CN108871965B - 一种锚杆荷载加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锚杆荷载加载试验装置。其技术方案是：加载底座(2)左端设有静载加载装置(4)，手动液压泵(1)与静载加载装置(4)通过液压软管连接，靠近加载底座(2)右端设有动载加载装置(5)；加载底座(2)上的荷载传导架(3)的左端和右端对应的位于静载加载装置(4)的外侧和动载加载装置(5)的内侧。测试时，待测试件(28)置于加载底座(2)上的荷载传导架(3)间，数据采集装置(6)的应变片(21)和声发射传感器(24)与待测锚杆(27)和待测试件(28)对应粘接；待测锚杆(27)依次穿过穿孔式液压千斤顶(8)、加载板(13)的中心孔和拉压力传感器(22)，旋紧螺纹段的右螺母和左螺母将加载板(13)和拉压力传感器(22)固定于待测锚杆(27)上。本发明结构简单、可操作性强和测试结果准确可靠。

Description

一种锚杆荷载加载试验装置

技术领域

本发明属于荷载加载试验装置技术领域。具体涉及一种锚杆荷载加载试验装置。

背景技术

在巷道或采场中锚杆支护结构不仅受静荷载的作用，还常受到爆破等动荷载作用。目前爆破作业是岩石工程最常用的开挖方法，锚杆支护施工与爆破作业穿插进行，爆破作业不可避免的对锚杆支护结构产生影响。

近几十年来，锚固系统力学特性的研究十分广泛，研究内容主要集中在静荷载作用下锚杆的应力分布和荷载传递机理。而对静荷载和爆破动荷载共同作用下的锚杆力学性能研究较少，在动、静荷载共同作用下锚杆的力学行为十分复杂，至今仍处于探索阶段。

目前锚杆受力模拟装置有两类，一类是根据试验标准，对加工的锚杆试件直接进行冲击试验，无法模拟实际支护状态下的锚杆的受力情况；另一类是采用在钢管中浇筑混凝土模拟围岩，如“一种锚杆冲击试验装置及其方法(CN105606472A)”专利技术、“一种动静组合载荷下锚杆力学响应测试装置及其使用方法(CN107748064A)”专利技术，这种装置虽能测出受到冲击时锚杆的力学参数，但忽略了围岩尺寸界限对应力波的影响。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种结构简单、可操作性强和测试结果精确可靠的锚杆荷载加载试验装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述装置包括手动液压泵、加载底座、荷载传导架、静载加载装置、动载加载装置和数据采集装置。

加载底座左端的中间位置处设有静载加载装置，手动液压泵与静载加载装置通过液压软管连接，靠近加载底座右端设有动载加载装置；加载底座上设有荷载传导架，荷载传导架的左端位于静载加载装置的外侧，荷载传导架的右端位于动载加载装置的内侧；数据采集装置的应变片和声发射传感器在使用时与待测锚杆和待测试件对应粘接。

静载加载装置包括千斤顶支架、穿孔式液压千斤顶和安装板；千斤顶支架由2根立柱组成，2根立柱固定在加载底座上平面的左端，安装板固定在2根立柱的中部偏上处，穿孔式液压千斤顶固定在安装板中间位置的安装孔中；穿孔式液压千斤顶通过液压软管与手动液压泵连接。

加载底座包括底座、试件底板和滑轨；底座为长方体，在底座上平面的中间位置处沿长边方向设有试件底板，试件底板的左端靠近底座的左端，试件底板的两侧对称地设有滑轨。

荷载传导架包括2块加载板和4根杆件；2块加载板外形相同，所述加载板呈“十字架”状，“十字架”的左端、右端、上端和下端中心对称地设有通孔；左端的加载板的中心位置处还设有中心孔，4根杆件分别穿过2块加载板各自对应的通孔，4根杆件的两端分别通过螺母与2块加载板对应连接。

