CN107084893A - 一种节理岩体锚杆动载荷试验装置 - Google Patents

一种节理岩体锚杆动载荷试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种节理岩体锚杆动载荷试验装置，属于锚杆荷载试验装置技术领域。目的旨在提供一种节理岩体锚杆动载荷试验装置。以获得冲击荷载与节理处锚杆的塑性变形之间的关系的试验数据。试验装置包括动力试验台、节理锚杆模拟装置、动力加载装置、重物提升装置、荷载采集装置、位移监测装置，动力试验台包括工字型钢及两个钢柱，节理锚杆模拟装置包括钢管及锚杆，钢管包括相互接触但不连接的上部钢管及下部钢管，钢板与工字型钢固定连接，动力加载装置包括空心落锤、垫块、冲击板，重物提升装置用于提升和释放空心落锤，荷载采集装置用于采集空心落锤产生的荷载，位移监测装置用于监测锚杆的位移。

Description

一种节理岩体锚杆动载荷试验装置
技术领域
本发明具体涉及一种节理岩体锚杆动载荷试验装置，属于锚杆荷载试验装置技术领域。
背景技术
随着开采深度的不断增大，高应力下巷道的稳定性成了人们关注的问题。岩体在高应力状态下积聚有大量的弹性能，在一定条件下突然发生破坏、冒落或抛出，使能量突然释放，呈现声响、震动以及气浪等明显的动力效应。近年来，有关动态荷载下节理岩体的破坏问题也越来越突出。目前，锚杆支护的研究多集中在静态条件下的现场测试试验、相似模拟和数值分析，而对动载作用下巷道支护锚杆，尤其是节理岩体锚杆的动态响应和力学性能的研究报道很少。
发明内容
因此，针对现有技术的上述不足，本发明目的旨在提供一种节理岩体锚杆动载荷试验装置。以获得冲击荷载与节理处锚杆的塑性变形之间的关系的试验数据。
具体的，节理岩体锚杆动载荷试验装置，包括动力试验台、节理锚杆模拟装置、动力加载装置、重物提升装置、荷载采集装置、位移监测装置，所述动力试验台包括工字型钢及两个钢柱，工字型钢的两端分别连接两个钢柱的顶部，工字型钢中间位置设有开孔，所述节理锚杆模拟装置包括钢管及锚杆，钢管包括相互接触但不连接的上部钢管及下部钢管，下部钢管底部连接垫板，上部钢管顶部连接钢板，上部钢管穿过开孔，钢板与工字型钢固定连接，锚杆通过灌浆方式固定在钢管内部且锚杆从钢管底部穿出，所述动力加载装置包括空心落锤、垫块、冲击板，所述冲击板固定在钢管上位于垫板上方的位置，所述垫块设置在钢管外侧且位于冲击板上方，所述空心落锤套装在钢管上且位于垫块上方，所述重物提升装置用于提升和释放空心落锤，所述荷载采集装置用于采集空心落锤产生的荷载，所述位移监测装置用于监测锚杆的位移。
进一步的，所述重物提升装置包括两个联动的卷扬机，空心落锤上设有两个挂环，卷扬机通过电动抓钩连接挂环，卷扬机固定在工字型钢上。
进一步的，所述荷载采集装置包括第一压力传感器及第二压力传感器，所述第一压力传感器设置在冲击板与垫板之间，垫板下方设有固定安装的托盘，第二压力传感器设置在托盘与垫板之间。
进一步的，所述位移监测装置包括钢条及支座，支座固定在钢柱上，钢条放置在支座上且锚杆从钢条中间穿出。
进一步的，所述钢柱高度为2米，所述开孔的孔径为60毫米，钢板通过螺栓固定在工字型钢上。
进一步的，所述钢管总长度为1.5米，其中下部钢管长度为0.3米、0.5米或0.8米，钢管内部设有螺纹，钢管内径28毫米，钢管外径38毫米，锚杆材料为HRB335钢筋，锚杆长度为1.3米，直径为18毫米，锚杆露出长度为0.3米。
进一步的，所述空心落锤为钢质空心圆柱形，高径比为1∶2，重量为400kg，空心落锤中心圆孔直径比钢管直径大4毫米，所述垫块为木垫块。
进一步的，所述钢板为边长30厘米的矩形钢板，厚度为10毫米，所述垫板厚度为边长10厘米的矩形钢板，厚度为6毫米。
