CN107288163B - 用于富水软弱地层锚固体界面粘结性能测试的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于富水软弱地层锚固体界面粘结性能测试的装置及方法，它解决了现有锚固试验装置无法有效测试富水软弱地层锚固体界面粘结性能的问题，可实现不同地下水赋存环境、围岩应力状态及加卸载方式等因素影响下，富水软弱地层锚固体界面粘结性能的有效测试，其技术方案为：包括夹持拉拔装置和对应设置于其下部的环向反力装置，环向反力装置包括底部基座，底部基座上固定设置约束套筒，约束套筒内设有筒状加载气囊，筒状加载气囊内圈设有可缩式约束箍套，所述约束套筒与水源连通，以使锚固围岩模型处于富水环境；底部基座与竖向支柱底部固定连接，竖向支柱上部与可移动反力顶板连接，可移动反力顶板中部与夹持拉拔装置固定连接。

Description

用于富水软弱地层锚固体界面粘结性能测试的装置及方法

技术领域

本发明涉及地下工程支护材料试验技术领域，特别是涉及一种用于富水软弱地层锚固体界面粘结性能测试的装置及方法。

背景技术

预应力锚杆(索)可充分调动软弱围岩自承能力，有效控制围岩变形破坏，是我国矿山巷道支护工程领域应用最为广泛的一种支护技术。然而，在较软弱地层巷道施工中，锚杆(索)支护构件普遍存在着“可锚性较差”等问题，具体表现为难以找到稳定的锚固岩层，使锚杆(索)安装后受力普遍较小或出现受力下降现象，造成锚杆(索)杆体支护潜力难以充分发挥。众所周知，当现场锚固支护施工完毕后，以单根锚杆为例，所构成的锚固控制体系由锚杆(索)杆体、锚固剂与软弱围岩的三种介质共同组成，包含锚杆(索)-锚固剂与锚固剂-围岩两个界面。与硬岩巷道锚固支护技术相比，软弱地层锚固剂-围岩界面粘结性能较差，才是造成软弱围岩可锚性较差的关键因素，尤其当处于富水地层时，围岩易遇水软化，该界面粘结承载性能将进一步劣化。因此，在软弱地层中锚固剂-围岩界面是整个锚固支护体系的一个薄弱环节，也是软弱地层巷道锚固支护设计应重点考虑的一种工况。

然而，已有相关锚固试验研究成果中，大部分学者主要围绕锚杆(索)杆体或锚杆(索)-锚固剂界面开展研究，较少涉及锚固剂-围岩界面，而且当考虑地下水或围岩应力影响时，相关成果几为空白，目前尚没有一种科学合理的试验系统能够有效测试此类工况下锚固界面粘结性能。

综上所述，现有技术中对于富水软弱地层锚固体界面粘结性能的测试问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于富水软弱地层锚固体界面粘结性能测试的装置及方法，可实现不同地下水赋存环境、围岩应力状态及加卸载方式等因素影响下，富水软弱地层锚固体界面粘结性能的有效测试。

进一步的，本发明采用下述技术方案：

用于富水软弱地层锚固体界面粘结性能测试的装置，包括夹持拉拔装置和对应设置于其下部的环向反力装置，所述环向反力装置包括底部基座，所述底部基座上固定设置约束套筒，约束套筒内设有筒状加载气囊，筒状加载气囊内圈设有可缩式约束箍套，可缩式约束箍套内圈具有容纳锚固围岩模型的容置空间，所述约束套筒与水源连通，以使锚固围岩模型处于富水环境；

所述底部基座与竖向支柱底部固定连接，竖向支柱上部与可移动反力顶板连接，可移动反力顶板可沿竖向支柱上下移动设置，可移动反力顶板中部与夹持拉拔装置固定连接。

进一步的，所述可缩式约束箍套包括弧形加载传力板，弧形加载传力板上下两端均设有弧形套管组件，弧形套管组件包括围成圆形的多个弧形套管，弧形套管内设置弧形弹簧，弧形弹簧之间通过弧形连杆连接。

