CN113252469B - Npr锚索剪切破坏模拟实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种NPR锚索剪切破坏模拟实验装置，包括底座、顶板和位于两者中间用于支撑的钢管，底座和顶板之间设有拉紧装置和位移感应装置，所述拉紧装置的一端为固定夹具，另一端为恒阻体夹具，所述固定夹具和恒阻体夹具之间利用四根钢管固定连接，并且固定夹具和恒阻体夹具上均有横向设置且对通的孔，恒阻体夹具与用于施加预应力的液压装置相连。本发明针对性、特色性强，结构新颖，操作方便，能够针对性的对NPR锚索的抗剪切破坏性能充分模拟研究，能够较为准确的测得在围岩剪切作用下NPR锚索的抗剪性能，利用实验结果能够有效验证实际工程应用中发生的剪切破坏，可为矿山支护、隧道支护、边坡支护及水利工程等领域的应用提供科学依据。
Description
技术领域
本发明属于煤矿巷道支护技术领域，尤其涉及一种NPR锚索剪切破坏模拟实验装置及实验方法。
背景技术
近年来随着煤矿开采深度越来越深，煤矿冲击地压发生强度、危害程度及频次呈急剧增加趋势，现有支护材料无法满足冲击力作用下巷道防护的要求，2014年何满朝院士基于负泊松比材料的特殊力学特性，结合井下巷道冲击大变形控制的需求，研发了具有负泊松比效应新型高恒阻大变形NPR锚索，研究表明这种恒阻NPR锚索能够在静力拉伸条件下产生滑移拉伸变形的同时保持350kN左右的恒阻力，并且在外作用力下，能够通过保持恒阻力并产生拉伸变形来吸收变形能量。
为了更好地控制和预测深部高应力岩爆、冲击地压和滑坡等工程地质灾害，何满朝院士于2016年基于负泊松比材料结构在抗冲击、抗剪切及吸收能量等方面的优异性能，研发具有NPR结构的新型恒阻大变形锚索，首次在岩石力学领域提出NPR支护的概念与力学行为的科学问题。并且通过静态拉伸试验、井下防冲抗爆试验和滑坡监测试验，验证NPR锚索本构关系的理论模型的正确性，并逐渐推广应用到公路隧道及边坡支护工程中，并且在控制渭武高速木寨岭隧道发生大变形中得到成功应用。
在实际支护过程以及室内静态拉伸试验中，NPR锚索的超强抗拉性能得到验证，但对于其抗剪能力还尚未得到科学验证。而在煤矿及隧道的应用过程中，由于地下环境恶劣，受条件限制较大，难以对NPR锚索的抗剪能力做出科学验证。通常需要进行室内相似模拟实验，通过实验相似模拟实际工程情况，分析剪应力作用下NPR锚索的抗剪切效果。现有锚索剪切研究，只是模拟普通锚杆索作用下巷道围岩对锚索的实际受力情况，难以模拟实际工程中NPR锚索恒阻器的作用效果，无法得到准确的NPR锚索抗剪切效果。因此，开发出一种结构简单合理、实现模拟NPR锚索受力情况的综合模拟实验装置可以有效验证NPR锚索的抗剪切效果，得到准确数据，从而减少支护过程中因发生剪切破坏而失效的问题，可以为矿山、隧道、边坡、水利等岩土工程提供科学依据。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种能够模拟实际工程中NPR锚索恒阻器作用效果的一种NPR锚索剪切破坏模拟实验装置及实验方法。
技术方案：本发明的一种NPR锚索剪切破坏模拟实验装置，包括底座、顶板和位于两者中间用于支撑的钢管，底座和顶板之间设有拉紧装置和位移感应装置，拉紧装置的一端为固定夹具，另一端为恒阻体夹具，固定夹具和恒阻体夹具之间利用四根钢管固定连接，并且固定夹具和恒阻体夹具上均有横向设置且对通的孔，恒阻体夹具与用于施加预应力的液压装置相连。
其中，底座上设有滑轨，恒阻体夹具的下端设有与滑轨滑动连接的支撑板，孔的直径略大于NPR锚索钢绞线的直径，顶板的下方设有第一液压油缸、第二液压油缸、第三液压油缸，底座的上方设有第四液压油缸和第五液压油缸，所述第四液压油缸和第五液压油缸的中间设有激光位移传感器，固定夹具和恒阻体夹具之间的四根钢管中间设置有第一实验盒、第二实验盒、第三实验盒，第一液压油缸、第一实验盒和第四液压油缸对应竖向设置，第二液压油缸、第二实验盒和激光位移传感器对应竖向设置，第三液压油缸、第三实验盒和第五液压油缸对应竖向设置，第一实验盒、第二实验盒、第三实验盒上均有横向设置且对通的孔，与固定夹具和恒阻体夹具上的孔位于一条水平线上，并且相互贯通，能够使得NPR锚索穿过，固定夹具的上端利用钢管与顶板固定连接。
一种NPR锚索剪切破坏模拟实验方法，包括以下步骤：
步骤一：将底座固定于地面上；
