CN106053239A - 基于反力架的锚杆体系时效特征的测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反力架的锚杆体系时效特征的测试系统及测试方法，包括试样制样装置、试样加压装置、加水模拟装置和应变检测装置。试验时，试样制样装置作为固定装置分别与试样加压装置、加水模拟装置和应变检测装置连接在一起。通过加水模拟装置将水注入到试样内，试样加压装置为试验试样提供一个持续恒定的拉力作用。试验采用分级加载，利用应变仪测试锚杆系统在长时间恒定拉力作用下，试样内部不同位置应力的变化。通过应变大小随时间的变化特征分析锚杆系统的时间效应。本试验系统可以测试锚固体系在应力渗流耦合环境下随时间变化的力学特征，通过应力应变参数分析锚杆体系的时间效应。

Description

基于反力架的锚杆体系时效特征的测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及锚杆体系时效特征问题，具体是一种全新的、实时测量锚杆体系时效特征的试验系统。

背景技术

随着西部大开发等国家战略的实施，很多重大基础设施及能源开发以前所未有的速度在全国展开，大型地下洞室及矿产资源与石油开采也较快 地向深部延伸。随着工程深度的不断增加，地质环境趋于复杂，在深部高应力环境中，岩石具有强时间效应，表现出明显的流变现象。工程较浅时，优质硬岩一般不会发生较大的流变，但是南非深部开采实践表明，深部环境下硬岩就会产生明显的时间效应，研究发现高应力导致围岩流变性十分明显，支护极其困难，巷道最大收缩率曾达到了500mm/月的水平（Malan D F,1999&2002）。龙口柳海矿的巷道曾20余年底鼓不止，累计底鼓量达数十米。因此，流变问题贯穿于深部工程施工、运行和退役全过程，开展多场耦合流变深部岩石时效性能演化研究，是深部工程安全运行的迫切需求。

工程进入深部以后，岩体工程的时效力学行为变得更为显著。国内外学者采用流变力学的理论和方法研究其时效力学行为，开展了大量岩石或岩体的室内和现场流变试验及理论研究（朱维申，1998；李永盛等，2000；杨春和等，1999）。也有学者展开了扫描电镜试验（凌建明等，1993）、三轴加载CT试验（葛修润等，1999）研究岩石时效变形的细观损伤机制。但对岩石工程渗流耦合流变的时效力学特性和时效演化机制至今缺乏深入的试验测试和理论研究。

目前，对于锚固体系的时效性及其力学模型研究主要集中在锚固力随时间变化规律（丁多文等，1995）及锚固岩体的流变特性研究方面（辛亚军等，2014），赵同彬（2009）对加锚前后的深井粉砂岩、红砂岩进行了室内蠕变试验，得到加锚使岩石的蠕变应力阈值提高30%和长期强度增加10%破坏后仍具有一定承载能力的结论；韩立军等（2012）通过泥质砂岩单轴压缩蠕变试验也得到了近似结果。然而现有研究成果尚不足以描述不同锚固方式和锚固结构的应力渗流耦合作用机理以及因锚杆锈蚀导致的局部失效及其时空演化特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种模拟工程环境中锚杆体系应力、应变随时间变化的测试装置，为解决应力渗流耦合条件下锚固支护体的长期稳定性问题提供技术支撑。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于反力架的锚杆体系时效特征的测试系统，该测试系统包括制样装置、加压装置和应变检测装置；制样装置分别与加压装置、和应变检测装置连接；

所述制样装置包括夹具、固定装置和锚杆，所述固定装置由顶钢板、底钢板和连接顶、底钢板的钢柱组成，夹具位于固定装置的顶、底钢板之间，所述夹具内装有试样，试样内预埋有应变片，所述锚杆位于夹具试样内的中心线上且穿过顶钢板与加压装置连接，所述夹具侧面设有导线口；

所述加压装置包括反力架、环链提升机、电动液压油泵和恒力作动器，环链提升机顶端与反力架顶板内侧连接，环链提升机底端与试样固定装置的底钢板连接，恒力作动器的一端与反力架底座连接，恒力作动器的另一端与固定装置的顶钢板连接，电动液压油泵通过液压油管和恒力作动器相连接，所述的锚杆远离夹具的一端与反力架底座固定连接；

所述应变检测装置包括应变仪和导线，导线一端通过夹具侧面的导线口与预埋在试样内的应变片连接，导线另一端与应变仪的固定电极相连接，应变仪与电脑主机连接，电脑主机与显示器连接。

所述的测试系统还包括加水模拟装置，所述加水模拟装置包括加压水箱和导水管，加压水箱固定在反力架顶板的内侧，导水管的一端与加压水箱密封连接，导水管的另一端与夹具密封连通，试验时，水经导水管从加压水箱中流入夹具中。

