CN108303369B - 半体锚固结构应力与变形场同步测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半体锚固结构应力与变形场同步测试系统及测试方法，涉及锚固结构测试技术领域。其测试系统包括用于固定半体锚固结构的加载固定装置、对半体锚固结构进行监测的测试装置及对半体锚固结构进行拉拔测试的拉拔试验机。其中，加载固定装置还包括有用于制备半体锚固结构的内置挡板、划分锚固基体和锚固剂的临时用边界管，边界管为半圆柱状壳体。通过分别在加载固定装置的上部横梁一和下部横梁二中心处设置同轴限位管一和限位管二，保证了锚杆沿半体锚固结构轴向拉拔，防止由于偏心拉拔导致的锚杆倾斜、翘起等现象。本发明实现了锚固结构变形场与应力同步测试，提高了锚固机理研究数据获取的全面性。

Description

半体锚固结构应力与变形场同步测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及锚固结构测试技术领域，具体涉及一种半体锚固结构应力与变形场同步测试系统及测试方法。

背景技术

锚固技术是一种有效的巷道围岩加固支护技术，在矿山、水利、隧道、岩土等工程中得到了广泛的应用。但是由于巷道围岩条件的复杂多变性，锚固作用机理尚未形成系统的理论体系，对巷道锚固支护设计的定量指导性不足，由锚固失效引发的顶板事故在国内多有发生。工程事故和室内试验表明，锚固结构体的破坏大都出现在锚固界面上，因此锚固界面是研究锚固机理的一个重点。现阶段，国内外学者对锚固界面应力分布进行了大量理论和试验分析，得到了很多有意义的研究成果，但对锚固界面附近围岩体变形特征研究则相对较少，主要原因为锚固结构体内部界面是不可视的。

针对锚固界面变形可视化观测难题，很多学者多采用切片制备半个锚固结构体的方法进行观测分析，但由于缺少专门的测试装置，研究成果较少，且主要集中在土层锚固体界面变形分析，如申请号为201610070116.1和201610071187.3的专利中，公开了一种土层锚固体可视化试验装置，其试验装置可对土层中锚固体界面应力传递机理及界面变形失效规律进行测试，但该试验装置锚杆拉拔过程中存在偏心拉拔、杆体倾斜的可能，影响试验结果的准确性，且该试验装置不适合进行高强度拉拔荷载下的岩石锚固结构测试。因此，有必要研制一种用于岩石锚固结构界面变形研究的测试系统及测试方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半体锚固结构应力与变形场同步测试系统及测试方法，以实现锚固结构拉拔试验过程中围岩变形场与锚杆应力同步测试。

本发明为实现上述目的所需要解决的技术问题是：如何设置测试系统的结构，以保证锚杆沿半体锚固结构轴向拉出，防止偏心拉拔导致锚杆倾斜等；如何实现锚固结构变形与应力同步测试。

为解决上述技术问题，本发明任务之一是提供一种半体锚固结构应力与变形场同步测试系统，其技术方案包括：

一种半体锚固结构应力与变形场同步测试系统，其包括用于制备并固定所述半体锚固结构的加载固定装置、对所述半体锚固结构进行监测的测试装置及对所述半体锚固结构进行拉拔测试的拉拔试验机，所述加载固定装置包括固定筒体、前置挡板一、前置挡板二、内置挡板一、内置挡板二和底座，所述固定筒体是一个断面为半圆状的立式箱体，所述固定筒体的顶面和底面处的半圆弧两端均安装有横梁，分别为位于顶面的横梁一和位于底面的横梁二，所述横梁一和横梁二相互平行；所述前置挡板一、前置挡板二分别设置在所述固定筒体内的中上部区域和中下部区域，与所述前置挡板一、前置挡板二连接处的固定筒体的内壁各设置一卡槽，在所述卡槽中安装所述内置挡板一、内置挡板二，所述内置挡板一、内置挡板二上均设置有一半圆孔，所述半圆孔的孔径与半体锚固结构中的锚杆直接匹配；

所述加载固定装置还包括有限位管一、限位管二和用于划分所述半体锚固结构中锚固基体和锚固剂的边界管，所述限位管一、限位管二分别设置在所述横梁一和横梁二的中心处；所述边界管为半圆柱状壳体，所述壳体的两端卡接在所述内置挡板一和内置挡板二上；所述限位管一、限位管二的内壁上设置有若干圆珠，所述半体锚固结构中的锚杆与所述限位管一、限位管二中的圆珠直接接触；