进一步的，所述弧形加载传力板为竖向设置的圆筒状结构。

进一步的，所述弧形加载传力板内表面黏贴有柔性传力橡胶，弧形加载传力板外表面与筒状加载气囊连接。

进一步的，所述筒状加载气囊通过气管与高压气泵连通，高压气泵与控制器连接，筒状加载气囊内表面设置气压传感器，气压传感器与控制器连接。

进一步的，所述约束套筒通过水管与水泵连接，水泵与控制器连接，约束套筒内表面设置水压传感器，水压传感器与控制器连接。

进一步的，所述底部基座为圆环状结构，底部基座中部与环形肋盖固定连接，环形肋盖中部设置可拆除的底部中心盖。

进一步的，所述约束套筒顶部设置环形封板，环形封板中部与环形顶盖固定连接，环形顶盖中部设置可拆除的顶部中心盖。

进一步的，所述约束套筒内可拆卸设有用以形成锚固围岩模型的锥形套筒模具，锥形套筒模具底部内圈带有阶梯状缺口，环形肋盖外周上表面设置凸起圆肋，阶梯状缺口和凸起圆肋相卡合。

进一步的，所述锥形套筒模具由两个半锥形筒结构构成，锥形套筒模具外侧设置圆套将两个半锥形筒结构套箍；锥形套筒模具内表面为圆柱面，外表面为锥形斜面。

进一步的，所述锚固围岩模型中部钻设通孔，通孔内设置锚杆或锚索杆体，锚杆或锚索杆体和锚固围岩模型之间填充有锚固剂，锚杆或锚索杆体顶部与夹持拉拔装置连接。

进一步的，所述夹持拉拔装置包括中空自动夹持油缸，中空自动夹持油缸包括中空缸筒，中空缸筒内设置中空活塞筒，中空活塞筒顶部延伸至中空缸筒外侧与推力圆盘连接。

进一步的，所述中空缸筒通过油管与伺服液压油箱连通，伺服液压油箱与控制器连接，中空缸筒内设置油压传感器，油压传感器与控制器连接。

进一步的，所述推力圆盘中部具有锥形圆槽，锥形圆槽内设置自动夹持装置；中空缸筒顶部中部固定有中空H管，中空H管配合设置于自动夹持装置下部，锚杆或锚索杆体上端穿过中空H管且顶部由自动夹持装置夹持。

进一步的，所述自动夹持装置包括设置于锥形圆槽底部的异形夹块，异形夹块顶部设有台阶，异形夹块上部配合于台阶处设有锥形弹簧，锥形弹簧顶部设有环形槽盖，环形槽盖固定于锥形圆槽顶部，环形槽盖中部设置中空锥形圆套。

进一步的，所述异形夹块至少包括两块外表面为锥形的夹块体；中空锥形圆套外表面为锥形圆面，其锥形圆面与锥形圆槽的内表面倾斜度相同，形成锥形通道；异形夹块可在锥形通道内上下移动。当推力圆盘与中空缸筒之间闭合时，异形夹块可由中空H管顶端顶住上移压缩锥形弹簧，并保持张开，锚杆或锚索杆体可自由穿过，而当推力圆盘与中空缸筒分离后，异形夹块在锥形弹簧作用下下移，并趋于闭合，实现对锚杆或锚索杆体的自动夹持。

用于富水软弱地层锚固体界面粘结性能测试的装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：利用锥形套筒模具在约束套筒内制作锚固围岩模型；