所述顶钢板下端安装有固定板，顶钢板上设有中心通孔，顶钢板中心通孔直径，便于安装锚杆时钻孔，固定板上设有通孔，所述通孔的直径稍大于锚杆的直径，起到限制锚杆位于试样中心线的作用。

所述应变检测装置还包括锚杆测力计，所述锚杆测力计由压力表和环形液压枕组成，所述环形液压枕套设在锚杆上且位于固定板与固定装置的顶钢板之间，位于固定装置的顶钢板与固定板之间的螺杆上设有螺栓，所述螺杆锚杆测力计的环形液压枕的上端面与螺栓相接触，所述螺杆锚杆测力计的环形液压枕的下端面与固定板相接触，试验时，螺栓固定在锚杆上，加压后固定板随着试样向上运动，在螺栓和固定板共同作用下环形液压枕受到挤压，液压枕内油压增加，压力表显示出的数值就是锚杆的实际受力大小。

所述的基于反力架的锚杆体系时效特征的测试系统对锚杆体系时效特征进行测试的方法，包括以下步骤：

（1）把相似材料倒入搅拌机内充分搅拌均匀，缓慢分层均匀倒入夹具内，在分层制备过程中将应变片预埋在相应的位置，待相似材料充满夹具后，脱模养护，在室温条件下养护2-3d后，在试样中心钻孔，安放锚杆并由锚固剂进行锚固，待锚固剂凝固后，将试样重新装在试样夹具上；

（2）在反力架上自上而下依次安装加压水箱、环链提升机、制样装置、锚杆测力计、恒压作动器，之后将锚杆固定在反力架底座上，将导线连接应变仪，应变仪连接主机，主机连接显示器，通过液压油管将电动液压油泵和恒力作动器连接在一起，将导水管一端密封在试样夹具侧面的进水口，另一端与加压水箱相连接；

（3）安装结束后，线路连接好，打开电动液压油泵开关，通过恒压作动器把压力加载在固定装置的顶钢板上，通过固定装置的转换作用（锚杆受力和顶钢板受力是一对作用力和反作用力）锚杆实际受到一个恒定的拉力；（4）根据锚杆极限抗拔力进行逐级加载，确定合理的加载方式和试验终止标准；

（5）通过观测锚杆测力计压力表的数值，检测锚杆实际受力情况，同时利用应变仪测试试样中的应变变化，根据应变片的埋置位置测试锚杆体系应变变化的空间特征；

（6）将应变仪测试出的数据进行分析，绘制应变-时间曲线，研究锚杆体系力学特征的时间效应。

所述的应变仪为ASMB2D-32型应变仪。

所述的相似材料由铁精粉、重晶石粉、石英砂、石膏和松香酒精溶液组成，其中铁精粉、重晶石粉和石英砂的质量比为1：0.54：0.17，石膏占铁精粉、重晶石粉和石英砂总质量的2.5%，松香酒精溶液占铁精粉、重晶石粉和石英砂总质量的5.0%，松香酒精溶液的浓度6.0%。

本发明的有益效果：通过本发明的测试系统可以顺利模拟锚杆体系内部应变随时间的变化特征，本发明的测试系统从应变的角度研究锚杆体系力学特征的时间效应，预测锚杆系统加固效果的长期效应，对锚固工程的长期稳定性意义重大。本试验系统可以测试锚固体系在应力渗流耦合环境下随时间变化的力学特征，通过应力应变参数分析锚杆体系的时间效应。

附图说明

图1为本发明测试系统的结构示意图。

图2为本发明的夹具剖面图（带试样、锚杆）。

图3为本发明的锚杆测力计安装位置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

如图1、图2和图3所示，一种基于反力架的锚杆体系时效特征的测试系统，该测试系统包括制样装置、加压装置和应变检测装置；制样装置包括夹具3、固定装置和锚杆6，所述固定装置由顶钢板42、底钢板41和连接顶、底钢板的钢柱43组成，夹具3位于固定装置的顶、底钢板之间，夹具3侧面设有导线口，所述夹具3内装有试样，试样内预埋有应变片所述顶钢板42下端安装有固定板62，且固定板62竖直方向的中心线与顶钢板42竖直方向的中心线重合，固定板62上设有通孔，所述通孔的直径稍大于锚杆6的直径；所述锚杆6位于夹具试样内的中心线上且穿过顶钢板42与固定板62上的通孔与加压装置连接，通过顶钢板42和固定板62的共同作用将锚杆6牢牢的固定于夹具的中心位置。

