CN106680085A - 基于蠕变试验机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蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试系统及测试方法。本发明包括试样制样装置、试样加载装置和应变检测装置，试样制样装置固定在钢架上；所述的试样制样装置包括试样夹具、固定钢板和锚杆，所述试样夹具内装有试样，试样内预埋有应变片，所述锚杆插在试样中心线上与固定钢板连接；所述试样加载装置包括蠕变试验机和压力转换装置，压力转换装置的底座固定于蠕变试验机的工作台上，压力转换装置上部与蠕变试验机的压头相连；所述的锚杆穿过压力转换装置的通孔I后与固定钢板连接。本发明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。

Description

基于蠕变试验机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的时效特征，具体涉及一种全新的、基于蠕变试验机的、实时测量锚杆体系水力耦合作用下时效特征的测试系统及测试方法。

背景技术

随着深部地下工程日益增多，深部岩石长期处于“三高一扰动”复杂地质环境中。锚杆在围岩支护中，由于其对原岩扰动小、施工速度快、节约工程材料等特性，成为解决地下巷道稳定问题的有效手段。随着锚固时间的增长，岩体锚固在服役期内表现出明显的蠕变特征，对深部地下工程的安全性造成了巨大的威胁。针对采矿工程、地下轨道交通、地下储油工程服役期间的安全性，开展锚固岩体长期强度的研究具有重要的学术意义、工程价值和广泛的应用前景。

目前巷道支护存在围岩力学性质参数取值不准，造成锚杆支护参数设计不合理，锚杆作用未能充分发挥，支护材料浪费和支护成本偏高的现象。目前基于岩体力学和支护理论，利用现场监测、数值模拟等方法研究锚杆支护参数，进行了大量研究。针对常规数值模拟计算仍存在无法有效地反映锚杆对围岩的加固效果的缺陷，相关学者从等效数值模拟和本构方程方面对岩石力学的参数进行了研究，如何分析研究锚固岩体长期强度变化特性，极大的关系到岩体锚固效果的优劣。国内外学者对岩体锚固机理进行了大量的研究，但大都基于弹塑性力学等分析原理提出各种本构模型和支护参数，蠕变的研究大多局限于对无锚杆岩体的蠕变研究，而关于锚固岩体整个锚固系统长期强度的研究还是涉及很少，针对该方面的实验研究就更少。目前，锚固岩体长期强度研究存在主要问题有：一是实验如何真实反应锚固岩体实际受力情况，二是如何监测锚固系统应力应变的变化。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及其时空演化特性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是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及其时空演化特性，提供一种模拟工程环境中锚杆体系应力、应变随时间变化的基于蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试系统及测试方法。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种基于蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试系统，包括试样制样装置、试样加载装置和应变检测装置，试样制样装置固定在钢架上；所述的试样制样装置包括试样夹具、固定钢板和锚杆，所述试样夹具内装有试样，试样内预埋有应变片，所述锚杆插在试样中心线上与固定钢板连接；所述试样加载装置包括蠕变试验机和压力转换装置，压力转换装置的底座固定于蠕变试验机的工作台上，压力转换装置上部与蠕变试验机的压头相连；所述的锚杆穿过压力转换装置的通孔I后与固定钢板连接。

所述固定钢板上设有通孔II，所述通孔II直径大于锚杆的直径。

所述压力转换装置内部从上到下依次设有主动杆、从动杆和滚轴轨道，主动杆上方设有顶板，主动杆下方设有固定辊，从动杆下端与滚轴轨道接触，从动杆上部设有斜面，斜面与固定辊相接触。

所述压力转换装置的通孔I位于压力转换装置中心轴线上，通孔I的直径大于锚杆的直径。

所述应变检测装置包括应变仪、锚杆测力计和导线，锚杆测力计设置在两块固定钢板之间；导线一端穿过试样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相连接，应变仪与电脑连接。

