8x4-4793.1x3+1386.5x2-32.897x-0.0369，

[0023] 拟合系数R2＝1，x为膨胀剂掺量。

[0024] 步骤4的方法为：

[0025] 步骤4-1：大型试件制作：采用混凝土浇筑制成大型试验试件，大型试验试件中间钻取不同直径的孔洞作为锚杆的注浆孔，试件的前后左右四面采用可测压力的设备进行加压稳固，以模拟围岩的围压，以确保围岩在膨胀性材料作用下不会出现破坏；

[0026] 步骤4-2：锚杆灌浆养护：待大型试验试件养护至28天后，在钻取的注浆孔中放入锚杆并采用膨胀剂掺量分别为0％，6％，12％，15％，20％的膨胀性粘结材料作为锚固体进行填充振捣密实，洒水覆膜保养14天；

[0027] 步骤4-3：进行锚杆拉拔试验：待锚固体保养至规定时间后，对锚固长度不同的锚杆采用拉拔仪进行极限抗拔力测试，同时，采用锚杆拉拔试验位移测量装置进行位移同步测量，绘制出膨胀性粘结材料不同膨胀率锚固剂抗拔力与位移之间的曲线，并最终绘制出膨胀性粘结材料不同膨胀率下锚杆极限抗拔力变化曲线。

[0028] 本发明提供的一种通过研究膨胀性粘结材料在锚杆灌浆中的特性进行锚杆灌浆参数优化设计的方法,通过一系列的室内室外试验，并借助数值模拟等手段，系统的研究了膨胀性粘结材料的配合比，膨胀率，不同类型的岩体适用的膨胀率变化范围，不同膨胀率粘结材料对锚杆抗拔力的影响程度等一系列问题，并给出了膨胀性粘结材料配合比和膨胀率之间的关系曲线，膨胀性粘结材料不同膨胀率下锚杆极限抗拔力变化曲线，进而进行锚杆的优化设计，可以解决在在锚杆设计和施工中未对膨胀性粘结材料的特性进行研究的问题，优化了锚杆，为膨胀性粘结材料在锚杆设计和施工中的应用提供了重要的依据。

附图说明

[0029] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

[0030] 图1为本发明步骤3所绘制的膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量(即膨胀剂掺量)与膨胀率之间的变化曲线；

[0031] 图2为本发明步骤4进行的试验所用装置的俯视图；

[0032] 图3为本发明步骤4所得膨胀性粘结材料不同膨胀率下锚杆极限抗拔力变化曲线(注浆孔的直径为40毫米，锚杆锚固长度分别为10cm和20cm)；

[0033] 图4为本发明步骤4所得膨胀性粘结材料不同膨胀率下锚杆极限抗拔力变化曲线(注浆孔的直径为75毫米，锚杆锚固长度分别为10cm和20cm)。

具体实施方式

[0034] 实施例一

[0035] 锚固灌浆工程所用岩体为弱风化砂岩

[0036] 一种通过研究膨胀性粘结材料在锚杆灌浆中的特性进行锚杆灌浆参数优化设计的方法，该方法包括以下步骤：

[0037] 步骤1：确定锚杆灌浆工程所用的岩体类型，锚固灌浆工程所用岩体为弱风化砂岩；

[0038] 步骤2：采用有限元软件行对步骤1所确定的岩体进行数值模拟，确定上述岩体适用的膨胀率变化范围，得到其适用的最优膨胀率；

[0039] 步骤2的方法为：

[0040] 步骤2-1：将不同类型的岩体采用不同的综合力学参数、不同类型岩体参数取值，根据一类岩体综合参数由高到低进行折减修正；

[0041] 步骤2-2：根据步骤1确定的岩体类别，取定相关的参数，在大型有限元软件ADINA中建立模型，采用M-C材料模拟岩体单元，具有温度膨胀系数的线弹性材料模拟膨胀性粘结材料单元，线弹性材料模拟钢筋单元，调整膨胀性粘结材料的温度膨胀系数，直至材料屈服，得出相应的膨胀系数，调整不同的参数，得到不同的膨胀性系数，据此得出该岩体适用的膨胀率变化范围，得到其适用的最优膨胀率，

