CN111982691A - 锚杆/锚索综合力学性能试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了锚杆/锚索综合力学性能试验装置及试验方法，可解决现有技术装备无法对锚杆/锚索试件、锚固体试件综合进行冲击试验的问题，实现一机多用，具体方案如下：锚杆/锚索综合力学性能试验装置，包括试验台，试验台表面固定有用于设置试件的第一固定单元，沿着试验台设置滑动轨道。电枢冲击块可沿着滑动轨道移动，电枢冲击块设于第一固定单元的一侧，且试件中的锚杆或锚索穿过电枢冲击块设置。试验台支撑有电磁推动器，电磁推动器推动电枢冲击块朝向第一固定单元运动。在试件锚杆或锚索设置位移传感器，在第一固定单元的一侧设置力传感器。位移传感器与力传感器和控制器连接，从而有效测试锚杆/锚索及其锚固体在静力、动力载荷下的综合力学性能。

Description

锚杆/锚索综合力学性能试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及地下工程支护技术领域，尤其是锚杆/锚索综合力学性能试验装置及试验方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

锚杆/锚索支护作为一种经济、高效且能有效保证地下工程安全的支护形式，在我国地下工程建设过程中得到了大范围的推广和应用。随着我国地下工程的迅速发展，在交通隧道和矿山巷道建设过程中，常面临高应力、极软岩、断层破碎带等复杂地质条件，工程灾害日趋增多，如岩爆、软岩大变形、冒顶塌方等，对工程建设和人员生命财产安全造成了巨大的威胁。因此，为保障地下工程的安全建设，对各支护构件的力学性能和变形破坏机制进行深入研究是尤为必要的。目前，发明人发现，国内外关于锚杆/索力学性能试验的装置主要存在以下问题：

1)国内外锚杆/索试验装置大多只能进行单一的静力拉伸试验或者动力冲击试验，无法在同一试验装置上进行不同试验，且难以模拟锚固体在现场高应力环境下的综合力学性能和变形破坏机制。

2)国内外锚杆/索试验装置虽然测试的数据准确，但只能反映锚杆/索单一的力学性能指标。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供锚杆/锚索综合力学性能试验装置，模拟现场施工过程中锚固体遇到的高应力环境，实现对锚杆/锚索试件、锚固体试件施加动力与静力载荷，能够准确有效的测试锚杆/锚索与锚固体的综合力学性能。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

锚杆/锚索综合力学性能试验装置，包括试验台，试验台表面固定有加载单元、第一固定单元、第二固定单元、滑动导轨；加载单元包括用于施加动力载荷的电磁推动器与用于施加静力载荷的液压推动器，液压推动器设于电磁推动器的一侧；电磁推动器通过电脉冲驱动装置驱动电枢冲击块对锚杆或锚索施加轴向冲击载荷，或者对岩样或锚固体表面施加冲击载荷；液压推动器通过液压油缸对岩样或锚固体试件施加静力载荷；第一固定单元安装于电磁推动器一侧，对岩样或锚固体进行固定，并施加围压；第二固定单元安装于第一固定单元远离电磁推动器的一侧，用于对锚杆或锚索端部进行固定；滑动导轨沿试验台设置，为电枢冲击块提供滑动轨道。

如上所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，所述电磁推动器包括驱动线圈、电枢冲击块、脉冲电源，驱动线圈由同轴排列在绝缘骨架上的线圈组成，驱动线圈外接脉冲电源，脉冲电源中的单相电源由脉冲电容器和放电开关组成，电枢冲击块在驱动线圈内加速，根据冲击速度需要，增加驱动线圈数量。

如上所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，所述液压推动器包括横跨所述试验台的支架，支架支撑液压缸，液压缸的输出端设置推板，推板朝向所述第一固定单元设置。

如上所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，所述电枢冲击块为立方体结构，四角安装有滑动轮；所述电枢冲击块中间留有中空圆孔，便于试验锚杆/锚索穿过；所述滑动轮为不导电且无磁性的材料。

如上所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，所述第一固定单元为多块组合式钢板拼装组成立方体结构，包括上部板、下部板和侧面板，上部板和下部板的周侧均弯折设置，侧面板设于上部板和下部板的周侧，且上部板和下部板的弯折处对侧面板进行限位。

如上所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，与所述滑动轨道平行的两所述侧面板开有用于螺栓穿过孔洞，且开有孔洞的侧面板中至少一块为活动板，通过液压推动器或螺栓对岩样和锚固体施加围压，另两侧面板开有用于所述锚杆或锚索穿过的预留孔。

