CN115711815A - 一种同向拉扭加载装置及裂隙锚固岩体试验***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同向拉扭加载装置及裂隙锚固岩体试验***和方法，涉及岩石力学技术领域。该装置包括拉伸加载机构、联动机构、扭转加载机构，扭转加载机构与拉伸加载机构之间设置联动机构，保证同步随动加载，裂隙锚固岩体组合件通过联动机构实施加载。其中拉压油缸可以实现双向加载，调整拉压油缸活塞位置可以实现不同长度锚固体试样的加载；利用该加载装置可以进行拉伸及扭转运动约束控制，从而对锚固岩体裂隙面处锚杆与岩体粘结界面施加拉扭复合应力，该试验方法可以进行大尺寸裂隙试件锚固岩体一侧固定另一侧拉扭的同步加载，为研究锚固裂隙处的锚杆锚固界面在拉扭复合应力作用下界面失效及锚杆受力规律提供了方便。

Description

一种同向拉扭加载装置及裂隙锚固岩体试验***和方法

技术领域

本发明涉及岩石力学技术领域，尤其是一种同向拉扭加载装置及裂隙锚固岩体试验***和方法。

背景技术

锚杆支护作为围岩主体的重要支护技术，为地下空间工程安全生产与高效建设提供了可靠的技术保障。目前，锚杆的种类繁多，最常用的有普通螺纹钢锚杆、Cone锚杆、D-bolt、Garford锚索、Roofex锚杆、Durabar锚杆、Yielding Secura锚杆等，不同类型的锚杆与围岩的相互作用机制及支护机理具有差异性。锚杆锚固性能优劣一方面通过现场实践经验判定，一方面需要借助室内试验进行科学地研究。

在工程现场，由于地层结构及原生裂隙的影响，巷道通常会发生非均匀变形，在锚固裂隙面上对锚杆产生复合应力加载作用。由于锚杆锚固的隐蔽性，在现场难以开展有效的观测及研究，需要借助室内试验装置进行细致试验研究。以往试验研究比较关注锚杆与岩体间的拉拔剪切作用及由于岩体错动产生的垂直于锚杆的剪切作用，而忽视了坚硬岩体间的偏转错动问题。从工程实际来说，岩体间偏转错动的角度不会太大，通常在0-10°之间，但由于两块岩体的裂隙间距一般较小、甚至处于压紧闭合状态，所以锚固裂隙岩体微小的偏转也可能造成锚固界面损伤失效或者锚杆屈服破坏等。

现有技术中，包括一种锚固岩体扭转剪切试验装置及方法(CN110243701A)、锚杆(索)支护结构测试及锚固***性能综合试验装置及方法(CN110274831A)，其岩体拉伸加载机构与岩体扭转加载机构分别位于试验机的前部及尾部，因此为更加完美科学地还原工程问题，测试岩体间锚杆拉扭力学性能，提出一种适用于裂隙锚固岩体试验***的同向拉扭加载装置。

发明内容

为了实现对拉伸及扭转运动约束控制，对锚固岩体裂隙面处锚杆与岩体粘结界面施加拉扭复合应力，进行大尺寸裂隙试件锚固岩体一侧固定另一侧拉扭的同步加载试验，方便研究锚固裂隙处的锚杆锚固界面在拉扭复合应力作用下界面失效及锚杆受力规律，本发明提供了一种同向拉扭加载装置及裂隙锚固岩体试验***和方法，具体的技术方案如下。

一种同向拉扭加载装置，包括拉伸加载机构、联动机构、扭转加载机构，所述扭转加载机构与拉伸加载机构之间设置联动机构，裂隙锚固岩体组合试件放置在联动机构内；所述拉伸加载机构的拉压油缸双向加载，调整拉压油缸活塞位置对不同长度锚固体试样进行加载；同向拉扭加载装置进行拉伸及扭转运动约束控制，锚固岩体裂隙面处锚杆与岩体粘结界面承受拉扭复合应力作用，裂隙锚固岩体组合试件的一侧固定，另一侧进行拉扭的同步加载。

