CN107256670A - 教学用简易锚杆拉拔模型试验装置及系统 - Google Patents

Abstract

一种教学用简易锚杆拉拔模型试验装置及系统，属于试验设备领域。教学用简易锚杆拉拔模型试验装置包括：本体和调整架。本体具有用于安置锚杆的工作空间，本体还设置有多个连接柱。调整架具有与多个连接柱配合连接的多个连接部和固定锚杆的固定部。调整架可受迫地运动以可选地远离或靠近第一端。教学用简易锚杆拉拔模型试验装置具有结构简单、易于使用的优点，尤其适用于实验教学。

Description

教学用简易锚杆拉拔模型试验装置及系统

技术领域

本发明涉及试验设备领域，具体而言，涉及一种教学用简易锚杆拉拔模型试验装置及系统。

背景技术

锚杆是当代煤矿当中巷道支护的最基本的组成部分，它将巷道的围岩束缚在一起，使围岩自身支护自身。现在锚杆不仅用于矿山，也用于工程技术中，对边坡，隧道，坝体进行主动加固。锚杆作为深入地层的受拉构件，它一端与工程构筑物连接，另一端深入地层中。

目前，用来评价锚杆锚固质量常用的办法是通过锚杆拉拔试验来检测。由于锚杆应力分布规律的不均匀、锚杆破坏形式的复杂性导致对锚杆抗拔力的测量并不能完全的反应锚杆的锚固状态。因此通过理论和试验深入研究锚杆拉拔荷载的传力机理，能为岩土锚杆的设计和施工提供可靠理论依据，具有重要的工程意义。

拉拔试验是一种传统的锚杆锚固质量检测方法。目前常用的锚杆拉拔试验为现场实测，现场实测可以得到准确的试验数据，但是其高昂的费用和巨大的工作量决定了它不可能大量和反复地进行，也难以用于实验教学；相比较而言，室内模型试验的优势则显而易见。但是，由于目前的大型模型试验设备还存在一系列制约因素，导致其难以用于实验教学。

发明内容

在本发明的第一方面，提供了一种教学用简易锚杆拉拔模型试验装置，其具有便于使用的优点，且对试验环境的要求相对较低，可满足在非现场条件下的锚固评估。

在本发明的第二方面，提供了一种教学用简易锚杆拉拔模型试验系统，其可以实现对锚杆拉拔试验的试验周期的缩短、试验的简单化，适用于进行实验时教学。

本发明是这样实现的：

一种教学用简易锚杆拉拔模型试验装置，包括：

本体，本体具有相对的第一端和第二端，第一端和第二端之间限定工作空间，工作空间被配置为安置固定锚杆的部分的装置，第一端设置有多个连接柱，多个连接柱以凸出于第一端且以沿第二端至第一端的方向延伸的方式布置。

调整架，调整架具有与多个连接柱一一配合可拆卸连接的多个连接部，调整架还具有被配置为固定锚杆的固定部，调整架被配置为沿第一端至第二端的方向受迫地运动，并可选地远离或靠近第一端。

在较佳的一个示例中，连接部贯穿设置有连接孔，连接柱具有连接端，连接端与连接孔间隙配合。

在较佳的一个示例中，连接孔由侧壁限定，侧壁具有光滑表面。

在较佳的一个示例中，调整架包括纵向杆和横向杆，纵向杆与横向杆以纵横交错的方式布置且形成交叉部，固定部位于交叉部。

在较佳的一个示例中，连接部的数量为四个，且分别位于纵向杆的两端、以及横向杆的两端。

在较佳的一个示例中，四个连接部以交叉部为对称中心。

在较佳的一个示例中，固定部具有锚孔。

在较佳的一个示例中，教学用简易锚杆拉拔模型试验装置还包括被配置为驱动调整架运动的顶升机构，顶升机构设置于调整架与第一端之间。

在较佳的一个示例中，顶升机构为顶升螺母，连接柱设置有与螺母匹配的螺纹，顶升螺母被配置为接触或邻近连接部的方式套设置于连接柱。

一种教学用简易锚杆拉拔模型试验系统，包括上述的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置。

上述方案的有益效果：本发明实施例提供的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置具有造价低、易于操作的优点。利用该教学用简易锚杆拉拔模型试验装置进行锚杆拉拔试验，可以缩短试验周期，减小误差，同时也适于试验教学使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置的结构示意图；