如上所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，所述的第二固定单元包括含有梯型槽的固定横梁、锁具、固定锁具的组合装置，锁具包括用于夹紧锚杆杆体与锚索钢绞线的夹片、套于夹片外部的锁具锚环；夹片为多块钢片组合成的中空锥台结构，其内部设置螺纹，锁具锚环为圆柱体结构，其内部含有放置夹片的柱状空间；固定锁具的组合装置由两块对称槽型钢块拼装而成。

如上所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，所述滑动导轨安装冲击垫板，冲击垫板为具有一定厚度的正方形铁板且四角安装有滑动轮，中间具有供锚杆或锚索穿过的圆洞，冲击垫板设置于所述电磁推动装置远离所述液压推动器的一侧。

如上所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，所述滑动轨道包括四条，其中两条固定于所述试验台的上表面，另两条位于这两条滑动轨道的上方，滑动轨道为T型轨道；

所述电枢冲击块的周侧分别设置用于卡入T型轨道的滑动轮。

第二方面，本发明还提供了锚杆/锚索综合力学性能试验装置的试验方法，包括如下内容：

锚杆或锚索轴向施加冲击载荷：将锚杆或锚索一端由第二固定单元固定，穿过电磁推动器、冲击垫板，并用锁具固定锚杆或锚索的另一端，锁具与冲击垫板紧密衔接；在冲击垫板与锁具之间安装测力计，并在冲击垫板与第一固定单元之间安装位移引伸计；

岩样或锚固体施加冲击载荷：将岩样或锚固体放置于第一固定单元，靠近电磁推动装置一侧的侧面板打开或只保留远离电磁推动器一侧的侧面板，或者，由第一固定单元和液压推动器向岩样或锚固体施加围压；

电磁推动器启动，通过电枢冲击块施加冲击载荷；

岩样或锚固体施加静力载荷：将岩样或锚固体放置于第一固定单元，露出岩样或锚固体的上部和周侧；液压推动器施加静力载荷；

在试验过程中，通过位移引伸计和测力计采集数据，并将数据传送至控制器。

上述本发明的有益效果如下：

1)本发明通过试验装置的设置，通过电磁推动器，可向电枢冲击块提供作用力，电枢冲击块沿着滑动轨道移动，并向试件提供设定大小的冲击力，有效模拟实际工况中锚固体遇到的冲击作用力，通过液压推动器可对岩样或锚固体施加静力荷载，整体装置可实现静力拉伸试验和动力冲击试验，在同一装置上可进行多种试验，可有效模拟锚固体在现场高应力环境下的综合力学性能和变形破坏机制。

2)本发明通过液压推动器的设置，可向岩样或锚固体提供静力荷载，单独可进行试件在受静力荷载时候的试验，获得相关的数据；与电枢冲击块的配合，可实现试件受静力和冲击试验，实现一机多用，拓宽应用范围，能够满足锚杆/索综合力学性能测试要求。

3)本发明通过第一固定单元的设置，可向岩样或锚固体提供围压或不提供围压，在提供围压的情况时，配合液压推动器和电枢冲击块的设置，可真实模拟锚固体、岩样在工程现场高应力环境下的受力情况，揭示其综合力学性能和变形破坏机制。

4)本发明通过滑动轨道的设置，能够为电枢冲击块的运动提供轨道，保证向试件提供可靠的作用力。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的锚杆/锚索综合力学性能试验装置的示意图。

图2是本发明根据一个或多个实施方式的锚杆/锚索综合力学性能试验装置的第一固定单元的示意图。

图3是本发明根据一个或多个实施方式的试件夹具在锚杆或锚索的示意图。

图4是本发明根据一个或多个实施方式的试验夹具的放大图。

图5是本发明根据一个或多个实施方式的电磁推动器的原理图。

图6是本发明根据一个或多个实施方式的电枢冲击块的示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1.试验台，2.第二固定单元，3.加强肋，4.支柱，5.滑动轨道，6.第一固定单元，7.液压推动器，8.电枢冲击块，9.加载单元，10.滑动轮，11.冲击垫板，12.锚杆/锚索，13.试验夹具，14.缓冲板，15.高强螺栓，16.下部轨道，17.固定台，18.上部板，19.矩形板，20.侧面板，21.螺丝帽，22.螺栓孔，23.下部板，24.加强肋，25.法兰盘，26.试验夹具，27.锁具，28.夹片，29.高强锁具锚环，30.驱动线圈，31.脉冲电源。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在试验装置只能进行单一试验的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了锚杆/锚索综合力学性能试验装置及试验方法。