当制备所述半体锚固结构时，在所述固定筒体、内置挡板一、内置挡板二和边界管之间形成的区域空间制备锚固基体；在所述内置挡板一、内置挡板二、锚固基体与锚杆之间形成的区域空间灌注锚固剂；

所述测试装置包括应变仪、位移传感器、成像器和计算机，所述应变仪用于监测锚杆不同位置处的轴向应变；所述位移传感器安装在所述横梁一上，用于监测所述锚杆的拉拔位移；所述成像器设置在所述半体锚固结构的正对面，用于监测锚杆拉拔试验中锚固结构表面变形场的演化过程；所述计算机用于对所述应变仪、位移传感器及成像器所得监测数据进行储存与处理；

所述拉拔试验机的上夹头与所述锚杆上端夹紧连接；

所述固定筒体的圆轴线、边界管的圆轴线、内置挡板一上半圆孔的圆心、内置挡板二上半圆孔的圆心、锚杆的中心轴、限位管一、限位管二的中心轴同轴线设置。

作为本发明的一个优选方案，所述内置挡板一与横梁一、内置挡板二与横梁二之间有一定距离，为所述锚固基体变形留有一定的空间。

作为本发明的另一个优选方案，所述锚杆的锚固段上表面设置有一凹槽，所述凹槽底部沿锚杆轴向粘贴有若干个应变计，所述的应变计与所述应变仪连接。

上述优选技术方案，直接带来的有益技术效果是：

(1)上下同轴限位管设计，避免了锚杆倾斜、翘起等现象，且其内壁布置的圆珠减少了锚杆拉拔时限位管的摩擦阻力；

(2)半体锚固结构表面散斑场和布置有应变计的锚杆结合使用，实现了锚固结构变形场与锚杆轴力的同步测试，特别是锚杆与锚固剂界面处应力与变形耦合分析。

优选的，所述固定筒体与底座之间通过螺杆连接。

优选的，所述内置挡板一、内置挡板二形状均为半圆形。

优选的，所述固定筒体内壁上分布有若干凸起的圆环，所述圆环与所述前置挡板一、前置挡板二相互配合对所述半体锚固结构进行固定。

本发明的另一任务是提供上述半体锚固结构应力与变形场同步测试系统的测试方法。

依次包括以下步骤：

步骤一、制备半体锚固结构，分为以下子步骤：

a、确保所述内置挡板一、内置挡板二插入固定筒体内壁的卡槽中，边界管的两端卡接在内置挡板一和内置挡板二上，在固定筒体上安装前置挡板一、前置挡板二，用于卡紧内置挡板一、内置挡板二及边界管；

b、在所述固定筒体的内置挡板一、内置挡板二和边界管之间的空间中填入制备锚固基体所需材料，搅拌均匀、振实养护7天取出；

c、拆除所述边界管，将锚杆插入所述限位管一、限位管二中，在锚固基体与锚杆之间的空间区域加入锚固剂材料，并搅拌均匀，养护得半体锚固结构；

d、半体锚固结构养护完毕后，拆除内置挡板一、内置挡板二、前置挡板一和前置挡板二，将所得锚固结构基体和锚固剂表面磨平，利用喷漆制备人工散斑场，重新连接上所述前置挡板一、前置挡板二；

步骤二、锚杆拉拔加载及测试，分为以下子步骤：

e、将装有半体锚固结构的固定筒体与底座通过螺杆连接紧固，将底座与拉拔试验机下底盘连接；调整拉拔试验机行程，确保拉拔试验机上夹头夹紧锚杆；

f、确保成像器与半体锚固结构中心在一条水平线上，并使半体锚固结构整体散斑图像清晰的呈现在计算机上，设定好散斑图像采集频率；

g、开启拉拔试验机拉拔锚杆，并启动所述位移传感器、应变仪、成像器和计算机，试验过程中通过位移传感器监测锚杆拉拔位移，通过应变仪监测锚杆不同位置处的轴向应变，通过成像器监测锚杆拉拔试验中锚固结构表面变形场的演化过程；锚杆拉出后，停止试验，通过计算机进行数据分析。

