CN109115632A - 锚固体综合剪切实验装置及其实验方法 - Google Patents

锚固体综合剪切实验装置及其实验方法 Download PDF

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Abstract

锚固体综合剪切实验装置,包括底板,底板上设置有左立板和右立板,左立板和右立板上端设置有顶板,底板上表面设置有左顶升油缸和右顶升油缸,顶板下表面固定设置有左下压油缸、中下压油缸和右下压油缸,左顶升油缸上放置有第一实验箱,右顶升油缸上放置有第二实验箱,第一实验箱和第二实验箱之间设置有第三实验箱,第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱内部通过一根锚杆或锚索串联为一体。本发明还公开了锚固体综合剪切实验装置的实验方法。本发明能够广泛应用于各种锚杆或锚索的性能实验,较为准确的测得在剪切作用下锚杆或锚索的工作特性,实验结果可靠,能够有效减少生产过程中发生锚杆或锚索剪切破断,可为矿山支护等提供科学依据。

Description

锚固体综合剪切实验装置及其实验方法
技术领域
本发明属于煤矿巷道支护技术领域,具体涉及一种锚固体综合剪切实验装置及其实验方法。
背景技术
自20世纪90年代以来,锚杆支护以其显著的技术和经济优越性在煤矿中获得了广泛应用,是巷道支护的一场革命。大量专家学者在支护理论、参数设计方法及效果监测方面做了大量工作,取得了很多有意义的成果。但是,锚杆支护失效仍时有发生。锚杆剪切破坏成为锚杆失效的首要问题。因此对顶板岩层性质及结构、锚杆的锚固特性必须有足够的研究。而煤矿地下环境相当恶劣,受条件限制以上都很难从现场实地考察得到。通常为了进行相关研究,需要进行实验室相似模拟实验,通过对相似模型的模拟和实验,来研究工程围岩的变形、移动和破坏等力学现象,分析剪切应力作用于锚杆的剪切效果。而现有的锚杆剪切研究,模拟不了巷道围岩对锚杆的实际受力情况,得出的结论可能对实际工程应用没有太大的意义,有的实验装置虽能模拟一些实际的工程状况,但是功能单一,操作不便,不具备针对性,实际应用起来不是太经济方便。因此,开发出一种结构简单合理、实现模拟锚杆受力情况的综合仿真实验装置可以有效解决现有技术费时费力,同时准确率低的问题,能够满足不同种类锚杆的双剪切模拟实验,从而有效减少锚杆支护失效的发生,也可为水利、隧道、矿山等岩土工程提供科学依据。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处,提供一种操作方便、功能多样、实验数据精确的锚固体综合剪切实验装置及其实验方法,其可在实验室条件下有效模拟锚杆或锚索受围岩剪切作用的影响和对煤矿巷道锚杆或锚索支护效果测试的模拟。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:锚固体综合剪切实验装置,包括水平设置的底板,底板左侧和右侧均开设有地脚孔,底板上垂直设置有左立板和右立板,左立板和右立板的上端水平设置有顶板,底板上表面设置有左顶升油缸和右顶升油缸,顶板下表面固定设置有左下压油缸、中下压油缸和右下压油缸,左顶升油缸和左下压油缸上下对应设置,右顶升油缸和右下压油缸上下对应设置,左顶升油缸的伸缩柱上端固定设置有第一支板,右顶升油缸的伸缩柱上端固定设置有第二支板,左下压油缸的伸缩柱下端固定设置有第三支板,中下压油缸的伸缩柱下端固定设置有第四支板,右下压油缸的伸缩柱下端固定设置有第五支板,第一支板上放置有第一实验箱,第二支板上放置有第二实验箱,第一实验箱和第二实验箱之间设置有第三实验箱,第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱内部通过沿左右方向水平设置的一根锚杆或锚索串联为一体,第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱内填充有将锚杆或锚索锚固的混凝土试件。
底板上设置有位于左顶升油缸和右顶升油缸之间且位于第二实验箱正下方的位置磁铁,第二实验箱底部设置有与位置磁铁上下对应的激光位移传感器。
底板上设置有将位置磁铁罩住的防护架,防护架顶部开设有通孔,位置磁铁、通孔和激光位移传感器位于同一直线上。