所述锚杆测力计包括环形液压枕和设置在环形液压枕上的压力表，环形液压枕套设在锚杆上，环形液压枕位于两块固定钢板之间，锚杆尾部通过螺栓固定在固定钢板外侧。

所述的钢架上还设有加水模拟装置，所述加水模拟装置包括加压水箱和导水管，加压水箱固定于钢架顶端，导水管一端与加压水箱密封连接，导水管的另一端与试样夹具密封连通。

一种基于蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试方法，其特征在于包括以下步骤：①制备试样：将试样倒入搅拌机内充分搅拌均匀、将试样倒入搅拌机内充分搅拌均匀、缓慢均匀倒入试样夹具内，在试样倒入试样夹具过程中将应变片预埋在试样夹具中，待试样充满试样夹具后，将试样脱模养护，试样在室温条件下养护2-3d后，在试样中心钻孔，安放锚杆并用锚固剂进行锚固，待锚固剂凝固后，将试样重新装在试样夹具上；②安装测试系统：将压力转换装置安装在蠕变试验机上，在钢架上自上而下依次安装加压水箱、试样制样装置，通过调整钢架的位置使锚杆穿过压力转换装置的通孔I，然后用螺栓把固定钢板和锚杆测力计固定；用导线连接应变片、应变仪、电脑，导水管一端密封连接试样夹具底面的进水口，另一端与加压水箱底部密封连接；③测试系统安装结束后，线路连接好，打开蠕变试验机开关，通过蠕变试验机把恒定的压力加载在压力转换装置的顶板上；④根据锚杆极限抗拔力进行逐级加载；⑤通过观测锚杆测力计的数值，检测锚杆实际受力情况，同时观察应变仪测试试样中的应变值大小的变化，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整理应变仪测试出的数据，绘制应变-时间曲线，研究锚杆体系受力的时效特征。

所述的应变仪为ASMB2D-32型应变仪，所述蠕变试验机为RMT-D3型蠕变试验机，所述锚杆测力计为MYJ-20锚杆测力计。

所述的试样为铁晶砂胶结岩土材料。

本发明是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。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；能够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是本发明结构示意图；

图2是本发明试样夹具剖面结构示意图；

图3是本发明压力转换装置内部双侧从动杆与主动杆配合结构示意图；

图4是本发明压力转换装置内部单侧从动杆与主动杆配合结构示意图；

图5是本发明压力转换装置俯视结构示意图；

图6是本发明锚杆测力计安装状态结构示意图。

具体实施方式

如图1至图6所示，一种基于蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试系统，包括试样制样装置1、试样加载装置6和应变检测装置4，试样制样装置1固定在钢架5上；所述的试样制样装置1包括试样夹具11、固定钢板12和锚杆13，所述试样夹具11内装有试样14，试样14内预埋有应变片16，所述锚杆13插在试样14中心线上与固定钢板12连接；所述试样加载装置6包括蠕变试验机61和压力转换装置2，压力转换装置2的底座29固定于蠕变试验机61的工作台62上，压力转换装置2上部与蠕变试验机61的压头63相连；所述的锚杆13穿过压力转换装置2的通孔I21后与固定钢板12连接。

所述固定钢板12上设有通孔II121，所述通孔II121直径大于锚杆13的直径。锚杆13通过通孔II121与固定钢板12连接。

所述压力转换装置2内部从上到下依次设有主动杆22、从动杆23和滚轴轨道25，主动杆22上方设有顶板26，主动杆22下方设有固定辊24，从动杆23下端与滚轴轨道25接触，从动杆23上部设有斜面25，斜面25与固定辊24相接触。从动杆23下端卡在滚轴轨道25上可以水平移动，试验时，蠕变试验机61直接加压在转换装置筛的顶板26上，顶板26推动主动杆22垂直向下移动，从动杆23上的斜面25受到固定辊24垂直向下挤压，促使斜面25向水平方向移动，从而实现荷载由竖向加载转换成水平向加载。

所述压力转换装置2的通孔I21位于压力转换装置2中心轴线上，通孔I21的直径大于锚杆13的直径。

所述应变检测装置4包括应变仪41、锚杆测力计42和导线43，锚杆测力计42设置在两块固定钢板12之间；导线43一端穿过试样夹具11侧面的导线口15与预埋在试样14内的应变片16连接，导线43另一端与应变仪41相连接，应变仪41与电脑44连接。导线43另一端与应变仪41的固定电极相连接。

