CN108303332A - 一种研究预应力锚杆动态力学特性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供能够研究预应力锚杆动态力学特性的装置。一种研究预应力锚杆动态力学特性的装置，包括冲击套管、冲击套管压头、固定套管、套管前端固定管、托盘，用锚固剂将锚杆锚固在固定套管中，冲击套管套在固定套管外，锚杆一端位于固定套管内，该端冲击套管内装有冲击套管压头，冲击套管压头接受冲击，锚杆另一端位于固定套管外，托盘固定在该端锚杆上，冲击套管顶住托盘，固定套管穿过托盘，顶住套管前端固定管，套管前端固定管另一端顶住SHPB试样平台固定装置。本发明的效果和益处是：1.为深部岩体工程预应力锚杆动态力学特性研究提供了一种新装置；2.固定套管也不会发生移动，有效模拟实际工程中围岩中的锚杆受到动载荷的影响。

Description

一种研究预应力锚杆动态力学特性的装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土力学领域，尤其是一种研究锚杆动态力学特性的装置。

背景技术

预应力锚固技术是应用锚杆或锚索对岩体进行加固，它可以显著改善围岩结构并提高其稳定性，是一种施工简单、安全可靠和经济有效的加固技术，已经广泛应用于采矿工程、水利水电、铁路交通和城市建设等领域中，并取得了良好的经济和社会效益。然而，随着岩体工程开采深度的增加，开采条件趋于复杂，锚杆支护失效的问题突出，如预应力消失、托板脱落和锚杆拉断等，这已经成为影响工程进度和安全的重要问题。因此，有必要开展锚杆的力学响应特征和失效机理研究。

近年来，许多学者开展了锚杆材料、锚固方式和和化学环境等因素对锚杆力学特性及失效机理的研究。然而，大部分的研究主要集中在静载作用下的室内拉拔试验、模型试验和数值分析，在深部岩体工程中，预应力锚杆常常受到爆破振动、开采扰动等动载荷的影响。

这些扰动携带能量以应力波的形式扩散传播，成为深部工程围岩锚杆失效的重大诱因。在一定的条件下，甚至微小的扰动都可能诱发高应力工程围岩锚杆支护失效，从而造成深部岩体灾害的发生。因此，如何在保证动载作用下锚杆支护的稳定性已成为迫切需要研究的新课题。

以往对于锚杆的动力响应研究大多集中在无损伤探测技术，分析锚固系统在各种激振力作用下的振动特性和锚固体系中声频应力波传播，按加载时应变率的大小界定，属于静态载荷范畴，然而，实际工程中爆破振动、开采扰动等动载荷大多处于中高等应变率范畴。因此，必须要对中高等应变率动载荷作用下锚杆的力学响应机理进行研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简便、实用性强的能够研究预应力锚杆动态力学特性的装置。

本发明为了实现上述目的，采取如下技术方案：

一种研究预应力锚杆动态力学特性的装置，包括冲击套管、冲击套管压头、固定套管、套管前端固定管、托盘，用锚固剂将锚杆锚固在固定套管中，冲击套管套在固定套管外，锚杆一端位于固定套管内，该端冲击套管内装有冲击套管压头，冲击套管压头接受冲击，锚杆另一端位于固定套管外，托盘固定在该端锚杆上，冲击套管顶住托盘，固定套管穿过托盘，顶住套管前端固定管，套管前端固定管另一端顶住SHPB试样平台固定装置。

所述冲击套管为空心钢管，内径为44 mm，外径50 mm，冲击套管与托盘的连接处设有U型槽，该U型槽顶住托盘，该槽宽为16 mm，长为30 mm，内圆半径8 mm，冲击套管上设有4个环向孔洞，环向孔洞两边为半圆，半径为8 mm，中间为长方形，长为200 mm，宽16 mm。

所述固定套管是内径为32 mm、外径40 mm的钢管，固定套管左端设有U型槽，该槽穿过托盘，抵住套管前端固定管，该槽宽为16 mm，长为150 mm，内圆半径8 mm。