第一实验箱和第二实验箱的结构及尺寸相同,第三实验箱的高度低于第一实验箱的高度,第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱均由六块钢板通过螺栓组件组装而成,第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱的左右两侧的钢板上均对应开设有用于穿设锚杆或锚索的竖向长孔。
顶板前侧和后侧向下折弯形成加强连接板,顶板和加强连接板均通过螺栓组件与左立板、右立板的顶部固定连接;左立板和右立板上对应开设有用于穿设锚杆或锚索的穿孔。
锚固体综合剪切实验装置的实验方法,包括以下步骤,
(1)、使用地脚螺栓穿过底板上设置的地脚孔将底板固定到实验台上;
(2)、组装第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱,并在第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱放置对应的混凝土试件;
(3)、将一根锚杆或锚索将第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱内的三块混凝土试件串联起来,并对锚杆或锚索施加一定的预应力;
(4)、在第三实验箱体的下表面安装激光位移传感器;
(5)、左顶升油缸和右顶升油缸继续向上顶升第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱,同时,左下压油缸和右下压油缸的伸缩柱向下移动,直到第一支板和第三支板将第一实验箱牢牢夹持,第二支板和第五支板将第二实验箱牢牢夹持后,左顶升油缸、右顶升油缸、左下压油缸和右下压油缸停止动作,启动中下压油缸,中下压油缸的伸缩柱向下伸长,第四支板慢慢向下顶压第三实验箱顶部,中下压油缸对第三实验箱不断增加压力来模拟对锚杆或锚索的双剪切过程。
步骤(2)的具体过程为,在实验台上组装第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱,组装到第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱顶部敞口时,将三块混凝土试件分别放入到第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱内,三块混凝土试件内部沿左右水平方形预留有通孔,通孔与竖向长孔的中部左右对应贯通,然后将第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱的顶部的钢板装上,然后将第一实验箱和第二实验箱分别放置到第一支板和第二支板上。
步骤(3)的具体过程为,将第三实验箱放置到防护架顶部,并使第三实验箱的左侧和右侧分别与第一实验箱和第二实验箱之间具有1-3cm的间隙,启动左顶升油缸和右顶升油缸使第一实验箱和第二实验箱调整到三块混凝土试件上的通孔左右对应贯通,且与左立板和右立板上的穿孔对应后,停止左顶升油缸和右顶升油缸,将一根锚杆或锚索由左立板或右立板上的穿孔穿过竖向长孔和三块混凝土块内的通孔,在锚杆或锚索的左右两端分别套上锚杆螺母或锁具,根据实验要求施加不同的预应力,通过液压扭矩扳手或钢绞线挤压机操作杆螺母或锁具,以保证实验效果。
步骤(4)的具体过程为,启动左顶升油缸和右顶升油缸,将第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱向上顶起一段距离,然后在第三实验箱体的下表面安装上激光位移传感器,使位置磁铁、通孔和激光位移传感器位于同一直线上,保证剪切位移的实时监测。
步骤(5)中的模拟对锚杆或锚索的双剪切过程具体为,中下压油缸对第三实验箱不断施加向下的压力,查看中下压油缸管路上的压力表示数,第三实验箱会向下缓慢移动,通过激光位移传感器发出可见红色激光射向位置磁铁表面,经位置磁铁反射后再次射向激光位移传感器,可见红色激光通过激光位移传感器内部的CCD线性相机接收,根据不同的距离,CCD线性相机可以在不同的时间识别这束激光。根据发出的可见红色激光与相机之间的距离变化和可见红色激光经位置磁铁反射到激光位移传感器的时间变化,最后通过激光位移传感器内置的数字信号处理器就可计算出第三实验箱向下的位移,根据压力表示数,从而计算出锚杆或锚索受到岩体剪切力作用产生的变形量;实时进行监测,取得实验数据,实验结束时,观察锚杆或锚索收到双剪切的破坏形态,根据相应的破坏特征进行分析,得出结论并提出防止锚杆或锚索发生剪切破坏的有效对策。