步骤二：向第一实验盒、第二实验盒、第三实验盒内浇筑混凝土，并在混凝土块中间预留一个孔，用于穿过钢绞线，并将NPR锚索依次穿过孔和第一实验盒、第二实验盒、第三实验盒上的孔，通过树脂锚固剂将NPR锚索的钢绞线与孔壁粘结，锁紧固定夹具和恒阻体夹具，并等待实验盒内的混凝土凝固；
步骤三：实验盒内的混凝土凝固后，启动与恒阻体夹具相连的液压装置，对NPR锚索施加预应力，根据给定不同预应力来模拟不同的工况；
步骤四：同时启动第一液压油缸、第三液压油缸、第四液压油缸和第五液压油缸，夹紧第一实验盒和第三实验盒，并保证三个实验盒处于一条水平线上；
步骤五：启动第二液压油缸，向下挤压第二实验盒，从第二液压油缸接触到第二实验盒的上表面开始记录第二液压油缸的压力度数以及激光位移传感器获得的第二实验盒的位移变化，并根据压力度数和位移变化计算出NPR锚索受到岩体剪切破坏而NPR锚索在恒阻体未产生滑移时产生的第一个变形量；
步骤六：当应力达到NPR锚索的恒阻值时，NPR锚索上的恒阻体发挥作用，实现恒阻力滑移，控制NPR锚索的变形量，使得恒阻体夹具和支撑板在滑轨上滑移，并测量滑移距离，并根据压力度数和滑移距离计算出NPR锚索受到岩体剪切破坏、NPR锚索恒阻体产生滑移而产生的第二个变形量。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：针对性、特色性强，结构新颖，操作方便，能够针对性的对NPR锚索的抗剪切破坏性能充分模拟研究，能够较为准确的测得在围岩剪切作用下NPR锚索的抗剪性能，利用实验结果能够有效防止实际工程应用中发生的剪切破坏，可为矿山支护、隧道支护、边坡支护及水利工程等领域的应用提供科学依据。
附图说明
图1为本发明的实验装置结构示意图；
图2为本发明的NPR锚索变形示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-2对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示的一种NPR锚索剪切破坏模拟实验装置，包括底座1、顶板2和位于两者中间用于支撑的钢管3。
底座1和顶板2之间设有拉紧装置和位移感应装置，拉紧装置的一端为固定夹具10，另一端为恒阻体夹具11，固定夹具10和恒阻体夹具11之间利用四根钢管固定连接。
固定夹具10和恒阻体夹具11上均有横向设置且对通的孔18。
恒阻体夹具11与用于施加预应力的液压装置相连。
底座1上设有滑轨13。
恒阻体夹具11的下端设有与滑轨13滑动连接的支撑板12。
孔18的直径略大于NPR锚索钢绞线的直径。
顶板2的下方设有第一液压油缸7、第二液压油缸8和第三液压油缸9，底座1的上方设有第四液压油缸5和第五液压油缸6，第四液压油缸5和第五液压油缸6的中间设有激光位移传感器14。
固定夹具10和恒阻体夹具11之间的四根钢管中间设置有第一实验盒15、第二实验盒16、第三实验盒17。
第一液压油缸7、第一实验盒15和第四液压油缸5对应竖向设置，第二液压油缸8、第二实验盒16和激光位移传感器14对应竖向设置，第三液压油缸9、第三实验盒17和第五液压油缸6对应竖向设置。
第一实验盒15、第二实验盒16、第三实验盒17上均有横向设置且对通的孔，与固定夹具10和恒阻体夹具11上的孔18位于一条水平线上，并且相互贯通，能够使得NPR锚索穿过。
固定夹具10的上端利用钢管与顶板2固定连接。
一种NPR锚索剪切破坏模拟实验方法，包括以下步骤：
步骤一：将底座1固定于地面上；
步骤二：向第一实验盒15、第二实验盒16、第三实验盒17内浇筑混凝土，并在混凝土块中间预留一个孔，用于穿过钢绞线，并将NPR锚索依次穿过孔18和第一实验盒15、第二实验盒16、第三实验盒17上的孔，通过树脂锚固剂将NPR锚索的钢绞线与孔壁粘结，锁紧固定夹具10和恒阻体夹具11，并等待实验盒内的混凝土凝固；
步骤三：实验盒内的混凝土凝固后，启动与恒阻体夹具11相连的液压装置，对NPR锚索施加预应力，根据给定不同预应力来模拟不同的工况；
步骤四：同时启动第一液压油缸7、第三液压油缸9、第四液压油缸5和第五液压油缸6，夹紧第一实验盒15和第三实验盒17，并保证三个实验盒处于一条水平线上；
步骤五：启动第二液压油缸8，向下挤压第二实验盒16，从第二液压油缸8接触到第二实验盒16的上表面开始记录第二液压油缸8的压力度数以及激光位移传感器14获得的第二实验盒16的位移变化，并根据压力度数和位移变化计算出NPR锚索受到岩体剪切破坏而NPR锚索在恒阻体未产生滑移时产生的第一个变形量；