固定套管上设有圆形孔洞，半径为4 mm。

所述冲击套管上设有4个环向孔洞，环向孔洞两边为半圆，半径为8 mm，中间为长方形，长为200 mm，宽16 mm。

所述套管前端固定管是直径为50 mm的圆钢，左端是实心的，长为320 mm，右边开一个环形槽，槽的深30 mm，槽内径为30 mm，外径为42 mm。

试验方法如下：

1、首先在锚杆处位置开对称的切槽，应变片为SG1、SG2 、SG3，然后在切槽内贴上应变片，采用锚固剂将锚杆全部锚固在固定套管中；

2、等锚固剂养护好后，托盘放入固定套管U型槽中，接着把垫片和螺母套在锚杆，采用数显扳手对锚杆施加预应力，预应力施加完后，将固定套管慢慢放入冲击套管中，直到托盘顶住冲击套管U型槽，接着把冲击套管压头放入冲击套管中，把套管前端固定管插入固定套管上，组装完成，预紧力计算公式为：M_t＝K×P×D×0.001，M_t为预紧力矩，K为拧紧力系数，P为预紧力，D为螺纹公称直径；

3、将组装好的试验装置安装在霍普金森测试装置上，套管前端固定管的最左端要顶住SHPB试验平台的固定装置，将锚杆上应变片导线通过桥盒接到动态应变仪上，最后打开示波器和动态应变仪，检查入射杆、冲击套管和锚杆上的应变片连接是否正常，准备进行动态冲击试验，设置动态气压；

4、冲击完后，记录示波器上应变片上得到的信号，锚杆滑移量、螺母的松紧情况，同时从冲击套管中取出固定套管，打开固定套管，观察锚固的损伤情况，最后关闭所有仪器，清理固定套管中锚固剂，完成整个试验过程；

5、采用游标卡尺测量得到锚杆滑移量，采用数显扳手测量锚杆最终预应力；

6、确定锚杆中应力波传播波速Vp，由于SG1和SG2的距离、SG2和SG3的距离均已知，根据示波器得到的三个应变片的应力波数据，即可得到SG1应力波信号和SG2应力波信号起点的时间差△t1、SG2应力波信号和SG3应力波信号起点的时间差△t2，根据公式Vp=△d /△t可以计算得到应力波在SG1和SG2之间、SG2和SG3之间的传播波速。

本发明的效果和益处是：

1.本发明公布了一种研究预应力锚杆动态力学特性的装置及方法，该装置克服了目前对锚杆力学特性的研究只考虑静态载荷的局限性，为深部岩体工程预应力锚杆动态力学特性研究提供了一种新装置，该装置及方法具有操作简便，实用性强，可重复使用，经济使用，研究内容符合真实情况，能够有效模拟研究冲击下预应力锚杆的力学特性；

2.锚杆动态试验装置组装好后，要将组装好的装置放入SHPB试验平台上，必须要保证套管前端固定管的最左端要紧靠SHPB试验平台的固定装置系统。由于冲击过程中，由于SHPB试样平台固定装置会一直是保持固定状态，不会移动，那么当应力波通过冲击套管传播至锚杆上时，固定套管也不会发生移动，这样可以有效模拟实际工程中围岩中的锚杆受到动载荷的影响。

附图说明

图1为锚杆动力响应测试整套试验装置示意图

图2为本发明设计的试验装置示意图

图3为冲击套管示意图

图4为固定套管示意图

图5为套管前端固定管示意图

图6为冲击完得到的试验数据

图中：1、套管前端固定管，2、固定套管，3、托盘，4、冲击套管，5、环形孔洞，6、冲击套管压头，7、入射杆，8、冲击头，9、锚杆，10螺母，11、冲击套管U型槽，12固定套管U型槽，13、固定套管环形孔洞，14、SG1应力波信号，15、SG2应力波信号，16、SG3应力波信号，17、入射波，18、SHPB试样平台固定装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做一步说明。