进一步的，步骤c中，所述锚杆的锚固段上表面设置有一凹槽，所述凹槽底部沿锚杆轴向粘贴有应变计，粘贴有应变计的凹槽位置位于所述内置挡板一和内置挡板二之间。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

(1)保证了锚杆沿半体锚固结构轴向拉拔，实现了锚固结构变形场与应力同步测试，提高了锚固机理研究数据获取的准确性和全面性；

(2)采用固定筒体上设置凸起圆环的方式，代替上部内置挡板固定锚固结构，使锚固结构顶部为自由面，更符合现场工程，且结构简单易行；

(3)本发明同时具备半体锚固结构制备及测试两项功能，增加另一半固定筒体即可进行锚固结构常规拉拔试验，在固定筒体前侧增加一个全遮挡透明前置挡板后，可进行土层锚固结构拉拔测试。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明中半体锚固结构应力与变形场测试图；

图2是本发明中半体锚固结构的制备装置图；

图3是本发明中图2的A-A剖视图；

图4是本发明中图2的B-B剖视图；

图5为主要示出了本发明限位管结构示意图；

其中：

1-固定筒体；2-底座；3-横梁；4-限位管；4a-圆珠；5-内置挡板；6-边界管；7-圆环；8-前置挡板；9-锚固基体；10-锚固剂；11-锚杆；12-应变计；13-工业相机；14-应变仪；15-位移传感器；16a-拉拔试验机上夹头；16b-拉拔试验机下底盘。

具体实施方式

本发明提出了一种半体锚固结构应力与变形场同步测试系统及测试方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

本发明提供了一种半体锚固结构应力与变形场同步测试装置，结合图1至图4所示，包括加载固定装置、测试装置和拉拔试验机，其中，加载固定装置包括固定筒体1、底座2、两个横梁3(横梁一和横梁二)、两个限位管4(限位管一和限位管二)、内置挡板5(内置挡板一和内置挡板二)、边界管6和前置挡板8；底座2通过螺杆连接在固定筒体1下部；底座2与拉拔试验机下底盘16b连接；固定筒体1内壁上分布有若干凸起的圆环7，起固定半体锚固结构边壁的作用。

固定筒体1中上部和中下部外侧连接有前置挡板8(前置挡板一和前置挡板二)，通过设置前置挡板一和前置挡板二，来防止半体锚固结构外凸移动；固定筒体1与前置挡板一、前置挡板二的连接处各有一卡槽，卡槽中可插入一内置挡板5(对应内置挡板一和内置挡板二，位于上部的为内置挡板一，位于下部的为内置挡板二)，上下内置挡板5与边界管6两端接触连接；内置挡板5圆心处为一半圆孔，孔径与锚杆11直径匹配。

进一步的，固定筒体1、上与下内置挡板5、边界管6之间空间制备锚固基体9，上、下内置挡板5、锚固基体9与锚杆11之间的空间灌注锚固剂10；上、下内置挡板5与横梁3间隔一定距离，留有锚固基体9变形空间，且防止锚固基体9的制备材料堵塞限位管4。

进一步的，固定筒体1上端和下端连接有横梁3，限位管4设置在横梁3中部；限位管4内壁上布置有若干排圆珠4a，如图5所示的，圆珠4a与锚杆11直接接触，可减少锚杆11拉拔时摩擦力，并防止锚杆11偏心拉拔。

进一步的，固定筒体1的圆轴线、边界管6的圆轴线、内置挡板5的小孔圆心、锚杆11中心轴、限位管4中心轴同轴线。

本发明的加载固定装置，其内部制备有半体锚固结构，其中，半体锚固结构包括锚固基体9、锚固剂10和锚杆11，其中锚杆11的锚固段上表面有一浅凹槽，凹槽底部沿锚杆轴向粘贴有若干应变计12；锚杆11穿过上、下限位管4，其上端与拉拔试验机上夹头16a夹紧连接；半体锚固结构外表面喷洒人工散斑场。