优选的是，拉压油缸为双向加载油缸，拉压油缸通过固定杆固定在主框架前部的承载板上；所述承载板预留圆孔，预留圆孔的直径大于拉压油缸的活塞直径；所述拉压油缸活塞尾端为变径螺纹丝杆，轮辐传感器和变径螺纹丝杆相配合；所述轮辐传感器通过长螺柱与第一导向板、内丝螺孔连接盘固定连接；所述第一导向板上设置有钻孔，钻孔直径大于拉压油缸的活塞直径。

优选的是，轮辐传感器感测拉压油缸与定轴之间的轴向拉力，内丝螺孔连接盘固定在定轴前端的螺纹丝杠上；所述内丝螺孔连接盘后侧通过定轴与变截面圆筒转轴相互耦合形成的内腔中布置有单向推力轴承和推力圆柱滚子轴承；变截面圆筒转轴与第二导向板形成的内腔中布置有双列圆柱滚子轴承，圆筒转轴绕定轴旋转。

优选的是，第一导向板和第二导向板通过定向导杆与主框架前方的承载板相连接。

还优选的是，变截面圆筒转轴外环上安装有第一带轮，扭转电机驱动第二带轮旋转，皮带连接第一带轮和第二带轮；第一带轮转动同时带动变截面圆筒转轴和拉扭加载框架旋转。

还优选的是，扭转电机通过电机固定座安装在扭转电机固定框架上，扭转电机固定框架固定安装在扭转加载机构的固定大板的滑块上，所述滑块配合在扭转加载机构的导轨上，所述固定大板通过扭矩反力板与主框架的侧板相连接。

进一步优选的是，电机固定座为中空的筒状结构，第一扭转传动轴穿过电机固定座与扭转电机的转动轴相连，第一扭转传动轴、第二扭转传动轴均与扭矩传感器相连，第二扭转传动轴与滚珠轴承及第二带轮相连，所述滚珠轴承通过轴承座配置在固定大板的滑块上。

进一步优选的是，扭转电机固定框架通过联动机构与第一导向板、第二导向板固定连接，联动机构上部通过导轨滑块机构与扭转加载装置相连；所述扭转加载机构通过联动机构与中间联动机构、拉伸加载机构同时运动。

一种裂隙锚固岩体试验***，具有上述的一种同向拉扭加载装置，还包括主框架和裂隙锚固岩体组合件，所述主框架包括钢垫板、多组主框架侧板、主框架前部承载板、主框架后部承载板，多组主框架侧板设置在主框架前部承载板和主框架后部承载板之间；所述裂隙锚固岩体组合件放置在主框架内，装配件夹持裂隙锚固岩体组合件，装配件包括相似材料试样和外框；拉扭夹持框架包括变截面圆盘、连杆和矩形槽圆盘，装配件和拉扭夹持框架相配合。

一种裂隙锚固岩体试验方法，利用上述的一种裂隙锚固岩体试验***，包括：在进行裂隙锚固岩体的拉扭组合试验时，同向拉扭加载装置对裂隙锚固岩体组合件施加拉拔及扭转载荷；在进行锚杆杆体的拉扭组合试验时，将拉扭加载框架更换为拉扭液压夹具，拉扭液压夹具包括安装在拉扭加载装置上的前拉扭液压夹具，以及安装在主框架内的后拉扭液压夹具；调整后拉扭液压夹具固定位置进行不同长度锚杆的拉扭组合试验。

本发明提供的一种同向拉扭加载装置及裂隙锚固岩体试验***和方法有益效果是：

(1)通过轴承及相关结构件之间的配合，构成中间联动机构，使得扭转加载及测量机构能够与拉伸加载及测量机构同步随动加载，实现了对拉伸及扭转运动约束控制，并对锚固岩体裂隙面处锚杆与岩体粘结界面施加拉扭复合应力。

(2)通过同向拉扭加载装置与试验***主框架及拉扭加载框架、锚固岩体试样装配件等结构的有效配合，实现了大尺寸裂隙锚固岩体的一侧固定、另一侧拉扭同步加载。同向拉扭加载装置结构采用同侧联动布置，释放试验***上部及后侧空间使用空间，使得试验***具有更大的功能扩充性，且更容易安装大尺寸锚固岩体组合试样。