如附图1-5所示，一种研究预应力锚杆动态力学特性的装置及方法，其特征在于：包括冲击套管、冲击套管压头、固定套管和套管前端固定管。测试方法的原理是由于冲击套管内径大于固定套管外径，且冲击套管压头与固定套管不接触，那么应力波只会通过冲击套管将压缩应力波传递至托盘。应力波到达托盘后，一方面会对锚杆产生直接的动态拉拔作用；另一方面会通过托盘将压缩应力波传递给锚杆杆体，由于锚杆杆体一端存在自由面，压缩应力波到达自由面后会产生反射拉伸波，拉伸应力波从锚杆自由面向里传播，从而实现了锚杆在动态拉伸状态下的研究。

所述冲击套管 为空心钢管，内径为44 mm，外径50 mm，冲击套管的作用在于将应力波传递给锚杆。冲击套管左端设有U型槽，该槽宽为16 mm，长为30 mm，内圆半径8 mm，该槽便于固定托盘。冲击套管上设有4个环向孔洞，便于实验观察，环向孔洞两边为半圆，半径为8 mm，中间为长方形，长为200 mm，宽16 mm，便于实验观察。

所述固定套管是将内径为32 mm、外径40 mm的完整空心钢管，固定套管左端设有U型槽，该槽宽为16 mm，长为150 mm，内圆半径8 mm，该槽便于固定托盘。

所述固定套管固定套管左端设有U型槽，该槽宽为16 mm，长为30 mm，内圆半径8mm，该U型槽便于固定托盘。固定套管上设有圆形孔洞，半径为4 mm，便于实验观察。

所述冲击套管上设有4个环向孔洞，便于实验观察，环向孔洞两边为半圆，半径为8mm，中间为长方形，长为200 mm，宽16 mm，采用此方法进行加工的目的便于固定套管的重复利用冲击套管上设有环向孔洞。

所述套管前端固定管是采用直径为50 mm的实心圆钢加工而成，左端是实心的，长为320 mm，右边开一个环形槽，槽的深30 mm，槽内径为30 mm，外径为42 mm。试验前，将固定套管插入套管前段固定装置中的环形槽中。

试验方法如下：

1、首先在锚杆处位置开对称的切槽，应变片为SG1、SG2 、SG3，然后在切槽内贴上应变片，采用锚固剂将锚杆全部锚固在固定套管中；

2、等锚固剂养护好后，托盘放入固定套管U型槽中，接着把垫片和螺母套在锚杆，采用数显扳手对锚杆施加预应力，预应力施加完后，将固定套管慢慢放入冲击套管中，直到托盘顶住冲击套管U型槽，接着把冲击套管压头放入冲击套管中，把套管前端固定管插入固定套管上，组装完成，预紧力计算公式为：M_t＝K×P×D×0.001，M_t为预紧力矩，K为拧紧力系数，P为预紧力，D为螺纹公称直径，M_t为40，K为0.28，D为12，计算得到初始预应力P为12 KN；

3、将组装好的试验装置安装在霍普金森测试装置上，套管前端固定管的最左端要顶住SHPB试验平台的固定装置，将锚杆上应变片导线通过桥盒接到动态应变仪上，最后打开示波器和动态应变仪，检查入射杆、冲击套管和锚杆上的应变片连接是否正常，准备进行动态冲击试验，动态气压设置为1.2MPa；

4、冲击完后，记录示波器上应变片上得到的信号，锚杆滑移量、螺母的松紧情况，同时从冲击套管中取出固定套管，打开固定套管，观察锚固的损伤情况，最后关闭所有仪器，清理固定套管中锚固剂，完成整个试验过程；

5、采用游标卡尺测量得到锚杆滑移量为7.5 mm，锚杆螺母完全松开，即锚杆最终预应力为0；

6、如附图6所示，确定锚杆中应力波传播波速Vp，由于SG1和SG2的距离为650 mm，SG2和SG3的距离为720 mm，根据示波器得到的三个应变片的应力波数据，得到SG1应力波信号和SG2应力波信号起点的时间差△t1为127μs，SG2应力波信号和SG3应力波信号起点的时间差△t2为152μs，根据公式Vp=△d /△t可以计算得到应力波在SG1和SG2之间、SG2和SG3之间的传播波速为5118 m/s、4737 m/s。

Claims (7)