[0042] 采用步骤2所述的方法，确定弱风化砂岩适用的最优膨胀率为1.95％。

[0043] ,步骤3：配制不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料,通过室内配合比调配试验，绘制出膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量与膨胀率之间的变化曲线，

[0044] 膨胀剂掺量＝膨胀剂质量/(膨胀剂质量+水泥质量)×100％，

[0045] 步骤3的方法为：

[0046] 步骤3-1：配制不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料，所述膨胀性粘结材料为由水泥，膨胀剂添加定量的水调配成的浆液，若温度较低，则可采用温水调制；

[0047] 以配置100立方厘米的膨胀性粘结材料为例，配比如下表所示：

[0048]

[0049] 步骤3-2：将步骤3-1配制好的不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料采用膨胀率测试仪进行测试，测定不同膨胀剂掺量的最终膨胀率，进而绘制膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量与膨胀率之间的变化曲线，如图1所示，由变化曲线得到膨胀性粘结材料的膨胀率与膨胀剂掺量之间的关系式为

[0050] 膨胀率y＝6395.8x4-4793.1x3+1386.5x2-32.897x-0.0369，

[0051] 拟合系数R2＝1，x为膨胀剂掺量；

[0052] 由上述曲线可知当膨胀率为1.95％时，对应的膨胀剂掺量为6％。

[0053] 步骤4：在室外制作模型试件，并采用加压设备，模拟现场锚固段围岩围压，采用不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料作为锚杆锚固体，在不同的注浆孔孔径以及不同的锚杆锚固长度下进行锚杆抗拔力试验，得到不同膨胀剂掺量、不同注浆孔孔径以及不同的锚固长度下的锚杆抗拔力数据，根据数据绘制出不同的注浆孔孔径下，膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量下以及不同的锚固长度下极限抗拔力变化曲线，所用装置如士2所示；

[0054] 步骤4的方法为：

[0055] 步骤4-1：大型试件制作：采用混凝土浇筑制成大型试验试件1，大型试验试件1中间钻取不同直径的孔洞作为锚杆的注浆孔，设计注浆孔孔径为40毫米和75毫米，试件1的前后左右四面采用可测压力的设备2进行加压稳固，以模拟围岩的围压，以确保围岩在膨胀性材料作用下不会出现破坏；

[0056] 步骤4-2：锚杆灌浆养护：待大型试验试件1养护至28天后，在钻取的注浆孔中放入锚杆3并采用膨胀剂掺量分别为0％，6％，12％，15％，20％的膨胀性粘结材料作为锚固体4进行填充振捣密实，洒水覆膜保养14天；

[0057] 步骤4-3：进行锚杆拉拔试验：待锚固体4保养至规定时间后，对锚固长度为10厘米和20厘米的锚杆采用拉拔仪进行极限抗拔力测试，同时，采用锚杆拉拔试验位移测量装置进行位移同步测量，绘制出膨胀性粘结材料不同膨胀率锚固剂抗拔力与位移之间的曲线，并最终绘制出膨胀性粘结材料不同膨胀率下锚杆极限抗拔力变化曲线，如图3和图4所示，[0058] 图3为所得膨胀性粘结材料不同膨胀率下锚杆极限抗拔力变化曲线(注浆孔的直径为40毫米，锚固长度分别为10cm和20cm)；

[0059] 图4为所得膨胀性粘结材料不同膨胀率下锚杆极限抗拔力变化曲线(注浆孔的直径为75毫米，锚固长度分别为10cm和20cm)。

[0060] 步骤5：进行锚杆灌浆参数优化设计，步骤为：

[0061] 步骤5-1：根据步骤3得到的膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量与膨胀率之间的变化曲线，得到与步骤4-1的的最优膨胀率对应的膨胀性粘结材料膨胀剂掺量为6％；