步骤2：采用阶梯式分级加载的方式对锚固围岩模型进行围岩应力加载模拟；

步骤3：在锚固围岩模型中部钻孔，通过锚固剂安设锚杆或锚索杆体；

步骤4：向约束套筒内供水，浸泡锚固围岩模型；

步骤5：采用阶梯式分级加载或循环加卸载方式拉拔锚杆或锚索杆体，记录试验数据；

步骤6：待锚杆或锚索杆体由锚固围岩模型拔出，试验结束，移走锚固围岩模型。

步骤1的具体步骤：

1-1上移可移动反力顶板及中空自动夹持油缸，并将可移动反力顶板与竖向支柱进行固定；

1-2移去环形封板、环形顶盖及顶部中心盖，对筒状加载气囊进行卸载，使可缩式约束箍套张开，为安装锥形套筒模具提供足够空间；

1-3沿底部基座环形肋盖上表面凸起圆肋，安装锥形套筒模具，并在锥形套筒模具外表面采用圆套进行套箍约束；

1-4在锥形套筒模具内表面均匀涂抹一层润滑剂(可为凡士林油膏)，并采用事先配制好的围岩模拟材料，通过浇筑或逐层夯实的方式，制作圆柱形围岩模型；

1-5待模型制作完毕，养护风干完成后，移走锥形套筒模具，并封闭好环向反力装置环形封板、环形顶盖及顶部中心盖等构件。

步骤2的具体步骤：

2-1对筒状加载气囊进行充气，当薄层柔性橡胶与模型表面接触压力达到设计围岩应力值的3％时，停止加载，使围岩模型与加载装置均匀接触；

2-2采用阶梯式分级加载方式，对筒状加载气囊进行充气加载，每级荷载控制在5kN～20kN之间，待每级荷载稳定3min后，方可进行下一级荷载的加载，直至围岩应力达到设计值时，停止加载。

步骤3的具体步骤：

3-1拆去环向反力装置的顶部中心盖与底部中心盖；

3-2沿移去顶部中心盖与底部中心盖位置，利用钻机对圆柱形围岩模型进行钻孔；

3-3模型钻孔完成后，安装底部中心盖，并利用锚固剂进行锚杆(索)固定安装。

步骤4的具体步骤：

4-1根据锚固围岩模型的浸水水压及时间要求，利用水泵对环向反力装置内部进行循环水浸泡；

4-2待锚固围岩模型浸水水压及时间达到设计要求后，关闭水泵进水管与出水管。

步骤5的具体步骤：

5-1下移可移动反力顶板及中空自动夹持油缸，使锚杆(索)杆体外露部分顶端伸入中空自动夹持油缸的自动夹持装置内部；

5-2利用进油管对中空自动夹持油缸进行充油，使推力圆盘上移，实现异形夹块对锚杆(索)杆体的自动夹持；

5-3对中空自动夹持油缸继续进行充油加载，待锚杆(索)杆体拉力值达到设计拉力值的3％时，停止加载；

5-4采用阶梯式分级加载或循环加卸载的方式，对锚杆(索)进行拉拔，每级荷载控制在5kN～20kN之间，待每级荷载稳定3min后，方可进行下一级荷载的加载；

5-5记录拉拔测试过程中的试验数据。

步骤6的具体步骤：

6-1当锚杆(索)杆体试件从围岩模型中拔出时，标志着试验结束，此时可停止加载；

6-2上移可移动反力顶板及中空自动夹持油缸，留出下部足够空间，以防止中空自动夹持油缸回油、推力圆盘下移时，被拔出锚固试件底端触碰环向反力装置顶端；

6-3对中空自动夹持油缸进行回油，推力圆盘与中空缸筒之间闭合，异形夹块被自动张开；

6-4对筒状加载气囊进行出气，使可缩式约束箍套张开；

6-5移走锚固围岩模型试件，可进行下一个试验循环。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明考虑了围岩应力影响，采用筒状加载气囊、可缩式约束箍套、柔性传力橡胶等构件，可有效模拟软弱围岩锚固体模型表面径向均布围岩应力作用，使传统锚固体模型拉拔试验更符合现场实际。

2)本发明考虑了地下水影响，通过采用水泵及水管等构件实现进、出水，使富水条件下软弱围岩锚固体赋存环境模拟更真实，填补现有试验研究成果中的不足。

3)本发明采用可缩式约束箍套，可有效保证圆柱形锚固体模型，在加载过程中横断面始终保持圆形，实现轴对称围岩应力加载；有效避免受加工制作精度影响使模型出现断面非真正圆形、或沿环向存在加工缺陷、或模型加载变形开裂等问题时，产生径向加载不均匀现象，使锚固体试件产生非对称变形破坏，从而影响试验精度。