(3)裂隙锚固岩体试验方法利用该试验***进行试验，可以进行裂隙锚固岩体的拉扭组合试验和锚杆杆体的拉扭组合试验，方便了锚固裂隙处的锚杆锚固界面在拉扭复合应力作用下界面失效及锚杆受力规律的研究。

附图说明

图1是裂隙锚固岩体试验***示意图；

图2是裂隙锚固岩体试验***的侧视图；

图3是拆除上部盖板后的裂隙锚固岩体试验***俯视图；

图4是裂隙锚固岩体试验***的剖视图；

图5是同向拉扭加载装置的立体图；

图6是岩体试样形状示意图；

图7是岩体试样相配套的外框结构示意图；

图8是拉扭夹持框架结构示意；

图9是安装有拉扭液压夹具的裂隙锚固岩体试验***结构示意图。

图中：1-主框架侧板；2-主框架前部承载板；3-主框架后部承载板；4-支座；5-垫板；6-L型挡块；7-辅助挡块；8-前后运动挡板；9-拉扭液压夹具；10-同向拉扭加载装置；11-拉压油缸；12-油缸固定杆；13-拉压油缸活塞；14-定向导杆；15-第一导向板；16-轮辐传感器；17-内丝螺孔连接盘；18-双列圆柱滚子轴承；19-第二导向板；20-第一带轮；21-单向推力轴承；22-圆筒转轴；23-推力圆柱滚子轴承；24-定轴；25-皮带；26-第二带轮；27-扭转电机；28-电机固定座；29-扭转电机固定框架；30-第一扭转传动轴；31-扭矩传感器；32-第二扭转传动轴；33-滚珠轴承；34-轴承座；35-联动框架；36-滑块；37-轨道；38-固定大板；39-扭矩反力板；100-锚固岩体试样装配件；100-1，第一块锚固岩体试样装配件；100-2，第二块锚固岩体试样装配件；100-3，第三块锚固岩体试样装配件；200-拉扭加载框架。

具体实施方式

结合图1至图9所示，对本发明提供的一种同向拉扭加载装置及裂隙锚固岩体试验***和方法的具体实施方式进行说明。

一种同向拉扭加载装置，通过驱动岩体的形式对锚固在另一块岩体中的锚杆进行拉拔、扭转等加载，这种加载模式更加符合工程现场由于岩层间或裂隙两侧围岩的张开及偏转形式下的锚杆受力行为，因此利用该装置测试的锚杆力学性能及与围岩的协同工作性能更加可靠。同向拉扭加载装置包括拉伸加载机构、联动机构、扭转加载机构，扭转加载机构与拉伸加载机构之间设置联动机构，裂隙锚固岩体组合试件放置在联动机构内。拉伸加载机构的拉压油缸双向加载，调整拉压油缸活塞位置对不同长度锚固体试样进行加载。拉伸加载机构安装在裂隙锚固岩体试验***主框架前侧部分。

同向拉扭加载装置进行拉伸及扭转运动约束控制，锚固岩体裂隙面处锚杆与岩体粘结界面承受拉扭复合应力作用，裂隙锚固岩体组合试件的一侧固定，另一侧进行拉扭的同步加载。拉伸加载机构用于拉伸及测量的机构，具体可以包括拉压油缸11、油缸固定杆12、拉压油缸活塞13、拉扭机构定向导杆14、第一导向板15、轮辐传感器16和连接盘17等。联动机构形成拉伸加载机构与同向扭转加载机构的中间联动，包括双列圆柱滚子轴承18、第二导向板19、第一带轮20、单向推力轴承21、圆筒转轴22、推力圆柱滚子轴承23、定轴24、皮带25、第二带轮26和联动框架35。扭转加载机构实现扭转加载及测量，包括扭转电机27、扭转电机固定座28、扭转电机固定框架29、第一扭转传动轴30、扭矩传感器31、第二扭转传动轴32、滚珠轴承33、轴承座34、滑块36、轨道37、扭转装置固定大板38和扭矩反力板39等。扭转加载机构通过联动机构随着拉伸加载机构中的拉压油缸活塞前后往复运动，拉扭同步加载及测量。