[0062] 由图3和4得到，当锚杆锚固长度为10厘米，注浆孔的直径为40毫米和75毫米，膨胀剂掺量为0％为6％，锚固长度为10cm时，锚杆的极限抗拔力见下表：

[0063]

[0064] 步骤5-2：将原设计参数：锚杆锚固长度、注浆孔设计孔径以及膨胀性粘结材料设计膨胀剂掺量代入步骤4绘制的图4的曲线中得到的数据进行判断，

[0065] 原设计参数如下：注浆孔设计孔径为75毫米，膨胀性粘结材料设计膨胀剂掺量为0，锚杆锚固长度为10厘米，

[0066] 此时锚杆的极限抗拔力为103.0kN,不是最优方案；

[0067] 而采用膨胀剂掺量为6％的膨胀性粘结材料替代膨胀剂掺量为0的膨胀性粘结材料进行锚固灌浆，钻孔孔径由原来的75mm降低至40mm时，极限抗拔力较原设计提高7％，因此将设计参数改为：

[0068] 注浆孔孔径40毫米，膨胀性粘结材料膨胀剂掺量为6％。

[0069] 改进设计后发现，膨胀性粘结材料体积降低71％。按现阶段市场价格，所用膨胀剂价格为每吨800元左右，高等级水泥价格每吨价格为500元左右，按照6％掺量，每吨材料成本增加为18元，考虑到钻孔直径减小涉及到的钻孔、人工、灌浆难度、锚具锚套垫板等的综合成本，则孔径减小的综合成本大大降低。

[0070] 实施例二

[0071] 锚固灌浆工程所用岩体为花岗岩

[0072] 一种通过研究膨胀性粘结材料在锚杆灌浆中的特性进行锚杆灌浆参数优化设计的方法，该方法包括以下步骤：

[0073] 步骤1：确定锚杆灌浆工程所用的岩体类型；

[0074] 步骤2：采用有限元软件行对步骤1所确定的岩体进行数值模拟，确定上述岩体适用的膨胀率变化范围，得到其适用的最优膨胀率；

[0075] 步骤2的方法为：

[0076] 步骤2-1：将不同类型的岩体采用不同的综合力学参数、不同类型岩体参数取值，根据一类岩体综合参数由高到低进行折减修正；

[0077] 步骤2-2：根据步骤1确定的岩体类别，取定相关的参数，在大型有限元软件ADINA中建立模型，采用M-C材料模拟岩体单元，具有温度膨胀系数的线弹性材料模拟膨胀性粘结材料单元，线弹性材料模拟钢筋单元，调整膨胀性粘结材料的温度膨胀系数，直至材料屈服，得出相应的膨胀系数，调整不同的参数，得到不同的膨胀性系数，据此得出该岩体适用的膨胀率变化范围，得到其适用的最优膨胀率，

[0078] 采用步骤2所述的方法，确定花岗岩适用的最优膨胀率为13％。

[0079] ,步骤3：配制不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料,通过室内配合比调配试验，绘制出膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量与膨胀率之间的变化曲线，

[0080] 膨胀剂掺量＝膨胀剂质量/(膨胀剂质量+水泥质量)×100％，

[0081] 步骤3的方法为：

[0082] 步骤3-1：配制不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料，所述膨胀性粘结材料为由水泥，膨胀剂添加定量的水调配成的浆液，若温度较低，则可采用温水调制；

[0083] 以配置100立方厘米的膨胀性粘结材料为例，配比如下表所示：

[0084]

[0085] 步骤3-2：将步骤3-1配制好的不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料采用膨胀率测试仪进行测试，测定不同膨胀剂掺量的最终膨胀率，进而绘制膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量与膨胀率之间的变化曲线，如图1所示，由变化曲线得到膨胀性粘结材料的膨胀率与膨胀剂掺量之间的关系式为

