CN108279176B - 冲击力作用下锚杆力学特性研究装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种操作简便、实用性强的能够研究预应力锚杆动态力学特性的装置及方法。冲击力作用下锚杆力学特性研究装置，包括套管、锚杆、锚固剂、固定端和受冲击端，锚固剂将锚杆锚固在套管中，锚杆一端位于套管外，该端通过固定端与地面固定相连，受冲击端穿过固定端与套管相接触。本发明的有益效果：1.克服了目前对锚杆力学特性的研究只考虑静态载荷的局限性；2.能够真实模拟研究冲击下预应力锚杆的力学特性；3.便于观察记录瞬时的冲击情况，操作简便，经济实用；4.试验更加直观真实；5.受冲击端的存在首先对套管起到了缓冲保护作用，其次由于其可拆卸，便于固定端的安装，最后由于其可拆卸更换，节约了试验成本。

Description

冲击力作用下锚杆力学特性研究装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及岩土力学领域，尤其是一种研究锚杆动态力学特性的装置及方法。

背景技术

预应力锚固技术是应用锚杆或锚索对岩体进行加固，它可以显著改善围岩结构并提高其稳定性，是一种施工简单、安全可靠和经济有效的加固技术，已经广泛应用于采矿工程、水利水电、铁路交通和城市建设等领域中，并取得了良好的经济和社会效益。然而，随着岩体工程开采深度的增加，开采条件趋于复杂，锚杆支护失效的问题突出，如预应力消失、托板脱落和锚杆拉断等，这已经成为影响工程进度和安全的重要问题。因此，有必要开展锚杆的力学响应特征和失效机理研究。

近年来，许多学者开展了锚杆材料、锚固方式和和化学环境等因素对锚杆力学特性及失效机理的研究。然而，大部分的研究主要集中在静载作用下的室内拉拔试验、模型试验和数值分析，在深部岩体工程中，预应力锚杆常常受到***振动、开采扰动等动载荷的影响。

这些扰动携带能量以应力波的形式扩散传播，成为深部工程围岩锚杆失效的重大诱因。在一定的条件下，甚至微小的扰动都可能诱发高应力工程围岩锚杆支护失效，从而造成深部岩体灾害的发生。因此，如何在保证动载作用下锚杆支护的稳定性已成为迫切需要研究的新课题。

以往对于锚杆的动力响应研究大多集中在无损伤探测技术，分析锚固***在各种激振力作用下的振动特性和锚固体系中声频应力波传播，按加载时应变率的大小界定，属于静态载荷范畴，然而，实际工程中***振动、开采扰动等动载荷大多处于中高等应变率范畴。因此，必须要对中高等应变率动载荷作用下锚杆的力学响应机理进行研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简便、实用性强的能够研究预应力锚杆动态力学特性的装置及方法。

冲击力作用下锚杆力学特性研究装置，包括套管、锚杆、锚固剂、固定端和受冲击端，锚固剂将锚杆锚固在套管中，锚杆一端位于套管外，该端通过固定端与地面固定相连，受冲击端穿过固定端与套管相接触。

固定端包括固定块、螺母、垫片和固定座，固定块为长条状，其中部有孔，锚杆从孔中穿过，螺母与锚杆的螺纹相配套，螺母和垫片安装在锚杆上，将固定块的位置限定，固定块的两端位于受冲击端外，固定块的两端与固定座固定相连，固定座与SHPB试验平台固定相连。

