CN108106939A - 一种基于杠杆原理的重力补偿式锚固体蠕变效应试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于杠杆原理的重力补偿式锚固体蠕变效应试验系统，属于检测设备技术领域。其包括：试样固定装置、应变检测装置和计算机；该实验系统还包括有杠杆转换装置、重力加载装置和加压水箱，由闭合钢架做主体框架。本发明对锚固体采用垂直加载，有效避免锚杆在重力作用下偏移的情况。采用重力或重力和千斤顶联合加载的方式，使荷载保持恒定。本发明还能使试件赋存于水环境之中，更加符合锚固体的实际赋存环境，便于研究水力耦合情况下锚固体蠕变特征。

Description

一种基于杠杆原理的重力补偿式锚固体蠕变效应试验系统

技术领域

本发明涉及一种基于杠杆原理的重力补偿式锚固体蠕变效应试验系统，属于检测设备技术领域。

背景技术

随着我国经济的快速发展，人口的大量增加，越来越多的地下工程需要开发以适应生存发展的需求。锚杆支护作为一种有效的围岩支护方式，凭借其施工快捷、力学机理明确、经济效果好的优点，广泛应用于各种基础设施与各类矿山及隧道工程建设。但是随着围岩压力的长时间作用，锚固体力学特性受到很多因素影响，比如锚固体蠕变、锚固方式、施工工艺等，蠕变效应是决定锚固体长期性能的重要因素，能使支护体系支护效果不同程度地减弱，随着时间越来越长，蠕变应变量越来越大，锚固体稳定性也越来越差，这会给现实的工程带来极大的安全隐患。研究锚固体蠕变效应可以为锚杆支护提供科学的理论和实验基础，具有重要的学术意义、工程价值和广泛的应用前景。

国内外对岩石蠕变效应进行了大量研究，理论方面虽然提出了各种本构模型，但是岩石加速蠕变阶段的理论尚不完善，数值模拟又不能准确反映锚固体的实际赋存环境，实验方面多倾向于单块岩石的研究，对锚固体蠕变效应的研究较少。目前，常规的蠕变试验常常依赖于蠕变机或单一千斤顶提供的恒载，而蠕变机和千斤顶在荷载长时间作用下，尤其是千斤顶会出现不同程度的应力松弛现象，虽然部分自动化程度较高的蠕变机和千斤顶能自动加压补偿，但其反应速度较慢，荷载加减惯性较大，难以精确地提供恒定的荷载。另外在常规的锚杆拉拔试验中，为了方便起见往往将锚固体横置，锚杆在重力作用下会发生微弱偏移，拉拔力容易出现不在水平线上的情况，影响试验的结果。

发明内容

本发明提出一种基于杠杆原理的重力补偿式锚固体蠕变效应试验系统，解决的现有技术问题是重力偏移的情况下，拉拔力不加载在锚固钢筋水平方向上，导致试验存在误差，影响试验的结果，以及常规蠕变试验中千斤顶会出现不同程度的应力松弛现象，部分自动化程度较高的蠕变机和千斤顶能自动加压补偿反应速度慢，荷载加减惯性大导致难以提供恒定荷载的问题，试验环境与试样实际工作环境差异过大，导致试验数据与实际情况存在偏差，参考价值不足的问题。

本发明技术方案是这样的：

一种基于杠杆原理的重力补偿式锚固体蠕变效应试验系统，其包括：试样固定装置、应变检测装置和计算机；还包括有杠杆转换装置、重力加载装置和加压水箱，由闭合钢架做主体框架。

所述的试样固定装置包括试样、试样夹具和试样固定装置的A固定钢板和A立柱，所述试样为钻孔岩柱，钻孔岩柱沿切面直径垂直切开，切口深度与钻孔深度一致，锚固钢筋插入岩柱钻孔中，钻孔中间与切面内壁贴有电阻应变片，电阻应变片连接有导线置于试样固定装置外部，切口以及钻孔内注有树脂凝胶材料。