图2示出了图1提供的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置中本体的结构示意图；

图3示出了图1提供的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置中调整架的第一视角结构示意图；

图4示出了图1提供的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置中锚杆的结构示意图；

图5示出了图1提供的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置中调整架的第二视角结构示意图；

图标：101-锚杆；102-第一部分；103-第二部分；104-螺纹部；201-调整架；202-槽钢；203-连接孔；301-调整架；302-固定板；306-连接部；401-本体；402-棱；403-工作空间；404-第一端；405-第二端；406-连接柱；500-教学用简易锚杆拉拔模型试验装置；501-岩体模拟材料；504-承压板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，在不矛盾或冲突的情况下，本发明的所有实施例、实施方式以及特征可以相互组合。在本发明中，常规的设备、装置、部件等，既可以商购，也可以根据本发明公开的内容自制。在本发明中，为了突出本发明的重点，对一些常规的操作和设备、装置、部件进行的省略，或仅作简单描述。

目前常用的锚杆拉拔试验为现场实测，现场实测可以得到准确的试验数据，但是其高昂的费用和巨大的工作量决定了它不可能大量和反复地进行，也难以用于实验教学；相比较而言，室内模型试验的优势则显而易见。但是，由于目前的大型模型试验设备还存在一系列制约因素，导致其难以用于实验教学。基于此，本发明提出一种新颖的锚杆拉拔试验设备。

参阅图1、图2以及图3，本实施例提供了一种教学用简易锚杆拉拔模型试验装置500，其包括：本体401和调整架301。

其中，如图1所示的本体401是作为教学用简易锚杆拉拔模型试验装置500的主体结构被提供。本体401具有适当的结构强度，以能够承受拉拔锚杆101试验中为限。即，在进行拉拔实验时，本体401受到作用力时不会发生较大的或裸视可见的形变。

鉴于上述内容，本体401优选采用强度相对较大的材料制作而成，具体可以根据锚杆101材质以及拉伸过程中施加的作用力进行择优选择使用。

在本发明的一些示例中，本体401由钢材制作而成，更具体而言，本体401是采用槽钢制作而成。图1中，槽钢以实心柱形的长方体杆作为表示。为保持本体401的整体结构稳定性，提供稳定的支撑作用力，本体401由槽钢通过焊接固定制成，呈框架结构，以减轻其重量，从而更易于搬运和使用，减少钢材的使用，降低成本。

参阅图2，本体401大体上呈长方体形的镂空式框架结构。作为一种实现方式，本体401由十二根槽钢202焊接而成。所述的十二根槽钢202形成长方体的棱402。本体401具有相对的第一端404和第二端405。其中，第一端404由构成长方体的上底的四根槽钢202限定；第二端405由构成长方体的下底的四根槽钢202限定。第一端404和第二端405之间限定工作空间403。

在进行锚杆101拉拔试验时，锚杆101的一部分被通过适当的方式固定于工作空间403内，即，工作空间403主要用于安置固定锚杆101的部分的装置。锚杆101的另一部分被通过适当的方式施加载荷。

在实际对锚杆101进行拉拔的过程中，基于需要可以在工作空间403内设置适当的机构和结构，以便对锚杆101施加载荷。例如，通过在工作空间403内加装支撑杆和施力杆以限制锚杆101的自由移动，同时确保锚杆101可以在外部施加的作用力下进行受迫的拉伸运动。