受冲击端为圆筒状，其内径等于或小于套管内径，其外径等于或大于套管外径，其在与套管的接触端具有两条纵向开槽，开槽与固定块的宽度相等。

受冲击端还包括受冲击块，受冲击块为两阶圆柱台，外径较小的圆柱台***受冲击端中，外径较大的圆柱台的外径等于或大于受冲击端外径，其与受冲击端未开槽的一端相接触。

套管与受冲击端相接触的一端安装有冲击保护套，冲击保护套为圆筒状，其内径等于套管外径，其套装在套管外沿上，锚固剂与套管口之间具有一定距离。

套管有内螺纹，锚固剂锚固在内螺纹上。

锚杆上沿轴向设有间隔一定的若干切槽，应变片贴在切槽上。

套管上沿轴向设有多个孔洞，应变片的连接导线从孔洞中穿过。

应变片导线通过桥盒接到动态应变仪上，动态应变仪和示波器相连，示波器与计算机相连。

该装置的使用方法如下：

a.将应变片贴在锚杆的切槽上，应变片为SG1、SG2 、SG3，采用锚固剂将锚杆锚固在套管中；

b.等锚固剂养护好后，将固定块沿锚杆放入，接着把螺母和垫片套在锚杆，采用数显扳手对锚杆施加预应力，预紧力计算公式为：，M_t为预紧力矩，K为拧紧力系数，P为预紧力，D为螺纹公称直径，可计算得到初始预应力，之后将冲击保护套套装在套管口，将受冲击端的开槽对准固定块放入，顶住冲击保护套；

c.将组装好的试验装置安装在霍普金森测试装置上，SHPB试验平台的固定装置与地面是固定相连的，再将固定块与SHPB试验平台的固定座固定相连，将锚杆上应变片导线通过桥盒接到动态应变仪上，之后打开动态应变仪和示波器，确保入射杆冲击时与套管保持共轴，检查和锚杆上的应变片连接是否正常，设置动态气压，准备进行动态冲击试验；

d.冲击完后，记录示波器上应变片上得到的信号，锚杆滑移量、螺母的松紧情况，之后打开套管，观察锚固剂的损伤情况，最后关闭所有仪器，清理套管中锚固剂，完成整个试验过程；

e.采用游标卡尺测量得到锚杆滑移量，采用数显扳手测量锚杆的剩余预应力；

f.确定锚杆中应力波传播波速Vp，由于SG1和SG2的距离△d1、SG2和SG3的距离△d2是已知的，根据示波器得到的三个应变片的应力波数据，得到SG1应力波信号和SG2应力波信号起点的时间差△t1，SG2应力波信号和SG3应力波信号起点的时间差△t2，根据公式Vp=△d/△t可以计算得到应力波在SG1和SG2之间、SG2和SG3之间的传播波速。

本发明的有益效果：

1.克服了目前对锚杆力学特性的研究只考虑静态载荷的局限性，为深部岩体工程预应力锚杆动态力学特性研究提供了一种新装置；

2.由于该装置受冲击时，冲击力完全作用在锚杆和围岩的相对拉扯上，锚杆和围岩的位移方向相反，能够真实模拟研究冲击下预应力锚杆的力学特性；

3.该装置利用牛顿第二定律，用冲击套管的方式代替了拉伸锚杆的方式，这样套管完全暴露在外，使得试验时便于观察记录瞬时的冲击情况，操作简便，经济实用；

4.锚固剂锚固在套管的内螺纹上，避免了冲击时锚固剂与套管内壁之间的相对位移，冲击时锚杆与套管之间的相对位移完全体现在锚杆与锚固剂之间，试验更加直观真实；

5.受冲击端的存在首先对套管起到了缓冲保护作用，其次由于其可拆卸，便于固定端的安装，最后由于其可拆卸更换，节约了试验成本。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是固定端和受冲击端局部放大结构示意图；

图3是套管口局部放大结构示意图；

图4是应变片局部放大结构示意图；

图5是本发明组装结构示意图；

图6是另一种冲击保护套组装结构示意图；

图中1、套管，2、锚杆，3、锚固剂，4、固定端，5、受冲击端，6、固定块，7、螺母，8、垫片，9、固定座，10、开槽，11、受冲击块，12、冲击保护套，13、应变片，14、孔洞，15、导线。