所述的杠杆转换装置包括杠杆、杠杆转轴、钢管套筒、钢管、A钢绞线和B钢绞线；杠杆转轴安装在杠杆镂空部位，杠杆转轴左段为阻力臂，右段为动力臂，动力臂与阻力臂距离比值为3:1，钢管套筒焊接在杠杆两端，钢管置于钢管套筒内部，钢管上悬挂有A钢绞线和B钢绞线。

所述的重力加载装置包括滑动垫板、重物室、数控式环形液压千斤顶、B固定钢板和B立柱，数控式环形液压千斤顶下部连接重物室顶板，上部连接B固定钢板，重物室上部中心位置的挂钩通过数控式环形张拉千斤顶与B固定钢板中心通孔与B钢绞线相连接。

所述的加压水箱通过导管与试样夹具的进水口相连。

所述的应变检测装置包括锚杆测力计、应变仪和导线，锚杆测力计由环形液压枕和压力表组成，安装在试样夹具顶板和A固定钢板之间。

本发明对锚固体采用垂直加载，有效避免锚杆在重力作用下偏移的情况。采用重力或重力和千斤顶联合加载的方式，使荷载保持恒定。本发明还能使试件赋存于水环境之中，更加符合锚固体的实际赋存环境，便于研究水力耦合情况下锚固体蠕变特征。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实验系统整体结构示意图；

图2为图1所示试样固定装置的结构示意图；

图3为锚杆测力计以及压力表安装位置；

图4为图2所示试样固定装置的俯视图；

图5为图1所示重力加载装置的结构示意图；

图6为重力加载装置的俯视图；

图7为杠杆装置结构图；

图8为闭合钢架主视图；

图9为闭合钢架侧视图；

图10为锚杆拉拔套筒详图；

图11为锚杆拉拔套筒加固环结构图。

1.闭合钢架，2.试样固定装置，3.重力加载装置，4.杠杆转换装置5.加压水箱

6.应变仪。7计算机，20.锚固钢筋，21.A固定钢板，22. A立柱，23.进水孔，24.试样夹具，25.钻孔岩柱，26.试样夹具底板，27.树脂胶凝材料，28.电阻应变片，29.试样夹具顶板，31．环形液压枕，32.压力表，41.A螺母，51. B固定钢板，52.数控式环形液压千斤顶，53.砝码，54.滑动垫板，55.重物室底板，56.重物室顶板，57.重物室挂钩，58重力加载装置立柱，59. B立柱，71.杠杆，72. 杠杆转轴，73.钢管套筒，74.钢管，75. A钢绞线，76. B钢绞线，81.锚杆拉拔套筒挂钩，82.加固环。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。

一种基于杠杆原理的重力补偿式锚固体蠕变效应试验系统，如图1—11所示，包括闭合钢架1、试样固定装置2、杠杆转换装置4、重力加载装置3、加压水箱、应变仪6、计算机7。

在本实施例中，如图6和图7所示，闭合钢架1从正面看为矩形的钢材质框架，保证闭合钢架整体稳定，具有良好的承重作用，闭合框架1底部矩形钢板底面，提高整个试验系统稳固性，需要安装在闭合钢架1上的装置有试样固定装置2、杠杆转换装置4、重力加载装置3和加压水箱5。

在本实施例中，首先安装杠杆转换装置4，如图7所示，杠杆转换装置4包括杠杆71、杠杆转轴72、钢管套筒73、钢管74、A钢绞线75和B钢绞线76。杠杆转轴72安装在杠杆镂空部位，杠杆转轴左侧为阻力臂，右侧为动力臂，动力臂和阻力臂长度比为3:1，杠杆转轴72中心穿过钢筋，钢板的组合焊接，将杠杆转换装置4固定在闭合钢架1天花板一面。杠杆71两端分别焊接有钢管套筒73，钢管套筒73内部套入钢管74，从侧面看钢管74与钢管套筒73宽度相同。杠杆左端钢管内穿过A钢绞线75，杠杆右端钢管穿过B钢绞线76，将A钢绞线与B钢绞线两端连接，形成闭合环状。