进一步的，所述两个钢柱的底部之间设有橡胶垫，所述冲击板焊接在钢管上，冲击板厚度为5厘米。
本发明的有益效果在于：
综上所述，本发明通过设计和研发节理锚杆模拟装置，动力加载装置，荷载、位移数据采集装置等。对冲击荷载作用下单一节理岩体锚杆的受力特征进行分析，并研究冲击荷载大小、不同节理位置对锚杆受力特性的影响。
附图说明
图1是本发明节理岩体锚杆动载荷试验装置的结构示意图。
图2是本发明节理岩体锚杆动载荷试验装置三种钢管裂隙布置方式的示意图。
附图标记如下：
11-工字型钢； 12-钢柱； 13-橡胶垫；
21-钢管； 22-锚杆； 23-垫板；
24-钢板； 31-空心落锤； 32-垫块；
33-冲击板； 34-托盘； 41-卷扬机；
42-挂环； 43-电动抓钩； 51-第一压力传感器；
52-第二压力传感器； 61-钢条； 62-支座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
本发明的技术方案是：根据冲击试验原理，搭建动力试验台，采用两根钢管上下对接的方式形成裂隙，根据室内试验设备加工可行性的市场调研，设计的动载荷试验装置如图1所示。动载荷研究主要基于试验，设计重块在一定速度下的冲击试验，通过荷载、位移数据采集装置，获取试验数据，分析得出冲击荷载与节理处锚杆的塑性变形之间的关系。
动力试验台搭建：试验台两侧为钢柱12，高2m，顶部为工字型钢11，与钢柱12焊接。工字型钢11中间位置处设有开孔，孔径60mm，节理锚杆模拟装置可穿过该开孔，悬挂在工字型钢11上，并用螺栓固定。
节理锚杆模拟装置：如图2所示，设计3种钢管21，钢管21长度设计为1.5m，为模拟岩体与粘结剂之间的摩擦力，钢管21内部采用螺纹设计，钢管21内径28mm，外径38mm，锚杆22采用HRB335的钢筋，长1.3m，外露长度为0.3m，直径18mm，图2中从左至右，裂隙位置分别设置在距锚头0.3m、0.5m和0.8m，试验分析不同裂隙位置对锚杆荷载的影响规律。
动力加载装置：空心落锤31为钢质空心圆柱形，高径比为1∶2，总重为400kg，中心圆孔直径比钢管21直径大4mm，落锤31下部对称设置木垫块32。锚杆装置插入空心落锤31内孔，空心落锤31可提升和释放，通过提升装置提升至设计位置，再通过电动抓钩43释放，后自由落体运动。根据能力转换与守恒定律，重物下落的势能转化为锤击的动能。根据确定重物下放最后的速度，在通过动量公式Ft＝mv确定重物产生的冲击荷载F，时间t采用高速扫描相机记录。
重物提升装置：空心落锤31上设有挂环42，电动抓钩43采用电动控制，电动抓钩43锁住挂环42后，用两个联动的卷扬机41提升空心落锤31。
荷载采集装置：荷载采用压力传感器记录，第一压力传感器51和第二压力传感器52分别记录空心落锤31直接作用荷载和锚杆托盘34处的实际荷载。
位移监测装置：将锚杆22锚头设置为位移观测点，并在钢柱12上焊接固定支座62，标准物为带孔的钢条61，搭设在固定支座62上，锚杆22的锚头穿过钢条61上的孔，用游标卡尺测试观测点与钢条61的距离。
试验步骤：
1.搭建试验台，将试验台两侧的钢柱11锚固在地上，上部焊接工字型钢12。
2.钢管21制作，钢管21分上下两部分，上部钢管顶部焊接钢板24，钢板24厚10mm，矩形边长30cm，钢板24上钻眼，预留螺栓固定孔洞；下部钢管底部焊接垫板23，垫板23厚6mm，矩形边长10cm，垫板23中间钻眼，直径20mm，预留锚杆22穿入孔洞。
3.在工字型钢12上设置两个联动的卷扬机41，将电动抓钩43锁住空心落锤31上的挂环42，将空心落锤31提升至最高处，在试验台下方布设橡胶垫13。