所述加压装置包括反力架10、环链提升机2、电动液压油泵9和恒力作动器7，环链提升机2顶端与反力架10顶板内侧连接，环链提升机2底端与试样固定装置的底钢板41连接，恒力作动器7的一端与反力架10底座连接，恒力作动器7的另一端与固定装置的顶钢板42连接，电动液压油泵9通过液压油管8和恒力作动器7相连接，所述的锚杆6远离夹具的一端与反力架10底座固定连接。

所述应变检测装置包括应变仪11、导线12和锚杆测力计，锚杆测力计为MYJ-20锚杆测力计，导线12一端通过夹具3侧面的导线口与预埋在试样内的应变片连接，导线12另一端与应变仪11的固定电极相连接，应变仪11与电脑主机13连接，电脑主机13与显示器14连接，所述锚杆测力计由压力表52和环形液压枕51组成，所述环形液压枕51套设在锚杆上且位于固定板与固定装置的顶钢板之间，位于固定装置的顶钢板与固定板之间的螺杆上设有螺栓61，所述螺杆锚杆测力计的环形液压枕51的上端面与螺栓61相接触，所述螺杆锚杆测力计的环形液压枕51的下端面与固定板62相接触。

所述的测试系统还包括加水模拟装置，所述加水模拟装置包括加压水箱1和导水管101，加压水箱固定在反力架10顶板的内侧，导水管101的一端与加压水箱1密封连接，导水管101的另一端通过夹具侧面的进水口与试样夹具密封连通，试验时，水经导水管从加压水箱中流入夹具中。

基于反力架的锚杆体系时效特征的测试系统对锚杆体系时效特征进行测试的方法，包括以下步骤：

（1）把相似材料倒入搅拌机内充分搅拌均匀，缓慢分层均匀倒入夹具内，在分层制备过程中将应变片预埋在相应的位置，待相似材料充满夹具后，脱模养护，在室温条件下养护2-3d后，在试样中心钻孔并安装锚杆，在试样中心钻孔，安放锚杆并由锚固剂进行锚固，待锚固剂凝固后，将试样重新装在夹具上；

（2）在反力架上自上而下依次安装加压水箱、环链提升机、制样装置、锚杆测力计、恒压作动器，之后将锚杆固定在反力架底座上，将导线连接应变仪，应变仪连接主机，主机连接显示器，通过液压油管将电动液压油泵和恒力作动器连接在一起，将导水管一端密封在试样夹具侧面的进水口，另一端与加压水箱相连接；

（3）安装结束后，线路连接好，打开电动液压油泵开关，通过恒压作动器把压力加载在固定装置的顶钢板上，通过固定装置的转换作用（锚杆受力和顶钢板受力是一对作用力和反作用力），锚杆实际受到一个恒定的拉力；

（4）根据锚杆极限抗拔力进行逐级加载，确定合理的加载方式和试验终止标准；

（5）通过观测锚杆测力计压力表的数值（试验时，螺栓固定在锚杆上，加压后固定板随着试样向上运动，在螺栓和固定板共同作用下环形液压枕受到挤压，液压枕内油压增加，压力表显示出的数值就是锚杆的实际受力大小），检测锚杆实际受力情况，同时利用应变仪测试试样中的应变变化，根据应变片的埋置位置测试锚杆体系应变变化的空间特征；

（6）将应变仪测试出的数据进行分析，绘制应变-时间曲线，研究锚杆体系力学特征的时间效应。

所述的应变仪为ASMB2D-32型应变仪。

具体操作步骤为：按图1所示，安装连接试验系统的各个部分，在试样夹具（360×360×1400cm）中缓慢分层均匀加入按照铁精粉：重晶石：石粉：石英砂=1：0.54：0.17 石膏占材料总重的百分比为2.5%，松香酒精溶液浓度6.0%，松香酒精溶液占材料总重的百分比5.0%的配比而成的相似材料（模拟容重2.57t/m³，抗压强度0.35MPa，抗拉强度0.04MPa的岩石材料）在分层制备过程中将电阻应变片预埋在相应的位置，待相似材料充满夹具后，脱模养护，在室温条件下养护2-3d后，在试样中心钻孔并安装锚杆。按照上述说明安装好试样并进行调试，在试验前可以另外取试样单独进行拉拔试验，测定锚固体系极限抗拔力。检查线路连接情况，打开电动液压油泵开关。试验时，采用分级加载方式，根据极限抗拔力有效控制每次加载的大小和时间间隔。加压水箱中盛装足够量的水，通过导水管对试验试样进行加水（模拟地下水环境），通过观测锚杆测力计的压力表的数值，检测锚杆实际受力情况，利用应变仪测试锚杆体系的应变变化，根据不同时间、不同位置的应力变化参数，分析锚杆体系与时间有关的力学特征。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于反力架的锚杆体系时效特征的测试系统，其特征在于：该测试系统包括制样装置、加压装置和应变检测装置；制样装置分别与加压装置、和应变检测装置连接；所述制样装置包括夹具、固定装置和锚杆，所述固定装置由顶钢板、底钢板和连接顶、底钢板的钢柱组成，夹具位于固定装置的顶、底钢板之间，所述夹具内装有试样，试样内预埋有应变片，所述锚杆位于夹具试样内的中心线上且穿过顶钢板与加压装置连接，所述夹具侧面设有导线口；