本体401的第一端404设置有多个连接柱406。多个连接柱406以凸出于第一端404且远离第二端405的方式布置。即，连接柱406沿第二端405向第一端404的方向延伸。作为一种示例，连接柱406的数量为两个。作为另一种示例，连接柱406的数量为三个。本实施例中，连接柱406的数量为四个。本发明不对连接柱406的具体数量作具体限定，以能够提供稳定的支撑为限。本发明实施例中，连接柱406的数量为四个。

连接柱406的分布可以有多种选择，可以根据具体的情况进行选择使用。较佳地，当连接柱406的数量为四个时，四个连接柱406在同一水平面的轴线的连线形成均匀的四边形，例如正方形。或者，当连接柱406的数量为三个时，三个连接柱406在同一水平面的轴线的连线形成均匀的三角形，例如正三角形。当连接柱406的数量为其他数量时，连接柱406的布置方式也可以根据需要进行调整。

此外，连接柱406的形状也可以存在多种选择，例如，圆柱形、棱柱形。其中，棱柱形可以是三棱柱、四棱柱、五棱柱或六棱柱。

其中，参阅图3，调整架301是作为向锚杆101施加拉拔作用力的机构被提供。由于对锚杆101进行拉拔时，锚杆101存在一定形变和位移，因此，作为提供拉拔作用力的调整架301也是以具有位移空间的方式布置。换言之，调整架301与本体401相互配合，以使调整架301可以在有目的的人为作用下进行移动。通过调整架301的移动而带动锚杆101移动，从而可以对锚杆101的锚固效果进行检验和实验。

请一并参阅图2和图3，具体地，调整架301具有与多个连接柱406一一配合可拆卸连接的多个连接部306。

连接部306与连接柱406的连接方式可以有多种，可以根据需要进行选择使用。作为一种实现方式，连接柱406为伸缩柱，即其长度可选地伸长或缩短，连接柱406与连接部306固定连接。当连接柱406和连接部306均为金属材质时，可以通过焊接的方式进行固定连接。具体地，连接柱406可以是汽缸或千斤顶。当连接主为汽缸时，汽缸的活塞杆与连接部306固定连接，从而实现连接柱406与连接部306的连接。

在本发明实施例中，调整架301采用槽钢202焊接而成。连接部306位于槽钢202的端部区域。槽钢202为U型结构，具有腰部和两个腿部。两个腿部分别连接至腰部的相对两侧。调整架301的连接部306位于腰部，且连接部306贯穿设置有连接孔203，连接孔203由侧壁围设而成。对应地，如图1和图2所示的连接柱406具有连接端(图未标)，连接端远离本体401的第一端404。连接端可沿连接孔203的轴向自由地活动。具体地，连接端与连接孔203间隙配合。连接端的外壁与前述的侧壁之间具有适当距离的缝隙。缝隙的距离以连接端可以自由通过连接孔203，而不会以较大幅度晃动为限。

更优地，限定连接孔203的侧壁具有光滑表面。光滑表面可以通过打磨或形成光滑镀层的方式得到。进一步地，还可以涂抹润滑油。

如前所述，调整架301可通过槽钢202焊机而成。作为优选的方案，请再次参阅图3，调整架301包括纵向杆和横向杆，纵向杆、横向杆可以是槽钢202。其中，纵向杆与横向杆以纵横交错的方式布置且形成交叉部，固定部位于交叉部。作为一种可选的方案，固定部具有锚孔。锚杆101连接至固定部，例如，锚杆101与固定部固接，或者锚杆101设置如图4所示的螺纹部104，螺纹部104穿过锚孔并通过螺母的方式固定于调整架301。较佳地，调整架301的受力部位可以通过焊接肋板以增强和提高整体的受力平衡。

纵向杆与横向杆的纵横交错方式连接，优选为，呈十字交叉的方式焊接而固定连接为一体。被用于进行拉拔实验的锚杆101以连接至交叉部的方式被固定。

基于前述十字交叉结构的调整架301为例，连接部306的数量优选为四个，且分别位于纵向杆的两端、以及横向杆的两端。相应地，调整架301具有四个连接孔203，四个连接孔203分别位于四个连接部306。作为一种可选的方案，四个连接部306以交叉部为对称中心。更佳地，四个连接部306，或四个连接孔203以正方形的方式布局，且交叉部位于正方形的两个对角线的交叉点处。