1.一种研究预应力锚杆动态力学特性的装置，其特征为包括冲击套管、冲击套管压头、固定套管、套管前端固定管、托盘，用锚固剂将锚杆锚固在固定套管中，冲击套管套在固定套管外，锚杆一端位于固定套管内，该端冲击套管内装有冲击套管压头，冲击套管压头接受冲击，锚杆另一端位于固定套管外，托盘固定在该端锚杆上，冲击套管顶住托盘，固定套管穿过托盘，顶住套管前端固定管，套管前端固定管另一端顶住SHPB试样平台固定装置。

2.根据权利要求1中所述的一种研究预应力锚杆动态力学特性的装置，其特征为所述冲击套管为空心钢管，内径为44 mm，外径50 mm，冲击套管与托盘的连接处设有U型槽，该U型槽顶住托盘，该槽宽为16 mm，长为30 mm，内圆半径8 mm，冲击套管上设有4个环向孔洞，环向孔洞两边为半圆，半径为8 mm，中间为长方形，长为200 mm，宽16 mm。

3.根据权利要求1中所述的一种研究预应力锚杆动态力学特性的装置，其特征为所述固定套管是内径为32 mm、外径40 mm的钢管，固定套管左端设有U型槽，该槽穿过托盘，抵住套管前端固定管，该槽宽为16 mm，长为150 mm，内圆半径8 mm。

4.根据权利要求3中所述的一种研究预应力锚杆动态力学特性的装置，其特征为固定套管上设有圆形孔洞，半径为4 mm。

5.根据权利要求2中所述的一种研究预应力锚杆动态力学特性的装置，其特征为所述冲击套管上设有4个环向孔洞，环向孔洞两边为半圆，半径为8 mm，中间为长方形，长为200mm，宽16 mm。

6.根据权利要求1或4或5中所述的一种研究预应力锚杆动态力学特性的装置，其特征为所述套管前端固定管是直径为50 mm的圆钢，左端是实心的，长为320 mm，右边开一个环形槽，槽的深30 mm，槽内径为30 mm，外径为42 mm。

7.根据权利要求6中所述的一种研究预应力锚杆动态力学特性的装置，其特征为试验方法如下：

1、首先在锚杆处位置开对称的切槽，应变片为SG1、SG2 、SG3，然后在切槽内贴上应变片，采用锚固剂将锚杆全部锚固在固定套管中；

2、等锚固剂养护好后，托盘放入固定套管U型槽中，接着把垫片和螺母套在锚杆，采用数显扳手对锚杆施加预应力，预应力施加完后，将固定套管慢慢放入冲击套管中，直到托盘顶住冲击套管U型槽，接着把冲击套管压头放入冲击套管中，把套管前端固定管插入固定套管上，组装完成，预紧力计算公式为：M_t＝K×P×D×0.001，M_t为预紧力矩，K为拧紧力系数，P为预紧力，D为螺纹公称直径；

3、将组装好的试验装置安装在霍普金森测试装置上，套管前端固定管的最左端要顶住SHPB试验平台的固定装置，将锚杆上应变片导线通过桥盒接到动态应变仪上，最后打开示波器和动态应变仪，检查入射杆、冲击套管和锚杆上的应变片连接是否正常，准备进行动态冲击试验，设置动态气压；

4、冲击完后，记录示波器上应变片上得到的信号，锚杆滑移量、螺母的松紧情况，同时从冲击套管中取出固定套管，打开固定套管，观察锚固的损伤情况，最后关闭所有仪器，清理固定套管中锚固剂，完成整个试验过程；

5、采用游标卡尺测量得到锚杆滑移量，采用数显扳手测量锚杆最终预应力；

6、确定锚杆中应力波传播波速Vp，由于SG1和SG2的距离、SG2和SG3的距离均已知，根据示波器得到的三个应变片的应力波数据，即可得到SG1应力波信号和SG2应力波信号起点的时间差△t1、SG2应力波信号和SG3应力波信号起点的时间差△t2，根据公式Vp=△d /△t可以计算得到应力波在SG1和SG2之间、SG2和SG3之间的传播波速。