所述加压装置包括反力架、环链提升机、电动液压油泵和恒力作动器，环链提升机顶端与反力架顶板内侧连接，环链提升机底端与试样固定装置的底钢板连接，恒力作动器的一端与反力架底座连接，恒力作动器的另一端与固定装置的顶钢板连接，电动液压油泵通过液压油管和恒力作动器相连接，所述的锚杆远离夹具的一端与反力架底座固定连接；

所述应变检测装置包括应变仪和导线，导线一端通过夹具侧面的导线口与预埋在试样内的应变片连接，导线另一端与应变仪的固定电极相连接，应变仪与电脑主机连接，电脑主机与显示器连接。

2.根据权利要求1所述的基于反力架的锚杆体系时效特征的测试系统，其特征在于：所述的测试系统还包括加水模拟装置，所述加水模拟装置包括加压水箱和导水管，加压水箱固定在反力架顶板的内侧，导水管的一端与加压水箱密封连接，导水管的另一端与夹具密封连通。

3.根据权利要求1所述的基于反力架的锚杆体系时效特征的测试系统，其特征在于：所述顶钢板下端安装有固定板，固定板上设有通孔，所述通孔的直径稍大于锚杆的直径。

4.根据权利要求3所述的基于反力架的锚杆体系时效特征的测试系统，其特征在于：所述应变检测装置还包括锚杆测力计，所述锚杆测力计由压力表和环形液压枕组成，所述环形液压枕套设在锚杆上且位于固定板与固定装置的顶钢板之间，位于固定装置的顶钢板与固定板之间的螺杆上设有螺栓，所述螺杆锚杆测力计的环形液压枕的上端面与螺栓相接触，所述螺杆锚杆测力计的环形液压枕的下端面与固定板相接触。

5.利用权利要求1-4任一所述的基于反力架的锚杆体系时效特征的测试系统对锚杆体系时效特征进行测试的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）把相似材料倒入搅拌机内充分搅拌均匀，缓慢分层均匀倒入夹具内，在分层制备过程中将应变片预埋在相应的位置，待相似材料充满夹具后，脱模养护，在室温条件下养护2-3d后，在试样中心钻孔，安放锚杆并由锚固剂进行锚固，待锚固剂凝固后，将试样重新装在夹具上；

（2）在反力架上自上而下依次安装加压水箱、环链提升机、制样装置、锚杆测力计、恒压作动器，然后将锚杆固定在反力架底座上，将导线连接应变仪，应变仪连接主机，主机连接显示器，通过液压油管将电动液压油泵和恒力作动器连接在一起，将导水管一端密封在试样夹具侧面的进水口，另一端与加压水箱相连接；

（3）安装结束后，线路连接好，打开电动液压油泵开关，通过恒压作动器把压力加载在固定装置的顶钢板上，通过固定装置的转换作用，相当于施加给锚杆一个恒定的拉力；

（4）根据锚杆极限抗拔力进行逐级加载，确定合理的加载方式和试验终止标准；

（5）通过观测锚杆测力计压力表的数值，检测锚杆实际受力情况，同时利用应变仪测试试样中的应变变化，根据应变片的埋置位置测试锚杆体系应变变化的空间特征；

（6）将应变仪测试出的数据进行分析，绘制应变-时间曲线，研究锚杆体系力学特征的时间效应。

6.根据权利要求5所述的基于反力架的锚杆体系时效特征的测试系统对锚杆体系时效特征进行测试的方法，其特征在于：所述的应变仪为ASMB2D-32型应变仪。

7.根据权利要求5所述的基于反力架的锚杆体系时效特征的测试系统对锚杆体系时效特征进行测试的方法，其特征在于：所述的相似材料由铁精粉、重晶石粉、石英砂、石膏和松香酒精溶液组成，其中铁精粉、重晶石粉和石英砂的质量比为1：0.54：0.17，石膏占铁精粉、重晶石粉和石英砂总质量的2.5%，松香酒精溶液占铁精粉、重晶石粉和石英砂总质量的5.0%，松香酒精溶液的浓度6.0%。