采用上述技术方案,本发明中的防护架不仅具有防护位置磁铁不受损害,而且具有支撑放置第三实验箱的作用。竖向长孔起到当锚杆或锚索在竖向位移时,具有一定的位移缓冲作用,避免与第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱发生接触而影响实验结果。第三实验箱的高度小于第一实验箱,这样可增大实验过程中第三实验箱的竖向移动距离。
另外,为了避免锚杆或锚索突然被压断,第三实验箱落下造成激光位移传感器碰撞到防护架上而损坏,可在防护架顶部的通孔周围设置橡胶圈。第三实验箱底部与橡胶圈碰撞,激光位移传感器正好位于橡胶圈内,不会与防护架顶部接触。
综上所述,本发明结构新颖,成本低,实用性强,操作方便,能够广泛应用于各种锚杆或锚索的性能实验,能够较为准确的测得在剪切作用下锚杆或锚索的工作特性,实验结果可靠,能够有效减少生产过程中发生锚杆或锚索剪切破断,可为矿山支护等提供科学依据。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,本发明的锚固体综合剪切实验装置,包括水平设置的底板1,底板1左侧和右侧均开设有地脚孔2,底板1上垂直设置(焊接)有左立板3和右立板4,左立板3和右立板4的上端水平设置有顶板5,底板1上表面设置有左顶升油缸6和右顶升油缸7,顶板5下表面固定设置有左下压油缸8、中下压油缸9和右下压油缸10,左顶升油缸6和左下压油缸8上下对应设置,右顶升油缸7和右下压油缸10上下对应设置,左顶升油缸6的伸缩柱上端固定设置有第一支板11,右顶升油缸7的伸缩柱上端固定设置有第二支板12,左下压油缸8的伸缩柱下端固定设置有第三支板13,中下压油缸9的伸缩柱下端固定设置有第四支板14,右下压油缸10的伸缩柱下端固定设置有第五支板15,第一支板11上放置有第一实验箱16,第二支板12上放置有第二实验箱17,第一实验箱16和第二实验箱17之间设置有第三实验箱18,第一实验箱16、第二实验箱17和第三实验箱18内部通过沿左右方向水平设置的一根锚杆或锚索19串联为一体,第一实验箱16、第二实验箱17和第三实验箱18内填充有将锚杆或锚索19锚固的混凝土试件。
底板1上设置有位于左顶升油缸6和右顶升油缸7之间且位于第二实验箱17正下方的位置磁铁20,第二实验箱17底部设置有与位置磁铁20上下对应的激光位移传感器(图中未示出)。
底板1上设置有将位置磁铁20罩住的防护架21,防护架21顶部开设有通孔22,位置磁铁20、通孔22和激光位移传感器位于同一直线上。
第一实验箱16和第二实验箱17的结构及尺寸相同,第三实验箱18的高度低于第一实验箱16的高度,第一实验箱16、第二实验箱17和第三实验箱18均由六块钢板通过螺栓组件组装而成,第一实验箱16、第二实验箱17和第三实验箱18的左右两侧的钢板上均对应开设有用于穿设锚杆或锚索19的竖向长孔23。
顶板5前侧和后侧向下折弯形成加强连接板24,顶板5和加强连接板24均通过螺栓组件与左立板3、右立板4的顶部固定连接;左立板3和右立板4上对应开设有用于穿设锚杆或锚索19的穿孔25。
本发明中的位置磁铁20、激光位移传感器以及油缸及其液压管路及阀门均为现有常规技术,具体构造不再赘述。
锚固体综合剪切实验装置的实验方法,包括以下步骤,
(1)、使用地脚螺栓穿过底板1上设置的地脚孔2将底板1固定到实验台上;
(2)、组装第一实验箱16、第二实验箱17和第三实验箱18,并在第一实验箱16、第二实验箱17和第三实验箱18放置对应的混凝土试件;
(3)、将一根锚杆或锚索19将第一实验箱16、第二实验箱17和第三实验箱18内的三块混凝土试件串联起来,并对锚杆或锚索19施加一定的预应力;
(4)、在第三实验箱18体的下表面安装激光位移传感器;