在本实施例中， A钢绞线75与B钢绞线76悬挂垂直闭合钢板底面位置，为试样固定装置2和重力加载装置3的底面中心位置，同时根据两个装置实际尺寸大小，在闭合钢架11底板上，分别通过焊接方式固定四根试重样的固定装置的A立柱22和重力加载装置的B立柱58，两种立柱上端均有螺纹。

在本实施例中，在四根A立柱22中心位置安装试样夹具24的底板，在夹具底板的中心位置安装试样。如图2所示，钻孔岩柱25沿切面直径纵向切开，切口深度与钻孔深度一致，锚固钢筋插入钻孔岩柱25的钻孔中，钻孔中间与切面内壁贴有电阻应变片28，电阻应变片28连接有导线，导线另一端置于试样固定装置2外部，切口以及钻孔内注有树脂凝胶材料27。

在本实施例中，如图2所示以试样夹具底板26为参照安装试样夹层四壁，将试样夹具24竖直放置与试样夹具底板26边缘对合连接，最后扣上试样夹层顶板29，夹层顶板29 中间存在通孔，用于穿过锚固钢筋20后，将式样的岩柱置于一个封闭空间中。

在本实施例中，锚杆测力计由压力表32和环形液压枕31组成，将该环形液压枕31套设在锚固钢筋20上，使其位置处于固定钢板21和试样夹具顶板29之间。锚杆测力计一端连接应变仪6的固定电极，另一端与试样内部的电阻应变片28外置导线相连，压力表32显示压力数值,应变仪6连接计算机7。

在本实施例中，试样夹具24上部与环形液压枕31下端相接，环形液压枕31上端与A固定钢板21下部连接。锚固钢筋20穿过A固定钢板21中心的通孔，表露在试样固定装置2外部，用于和锚杆拉拔套筒相连接。A固定钢板21四角有通孔用于扣在四根A立柱22上，再使用螺母41进行加固安装，通过A立柱22和A固定钢板21的组合将式样固定完成。

在本实施例中，所述锚杆拉拔套筒如图8所示，锚杆套筒上部为挂钩81，中部为圆柱体，柱体下方有劈口，劈口大小为塞入锚杆为准，劈口处有两个加固环82，加固环两端突出部分有对合穿孔，利用螺丝和螺母41结合穿孔对加固环进行加固，锚杆拉拔套筒上端挂钩与A钢绞线75相连接。

在本实施例中，加水装置的加压水箱5通过悬挂或焊接方式安装在闭合钢架1左侧立壁上，加压水箱5底部位置高度大于试样固定装置2的高度。试样夹层左侧立壁上方开凿一个进水口23。通过导管与试样夹外壁上部进水口相连，加压水箱5通过导管向试样夹具24与钻孔岩柱25的夹层注水，为试样提供水环境。

在本实施例中，重力加载装置3的安装位置同样以B钢绞线76垂直闭合钢架11底部的位置为参考，如图6所示，在参照该位置依照安装试样固定装置2的方式安装好四根B立柱58后，在四根B立柱58中心位置放置滑动垫板54，滑垫板54为双面均安装有四个滑轮钢板，在滑动垫板的上方放置重物室。重物室由重物室底板55、重物室顶板56和重物室立柱59构成，重物室底板55和重物室顶板56四个角具有四个通孔，重物室立柱59两端具有螺纹，拥有螺纹的端头部分切面直径稍小于立柱22中部切面直径，该直径与钢板四角通孔直径相同。钢板通孔外侧加装四个螺母进行固定。如图5所示，重物室底板55、重物室顶板56和重物室立柱59形成一个开放立体空间，用于放置试验所需砝码53，所述的砝码53为自订制圆饼状钢材。在重物室顶部的钢板上安装有挂钩57。