动载加载装置包括滑槽、摆锤、摆杆、摆锤横杆和2个摆锤支架；2个摆锤支架形状相同，所述摆锤支架呈等腰梯形，摆锤支架的底部设有滑槽，2个摆锤支架通过滑槽对称地放置在加载底座对应的两条滑轨上；摆锤横杆的两端活动地安装在摆锤支架上部的轴承中，摆杆的一端与摆锤固定连接，摆杆的另一端与摆锤横杆的中间位置处固定连接，摆锤支架的上部设有刻度盘。

数据采集装置包括应变片、拉压力传感器、动态应变仪、声发射传感器、数据处理系统和声发射信号处理器；应变片与动态应变仪的输入端1连接，拉压力传感器与动态应变仪的输入端2连接；声发射传感器与声发射信号处理器的输入端连接，声发射信号处理器的输出端和动态应变仪的输出端与数据处理系统连接。

所述加载底座的上平面为长方形，长方形的长度为待测锚杆长度的1.5～2倍。

所述滑槽的宽度和滑轨的宽度的名义尺寸相同，滑槽深度为滑轨高度的0.9～0.95倍。

所述穿孔式液压千斤顶的中心孔直径为30mm。

所述拉压力传感器为穿孔型拉压力传感器，穿孔型拉压力传感器的中心孔直径为20mm。

所述用于锚杆荷载加载试验装置的测试方法的步骤如下：

步骤一、制作待测试件

根据待研究的矿山地质条件，确定待测试件原料中的水泥、沙、石子和水的质量比，搅拌，浇注，脱模，养护，制得待测试件；浇注时在所浇注的待测试件中心预留有直径为30mm的钻孔。

步骤二、安装试验装置

将待测试件置于试件底板上，待测试件位于荷载传导架间；声发射传感器粘接在待测试件上；再将应变片粘接在待测锚杆上，待测锚杆长度的80～85％锚固于待测试件的钻孔内。

待测锚杆的另一段为螺纹段，螺纹段的螺纹外径为18mm；螺纹段依次穿过穿孔式液压千斤顶、加载板的中心孔和拉压力传感器；螺纹段的根部预旋有右螺母，螺纹段的端部旋有左螺母，旋紧右螺母和左螺母将加载板和拉压力传感器固定于待测锚杆上；所述右侧螺母的外圆直径小于穿孔式液压千斤顶的中心孔直径。

步骤三、施加静载荷

手动液压泵通过穿孔式液压千斤顶对加载板逐渐施加静载荷，直至待测锚杆达到预设静载值，保持不变。

步骤四、施加动载荷

拉升摆锤至预定高度后释放，摆锤撞击加载板，摆锤的冲击载荷经荷载传导架传递于待测锚杆杆体。

步骤五、记录数据

数据处理系统记录待测锚杆的应变值和待测试件中的能量值。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比的有益效果是：

一、本发明适用于测定锚杆在受到轴向载荷作用下的力学响应参数，既实现了对待测锚杆在静载荷作用下的拉伸测试，又实现了在动静组合载荷作用下待测锚杆的力学响应的测试，静载荷和动载荷大小均可人为控制，并能实时调节。测试时能通过刻度盘读取不同冲击载荷值以进行测试，也可通过刻度盘读取多次较小动载值以进行反复冲击测试，为现场工程设计及评价提供可靠依据。

二、本发明通过不同尺寸的待测试件及不同锚固方式，不同锚固方式的锚固方式是指将待测锚杆全锚或端锚于预留有的钻孔内，实现了待测锚杆在不同锚固形式下的力学响应的测试，克服了单一类型锚杆及其在单一锚固形式下测试的局限性，测试结果具有代表性。

三、本发明根据弹性力学理论采用大于待测锚杆直径20倍以上的尺寸制作待测试件，消除待测试件尺寸对应力波的影响，最大限度模拟待测锚杆的实际受力情况，结果精确可靠。本发明可以研究锚杆在静载和瞬时的动态荷载作用下的力学响应特征和破坏机理，对于评价地下开挖空间的稳定性和设计地下岩石工程的永久支护有着重要的参考价值。

因此，本发明具有结构简单、可操作性强和测试结果准确可靠的特点。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图；