4)本发明的可缩式约束箍套通过配合使用筒状加载气囊、柔性传力橡胶，使加载装置在对锚固体试件传力时，使作用在圆柱形锚固体模型表面径向加载压力分布更为均匀，避免传统传力板刚性加载造成模型表面受力不均匀现象，提高试验加载精度。

5)本发明的可缩式约束箍套通过利用端部弧形套管、弧形弹簧、弧形连杆、弧形加载传力板等构件，可实现径向自由伸缩，可用于满足不同直径围岩锚固体模型的加载。

6)本发明采用中空自动夹持油缸，并配合竖向支柱、可移动反力顶板等构件，可自动实现对不同长度锚固体的自动夹持与松开，拆卸方便便于操作。

7)本发明通过利用控制器，并配合伺服液压油箱、水泵、高压气泵及测试传感器，可有效模拟不同地下水水压及浸水时间、不同加载方式(循环加卸载、阶梯加载、恒定荷载)、不同围岩应力水平等工况，整套试验装置可实现自动控制且功能高效。

8)本发明通过将锥形套筒模具直接安装于底部基座环形肋盖上表面，可实现围岩模型的原位加工制作，无需模型的搬运，尤其对于较软弱围岩模型，可有效避免模型搬运过程产生开裂或损坏等现象。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例待测锚杆锚固体模型安装完毕时的结构示意图；

图2为本发明实施例待测锚杆锚固体模型安装前的主体试验装置结构示意图；

图3为本发明实施例待测锚杆锚固体模型制作时的主体试验装置结构示意图；

图4为本发明实施例的中空自动夹持油缸中心剖面结构示意图；

图5为本发明实施例的异形夹块中心断面图；

图6为本发明实施例的异形夹块顶部俯视图；

图7为本发明实施例的中空锥形圆套中心剖面结构示意图；

图8为本发明实施例的中空锥形圆套顶部俯视图；

图9为本发明实施例的中空H管中心剖面结构示意图；

图10为本发明实施例的锥形套筒模具中心剖面结构示意图；

图11为本发明实施例的可缩式约束箍套端部弧形套管与弧形连杆连接结构示意图；

图12为图1中A-A剖视图；

图13为图1中B-B剖视图；

图14为图1中C-C剖视图；

图中，1—底部基座；2—环形肋盖；3—底部中心盖；4—竖向支柱；5—可移动反力顶板；6—中空自动夹持油缸；7—约束套筒；8—环形封板；9—环形顶盖；10—顶部中心盖；11—筒状加载气囊；12—可缩式约束箍套；13—柔性传力橡胶；14—伺服液压油箱；15—高压气泵；16—水泵；17—水箱；18—智能控制主机；19—油管；20—气管；21—水管；22—锥形套筒模具；23—锚杆；24—锚固剂；25—围岩模型；26—特制圆套；27—中空活塞筒；28—中空缸筒；29—推力圆盘；30—异形夹块；31—高强锥形弹簧；32—中空锥形圆套；33—环形槽盖；34—中空H管；35—弧形套管；36—弧形弹簧；37—弧形连杆；38—弧形加载传力板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在常规锚固试验装置难以模拟富水环境及围岩应力影响、无法有效测试富水软弱地层锚固体界面粘结性能的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于富水软弱地层锚固体界面粘结性能测试的装置及方法，试验对象可以是常规粘结型锚杆(索)锚固模型，也可以是机械锚固型锚杆(索)模型或其他锚固方式模型，具体主体试验装置各构件尺寸、加载控制系统各构件力学性能参数及操作流程，可根据具体试验锚固体模型尺寸及试验要求进行相应调整。

以室内圆柱形锚杆锚固体模型拉拔试验为例，下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-14所示，提供了一种用于富水软弱地层锚固体界面粘结性能测试的装置，包括底部基座1、环形肋盖2、底部中心盖3、竖向支柱4、可移动反力顶板5、中空自动夹持油缸6、约束套筒7、环形封板8、环形顶盖9、顶部中心盖10、筒状加载气囊11、可缩式约束箍套12、柔性传力橡胶13、伺服液压油箱14、高压气泵15、水泵16、水箱17、智能控制主机18(即为控制器)、油管19、气管20、水管21、锥形套筒模具22、锚杆23、锚固剂24与围岩模型25等部分组成。锚杆23、锚固剂24与围岩模型25组成试验装置中的锚固围岩模型。