其中，拉压油缸11为双向加载油缸，拉压油缸11通过固定杆固定在主框架前部承载板2上，具体如图所示可以通过十二根油缸固定杆12固定在主框架前部承载板2上。主框架前部承载板2上预留圆孔，预留圆孔的直径略大于拉压油缸11的活塞直径，使得拉压油缸活塞13穿过主框架前部承载板2与后面的构件连接。拉压油缸11后腔充油时，活塞向前运动，前腔充油时，活塞向后运动，通过调整活塞位置可在一定程度上实现对不同长度锚固岩体试样装配件100的加载。拉压油缸活塞13在一定程度上还充当变截面连杆作用，拉压油缸活塞尾端为变径螺纹丝杆，轮辐传感器16和变径螺纹丝杆相配合，轮辐传感器16的受力形式满足传感器辐条上的剪力测量原理。轮辐传感器16通过长螺柱与第一导向板15、内丝螺孔连接盘17固定连接。第一导向板15上设置有钻孔，第一导向板15上的钻孔直径略大于拉压油缸活塞13直径，不与拉压油缸活塞13接触，不影响轮辐传感器16的载荷感测。

内丝螺孔连接盘17不与拉压油缸活塞13尾端的螺纹丝杠接触，而是通过其内螺纹固定在变截面定轴24前端的螺纹丝杠上，轮辐传感器16感测拉压油缸与定轴24之间的轴向拉力，内丝螺孔连接盘17固定在定轴前端的螺纹丝杠上。在拉伸加载时，拉压油缸活塞13带着轮辐传感器16具有向前运动趋势，而定轴24及固定于其上的内丝螺孔连接盘17具有向后的相对运动趋势，轮辐传感器16内外环间产生相对剪切变形而引起辐条应变信号，由此测得轴向载荷。

内丝螺孔连接盘17后侧通过定轴与变截面圆筒转轴22相互耦合形成的内腔中布置有单向推力轴承和推力圆柱滚子轴承23，其前腔中布置单向推力轴承21，后腔中布置推力圆柱滚子轴承23。变截面圆筒转轴22与第二导向板19形成的内腔中布置有双列圆柱滚子轴承18，从而使得圆筒转轴22可绕定轴24旋转，实现对其后侧试样的扭转加载。圆筒转轴22绕定轴24旋转，在进行同步拉伸时，推力圆柱滚子轴承23受定轴24与圆筒转轴22的拉向挤压作用，带动圆筒转轴22向前运动以对后方的构件施加拉伸载荷。因此推力圆柱滚子轴承23及其直接作用件，与圆筒转轴22及定轴24想接触的位置，所能承受最大载荷应大于试验机设计拉伸载荷，并具有合适的安全系数。

第一导向板15和第二导向板19通过定向导杆与主框架前方的承载板相连接，对扭转加载机构、联动机构的前后联动起到了导向作用。变截面圆筒转轴22外环上安装有第一带轮20，扭转电机27驱动第二带轮26旋转，皮带25连接第一带轮20和第二带轮26，第二带轮26位于第一带轮20的正上方。第一带轮20转动同时带动变截面圆筒转轴22和拉扭加载框架旋转。

扭转电机27通过电机固定座28安装在扭转电机固定框架上，扭转电机固定框架固定安装在扭转加载机构的固定大板38的滑块上，滑块36配合在扭转加载机构的导轨上，固定大板38通过扭矩反力板39与主框架的侧板相连接。

电机固定座28为中空的筒状结构，第一扭转传动轴30穿过电机固定座与扭转电机27的转动轴相连，第一扭转传动轴30、第二扭转传动轴32均与扭矩传感器31相连，第二扭转传动轴32与滚珠轴承33及第二带轮26相连。滚珠轴承33通过轴承座34安装在固定大板38的滑块上。

扭转电机固定框架通过联动机构与第一导向板15、第二导向板19固定连接，联动机构上部通过导轨滑块机构与扭转加载装置相连。使得可在扭转加载装置固的定大板38上前后移动的扭转加载及测量机构通过联动框架35与中间联动机构随动，进而与拉伸加载及测量机构随动，且联动框架35对拉伸加载及测量机构、中间联动机构起到悬吊作用，防止因自重作用导致拉压油缸活塞13变形。扭转加载机构通过联动机构与中间联动机构、拉伸加载机构同时运动。