图2为图1中静载加载装置4的一种结构示意图；

图3为图1中加载底座2的一种结构示意图；

图4为图1中荷载传导架3的一种结构示意图；

图5为图1中动载加载装置5的一种结构示意图；

图6为图1中数据采集装置6的一种结构示意图；

图7为图1的一种应用状态示意图；

图8为图7中待测锚杆27的安装爆炸放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。

实施例1

一种锚杆荷载加载试验装置。如图1所示，所述装置包括手动液压泵1、加载底座2、荷载传导架3、静载加载装置4、动载加载装置5和数据采集装置6。

如图1所示，加载底座2左端的中间位置处设有静载加载装置4，手动液压泵1与静载加载装置4通过液压软管连接，靠近加载底座2右端设有动载加载装置5；加载底座2上设有荷载传导架3，荷载传导架3的左端位于静载加载装置4的外侧，荷载传导架3的右端位于动载加载装置5的内侧；数据采集装置6的应变片21和声发射传感器24在使用时与待测锚杆27和待测试件28对应粘接。

如图2所示，静载加载装置4包括千斤顶支架7、穿孔式液压千斤顶8和安装板9；千斤顶支架7由2根立柱组成，2根立柱固定在加载底座2上平面的左端，安装板9固定在2根立柱的中部偏上处，穿孔式液压千斤顶8固定在安装板9中间位置的安装孔中；穿孔式液压千斤顶8通过液压软管与手动液压泵1连接。

如图3所示，加载底座2包括底座10、试件底板11和滑轨12；底座10为长方体，在底座10上平面的中间位置处沿长边方向设有试件底板11，试件底板11的左端靠近底座10的左端，试件底板11的两侧对称地设有滑轨12。

如图4所示，荷载传导架3包括2块加载板13和4根杆件14；2块加载板13外形相同，所述加载板13呈“十字架”状，“十字架”的左端、右端、上端和下端中心对称地设有通孔；左端的加载板13的中心位置处还设有中心孔，4根杆件14分别穿过2块加载板13各自对应的通孔，4根杆件14的两端分别通过螺母与2块加载板13对应连接。

如图5所示，动载加载装置5包括滑槽15、摆锤16、摆杆17、摆锤横杆18和2个摆锤支架20；2个摆锤支架20形状相同，所述摆锤支架20呈等腰梯形，摆锤支架20的底部设有滑槽15，2个摆锤支架20通过滑槽15对称地放置在加载底座2对应的两条滑轨12上；摆锤横杆18的两端活动地安装在摆锤支架20上部的轴承中，摆杆17的一端与摆锤16固定连接，摆杆17的另一端与摆锤横杆18的中间位置处固定连接，摆锤支架20的上部设有刻度盘19。

如图6所示，数据采集装置6包括应变片21、拉压力传感器22、动态应变仪23、声发射传感器24、数据处理系统25和声发射信号处理器26；应变片21与动态应变仪23的输入端1连接，拉压力传感器22与动态应变仪23的输入端2连接；声发射传感器24与声发射信号处理器26的输入端连接，声发射信号处理器26的输出端和动态应变仪23的输出端与数据处理系统25连接。

所述加载底座2的上平面为长方形，长方形的长度为待测锚杆27长度的1.5～2倍。

所述滑槽15的宽度和滑轨12的宽度的名义尺寸相同，滑槽15深度为滑轨12高度的0.9～0.95倍。

所述穿孔式液压千斤顶8的中心孔直径为30mm。

所述拉压力传感器22为穿孔型拉压力传感器，穿孔型拉压力传感器的中心孔直径为20mm。

所述用于锚杆荷载加载试验装置的测试方法的步骤如下：

步骤一、制作待测试件28

根据待研究的矿山地质条件，确定待测试件28原料中的水泥、沙、石子和水的质量比，搅拌，浇注，脱模，养护，制得待测试件28；浇注时在所浇注的待测试件28中心预留有直径为30mm的钻孔。

步骤二、安装试验装置

如图7所示，将待测试件28置于试件底板11上，待测试件28位于荷载传导架3间；声发射传感器24粘接在待测试件28上；再将应变片21粘接在待测锚杆27上，待测锚杆27长度的80～85％锚固于待测试件28的钻孔内。