[0086] 膨胀率y＝6395.8x4-4793.1x3+1386.5x2-32.897x-0.0369，

[0087] 拟合系数R2＝1，x为膨胀剂掺量；

[0088] 由上述曲线可知当膨胀率为13％时，对应的膨胀剂掺量为16％。

[0089] 步骤4：在室外制作模型试件，并采用加压设备，模拟现场锚固段围岩围压，采用不同膨胀剂掺量的膨胀性粘结材料作为锚杆锚固体，在不同的注浆孔孔径以及不同的锚杆锚固长度下进行锚杆抗拔力试验，得到不同膨胀剂掺量、不同注浆孔孔径以及不同的锚固长度下的锚杆抗拔力数据，根据数据绘制出不同的注浆孔孔径下，膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量下以及不同的锚固长度下极限抗拔力变化曲线，所用装置如图2所示；

[0090] 步骤4的方法为：

[0091] 步骤4-1：大型试件制作：采用混凝土浇筑制成大型试验试件1，大型试验试件1中间钻取不同直径的孔洞作为锚杆的注浆孔，设计注浆孔孔径为40毫米和75毫米，试件1的前后左右四面采用可测压力的设备2进行加压稳固，以模拟围岩的围压，以确保围岩在膨胀性材料作用下不会出现破坏；

[0092] 步骤4-2：锚杆灌浆养护：待大型试验试件1养护至28天后，在钻取的注浆孔中放入锚杆3并采用膨胀剂掺量分别为0％，6％，12％，15％，20％的膨胀性粘结材料作为锚固体4进行填充振捣密实，洒水覆膜保养14天；

[0093] 步骤4-3：进行锚杆拉拔试验：待锚固体4保养至规定时间后，对锚固长度为10厘米和20厘米的锚杆采用拉拔仪进行极限抗拔力测试，同时，采用锚杆拉拔试验位移测量装置进行位移同步测量，绘制出膨胀性粘结材料不同膨胀率锚固剂抗拔力与位移之间的曲线，并最终绘制出膨胀性粘结材料不同膨胀率下锚杆极限抗拔力变化曲线，如图3和图4所示，[0094] 图3为所得膨胀性粘结材料不同膨胀率下锚杆极限抗拔力变化曲线(注浆孔的直径为40毫米，锚固长度分别为10cm和20cm)；

[0095] 图4为所得膨胀性粘结材料不同膨胀率下锚杆极限抗拔力变化曲线(注浆孔的直径为75毫米，锚固长度分别为10cm和20cm)。

[0096] 步骤5：进行锚杆灌浆参数优化设计，步骤为：

[0097] 步骤5-1：根据步骤3得到的膨胀性粘结材料不同膨胀剂掺量与膨胀率之间的变化曲线，得到与步骤4-1的的最优膨胀率对应的膨胀性粘结材料膨胀剂掺量为15％；

[0098] 由图3和4得到，当锚固长度为10厘米，注浆孔的直径为40毫米和75毫米，膨胀剂掺量为0％和15％时，锚杆的极限抗拔力见下表：

[0099]

[0100] 步骤5-2：将原设计参数：锚杆锚固长度，注浆孔设计孔径以及膨胀性粘结材料设计膨胀剂掺量代入步骤4绘制的图3曲线中得到的数据进行判断，原设计参数如下：注浆孔设计孔径为40毫米，锚固长度为10厘米，膨胀性粘结材料设计膨胀剂掺量为0，此时锚杆的极限抗拔力为103.0kN,不是最优方案；

[0101] 由上表可知，注浆孔孔径为40毫米时，膨胀剂掺量15％与膨胀剂掺量0％的极限抗拔力增加率＝(127-103)/127＝19％。

[0102] 因此采用膨胀剂掺量15％的水泥浆作为锚固体，在抗拔力保持不变(103kN)的前提下，锚固长度可减短为10×(1-19％)＝8.1厘米。

[0103] 以此为依据对锚杆进行优化设计。采用膨胀剂掺量为15％的膨胀性粘结材料替代传统的水泥浆进行锚固灌浆，钻孔孔径为40毫米，锚固长度为8.1厘米时，极限抗拔力与原设计相同，因此将设计参数改为：

[0104] 注浆孔孔径40毫米，锚固长度为8.1厘米，膨胀性粘结材料膨胀剂掺量为15％。