所述锚杆测力计42包括环形液压枕422和设置在环形液压枕422上的压力表421，环形液压枕422套设在锚杆13上，环形液压枕422位于两块固定钢板12之间，锚杆13尾部通过螺栓17固定在固定钢板12外侧。试验时，锚杆测力计42的环形液压枕422受固定钢板12挤压，环形液压枕422枕内油压增加，压力表压力表421显示出的数值就是锚杆的实际受力大小。

所述的钢架5上还设有加水模拟装置3，所述加水模拟装置3包括加压水箱31和导水管32，加压水箱31固定于钢架5顶端，导水管32一端与加压水箱31密封连接，导水管32的另一端与试样夹具11密封连通。试验时，水通过试样夹具11底端对试样进行加水。

一种基于蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试方法，包括以下步骤：①制备试样：将试样14倒入搅拌机内充分搅拌均匀、缓慢均匀倒入试样夹具11内，在试样倒入试样夹具过程中将应变片16预埋在试样夹具11中，待试样14充满试样夹具11后，将试样脱模养护，试样在室温条件下养护2-3d后，在试样中心钻孔，安放锚杆13并用锚固剂18进行锚固，待锚固剂18凝固后，将试样14重新装在试样夹具11上；②安装测试系统：将压力转换装置2安装在蠕变试验机61上，在钢架上自上而下依次安装加压水箱31、试样制样装置1，通过调整钢架的位置使锚杆穿过压力转换装置2的通孔I，然后用螺栓把固定钢板12和锚杆测力计42固定；用导线连接应变片16、应变仪41、电脑44，导水管32一端密封连接试样夹具11底面的进水口19，另一端与加压水箱31底部密封连接；③测试系统安装结束后，线路连接好，打开蠕变试验机61开关，通过蠕变试验机61把恒定的压力加载在压力转换装置2的顶板26上；通过压力转换装置的转换作用，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条件；⑤通过观测锚杆测力计42的数值，检测锚杆实际受力情况，同时观察应变仪测试试样中的应变值大小的变化，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整理应变仪测试出的数据，绘制应变-时间曲线，研究锚杆体系受力的时效特征。为了试样能均匀倒入试样夹具中，试样要缓慢的一层一层的向试样夹具中倒，分层多次倒入，每一层都要进行振捣密实，应变片根据需要埋设在试样夹具的不同位置，试样夹具上的导线口有多个，根据应变片的位置使导线从不同的导线口引出。实验时，检测应变片在不同位置的应变数据。

所述的应变仪为ASMB2D-32型应变仪，所述蠕变试验机为RMT-D3型蠕变试验机，所述锚杆测力计为MYJ-20锚杆测力计。

所述的试样14为铁晶砂胶结岩土材料。

具体操作过程为：如图1所示，安装连接测试系统的各个部分，试样夹具尺寸为360×360×1400cm，在试样夹具中缓慢的一层层均匀加入按照一定配比而成的铁晶砂胶结岩土相似材料作为试样，在试样制备过程中将电阻应变片预埋在相应的位置，待试样充满夹具后，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，打开蠕变试验机开关。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，所加的水为模拟地下水环境中的水，通过观测锚杆测力计的数值，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，本发明不受上述实例的限制，上述实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 (10)

1.一种基于蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试系统，其特征在于：包括试样制样装置（1）、试样加载装置（6）和应变检测装置（4），试样制样装置（1）固定在钢架（5）上；所述的试样制样装置（1）包括试样夹具（11）、固定钢板（12）和锚杆（13），所述试样夹具（11）内装有试样（14），试样（14）内预埋有应变片（16），所述锚杆（13）插在试样（14）中心线上与固定钢板（12）连接；所述试样加载装置（6）包括蠕变试验机（61）和压力转换装置（2），压力转换装置（2）的底座（29）固定于蠕变试验机（61）的工作台（62）上，压力转换装置（2）上部的顶板（26）与蠕变试验机（61）的压头（63）相接触；所述的锚杆（13）穿过压力转换装置（2）的通孔I（21）后与固定钢板（12）连接。