具体实施方式

实施例1

如附图1-4所示，冲击力作用下锚杆力学特性研究装置，包括套管、锚杆、锚固剂、固定端和受冲击端，锚固剂将锚杆锚固在套管中，锚杆一端位于套管外，该端通过固定端与地面固定相连，受冲击端穿过固定端与套管相接触。

固定端包括固定块、螺母、垫片和固定座，固定块为长条状，其中部有孔，锚杆从孔中穿过，螺母与锚杆的螺纹相配套，螺母和垫片安装在锚杆上，将固定块的位置限定，固定块的两端位于受冲击端外，固定块的两端与固定座固定相连，固定座与SHPB试验平台固定相连。

受冲击端为圆筒状，其内径等于或小于套管内径，其外径等于或大于套管外径，其在与套管的接触端具有两条纵向开槽，开槽与固定块的宽度相等。

受冲击端还包括受冲击块，受冲击块为两阶圆柱台，外径较小的圆柱台***受冲击端中，外径较大的圆柱台的外径等于或大于受冲击端外径，其与受冲击端未开槽的一端相接触。

套管与受冲击端相接触的一端安装有冲击保护套，冲击保护套为圆筒状，其内径等于套管外径，其套装在套管外沿上，锚固剂与套管口之间具有一定距离。

套管有内螺纹，锚固剂锚固在内螺纹上。

锚杆上沿轴向设有间隔一定的若干切槽，应变片贴在切槽上。

套管上沿轴向设有多个孔洞，应变片的连接导线从孔洞中穿过。

应变片导线通过桥盒接到动态应变仪上，动态应变仪和示波器相连，示波器与计算机相连。

该装置的使用方法如下：

a.将应变片贴在锚杆的切槽上，应变片为SG1、SG2 、SG3，采用锚固剂将锚杆锚固在套管中；

b.如附图5所示，等锚固剂养护好后，将固定块沿锚杆放入，接着把螺母和垫片套在锚杆，采用数显扳手对锚杆施加预应力，预紧力计算公式为：，M_t为预紧力矩，K为拧紧力系数，P为预紧力，D为螺纹公称直径，可计算得到初始预应力，之后将冲击保护套套装在套管口，将受冲击端的开槽对准固定块放入，顶住冲击保护套；

c.将组装好的试验装置安装在霍普金森测试装置上，SHPB试验平台的固定装置与地面是固定相连的，再将固定块与SHPB试验平台的固定座固定相连，将锚杆上应变片导线通过桥盒接到动态应变仪上，之后打开动态应变仪和示波器，确保入射杆冲击时与套管保持共轴，检查和锚杆上的应变片连接是否正常，设置动态气压，准备进行动态冲击试验；

d.冲击完后，记录示波器上应变片上得到的信号，锚杆滑移量、螺母的松紧情况，之后打开套管，观察锚固剂的损伤情况，最后关闭所有仪器，清理套管中锚固剂，完成整个试验过程；

e.采用游标卡尺测量得到锚杆滑移量，采用数显扳手测量锚杆的剩余预应力；

f.确定锚杆中应力波传播波速Vp，由于SG1和SG2的距离△d1、SG2和SG3的距离△d2是已知的，根据示波器得到的三个应变片的应力波数据，得到SG1应力波信号和SG2应力波信号起点的时间差△t1，SG2应力波信号和SG3应力波信号起点的时间差△t2，根据公式Vp=△d/△t可以计算得到应力波在SG1和SG2之间、SG2和SG3之间的传播波速。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：1.冲击保护套的结构不同，如附图6所示，本实施例中冲击保护套一端为较小的圆筒体，其***套管中，另一端为较大的圆筒体，其接受受冲击端的***；2. 受冲击块的结构不同，本实施中受冲击块外径较大的一端为圆筒体，其接受入射杆的***。本实施例中冲击保护和受冲击块将套管、冲击端、入射杆共轴稳定相连，有利于冲击力的传递。

Claims (7)