本实施例中，多个连接柱406与多个连接部306一一配合。具体地，作为一种实现方式，连接部306与连接柱406的数量相等，一个连接柱406对应与一个连接部306。连接部306与连接柱406配合，可以相互运动。例如，在锚杆101拉拔实验过程中，连接柱406静止，连接部306相对于连接柱406运动。连接部306相对于连接柱406的运动速度，可以根据实验过程中的检测到的锚杆101情况进行调整和选择。

需要说明的是，连接部306相对于连接柱406的运动可以是通过机械设备传动而产生，或者通过人工手动驱动而产生。

由于锚杆101被实施载荷以进行拉拔实验，因此，在实际实验过程中，锚杆101至少具有延长度方向设置的两个作用点。针对本发明提出的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置500，锚杆101具有被固定于工作空间403的部分(第一部分102)，以及被固定在调整架301的部分(第二部分103)。锚杆101优选采用硬质、刚性的擦料制作而成，并且其具有相对一致的垂直度，避免在拉拔过程中发生弯曲。

其中，第一部分102可以是通过各种方式被固定在工作空间403内，例如，钢架、缆绳等。在本发明实施例中，第一部分102被埋设在岩体模拟材料501内，岩体模拟材料501被固定在工作空间403内。

其中，第二部分103也可以是通过各种方式被固定在调整架301，例如，焊接、栓接、卡接等。在本发明实施例中，调整架301具有固定部。第二部分103与固定部连接，具体可以是固定连接或可拆卸连接。第二部分103与固定部以可拆卸连接的方式，并且可以承受在拉拔实验过程中的作用力，以便能够对锚杆101进行拉拔测试。

进一步，为避免拉拔过程中锚杆101对调整架301的破坏。本实施例中，如图5所示，调整架301还连接有固定板302，以分散应力。通过设置固定板302，分散锚杆101的固定作用力。

参阅图2，如前所述，本体401具有相对的第一端404和第二端405。设置于调整架301的连接部306可以相对于设置在本体401的第一端404的连接柱406运动。同样地，调整架301也可以相对于设置在本体401的第一端404的连接柱406运动。换言之，调整架301可相对于本体401运动。

具体地，调整架301能够在第一端404至第二端405的方向运动，或者，调整架301可以在第二端405至第一端404的方向运动。相对于第一端404而言，调整架301是以靠近或远离第一端404的方式运动。其中，调整架301的运动是在受迫运动，即在外力驱动下运动。例如，拉拔锚杆101时，调整架301被外力驱动远离第一端404；当拉拔锚杆101结束后，调整架301在被外力(机械力，如汽缸)或重力驱动下靠近第一端404。

本发明实施例中，调整架301可相对本体401运动。调整架301可以被以各种适合的方式驱动而发生运动。如前所示，驱动装置可以是汽缸，或气囊，作为一种可选的方案，教学用简易锚杆拉拔模型试验装置500包括被配置为驱动调整架301运动的顶升机构。顶升机构设置于调整架301与第一端404之间，以驱动调整架301远离本体401运动，或者驱动调整架301靠近本体401运动。

较佳地，顶升机构为顶升螺母(图未示)。设置于本体401的连接柱406设置有螺纹。连接柱406与螺母相互配合形成螺纹连接。匹配的顶升螺母被配置为接触或邻近连接部306的方式套设置于连接柱406。当相对于连接柱406旋转螺母时，螺母沿连接柱406运动，例如，螺母远离本体401运动时，螺母可接触并顶压调整架301的连接部306，从而驱动调整架301远离本体401运动。在其他一些示例中，螺母和连接部306之间具有承压板504，即螺母邻近连接部306。通过旋转螺母顶压承压板504，进而推动连接部306(或调整架301)沿远离本体401方向运动。