底部基座1、环形肋盖2、底部中心盖3、竖向支柱4、可移动反力顶板5、中空自动夹持油缸6、约束套筒7、环形封板8、环形顶盖9、顶部中心盖10、筒状加载气囊11、可缩式约束箍套12、柔性传力橡胶13组成了本发明自动多功能型试验装置的主体试验装置部分。

底部基座1为圆环形，沿外环周圈底面均匀间隔设有若干个固定支撑，供试验装置支撑于地表或其他试验台表面。底部基座1外环周圈位置沿环向均匀设置一系列圆孔，供竖向支柱4与约束套筒7通过螺栓(母)进行固定，底部基座1内环内侧通过螺纹连接安装有环形肋盖2，环形肋盖2上表面沿环向外边缘处设有凸起圆肋，供待测锚固体模型及锥形套筒模具22固定，环形肋盖2内环内侧通过螺纹连接安装有底部中心盖3，底部中心盖3尺寸与待测围岩模型25钻孔尺寸一致。

竖向支柱4共4根，沿长度方向通长设置螺纹，竖向支柱4底端穿过底部基座1，通过高强螺母进行固定。所述的可移动反力顶板5为圆环状，外径与底部基座1直径一致，内径与中空自动夹持油缸6外径一致，可移动反力顶板5内环周圈位置沿环向均匀设置一系列圆孔，外环周圈位置沿环向均匀设置4个圆孔，外环周圈位置圆孔直径与竖向支柱4外径一致，可移动反力顶板5通过高强螺母固定于竖向支柱4的顶部，通过旋转螺母可调整其在竖向支柱4的位置。

中空自动夹持油缸6为中空圆筒状，由中空活塞筒27、中空缸筒28、推力圆盘29等构件组成。所述的中空活塞筒27底部嵌于中空缸筒28内部，顶部与推力圆盘29相连。所述的中空缸筒28顶部设有水平外伸翼缘，并在外伸翼缘部分沿环向设有一系列圆形开孔，开孔位置、尺寸与可移动反力顶板5内环周圈位置圆孔一致，中空自动夹持油缸6通过螺栓固定在可移动反力顶板5中心位置。所述的推力圆盘29中心位置设有锥形圆槽，锥形圆槽内部安装有自动夹持装置，包括异形夹块30、高强锥形弹簧31、中空锥形圆套32、环形槽盖33，可实现对待测锚杆(索)杆体的自动夹持与松开。所述的异形夹块30共包括2块，安装于锥形圆槽底部，所述的高强锥形弹簧31安装于异形夹块30顶部台阶处，高强锥形弹簧31顶部为环形槽盖33，所述的环形槽盖33通过螺纹固定在锥形圆槽顶部，所述的中空锥形圆套32通过螺纹固定在环形槽盖33内环表面，中空锥形圆套32外表面、锥形圆槽内表面锥形圆面倾斜角度一致，共同形成了锥形通道，可使异形夹块30沿锥形通道上下自由移动。所述的推力圆盘29下部中心位置，安装有中空H管34，中空H管34通过螺纹固定在中空缸筒28顶部中心位置。所述的中空自动夹持油缸6通过油管19与伺服液压油泵相连，当中空自动夹持油缸6出油时，推力圆盘29下移，可使中空H管34顶端顶住异形夹块30，使异形夹块30沿锥形通道上移压缩高强锥形弹簧31，并保持自动张开，锚杆23可自由穿过，而当油缸进油时，推力圆盘29上移，中空H管34顶端与异形夹块30分开，异形夹块30在高强锥形弹簧31作用下下移，可实现对锚杆23的自动夹持。