2.根据权利要求1所述的基于蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试系统，其特征在于：所述固定钢板（12）上设有通孔II（121），所述通孔II（121）直径大于锚杆（13）的直径。

3.根据权利要求1所述的基于蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试系统，其特征在于：所述压力转换装置（2）内部从上到下依次设有主动杆（22）、从动杆（23）和滚轴轨道（25），主动杆（22）上方设有顶板（26），主动杆（22）下方设有固定辊（24），从动杆（23）下端与滚轴轨道（25）接触，从动杆（23）上部设有斜面（25），斜面（25）与固定辊（24）相接触。

4.根据权利要求3所述的基于蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试系统，其特征在于：所述压力转换装置（2）的通孔I（21）位于压力转换装置（2）中心轴线上，通孔I（21）的直径大于锚杆（13）的直径。

5.根据权利要求1所述的基于蠕变试验机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（4）包括应变仪（41）、锚杆测力计（42）和导线（43），锚杆测力计（42）设置在两块固定钢板（12）之间；导线（43）一端穿过试样夹具（11）侧面的导线口（15）与预埋在试样（14）内的应变片（16）连接，导线（43）另一端与应变仪（41）相连接，应变仪（41）与电脑（44）连接。

6.根据权利要求5所述的基于蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试系统，其特征在于：所述锚杆测力计（42）包括环形液压枕（422）和设置在环形液压枕（422）上的压力表（421），环形液压枕（422）套设在锚杆（13）上，环形液压枕（422）位于两块固定钢板（12）之间，锚杆（13）尾部通过螺栓（17）固定在固定钢板（12）外侧。

7.根据权利要求1所述的基于蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试系统，其特征在于：所述的钢架（5）上还设有加水模拟装置（3），所述加水模拟装置（3）包括加压水箱（31）和导水管（32），加压水箱（31）固定于钢架（5）顶端，导水管（32）一端与加压水箱（31）密封连接，导水管（32）的另一端与试样夹具（11）密封连通。

8.一种基于蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试方法，其特征在于包括以下步骤：①制备试样：将试样（14）倒入搅拌机内充分搅拌均匀、缓慢均匀倒入试样夹具（11）内，在试样倒入试样夹具过程中将应变片预埋在试样夹具（11）中，待试样（14）充满试样夹具（11）后，将试样脱模养护，试样在室温条件下养护2-3d后，在试样中心钻孔，安放锚杆（13）并用锚固剂（18）进行锚固，待锚固剂（18）凝固后，将试样（14）重新装在试样夹具（11）上；②安装测试系统：将压力转换装置（2）安装在蠕变试验机（61）上，在钢架上自上而下依次安装加压水箱（31）、试样制样装置（1），通过调整钢架的位置使锚杆穿过压力转换装置（2）的通孔I，然后用螺栓把固定钢板（12）和锚杆测力计（42）固定；用导线连接应变片（16）、应变仪（41）、电脑（44），导水管（32）一端密封连接试样夹具（11）底面的进水口（19），另一端与加压水箱（31）底部密封连接；③测试系统安装结束后，线路连接好，打开蠕变试验机（61）开关，通过蠕变试验机（61）把恒定的压力加载在压力转换装置（2）的顶板（26）上；④根据锚杆极限抗拔力进行逐级加载；⑤通过观测锚杆测力计（42）的数值，检测锚杆实际受力情况，同时观察应变仪测试试样中的应变值大小的变化，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整理应变仪测试出的数据，绘制应变-时间曲线，研究锚杆体系受力的时效特征。

9.根据权利要求8所述的基于蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试方法，其特征在于：所述的应变仪为ASMB2D-32型应变仪，所述蠕变试验机为RMT-D3型蠕变试验机，所述锚杆测力计为MYJ-20锚杆测力计。

10.根据权利要求8所述的基于蠕变试验机锚杆体系时效特征的测试方法，其特征在于：所述的试样（14）为铁晶砂胶结岩土材料。