一种裂隙锚固岩体试验***，具有上述的一种同向拉扭加载装置，还包括主框架和裂隙锚固岩体组合件，主框架包括钢垫板、多组主框架侧板、主框架前部承载板、主框架后部承载板，多组主框架侧板设置在主框架前部承载板和主框架后部承载板之间。主框架侧板、主框架前部承载板、主框架后部承载板通过多组支座固定在钢垫板上，钢垫板固定在地面上。主框架可以保持整机试验高度合适，具备易操作性及稳定性；试验过程中主框架作为试验***基础反力架，同向拉扭加载装置以反力架为固定基础实现加载。

裂隙锚固岩体组合件放置在主框架内，装配件夹持裂隙锚固岩体组合件，装配件包括相似材料试样和外框，方便拉伸及扭转夹持。拉扭夹持框架包括变截面圆盘、连杆和矩形槽圆盘，装配件和拉扭夹持框架相配合。裂隙锚固岩体装配件100的裂隙前侧岩体(例如第一块锚固岩体试样装配件100-1)提供拉拔及扭转载荷，裂隙后侧岩体(例如第二块锚固岩体试样装配件100-2)通过固定于主框架侧板上的L型挡块6、固定于L型挡块上的辅助挡块7及锚固岩体前后运动挡板8等进行拉伸及扭转运动约束控制，从而实现锚固岩体裂隙面处锚杆与岩体粘结界面承受拉扭复合应力作用。为实现对锚固岩体试样装配件100的拉伸及扭转夹持，拉扭夹持框架200从前向后依次包括：含矩形凹槽的变截面圆盘201、连杆202及含矩形槽的圆盘203。试验前将裂隙前侧的矩形截面锚固岩体试样装配件100-1嵌套在拉扭夹持框架200中，对裂隙后侧的锚固岩体试样装配件100-2进行前后方向的挡阻及两侧的挤压拘束。

该***通过轴承及相关结构件之间的配合，构成中间联动机构，使得扭转加载及测量机构能够与拉伸加载及测量机构同步随动加载，实现了对拉伸及扭转运动约束控制，并对锚固岩体裂隙面处锚杆与岩体粘结界面施加拉扭复合应力。通过同向拉扭加载装置与试验***主框架及拉扭加载框架、锚固岩体试样装配件等结构的有效配合，实现了大尺寸裂隙锚固岩体的一侧固定、另一侧拉扭同步加载。同向拉扭加载装置结构采用同侧联动布置，释放试验***上部及后侧空间使用空间，使得试验***具有更大的功能扩充性，且更容易安装大尺寸锚固岩体组合试样。

一种裂隙锚固岩体试验方法，利用上述的一种同向拉扭加载装置，包括：

在进行裂隙锚固岩体的拉扭组合试验时，同向拉扭加载装置对裂隙锚固岩体组合件施加拉拔及扭转载荷。可以在试验***主框架内依次放置三块锚固岩体试样装配件100，即三块岩体通过一根锚杆锚固在一起，在试验时，对第一块锚固岩体试样装配件100-1施加拉伸及扭转载荷，固定第二块锚固岩体试样装配件100-2及第三块锚固岩体试样装配件100-3。

在进行锚杆杆体的拉扭组合试验时，将拉扭加载框架更换为拉扭液压夹具，拉扭液压夹具包括安装在拉扭加载装置上的前拉扭液压夹具，以及安装在主框架内的后拉扭液压夹具；调整后拉扭液压夹具固定位置进行不同长度锚杆的拉扭组合试验

该试验方法实现了裂隙锚固岩体的拉扭组合试验和锚杆杆体的拉扭组合试验，方便了锚固裂隙处的锚杆锚固界面在拉扭复合应力作用下界面失效及锚杆受力规律的研究。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种同向拉扭加载装置，其特征在于，包括拉伸加载机构、联动机构、扭转加载机构，所述扭转加载机构与拉伸加载机构之间设置联动机构，裂隙锚固岩体组合试件放置在联动机构内；所述拉伸加载机构的拉压油缸双向加载，调整拉压油缸活塞位置对不同长度锚固体试样进行加载；同向拉扭加载装置进行拉伸及扭转运动约束控制，锚固岩体裂隙面处锚杆与岩体粘结界面承受拉扭复合应力作用，裂隙锚固岩体组合试件的一侧固定，另一侧进行拉扭的同步加载。