约束套筒7为圆筒状，底部与顶部分别设置有外伸翼缘，底部外伸翼缘与底部基座1之间、顶部外伸翼缘与环形封板8之间分别通过螺栓进行连接。所述的环形封板8内环内侧通过螺纹连接安装有环形顶盖9，环形顶盖9内环内侧通过螺纹连接安装有顶部中心盖10，顶部中心盖10尺寸与待测围岩模型25钻孔尺寸一致。所述的底部基座1、环形肋盖2、底部中心盖3、约束套筒7、环形封板8、环形顶盖9、顶部中心盖10共同构成了环向反力装置。所述的水泵16置于水箱17内部，通过水管21与环向反力装置内部相连，环向反力装置及内部各部分构件之间接触界面均设置有密封圈，以防止环向反力装置内部充水、排水时产生水外漏现象。

筒状加载气囊11安装于约束套筒7内部，采用高强纤维织布与高分子聚合物的涂覆复合物进行制作，为环状筒结构，所述的气管20一端与筒状加载气囊11相连，另一端与高压气泵15相连，包括进气管与出气管，通过利用气管20进气、出气，可实现气囊加载、卸载。所述的可缩式约束箍套12黏贴于筒状加载气囊11内环表面，由端部弧形套管35、弧形弹簧36、弧形连杆37、弧形加载传力板38组成，为圆筒状结构。所述的弧形套管35安装于弧形加载传力板38的上、下两端部，所述的弧形弹簧36安装于端部弧形套管35内，所述的弧形连杆37端头内置于弧形套管35内部，并与弧形弹簧36端部相连。所述的柔性传力橡胶13黏贴于弧形传力板内表面，尺寸大小与弧形传力板一致，柔性传力橡胶13外表面直接作用于锚固模型试件表面。在筒状加载气囊11加载约束作用下，弧形连杆37端头可压缩弧形弹簧36，实现可缩式约束箍套12内缩，并保证收缩过程中横断面可始终保持圆形。当可缩式约束箍套12处于松弛状态时，其外径与筒状加载气囊11内环直径一致。筒状加载气囊、可缩式约束箍套与柔性传力橡胶，可实现不同直径圆柱形锚固体模型表面径向均布围岩应力的有效模拟。

智能控制主机18与伺服液压油箱14、水泵16、高压气泵15相连，并通过利用安装于环向反力装置内表面水压传感器、安装于筒状加载气囊11内表面的气压传感器、安装于中空自动夹持油缸6的油压传感器等监测元件，可实现加载油压、气压及水压的定量输出，满足不同地下水水压及浸水时间、不同加载方式(循环加卸载、阶梯加载、恒定荷载)、不同围岩应力水平等因素影响下，富水软弱地层锚固体界面粘结性能的有效测试。

锥形套筒模具22沿竖向中心断面被切割成两部分，两部分对接后外表面为锥形斜面，内表面为圆柱面，外表面采用特制圆套26进行套箍约束，内表面底部环向周圈设有阶梯状缺口，缺口尺寸大小与底部基座1凸起圆肋尺寸一致。所述的特制圆套26外表面为圆柱面，内表面为锥形斜面，锥形斜面倾斜角度与锥形套筒模具22外表面保持一致。试验前可将锥形套筒模具22安装于底部基座1环形肋盖2上表面，用于制作待测锚固围岩模型25。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种用于富水软弱地层锚固体界面粘结性能测试的装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：利用锥形套筒模具在约束套筒内制作锚固围岩模型；

步骤2：采用阶梯式分级加载的方式对锚固围岩模型进行围岩应力加载模拟；

步骤3：在锚固围岩模型中部钻孔，通过锚固剂安设锚杆或锚索杆体；

步骤4：向约束套筒内供水，浸泡锚固围岩模型；

步骤5：采用阶梯式分级加载或循环加卸载方式拉拔锚杆或锚索杆体，记录试验数据；

步骤6：待锚杆或锚索杆体由锚固围岩模型拔出，试验结束，移走锚固围岩模型。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