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，锚杆/锚索综合力学性能试验装置，包括试验台，试验台表面固定有加载单元、第一固定单元、第二固定单元、滑动导轨；加载单元包括用于施加动力载荷的电磁推动器与用于施加静力载荷的液压推动器，液压推动器设于电磁推动器的一侧；电磁推动器通过电脉冲驱动装置驱动电枢冲击块对锚杆或锚索施加轴向冲击载荷，或者对岩样或锚固体表面施加冲击载荷；液压推动器通过液压油缸对岩样或锚固体试件施加静力载荷；第一固定单元安装于电磁推动器一侧，对岩样或锚固体进行固定，并施加围压；第二固定单元安装于第一固定单元远离电磁推动器的一侧，用于对锚杆或锚索端部进行固定；滑动导轨沿试验台设置，为电枢冲击块提供滑动轨道。

参考图5所示，电磁推动器包括驱动线圈30、电枢冲击块8、脉冲电源31，驱动线圈由同轴排列在绝缘骨架上的线圈组成，驱动线圈外接脉冲电源，脉冲电源中的单相电源由脉冲电容器和放电开关组成，电枢冲击块在驱动线圈内加速，根据冲击速度需要，增加驱动线圈数量；通电后驱动电枢冲击块8在驱动线圈作用下可实现对试件进行正反两个方向的高速冲击，具体地通过试验台支撑电磁推动器，电磁推动器横跨试验台设置并与脉冲电源31连接，电枢冲击块8设于电磁推动器的内侧；液压推动器设于第一固定单元的上方，用于向岩样与锚固体试件提供静力荷载。

滑动轨道5安装于试验台1上部，为电枢冲击块8提供移动轨道；第一固定单元6安装于电磁推动器左侧，用于固定岩样或锚固体，同时对立方体试件施加围压；第二固定单元2安装于第一固定单元6左侧，固定锚杆或锚索一端；冲击垫板11安装于试验锚杆/锚索自由段并利用锁具27固定，将承受的冲击载荷作用于锚杆/锚索的力；缓冲垫板14安装于试验锚杆/锚索自由段一侧，位于冲击垫板11远离电磁驱动器的一侧，缓冲垫板14防止锚杆/锚索被冲断后滑出试验台1；固定台17位于试验台1一侧，用于安装监测仪器，监测仪器可为摄像头。

在冲击垫板与锁具之间安装测力计，并在冲击垫板与第一固定单元之间安装位移引伸计，测力计和位移引伸计与控制器连接，控制器还与摄像头连接，控制器可为工控机。

在一些示例中，缓冲垫板14选用橡胶垫板，具有设定的厚度，且缓冲垫板14与滑动轨道垂直。

滑动轨道5由四根T型轨道按照四角布置方式进行布置，下部两根轨道固定于试验台1，上部对称安装剩余的两根轨道，同时，滑动轨道5两端分别用支柱4连接上、下轨道，供电枢冲击块8滑动使用。

电枢冲击块8为立方体结构，参考图6所示，四角安装有滑动轮10；电枢冲击块8中间留有中空圆孔，便于试验锚杆/锚索穿过。

电枢冲击块8放置于四根滑动轨道中间，电枢冲击块8上的滑动轮10放置于T型轨道内；为了配合T型轨道的形状，滑动轮的周侧设置向内凹陷的曲面，滑动轮10卡在轨道，且滑动轮与电枢冲击块的侧面活动连接，防止其在试验过程中脱离滑动轨道5。

第一固定单元6为立方体结构，由多块组合式钢板拼装组成，并固定于两侧滑动轨道5之间，同时能够对岩样、锚固体进行固定并施加围压。第一固定单元包括上部板、下部板和侧面板，上部板和下部板的周侧均弯折设置，侧面板设于上部板和下部板的周侧，且上部板和下部板的弯折处对侧面板进行限位；第一固定单元固定于轨道之间的方法包括对下部的钢板焊接法兰盘25，通过高强螺栓将法兰盘25固定，但不限于此。