(5)、左顶升油缸6和右顶升油缸7继续向上顶升第一实验箱16、第二实验箱17和第三实验箱18,同时,左下压油缸8和右下压油缸10的伸缩柱向下移动,直到第一支板11和第三支板13将第一实验箱16牢牢夹持,第二支板12和第五支板15将第二实验箱17牢牢夹持后,左顶升油缸6、右顶升油缸7、左下压油缸8和右下压油缸10停止动作,启动中下压油缸9,中下压油缸9的伸缩柱向下伸长,第四支板14慢慢向下顶压第三实验箱18顶部,中下压油缸9对第三实验箱18不断增加压力来模拟对锚杆或锚索19的双剪切过程。
步骤(2)的具体过程为,在实验台上组装第一实验箱16、第二实验箱17和第三实验箱18,组装到第一实验箱16、第二实验箱17和第三实验箱18顶部敞口时,将三块混凝土试件分别放入到第一实验箱16、第二实验箱17和第三实验箱18内,三块混凝土试件内部沿左右水平方形预留有通孔22,通孔22与竖向长孔23的中部左右对应贯通,然后将第一实验箱16、第二实验箱17和第三实验箱18的顶部的钢板装上,然后将第一实验箱16和第二实验箱17分别放置到第一支板11和第二支板12上。
步骤(3)的具体过程为,将第三实验箱18放置到防护架21顶部,并使第三实验箱18的左侧和右侧分别与第一实验箱16和第二实验箱17之间具有1-3cm的间隙,启动左顶升油缸6和右顶升油缸7使第一实验箱16和第二实验箱17调整到三块混凝土试件上的通孔22左右对应贯通,且与左立板3和右立板4上的穿孔25对应后,停止左顶升油缸6和右顶升油缸7,将一根锚杆或锚索19由左立板3或右立板4上的穿孔25穿过竖向长孔23和三块混凝土块内的通孔22,在锚杆或锚索19的左右两端分别套上锚杆螺母或锁具,根据实验要求施加不同的预应力,通过液压扭矩扳手或钢绞线挤压机操作杆螺母或锁具,以保证实验效果。
步骤(4)的具体过程为,启动左顶升油缸6和右顶升油缸7,将第一实验箱16、第二实验箱17和第三实验箱18向上顶起一段距离,然后在第三实验箱18体的下表面安装上激光位移传感器,使位置磁铁20、通孔22和激光位移传感器位于同一直线上,保证剪切位移的实时监测。
步骤(5)中的模拟对锚杆或锚索19的双剪切过程具体为,中下压油缸9对第三实验箱18不断施加向下的压力,查看中下压油缸9管路上的压力表示数,第三实验箱18会向下缓慢移动,通过激光位移传感器发出可见红色激光射向位置磁铁20表面,经位置磁铁20反射后再次射向激光位移传感器,可见红色激光通过激光位移传感器内部的CCD线性相机接收,根据不同的距离,CCD线性相机可以在不同的时间识别这束激光。根据发出的可见红色激光与相机之间的距离变化和可见红色激光经位置磁铁20反射到激光位移传感器的时间变化,最后通过激光位移传感器内置的数字信号处理器就可计算出第三实验箱18向下的位移,根据压力表示数,从而计算出锚杆或锚索19受到岩体剪切力作用产生的变形量;实时进行监测,取得实验数据,实验结束时,观察锚杆或锚索19收到双剪切的破坏形态,根据相应的破坏特征进行分析,得出结论并提出防止锚杆或锚索19发生剪切破坏的有效对策。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.锚固体综合剪切实验装置,其特征在于:包括水平设置的底板,底板左侧和右侧均开设有地脚孔,底板上垂直设置有左立板和右立板,左立板和右立板的上端水平设置有顶板,底板上表面设置有左顶升油缸和右顶升油缸,顶板下表面固定设置有左下压油缸、中下压油缸和右下压油缸,左顶升油缸和左下压油缸上下对应设置,右顶升油缸和右下压油缸上下对应设置,左顶升油缸的伸缩柱上端固定设置有第一支板,右顶升油缸的伸缩柱上端固定设置有第二支板,左下压油缸的伸缩柱下端固定设置有第三支板,中下压油缸的伸缩柱下端固定设置有第四支板,右下压油缸的伸缩柱下端固定设置有第五支板,第一支板上放置有第一实验箱,第二支板上放置有第二实验箱,第一实验箱和第二实验箱之间设置有第三实验箱,第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱内部通过沿左右方向水平设置的一根锚杆或锚索串联为一体,第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱内填充有将锚杆或锚索锚固的混凝土试件。