需要说明的是，本发明中，本体401以钢框架结构进行示例性的说明，但是，本体401也可以由金属材料制作而成的壳体结构，其具有一个容纳岩体模拟材料501的腔体，以及用于固定调整架301的平整端面。

本实施例还提供了一种教学用简易锚杆拉拔模型试验系统。教学用简易锚杆拉拔模型试验系统包括锚杆101、锚固材料(如岩体模拟材料501)、检测仪以及如前述的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置500。其中，锚杆101可以选用钢筋。锚固材料可以是模拟岩体的材料制作而成，例如黄土。检测仪可以是应变片和百分表。

其中，岩体模拟材料501(锚固材料)被固定在本体401的工作空间403内，锚杆101的一端被埋设在锚固材料内，锚杆101的另一端固定在调整架301。锚杆101的拉拔位移通过百分表测量。锚杆101受到的应力通过应变片测量。较佳地，百分表具有两个，且以锚杆101对称地布置。具体地，百分表的主体连接在调整架301，百分表的测量探针通过钢丝固定在锚固材料。较佳地，应变片也具有两个，且位于锚杆101的同一水平面的相对两侧，并以锚杆101的轴线对称地布置。通过设置对称布置的百分表、应变片可以提高检测的准确性，减小误差。

拉板锚杆101实验时，通过调整顶升机构(如顶升螺母)调整架301整体同步地以远离本体401的方式在竖直方向上运动。通过记录百分表和应变片的反馈数据，当压力或者位移读数达到预定值时，或者当压力计读数下降而位移计读数增大时，停止施加载荷。测试后，可整理出锚杆的位移荷载曲线，从而分析锚杆的受力状况和锚固质量。通过采用顶升螺母施加载荷驱动调整架301，锚杆101可以收到持续的竖直方向的作用力，可避免锚杆101在拉拔过程中发生扭转而导致的破坏以及产生的扭矩对实验结果的不利影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种教学用简易锚杆拉拔模型试验装置，其特征在于，包括：

本体，所述本体具有相对的第一端和第二端，所述第一端和第二端之间限定工作空间，所述工作空间被配置为安置固定锚杆的部分的装置，所述第一端设置有多个连接柱，所述多个连接柱以凸出于所述第一端且以沿所述第二端至所述第一端的方向延伸的方式布置；

调整架，所述调整架具有与所述多个连接柱一一配合可拆卸连接的多个连接部，所述调整架还具有被配置为固定锚杆的固定部，所述调整架被配置为沿所述第一端至所述第二端的方向受迫地运动，并可选地远离或靠近所述第一端。

2.根据权利要求1所述的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置，其特征在于，所述连接部贯穿设置有连接孔，所述连接柱具有连接端，所述连接端与所述连接孔间隙配合。

3.根据权利要求2所述的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置，其特征在于，所述连接孔由侧壁限定，所述侧壁具有光滑表面。

4.根据权利要求1所述的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置，其特征在于，所述调整架包括纵向杆和横向杆，所述纵向杆与所述横向杆以纵横交错的方式布置且形成交叉部，所述固定部位于所述交叉部。

5.根据权利要求4所述的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置，其特征在于，所述连接部的数量为四个，且分别位于所述纵向杆的两端、以及所述横向杆的两端。

6.根据权利要求5所述的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置，其特征在于，四个所述连接部以所述交叉部为对称中心。

7.根据权利要求4所述的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置，其特征在于，所述固定部具有锚孔。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置，其特征在于，所述教学用简易锚杆拉拔模型试验装置还包括被配置为驱动所述调整架运动的顶升机构，所述顶升机构设置于所述调整架与所述第一端之间。

9.根据权利要求8所述的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置，其特征在于，所述顶升机构为顶升螺母，所述连接柱设置有与所述螺母匹配的螺纹，所述顶升螺母被配置为接触或邻近所述连接部的方式套设置于所述连接柱。

10.一种教学用简易锚杆拉拔模型试验系统，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的教学用简易锚杆拉拔模型试验装置。