4.制作节理锚杆装置，首先给下部钢管焊接5cm厚的冲击板33，钢管21内灌浆，锚固剂采用流动性较好的G型料，为防止浆液流出，上部钢管采用塑料膜密封，下部钢管先插入锚杆22，给钢管21上下两部分分别贯入浆料至满，待上部钢管内的浆液半干时，将其穿过空心落锤31悬挂在工字型钢11上并用螺栓固定，再将下部钢管的锚杆22迅速插入上部钢管内，让接口处闭合。
5.待钢管21内的锚固剂全干后，给托盘34和垫板23中间加设第二压力传感器52，同时在冲击板33两侧位于垫块32下方的位置放置两个第一压力传感器51，设备安置好后就可进行试验，将空心落锤31下放到指定位置，操作电动抓钩43同时打开，空心落锤31下落至冲击板33，通过第一压力传感器51记录直接荷载值，荷载通过钢管21传至锚杆22，杆体受拉，托盘34处的第二压力传感器52可记录传至锚杆22杆身的荷载值。
6.每做一次试验，采用高速扫描相机记录空心落锤31接触冲击板33的时间以及第一压力传感器51获取的瞬时最大值。通过游标卡尺直接量测位移监测点距标准钢条61的距离以及钢管21上下部分的张开位移。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种节理岩体锚杆动载荷试验装置，包括动力试验台、节理锚杆模拟装置、动力加载装置、重物提升装置、荷载采集装置、位移监测装置，其特征在于，所述动力试验台包括工字型钢及两个钢柱，工字型钢的两端分别连接两个钢柱的顶部，工字型钢中间位置设有开孔，所述节理锚杆模拟装置包括钢管及锚杆，钢管包括相互接触但不连接的上部钢管及下部钢管，下部钢管底部连接垫板，上部钢管顶部连接钢板，上部钢管穿过开孔，钢板与工字型钢固定连接，锚杆通过灌浆方式固定在钢管内部且锚杆从钢管底部穿出，所述动力加载装置包括空心落锤、垫块、冲击板，所述冲击板固定在钢管上位于垫板上方的位置，所述垫块设置在钢管外侧且位于冲击板上方，所述空心落锤套装在钢管上且位于垫块上方，所述重物提升装置用于提升和释放空心落锤，所述荷载采集装置用于采集空心落锤产生的荷载，所述位移监测装置用于监测锚杆的位移。
2.如权利要求1所述的节理岩体锚杆动载荷试验装置，其特征在于，所述重物提升装置包括两个联动的卷扬机，空心落锤上设有两个挂环，卷扬机通过电动抓钩连接挂环，卷扬机固定在工字型钢上。
3.如权利要求1所述的节理岩体锚杆动载荷试验装置，其特征在于，所述荷载采集装置包括第一压力传感器及第二压力传感器，所述第一压力传感器设置在冲击板与垫板之间，垫板下方设有固定安装的托盘，第二压力传感器设置在托盘与垫板之间。
4.如权利要求1所述的节理岩体锚杆动载荷试验装置，其特征在于，所述位移监测装置包括钢条及支座，支座固定在钢柱上，钢条放置在支座上且锚杆从钢条中间穿出。
5.如权利要求1所述的节理岩体锚杆动载荷试验装置，其特征在于，所述钢柱高度为2米，所述开孔的孔径为60毫米，钢板通过螺栓固定在工字型钢上。
6.如权利要求1所述的节理岩体锚杆动载荷试验装置，其特征在于，所述钢管总长度为1.5米，其中下部钢管长度为0.3米、0.5米或0.8米，钢管内部设有螺纹，钢管内径28毫米，钢管外径38毫米，锚杆材料为HRB335钢筋，锚杆长度为1.3米，直径为18毫米，锚杆露出长度为0.3米。
7.如权利要求1所述的节理岩体锚杆动载荷试验装置，其特征在于，所述空心落锤为钢质空心圆柱形，高径比为1∶2，重量为400kg，空心落锤中心圆孔直径比钢管直径大4毫米，所述垫块为木垫块。
8.如权利要求1所述的节理岩体锚杆动载荷试验装置，其特征在于，所述钢板为边长30厘米的矩形钢板，厚度为10毫米，所述垫板厚度为边长10厘米的矩形钢板，厚度为6毫米。
9.如权利要求1所述的节理岩体锚杆动载荷试验装置，其特征在于，所述两个钢柱的底部之间设有橡胶垫，所述冲击板焊接在钢管上，冲击板厚度为5厘米。
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