本发明的半体锚固结构的应力与变形场通过应力与变形测量系统进行数据监测，对应的测试装置包括成像器如工业相机13、应变仪14、位移传感器15、计算机等；其中位移传感器15安装在加载固定装置的上端横梁3(即横梁一)的上部，且与锚杆11连接，监测锚杆11拉拔位移；工业相机13布置在半体锚固结构正对面，其成像区域涵盖整个半体锚固结构，监测锚杆11拉拔试验中锚固结构表面变形场的演化过程；应变仪14与锚杆11凹槽中的应变12计连接，监测锚杆11不同位置处的轴向应变，进而得到锚杆11轴力和界面剪应力分布规律；工业相机13、应变仪14和位移传感器15的监测数据传入计算机中，利用计算机进行数据储存与处理。

下面对本发明半体锚固结构应力与变形场同步测试装置的测试方法做进一步说明：

一种使用所述半体锚固结构应力与变形场同步测试装置的测试方法，其包括以下步骤：

A、将加载固定装置中的上、下内置挡板5插入固定筒体1的卡槽，边界管6两端卡入上、下内置挡板5；在固定筒体1上连接上、下前置挡板8，使内置挡板5和边界管6卡紧；在固定筒体1的内置挡板5和边界管6空间中填入沙子、水泥等制备锚固基体9的材料，搅拌均匀后放在振动机上振实，放入养护箱中养护7天后取出；

B、拆除边界管6，将锚杆插入限位管4，使贴有应变计的凹槽位置处于两个内置挡板5之间，且凹槽向上；在锚固基体9与锚杆11之间的空间加入沙浆等锚固剂10材料，并搅拌均匀，然后进行养护；

C、半体锚固结构养护完毕后，拆除上、下内置挡板5和前置挡板8；利用切磨机将锚固结构基体9和锚固剂10表面磨平，并利用喷漆制备人工散斑场；重新连接上、下前置挡板8，将含有半体锚固结构的固定筒体1与固定底座2通过螺杆连接紧固，将底座2与拉拔试验机下底盘16b连接；调整拉拔试验机行程，将拉拔试验机上夹头16a夹紧锚杆11；

D、在半体锚固结构正面放置工业相机13，工业相机13水平并与半体锚固结构中心在一条水平线上，调整工业相机13焦距，使半体锚固结构整体散斑图像清晰的呈现在计算机上；设定好散斑图像采集频率，一般大于5帧/秒；在加载固定装置的上部横梁3上安设位移传感器15；将锚杆11凹槽中应变计12接入应变仪14；

E、开启拉拔试验机拉拔锚杆11，试验过程中记录锚杆11拉拔荷载、拉拔位移、轴向应变、散斑图像等数据；锚杆11拉出后，停止试验，进行数据分析。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

尽管本文中较多的使用了诸如边界管、限位管等术语，但并不排除使用其它术语的可能性，本领域技术人员在本发明的启示下对这些术语所做的简单替换，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种半体锚固结构应力与变形场同步测试系统，其包括用于制备并固定所述半体锚固结构的加载固定装置、对所述半体锚固结构进行监测的测试装置及对所述半体锚固结构进行拉拔测试的拉拔试验机，其特征在于：

所述加载固定装置包括固定筒体、前置挡板一、前置挡板二、内置挡板一、内置挡板二和底座，所述固定筒体是一个断面为半圆状的立式箱体，所述固定筒体的顶面和底面处的半圆弧两端均安装有横梁，分别为位于顶面的横梁一和位于底面的横梁二，所述横梁一和横梁二相互平行；所述前置挡板一、前置挡板二分别设置在所述固定筒体内的中上部区域和中下部区域，与所述前置挡板一、前置挡板二连接处的固定筒体的内壁各设置一卡槽，在所述卡槽中安装所述内置挡板一、内置挡板二，所述内置挡板一、内置挡板二上均设置有一半圆孔，所述半圆孔的孔径与半体锚固结构中的锚杆直接匹配；

所述加载固定装置还包括有限位管一、限位管二和用于划分所述半体锚固结构中锚固基体和锚固剂的边界管，所述限位管一、限位管二分别设置在所述横梁一和横梁二的中心处；所述边界管为半圆柱状壳体，所述壳体的两端卡接在所述内置挡板一和内置挡板二上；所述限位管一、限位管二的内壁上设置有若干圆珠，所述半体锚固结构中的锚杆与所述限位管一、限位管二中的圆珠直接接触；