如图8所示，待测锚杆27的另一段为螺纹段，螺纹段的螺纹外径为18mm；螺纹段依次穿过穿孔式液压千斤顶8、加载板13的中心孔和拉压力传感器22；螺纹段的根部预旋有右螺母，螺纹段的端部旋有左螺母，旋紧右螺母和左螺母将加载板13和拉压力传感器22固定于待测锚杆27上；所述右侧螺母的外圆直径小于穿孔式液压千斤顶8的中心孔直径。

步骤三、施加静载荷

手动液压泵1通过穿孔式液压千斤顶8对加载板13逐渐施加静载荷，直至待测锚杆27达到预设静载值，保持不变。

步骤四、施加动载荷

拉升摆锤16至预定高度后释放，摆锤16撞击加载板13，摆锤16的冲击载荷经荷载传导架3传递于待测锚杆27杆体。

步骤五、记录数据

数据处理系统25记录待测锚杆27的应变值和待测试件28中的能量值。

本具体实施方式与现有技术相比的有益效果是：

一、本具体实施方式适用于测定锚杆27在受到轴向载荷作用下的力学响应参数，既实现了对待测锚杆27在静载荷作用下的拉伸测试，又实现了在动静组合载荷作用下待测锚杆27的力学响应的测试，静载荷和动载荷大小均可人为控制，并能实时调节。测试时能通过刻度盘19读取不同冲击载荷值以进行测试，也可通过刻度盘19读取多次较小动载值以进行反复冲击测试，为现场工程设计及评价提供可靠依据。

二、本具体实施方式通过不同尺寸的待测试件及不同锚固方式，不同锚固方式的锚固方式是指将待测锚杆27全锚或端锚于预留有的钻孔内，实现了待测锚杆27在不同锚固形式下的力学响应的测试，克服了单一类型锚杆及其在单一锚固形式下测试的局限性，测试结果具有代表性。

三、本具体实施方式根据弹性力学理论采用大于待测锚杆27直径20倍以上的尺寸制作待测试件28，消除待测试件28尺寸对应力波的影响，最大限度模拟待测锚杆27的实际受力情况，结果精确可靠。本具体实施方式可以研究锚杆在静载和瞬时的动态荷载作用下的力学响应特征和破坏机理，对于评价地下开挖空间的稳定性和设计地下岩石工程的永久支护有着重要的参考价值。

因此，本具体实施方式具有结构简单、可操作性强和测试结果准确可靠的特点。

Claims (4)

1.一种锚杆荷载加载试验装置，其特征在于所述装置包括手动液压泵(1)、加载底座(2)、荷载传导架(3)、静载加载装置(4)、动载加载装置(5)和数据采集装置(6)；

加载底座(2)左端的中间位置处设有静载加载装置(4)，手动液压泵(1)与静载加载装置(4)通过液压软管连接，靠近加载底座(2)右端设有动载加载装置(5)；加载底座(2)上设有荷载传导架(3)，荷载传导架(3)的左端位于静载加载装置(4)的外侧，荷载传导架(3)的右端位于动载加载装置(5)的内侧；数据采集装置(6)的应变片(21)和声发射传感器(24)在使用时与待测锚杆(27)和待测试件(28)对应粘接；

静载加载装置(4)包括千斤顶支架(7)、穿孔式液压千斤顶(8)和安装板(9)；千斤顶支架(7)由2根立柱组成，2根立柱固定在加载底座(2)上平面的左端，安装板(9)固定在2根立柱的中部偏上处，穿孔式液压千斤顶(8)固定在安装板(9)中间位置的安装孔中；穿孔式液压千斤顶(8)通过液压软管与手动液压泵(1)连接；

加载底座(2)包括底座(10)、试件底板(11)和滑轨(12)；底座(10)为长方体，在底座(10)上平面的中间位置处沿长边方向设有试件底板(11)，试件底板(11)的左端靠近底座(10)的左端，试件底板(11)的两侧对称地设有滑轨(12)；