2.根据权利要求1所述的一种同向拉扭加载装置，其特征在于，所述拉压油缸为双向加载油缸，拉压油缸通过固定杆固定在主框架前部的承载板上；所述承载板预留圆孔，预留圆孔的直径大于拉压油缸的活塞直径；所述拉压油缸活塞尾端为变径螺纹丝杆，轮辐传感器和变径螺纹丝杆相配合；所述轮辐传感器通过长螺柱与第一导向板、内丝螺孔连接盘固定连接；所述第一导向板上设置有钻孔，钻孔直径大于拉压油缸的活塞直径。

3.根据权利要求2所述的一种同向拉扭加载装置，其特征在于，所述轮辐传感器感测拉压油缸与定轴之间的轴向拉力，内丝螺孔连接盘固定在定轴前端的螺纹丝杠上；所述内丝螺孔连接盘后侧通过定轴与变截面圆筒转轴相互耦合形成的内腔中布置有单向推力轴承和推力圆柱滚子轴承；变截面圆筒转轴与第二导向板形成的内腔中布置有双列圆柱滚子轴承，圆筒转轴绕定轴旋转。

4.根据权利要求2所述的一种同向拉扭加载装置，其特征在于，所述第一导向板和第二导向板通过定向导杆与主框架前方的承载板相连接。

5.根据权利要求2所述的一种同向拉扭加载装置，其特征在于，所述变截面圆筒转轴外环上安装有第一带轮，扭转电机驱动第二带轮旋转，皮带连接第一带轮和第二带轮；第一带轮转动同时带动变截面圆筒转轴和拉扭加载框架旋转。

6.根据权利要求2所述的一种同向拉扭加载装置，其特征在于，所述扭转电机通过电机固定座安装在扭转电机固定框架上，扭转电机固定框架固定安装在扭转加载机构的固定大板的滑块上，所述滑块配合在扭转加载机构的导轨上，所述固定大板通过扭矩反力板与主框架的侧板相连接。

7.根据权利要求6所述的一种同向拉扭加载装置，其特征在于，所述电机固定座为中空的筒状结构，第一扭转传动轴穿过电机固定座与扭转电机的转动轴相连，第一扭转传动轴、第二扭转传动轴均与扭矩传感器相连，第二扭转传动轴与滚珠轴承及第二带轮相连，所述滚珠轴承通过轴承座配置在固定大板的滑块上。

8.根据权利要求6所述的一种同向拉扭加载装置，其特征在于，所述扭转电机固定框架通过联动机构与第一导向板、第二导向板固定连接，联动机构上部通过导轨滑块机构与扭转加载装置相连；所述扭转加载机构通过联动机构与中间联动机构、拉伸加载机构同时运动。

9.一种裂隙锚固岩体试验***，具有权利要求1至8任一项所述的一种同向拉扭加载装置，其特征在于，还包括主框架和裂隙锚固岩体组合件，所述主框架包括钢垫板、多组主框架侧板、主框架前部承载板、主框架后部承载板，多组主框架侧板设置在主框架前部承载板和主框架后部承载板之间；所述裂隙锚固岩体组合件放置在主框架内，装配件夹持裂隙锚固岩体组合件，装配件包括相似材料试样和外框；拉扭夹持框架包括变截面圆盘、连杆和矩形槽圆盘，装配件和拉扭夹持框架相配合。

10.一种裂隙锚固岩体试验方法，利用权利要求9所述的一种裂隙锚固岩体试验***，其特征在于，包括：

在进行裂隙锚固岩体的拉扭组合试验时，同向拉扭加载装置对裂隙锚固岩体组合件施加拉拔及扭转载荷；

在进行锚杆杆体的拉扭组合试验时，将拉扭加载框架更换为拉扭液压夹具，拉扭液压夹具包括安装在拉扭加载装置上的前拉扭液压夹具，以及安装在主框架内的后拉扭液压夹具；调整后拉扭液压夹具固定位置进行不同长度锚杆的拉扭组合试验。

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