当制备所述半体锚固结构时，在所述固定筒体、内置挡板一、内置挡板二和边界管之间形成的区域空间制备锚固基体；在所述内置挡板一、内置挡板二、锚固基体与锚杆之间形成的区域空间灌注锚固剂；

所述测试装置包括应变仪、位移传感器、成像器和计算机，所述应变仪用于监测锚杆不同位置处的轴向应变；所述位移传感器安装在所述横梁一上，用于监测所述锚杆的拉拔位移；所述成像器设置在所述半体锚固结构的正对面，用于监测锚杆拉拔试验中锚固结构表面变形场的演化过程；所述计算机用于对所述应变仪、位移传感器及成像器所得监测数据进行储存与处理；

所述拉拔试验机的上夹头与所述锚杆上端夹紧连接；

所述固定筒体的圆轴线、边界管的圆轴线、内置挡板一上半圆孔的圆心、内置挡板二上半圆孔的圆心、锚杆的中心轴、限位管一、限位管二的中心轴同轴线设置。

2.根据权利要求1所述的一种半体锚固结构应力与变形场同步测试系统，其特征在于：所述内置挡板一与横梁一、内置挡板二与横梁二之间有一定距离，为所述锚固基体变形留有一定的空间。

3.根据权利要求1所述的一种半体锚固结构应力与变形场同步测试系统，其特征在于：所述锚杆的锚固段上表面设置有一凹槽，所述凹槽底部沿锚杆轴向粘贴有若干个应变计，所述的应变计与所述应变仪连接。

4.根据权利要求1所述的一种半体锚固结构应力与变形场同步测试系统，其特征在于：所述固定筒体与底座之间通过螺杆连接。

5.根据权利要求1所述的一种半体锚固结构应力与变形场同步测试系统，其特征在于：所述内置挡板一、内置挡板二形状均为半圆形。

6.根据权利要求1所述的一种半体锚固结构应力与变形场同步测试系统，其特征在于：所述固定筒体内壁上分布有若干凸起的圆环，所述圆环与所述前置挡板一、前置挡板二相互配合对所述半体锚固结构进行固定。

7.根据权利要求1所述的一种半体锚固结构应力与变形场同步测试系统的测试方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

步骤一、制备半体锚固结构，分为以下子步骤：

a、确保所述内置挡板一、内置挡板二插入固定筒体内壁的卡槽中，边界管的两端卡接在内置挡板一、内置挡板二上，在固定筒体上安装前置挡板一、前置挡板二，用于卡紧内置挡板一、内置挡板二及边界管；

b、在所述固定筒体的内置挡板一、内置挡板二和边界管之间的空间中填入制备锚固基体所需材料，搅拌均匀、振实养护7天取出；

c、拆除所述边界管，将锚杆插入所述限位管一、限位管二中，在锚固基体与锚杆之间的空间区域加入锚固剂材料，并搅拌均匀，养护得半体锚固结构；

d、半体锚固结构养护完毕后，拆除内置挡板一、内置挡板二、前置挡板一和前置挡板二，将所得锚固结构基体和锚固剂表面磨平，利用喷漆制备人工散斑场，重新连接上所述前置挡板一、前置挡板二；

步骤二、锚杆拉拔加载及测试，分为以下子步骤：

e、将装有半体锚固结构的固定筒体与底座通过螺杆连接紧固，将底座与拉拔试验机下底盘连接；调整拉拔试验机行程，确保拉拔试验机上夹头夹紧锚杆；

f、确保成像器与半体锚固结构中心在一条水平线上，并使半体锚固结构整体散斑图像清晰的呈现在计算机上，设定好散斑图像采集频率；

g、开启拉拔试验机拉拔锚杆，并启动所述位移传感器、应变仪、成像器和计算机，试验过程中通过位移传感器监测锚杆拉拔位移，通过应变仪监测锚杆不同位置处的轴向应变，通过成像器监测锚杆拉拔试验中锚固结构表面变形场的演化过程；锚杆拉出后，停止试验，通过计算机进行数据分析。

8.根据权利要求7所述的一种半体锚固结构应力与变形场同步测试系统的测试方法，其特征在于：步骤c中，所述锚杆的锚固段上表面设置有一凹槽，所述凹槽底部沿锚杆轴向粘贴有应变计，粘贴有应变计的凹槽位置位于所述内置挡板一和内置挡板二之间。