采用本发明的试验装置的具体试验方法为：

步骤1：软弱围岩模型25制作

1-1上移可移动反力顶板5及中空自动夹持油缸6，并利用高强螺母在竖向支柱4进行固定；

1-2移去环形封板8、环形顶盖9及顶部中心盖10，对筒状加载气囊11进行卸载，使可缩式约束箍套12张开，为安装锥形套筒模具22提供足够空间；

1-3沿底部基座1环形肋盖2上表面凸起圆肋，安装锥形套筒模具22，并在锥形套筒模具22外表面采用特制圆套26进行套箍约束；

1-4在锥形套筒模具22内表面均匀涂抹一层凡士林油膏，并采用事先配制好的围岩模拟材料，通过浇筑或逐层夯实的方式，制作圆柱形围岩模型25；

1-5待模型制作完毕，养护风干完成后，移走锥形套筒模具22，并封闭好环向反力装置环形封板8、环形顶盖9及顶部中心盖10等构件。

步骤2：模型围岩应力加载

2-1对筒状加载气囊11进行充气，当薄层柔性橡胶与模型表面接触压力达到设计围岩应力值的3％时，停止加载，使围岩模型25与加载装置均匀接触；

2-2采用阶梯式分级加载的方式，对筒状加载气囊11进行充气加载，每级荷载控制在5kN～20kN之间，待每级荷载稳定3min后，方可进行下一级荷载的加载，直至围岩应力达到设计值时，停止加载。

步骤3：围岩模型25钻孔及锚杆23安装

3-1拆去环向反力装置的顶部中心盖10与底部中心盖3；

3-2沿移去顶部中心盖10与底部中心盖3位置，利用钻机对圆柱形围岩模型25进行钻孔；

3-3模型钻孔完成后，安装底部中心盖3，并利用水泥砂浆锚固剂24或树脂锚固剂24进行锚杆23固定安装。

步骤4：锚固模型富水环境模拟

4-1根据锚固体模型的浸水水压及时间要求，利用水泵16对环向反力装置内部进行循环水浸泡；

4-2待锚固体模型浸水水压及时间达到设计要求后，关闭水泵16进水管21与出水管21。

步骤5：锚固模型拉拔测试

5-1下移可移动反力顶板5及中空自动夹持油缸6，使锚杆23杆体外露部分顶端伸入中空自动夹持油缸6的自动夹持装置内部；

5-2利用进油管19对中空自动夹持油缸6进行充油，使推力圆盘29上移，实现异形夹块30对锚杆23杆体的自动夹持；

5-3对中空自动夹持油缸6继续进行充油加载，待锚杆23杆体拉力值达到设计拉力值的3％时，停止加载；

5-4采用阶梯式分级加载的方式，对锚杆23进行拉拔，每级荷载控制在5kN～20kN之间，待每级荷载稳定3min后，方可进行下一级荷载的加载；

5-5记录拉拔测试过程中的试验数据。

步骤6：测试结束

6-1当锚杆23杆体试件从围岩模型25中拔出时，标志着试验结束，此时可停止加载；

6-2上移可移动反力顶板5及中空自动夹持油缸6，留出下部足够空间，以防止中空自动夹持油缸6回油、推力圆盘29下移时，被拔出锚固试件底端触碰环向反力装置顶端；

6-3对中空自动夹持油缸6进行回油，推力圆盘29与中空缸套之间闭合，异形夹块30被自动张开；

6-4对筒状加载气囊11进行出气，使可缩式约束箍套12张开；

6-5移走锚杆23及围岩模型25试件，可进行下一个试验循环。

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

Claims (8)

1.用于富水软弱地层锚固体界面粘结性能测试的装置，其特征是，包括夹持拉拔装置和对应设置于其下部的环向反力装置，所述环向反力装置包括底部基座，所述底部基座上固定设置约束套筒，约束套筒内设有筒状加载气囊，筒状加载气囊内圈设有可缩式约束箍套，可缩式约束箍套内圈具有容纳锚固围岩模型的容置空间，所述约束套筒与水源连通，以使锚固围岩模型处于富水环境；