在本实施例中，在重物室上部安装数控式环形液压千斤顶52，数控式环形液压千斤顶52上部安装B固定钢板51，B固定钢板51安装方式与A固定钢板21相同。重物室的挂钩57通过数控式环状液压千斤顶52和B固定钢板51中心的通孔，与杠杆转换装置4的B钢绞线76相连接。利用自身重力以及由数控式环状液压千斤顶为整个系统提供荷载；数控式环状千斤顶通过导线与计算机7相连接。通过计算机7控制重力加载装置3进行重力加载。

安装结束后，检查线路连接，并预估锚杆的抗拉强度，如果锚杆较细，抗拉强度较低，使数控式环形液压千斤顶52保持关闭状态，仅通过重物室加载，在重物室放置砝码53，直至压力表32显示所需要的力；如果锚杆较粗，抗拉强度较大，使数控式环形液压千斤顶52打开，并加载至所需要的力的大小，长时间荷载作用下会使千斤顶产生应力松弛现象，适当增加砝码53配合重力使锚杆所受拉拔力为恒力。重力加载装置3产生的恒力通过杠杆转换装置4作用在式样上，该恒力大小显示在锚杆测力计31的压力表32上；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。

通过计算机7整理出应变仪6测试出的数据，绘制应变-时间曲线，研究锚固体蠕变特征。

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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (6)

1.一种基于杠杆原理的重力补偿式锚固体蠕变效应试验系统，其包括：试样固定装置（2）、应变检测装置和计算机（7）；其特征在于:还包括有杠杆转换装置（4）、重力加载装置（3）和加压水箱（5），由闭合钢架做主体框架（1）。

2.根据权利要求1所述的基于杠杆原理的重力补偿式锚固体蠕变效应试验系统，其特征在于：试样固定装置（2）包括试样、试样夹具和试样固定装置的A固定钢板（21）和A立柱，所述试样为钻孔岩柱（25），钻孔岩柱（25）沿切面直径垂直切开，切口深度与钻孔深度一致，锚固钢筋（20）插入岩柱钻孔中，岩柱钻孔中间与切面内壁贴有电阻应变片（28），电阻应变片（28）连接有导线置于试样固定装置外部，切口以及钻孔内注有树脂凝胶材料（27）。

3.根据权利要求1所述的基于杠杆原理的重力补偿式锚固体蠕变效应试验系统，其特征在于：所述的杠杆转换装置包括杠杆（71）、杠杆转轴（72）、钢管套筒（73）、钢管（74）、A钢绞线（75）和B钢绞线（76）；杠杆转轴（72）安装在杠杆镂空部位，杠杆转轴左段为阻力臂，右段为动力臂，动力臂与阻力臂距离比值为3:1，钢管套筒（73）焊接在杠杆（71）两端，钢管（74）置于钢管套筒（73）内部，钢管上悬挂有A钢绞线（75）和B钢绞线（76）。

4.根据权利要求1所述的基于杠杆原理的重力补偿式锚固体蠕变效应试验系统，其特征为：所述的重力加载装置（3）包括滑动垫板（54）、重物室、数控式环形液压千斤顶（52）、B固定钢板（51）和B立柱（58），数控式环形液压千斤顶（52）下部连接重物室顶板（56），上部连接B固定钢板（51），重物室上部中心位置的挂钩（57）通过数控式环形液压千斤顶（52）与B固定钢板（51）中心通孔与B钢绞线（76）相连接。

5.根据权利要求1所述的基于杠杆原理的重力补偿式锚固体蠕变效应试验系统，其特征为：所述的加压水箱（5）通过导管与试样夹具（24）的进水口（23）相连。

6.根据权利要求1所述的基于杠杆原理的重力补偿式锚固体蠕变效应试验系统，其特征在于：应变检测装置包括锚杆测力计、应变仪（7）和导线，锚杆测力计由环形液压枕（31）和压力表（32）组成，锚杆测力计安装在试样夹具顶板（29）和A固定钢板（21）之间。