其中，上部板、下部板和侧面板均为钢板。

当不需要对试件施加围压时，第一固定单元6由一侧的侧面板(远离电磁推动器一侧的侧面板)和下部板23组成，侧面板一侧安装加强肋24，加强肋24底部与法兰盘连接，并用高强螺栓固定于试验台1，保证轨道垂直面钢板在受冲击作用下不产生移动。

当需要对试件施加围压时，在一些示例中，参考图2所示，第一固定单元6包括下部板23、上部板18以及四块侧面钢板，上部板18与下部板23相对面边线位置焊接矩形板19；侧面板20在放置试样后，***到上部板18、下部板23上的矩形板19组合成立方体结构中；其中与滑动轨道平行的两侧面板20中心位置留设多个圆形螺栓孔22，用于螺栓穿过并用螺母锁紧，在孔洞处将螺栓的螺丝帽21与侧面钢板焊接为一整体，另两侧面钢板中心留有供锚杆或锚索穿过的预留孔，其中与滑动轨道平行的其中一个侧面板为可推动的钢板，通过旋转螺栓的螺母，控制其松紧程度，推动组合成的空间钢板对岩样或锚固体施加压力。

锚杆或锚索的两端分别设置试验夹具，参考图3和图4所示，试验夹具26包括锁具27与用于固定锁具的夹持件；锁具27包括用于夹紧锚杆杆体或锚索钢绞线的夹片28、套于夹片外部的锁具锚环29；夹片28为多块钢片组合成的中空锥台结构件，其内部含有高强螺纹；锁具锚环29为圆柱体结构，其内部含有放置夹片28的柱状空间；夹持件由两块对称槽型钢块拼装而成，夹持件设于夹片28与锁具锚环之间。

第二固定单元安装于第一固定单元远离电磁推动器的一侧，用于对锚杆或锚索端部进行固定，第二固定单元2中间设置楔形凹槽，用于固定锚杆或锚索的端部，且第二固定单元固定于试验台1上，楔形凹槽与试验夹具26中夹片部分形状相适配。

具体地，液压推动器沿试件轴线方向移动，对试件施加静力载荷，开展静力试验，液压推动器包括横跨试验台设置的支架，支架支撑液压缸，液压缸的伸出端设置推板，推板设于第一固定单元的上方，液压推动器通过推板向第一固定单元施加荷载。

固定台17设于试验台1的侧部，用于安装监测仪器，固定台17高度与滑动轨道位于同一水平面，便于对试验试件进行监测，监测仪器包括摄像头，摄像头朝向电枢冲击块与第一固定单元设置，用于记录试件夹持容器在受力作用下发生的变形情况。

进一步，为了进行试验研究，在锚杆或锚索设置位移传感器，通过位移传感器测试冲击试验时锚杆/锚索的变形情况，在第一固定单元朝向电枢冲击块的一侧设置力传感器，通过力传感器获知第一固定单元一侧的受力情况，相应转化为试件的受力情况，位移传感器与力传感器与控制器连接，在一些具体示例中，控制器选择主计算机。

锚杆/锚索综合力学性能测试方法包括：利用试验夹具26将锚杆/锚索一端固定于第二固定单元2，将锚杆/锚索另一端穿过电磁推动器，并在端部位置安装锁具与冲击垫板11；在冲击垫板与锁具之间安装测力计，并在冲击垫板与第一固定单元之间安装位移引伸计；

通过电磁推动器向第二固定单元2的方向发射电枢冲击块8对锚杆/锚索进行冲击试验；

利用第一固定单元6的轨道垂直面钢板和底部钢板限制岩样或锚固体，通过电磁推动器向第一固定单元6发射电枢冲击块8对岩样或锚固体进行冲击试验；

利用第一固定单元6的组合式钢板固定含有长锚杆/锚索锚固体试件的六个面，锁紧第一固定单元中侧面板，并通过液压推动器，向试件提供围压；通过垂直轨道的侧面钢板上的圆形孔洞将锚杆/锚索伸出，并将其穿过电磁推动器，在穿过电磁推动器锚杆/锚索的端部位置安装锁具27与冲击垫板11；通过电磁推动器向第二固定单元2的方向发射电枢冲击块8对锚固后的锚杆/锚索进行冲击试验。