所述底部基座与竖向支柱底部固定连接，竖向支柱上部与可移动反力顶板连接，可移动反力顶板可沿竖向支柱上下移动设置，可移动反力顶板中部与夹持拉拔装置固定连接；

所述可缩式约束箍套包括弧形加载传力板，弧形加载传力板上下两端均设有弧形套管组件，弧形套管组件包括围成圆形的多个弧形套管，弧形套管内设置弧形弹簧，弧形弹簧之间通过弧形连杆连接；

所述弧形加载传力板为竖向设置的圆筒状结构，所述弧形加载传力板内表面黏贴有柔性传力橡胶，弧形加载传力板外表面与筒状加载气囊连接；所述筒状加载气囊通过气管与高压气泵连通，高压气泵与控制器连接，筒状加载气囊内表面设置气压传感器，气压传感器与控制器连接；

加载过程中横断面始终保持圆形，实现轴对称围岩应力加载；避免受加工制作精度影响使模型出现断面非真正圆形、或沿环向存在加工缺陷、或模型加载变形开裂，产生径向加载不均匀，使锚固体试件产生非对称变形破坏现象。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述约束套筒通过水管与水泵连接，水泵与控制器连接，约束套筒内表面设置水压传感器，水压传感器与控制器连接；所述底部基座中部与环形肋盖固定连接，环形肋盖中部设置可拆除的底部中心盖；所述约束套筒顶部设置环形封板，环形封板中部与环形顶盖固定连接，环形顶盖中部设置可拆除的顶部中心盖。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征是，所述约束套筒内可拆卸设有用以形成锚固围岩模型的锥形套筒模具，锥形套筒模具底部内圈带有阶梯状缺口，环形肋盖外周上表面设置凸起圆肋，阶梯状缺口和凸起圆肋相卡合；

所述锥形套筒模具由两个半锥形筒结构构成，锥形套筒模具外侧设置圆套将两个半锥形筒结构套箍；锥形套筒模具内表面为圆柱面，外表面为锥形斜面。

4.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述锚固围岩模型中部钻设通孔，通孔内设置锚杆或锚索杆体，锚杆或锚索杆体和锚固围岩模型之间填充有锚固剂，锚杆或锚索杆体顶部与夹持拉拔装置连接；

所述夹持拉拔装置包括中空自动夹持油缸，中空自动夹持油缸包括中空缸筒，中空缸筒内设置中空活塞筒，中空活塞筒顶部延伸至中空缸筒外侧与推力圆盘连接。

5.如权利要求4所述的装置，其特征是，所述中空缸筒通过油管与伺服液压油箱连通，伺服液压油箱与控制器连接，中空缸筒内设置油压传感器，油压传感器与控制器连接；

所述推力圆盘中部具有锥形圆槽，锥形圆槽内设置自动夹持装置；中空缸筒顶部中部固定有中空H管，中空H管配合设置于自动夹持装置下部，锚杆或锚索杆体上端穿过中空H管且顶部由自动夹持装置夹持。

6.如权利要求5所述的装置，其特征是，所述自动夹持装置包括设置于锥形圆槽底部的异形夹块，异形夹块顶部设有台阶，异形夹块上部配合于台阶处设有锥形弹簧，锥形弹簧顶部设有环形槽盖，环形槽盖固定于锥形圆槽顶部，环形槽盖中部设置中空锥形圆套。

7.如权利要求6所述的装置，其特征是，所述异形夹块至少包括两块外表面为锥形的夹块体；中空锥形圆套外表面为锥形圆面，其锥形圆面与锥形圆槽的内表面倾斜度相同，形成锥形通道；异形夹块可在锥形通道内上下移动。

8.如权利要求1所述的装置的试验方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：利用锥形套筒模具在约束套筒内制作锚固围岩模型；

步骤2：采用阶梯式分级加载的方式对锚固围岩模型进行围岩应力加载模拟；

步骤3：在锚固围岩模型中部钻孔，通过锚固剂安设锚杆或锚索杆体；

步骤4：向约束套筒内供水，浸泡锚固围岩模型；

步骤5：采用阶梯式分级加载或循环加卸载方式拉拔锚杆或锚索杆体，记录试验数据；

步骤6：待锚杆或锚索杆体由锚固围岩模型拔出，试验结束，移走锚固围岩模型。

Images