步骤六：当应力达到NPR锚索的恒阻值时，NPR锚索上的恒阻体发挥作用，实现恒阻力滑移，控制NPR锚索的变形量，使得恒阻体夹具11和支撑板12在滑轨13上滑移，并测量滑移距离，并根据压力度数和滑移距离计算出NPR锚索受到岩体剪切破坏、NPR锚索恒阻体产生滑移而产生的第二个变形量。
如图2所示的NPR锚索在（a）初始变形、（b）恒阻滑移以及（c）极限变形三个阶段中NPR锚索的锥形体24的移动位置。其中，NPR锚索包括：钢绞线22、恒阻器23、钢托盘20、锁具21；恒阻器23包括套筒27、锥形体24。
Claims (8)
1.一种NPR锚索剪切破坏模拟实验装置，其特征在于，包括底座（1）、顶板（2）和位于两者中间用于支撑的钢管（3），底座（1）和顶板（2）之间设有拉紧装置和位移感应装置，所述拉紧装置的一端为固定夹具（10），另一端为恒阻体夹具（11），所述固定夹具（10）和恒阻体夹具（11）之间利用四根钢管固定连接，并且固定夹具（10）和恒阻体夹具（11）上均有横向设置且对通的孔（18），恒阻体夹具（11）与用于施加预应力的液压装置相连；
所述底座（1）上设有滑轨（13）；
恒阻体夹具（11）的下端设有与滑轨（13）滑动连接的支撑板（12）；
对NPR锚索施加预应力，当恒阻体夹具（11）和支撑板（12）在滑轨（13）上滑移时，根据第二液压油缸（8）的压力度数和恒阻体夹具（11）的滑移距离得到NPR锚索受到岩体剪切破坏、NPR锚索恒阻体产生滑移时的变形量。
2.根据权利要求1所述的NPR锚索剪切破坏模拟实验装置，其特征在于，所述孔（18）的直径略大于NPR锚索钢绞线的直径。
3.根据权利要求1所述的NPR锚索剪切破坏模拟实验装置，其特征在于，所述顶板（2）的下方设有第一液压油缸（7）、第二液压油缸（8）和第三液压油缸（9），所述底座（1）的上方设有第四液压油缸（5）和第五液压油缸（6），所述第四液压油缸（5）和第五液压油缸（6）的中间设有激光位移传感器（14）。
4.根据权利要求1所述的NPR锚索剪切破坏模拟实验装置，其特征在于，所述固定夹具（10）和恒阻体夹具（11）之间的四根钢管中间设置有第一实验盒（15）、第二实验盒（16）、第三实验盒（17）。
5.根据权利要求3或4所述的NPR锚索剪切破坏模拟实验装置，其特征在于，所述第一液压油缸（7）、第一实验盒（15）和第四液压油缸（5）对应竖向设置，所述第二液压油缸（8）、第二实验盒（16）和激光位移传感器（14）对应竖向设置，所述第三液压油缸（9）、第三实验盒（17）和第五液压油缸（6）对应竖向设置。
6.根据权利要求4所述的NPR锚索剪切破坏模拟实验装置，其特征在于，所述第一实验盒（15）、第二实验盒（16）、第三实验盒（17）上均有横向设置且对通的孔，与固定夹具（10）和恒阻体夹具（11）上的孔（18）位于一条水平线上，并且相互贯通，能够使得NPR锚索穿过。
7.根据权利要求1所述的NPR锚索剪切破坏模拟实验装置，其特征在于，所述固定夹具（10）的上端利用钢管与顶板（2）固定连接。
8.一种利用权利要求1所述的NPR锚索剪切破坏模拟实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将底座（1）固定于地面上；
步骤二：向第一实验盒（15）、第二实验盒（16）、第三实验盒（17）内浇筑混凝土，并在混凝土块中间预留一个孔，用于穿过钢绞线，并将NPR锚索依次穿过孔（18）和第一实验盒（15）、第二实验盒（16）、第三实验盒（17）上的孔，通过树脂锚固剂将NPR锚索的钢绞线与孔壁粘结，锁紧固定夹具（10）和恒阻体夹具（11），并等待实验盒内的混凝土凝固；
步骤三：实验盒内的混凝土凝固后，启动与恒阻体夹具（11）相连的液压装置，对NPR锚索施加预应力，根据给定不同预应力来模拟不同的工况；
步骤四：同时启动第一液压油缸（7）、第三液压油缸（9）、第四液压油缸（5）和第五液压油缸（6），夹紧第一实验盒（15）和第三实验盒（17），并保证三个实验盒处于一条水平线上；
步骤五：启动第二液压油缸（8），向下挤压第二实验盒（16），从第二液压油缸（8）接触到第二实验盒的上表面开始记录第二液压油缸（8）的压力度数以及激光位移传感器（14）获得的第二实验盒（16）的位移变化，并根据压力度数和位移变化计算出NPR锚索受到岩体剪切破坏而NPR锚索在恒阻体未产生滑移时产生的第一个变形量；
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