在试验过程中，通过位移引伸计和测力计采集数据，并将数据传送至控制器。

需要说明的是，本发明中可对岩样或锚固体进行试验，可通过电磁驱动器向岩样施加冲击力，岩样同样放置于第一固定单元中进行试验，这样试验装置能够对锚杆/锚索、岩样、锚固体、锚固后的锚杆/锚索进行冲击试验与静力试验。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.锚杆/锚索综合力学性能试验装置，其特征在于，包括试验台，试验台表面固定有加载单元、第一固定单元、第二固定单元、滑动导轨；加载单元包括用于施加动力载荷的电磁推动器与用于施加静力载荷的液压推动器，液压推动器设于电磁推动器的一侧；电磁推动器通过电脉冲驱动装置驱动电枢冲击块对锚杆或锚索施加轴向冲击载荷，或者对岩样或锚固体表面施加冲击载荷；液压推动器通过液压油缸对岩样或锚固体试件施加静力载荷；第一固定单元安装于电磁推动器一侧，对岩样或锚固体进行固定，并施加围压；第二固定单元安装于第一固定单元远离电磁推动器的一侧，用于对锚杆或锚索端部进行固定；滑动导轨沿试验台设置，为电枢冲击块提供滑动轨道。

2.根据权利要求1所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，其特征在于，所述电磁推动器包括驱动线圈、电枢冲击块、脉冲电源，驱动线圈由同轴排列在绝缘骨架上的线圈组成，驱动线圈外接脉冲电源，电枢冲击块在驱动线圈内加速。

3.根据权利要求1所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，其特征在于，所述液压推动器包括横跨所述试验台的支架，支架支撑液压缸，液压缸的输出端设置推板，推板朝向所述第一固定单元设置。

4.根据权利要求1所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，其特征在于，所述电枢冲击块为立方体结构，四角安装有滑动轮；所述电枢冲击块中间留有中空圆孔，便于试验锚杆/锚索穿过；所述滑动轮为不导电且无磁性的材料。

5.根据权利要求1所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，其特征在于，所述第一固定单元为多块组合式钢板拼装组成立方体结构，包括上部板、下部板和侧面板，上部板和下部板的周侧均弯折设置，侧面板设于上部板和下部板的周侧，且上部板和下部板的弯折处对侧面板进行限位。

6.根据权利要求5所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，其特征在于，与所述滑动轨道平行的两所述侧面板开有用于螺栓穿过孔洞，且开有孔洞的侧面板中至少一块为活动板，通过液压推动器或螺栓对岩样和锚固体施加围压，另两侧面板开有用于所述锚杆或锚索穿过的预留孔。

7.根据权利要求1所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，其特征在于，所述的第二固定单元包括含有梯型槽的固定横梁、锁具、固定锁具的组合装置，锁具包括用于夹紧锚杆杆体与锚索钢绞线的夹片、套于夹片外部的锁具锚环；夹片为多块钢片组合成的中空锥台结构，其内部设置螺纹，锁具锚环为圆柱体结构，其内部含有放置夹片的柱状空间；固定锁具的组合装置由两块对称槽型钢块拼装而成。

8.根据权利要求1所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，其特征在于，所述滑动导轨安装冲击垫板，冲击垫板为具有一定厚度的正方形铁板且四角安装有滑动轮，中间具有供锚杆或锚索穿过的圆洞，冲击垫板设置于所述电磁推动装置远离所述液压推动器的一侧。

9.根据权利要求2所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置，其特征在于，所述滑动轨道包括四条，其中两条固定于所述试验台的上表面，另两条位于这两条滑动轨道的上方，滑动轨道为T型轨道；

所述电枢冲击块的周侧分别设置用于卡入T型轨道的滑动轮。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的锚杆/锚索综合力学性能试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下内容：

锚杆或锚索轴向施加冲击载荷：将锚杆或锚索一端由第二固定单元固定，穿过电磁推动器、冲击垫板，并用锁具固定锚杆或锚索的另一端，锁具与冲击垫板紧密衔接；在冲击垫板与锁具之间安装测力计，并在冲击垫板与第一固定单元之间安装位移引伸计；

岩样或锚固体施加冲击载荷：将岩样或锚固体放置于第一固定单元，靠近电磁推动装置一侧的侧面板打开或只保留远离电磁推动器一侧的侧面板，或者，由第一固定单元和液压推动器向岩样或锚固体施加围压；

电磁推动器启动，通过电枢冲击块施加冲击载荷；

岩样或锚固体施加静力载荷：将岩样或锚固体放置于第一固定单元，露出岩样或锚固体的上部和周侧；液压推动器施加静力载荷；

在试验过程中，通过位移引伸计和测力计采集数据，并将数据传送至控制器。

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