荷载传导架(3)包括2块加载板(13)和4根杆件(14)；2块加载板(13)外形相同，所述加载板(13)呈“十字架”状，“十字架”的左端、右端、上端和下端中心对称地设有通孔；左端的加载板(13)的中心位置处还设有中心孔，4根杆件(14)分别穿过2块加载板(13)各自对应的通孔，4根杆件(14)的两端分别通过螺母与2块加载板(13)对应连接；

动载加载装置(5)包括滑槽(15)、摆锤(16)、摆杆(17)、摆锤横杆(18)和2个摆锤支架(20)；2个摆锤支架(20)形状相同，所述摆锤支架(20)呈等腰梯形，摆锤支架(20)的底部设有滑槽(15)，2个摆锤支架(20)通过滑槽(15)对称地放置在加载底座(2)对应的两条滑轨(12)上；摆锤横杆(18)的两端活动地安装在摆锤支架(20)上部的轴承中，摆杆(17)的一端与摆锤(16)固定连接，摆杆(17)的另一端与摆锤横杆(18)的中间位置处固定连接，摆锤支架(20)的上部设有刻度盘(19)；

数据采集装置(6)包括应变片(21)、拉压力传感器(22)、动态应变仪(23)、声发射传感器(24)、数据处理系统(25)和声发射信号处理器(26)；应变片(21)与动态应变仪(23)的输入端1连接，拉压力传感器(22)与动态应变仪(23)的输入端2连接；声发射传感器(24)与声发射信号处理器(26)的输入端连接，声发射信号处理器(26)的输出端和动态应变仪(23)的输出端与数据处理系统(25)连接；

所述加载底座(2)的上平面为长方形，长方形的长度为待测锚杆(27)长度的1.5～2倍；

所述滑槽(15)的宽度和滑轨(12)的宽度的名义尺寸相同，滑槽(15)深度为滑轨(12)高度的0.9～0.95倍。

2.如权利要求1所述的锚杆荷载加载试验装置，其特征在于所述穿孔式液压千斤顶(8)的中心孔直径为30mm。

3.如权利要求1所述的锚杆荷载加载试验装置，其特征在于所述拉压力传感器(22)为穿孔型拉压力传感器，穿孔型拉压力传感器的中心孔直径为20mm。

4.如权利要求1所述的锚杆荷载加载试验装置的测试方法，其特征在于所述测试方法的步骤如下：

步骤一、制作待测试件(28)

根据待研究的矿山地质条件，确定待测试件(28)原料中的水泥、沙、石子和水的质量比，搅拌，浇注，脱模，养护，制得待测试件(28)；浇注时在所浇注的待测试件(28)中心预留有直径为30mm的钻孔；

步骤二、安装试验装置

将待测试件(28)置于试件底板(11)上，待测试件(28)位于荷载传导架(3)间；声发射传感器(24)粘接在待测试件(28)上；再将应变片(21)粘接在待测锚杆(27)上，待测锚杆(27)长度的80～85％锚固于待测试件(28)的钻孔内；

待测锚杆(27)的另一段为螺纹段，螺纹段的螺纹外径为18mm；螺纹段依次穿过穿孔式液压千斤顶(8)、加载板(13)的中心孔和拉压力传感器(22)；螺纹段的根部预旋有右螺母，螺纹段的端部旋有左螺母，旋紧右螺母和左螺母将加载板(13)和拉压力传感器(22)固定于待测锚杆(27)上；所述右螺母的外圆直径小于穿孔式液压千斤顶(8)的中心孔直径；

步骤三、施加静载荷

手动液压泵(1)通过穿孔式液压千斤顶(8)对加载板(13)逐渐施加静载荷，直至待测锚杆(27)达到预设静载值，保持不变；

步骤四、施加动载荷

拉升摆锤(16)至预定高度后释放，摆锤(16)撞击加载板(13)，摆锤(16)的冲击载荷经荷载传导架(3)传递于待测锚杆(27)杆体；

步骤五、记录数据

数据处理系统(25)记录待测锚杆(27)的应变值和待测试件(28)中的能量值。