1.冲击力作用下锚杆力学特性研究装置，其特征为包括套管、锚杆、锚固剂、固定端和受冲击端，锚固剂将锚杆锚固在套管中，锚杆一端位于套管外，该端通过固定端与地面固定相连，受冲击端穿过固定端与套管相接触，

固定端包括固定块、螺母、垫片和固定座，固定块为长条状，其中部有孔，锚杆从孔中穿过，螺母与锚杆的螺纹相配套，螺母和垫片安装在锚杆上，将固定块的位置限定，固定块的两端位于受冲击端外，固定块的两端与固定座固定相连，固定座与SHPB试验平台固定相连，

受冲击端为圆筒状，其内径等于或小于套管内径，其外径等于或大于套管外径，其在与套管的接触端具有两条纵向开槽，开槽与固定块的宽度相等，

受冲击端还包括受冲击块，受冲击块为两阶圆柱台，外径较小的圆柱台***受冲击端中，外径较大的圆柱台的外径等于或大于受冲击端外径，其与受冲击端未开槽的一端相接触。

2.根据权利要求1中所述的冲击力作用下锚杆力学特性研究装置，其特征为套管与受冲击端相接触的一端安装有冲击保护套，冲击保护套为圆筒状，其内径等于套管外径，其套装在套管外沿上，锚固剂与套管口之间具有一定距离。

3.根据权利要求1中所述的冲击力作用下锚杆力学特性研究装置，其特征为套管有内螺纹，锚固剂锚固在内螺纹上。

4.根据权利要求1或2或3中所述的冲击力作用下锚杆力学特性研究装置，其特征为锚杆上沿轴向设有间隔一定的若干切槽，应变片贴在切槽上。

5.根据权利要求4中所述的冲击力作用下锚杆力学特性研究装置，其特征为套管上沿轴向设有多个孔洞，应变片的连接导线从孔洞中穿过。

6.根据权利要求5中所述的冲击力作用下锚杆力学特性研究装置，其特征为应变片导线通过桥盒接到动态应变仪上，动态应变仪和示波器相连，示波器与计算机相连。

7.根据权利要求6中所述的冲击力作用下锚杆力学特性研究装置，其特征为该装置的使用方法如下：

a.将应变片贴在锚杆的切槽上，应变片为SG1、SG2 、SG3，采用锚固剂将锚杆锚固在套管中；

b.等锚固剂养护好后，将固定块沿锚杆放入，接着把螺母和垫片套在锚杆，采用数显扳手对锚杆施加预应力，预紧力计算公式为：M_t＝K×P×D×0.001，M_t为预紧力矩，K为拧紧力系数，P为预紧力，D为螺纹公称直径，可计算得到初始预应力，之后将冲击保护套套装在套管口，将受冲击端的开槽对准固定块放入，顶住冲击保护套；

c.将组装好的试验装置安装在霍普金森测试装置上，SHPB试验平台的固定装置与地面是固定相连的，再将固定块与SHPB试验平台的固定座固定相连，将锚杆上应变片导线通过桥盒接到动态应变仪上，之后打开动态应变仪和示波器，确保入射杆冲击时与套管保持共轴，检查和锚杆上的应变片连接是否正常，设置动态气压，准备进行动态冲击试验；

d.冲击完后，记录示波器上应变片上得到的信号，锚杆滑移量、螺母的松紧情况，之后打开套管，观察锚固剂的损伤情况，最后关闭所有仪器，清理套管中锚固剂，完成整个试验过程；

e.采用游标卡尺测量得到锚杆滑移量，采用数显扳手测量锚杆的剩余预应力；

f.确定锚杆中应力波传播波速Vp，由于SG1和SG2的距离△d1、SG2和SG3的距离△d2是已知的，根据示波器得到的三个应变片的应力波数据，得到SG1应力波信号和SG2应力波信号起点的时间差△t1，SG2应力波信号和SG3应力波信号起点的时间差△t2，根据公式Vp=△d/△t可以计算得到应力波在SG1和SG2之间、SG2和SG3之间的传播波速。