2.根据权利要求1所述的锚固体综合剪切实验装置,其特征在于:底板上设置有位于左顶升油缸和右顶升油缸之间且位于第二实验箱正下方的位置磁铁,第二实验箱底部设置有与位置磁铁上下对应的激光位移传感器。
3.根据权利要求2所述的锚固体综合剪切实验装置,其特征在于:底板上设置有将位置磁铁罩住的防护架,防护架顶部开设有通孔,位置磁铁、通孔和激光位移传感器位于同一直线上。
4.根据权利要求3所述的锚固体综合剪切实验装置,其特征在于:第一实验箱和第二实验箱的结构及尺寸相同,第三实验箱的高度低于第一实验箱的高度,第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱均由六块钢板通过螺栓组件组装而成,第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱的左右两侧的钢板上均对应开设有用于穿设锚杆或锚索的竖向长孔。
5.根据权利要求4所述的锚固体综合剪切实验装置,其特征在于:顶板前侧和后侧向下折弯形成加强连接板,顶板和加强连接板均通过螺栓组件与左立板、右立板的顶部固定连接;左立板和右立板上对应开设有用于穿设锚杆或锚索的穿孔。
6.采用如权利要求5所述的锚固体综合剪切实验装置的实验方法,其特征在于:包括以下步骤,
(1)、使用地脚螺栓穿过底板上设置的地脚孔将底板固定到实验台上;
(2)、组装第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱,并在第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱放置对应的混凝土试件;
(3)、将一根锚杆或锚索将第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱内的三块混凝土试件串联起来,并对锚杆或锚索施加一定的预应力;
(4)、在第三实验箱体的下表面安装激光位移传感器;
(5)、左顶升油缸和右顶升油缸继续向上顶升第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱,同时,左下压油缸和右下压油缸的伸缩柱向下移动,直到第一支板和第三支板将第一实验箱牢牢夹持,第二支板和第五支板将第二实验箱牢牢夹持后,左顶升油缸、右顶升油缸、左下压油缸和右下压油缸停止动作,启动中下压油缸,中下压油缸的伸缩柱向下伸长,第四支板慢慢向下顶压第三实验箱顶部,中下压油缸对第三实验箱不断增加压力来模拟对锚杆或锚索的双剪切过程。
7.根据权利要求6所述的锚固体综合剪切实验装置的实验方法,其特征在于:步骤(2)的具体过程为,在实验台上组装第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱,组装到第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱顶部敞口时,将三块混凝土试件分别放入到第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱内,三块混凝土试件内部沿左右水平方形预留有通孔,通孔与竖向长孔的中部左右对应贯通,然后将第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱的顶部的钢板装上,然后将第一实验箱和第二实验箱分别放置到第一支板和第二支板上。
8.根据权利要求7所述的锚固体综合剪切实验装置的实验方法,其特征在于:步骤(3)的具体过程为,将第三实验箱放置到防护架顶部,并使第三实验箱的左侧和右侧分别与第一实验箱和第二实验箱之间具有1-3cm的间隙,启动左顶升油缸和右顶升油缸使第一实验箱和第二实验箱调整到三块混凝土试件上的通孔左右对应贯通,且与左立板和右立板上的穿孔对应后,停止左顶升油缸和右顶升油缸,将一根锚杆或锚索由左立板或右立板上的穿孔穿过竖向长孔和三块混凝土块内的通孔,在锚杆或锚索的左右两端分别套上锚杆螺母或锁具,根据实验要求施加不同的预应力,通过液压扭矩扳手或钢绞线挤压机操作杆螺母或锁具,以保证实验效果。
9.根据权利要求8所述的锚固体综合剪切实验装置的实验方法,其特征在于:步骤(4)的具体过程为,启动左顶升油缸和右顶升油缸,将第一实验箱、第二实验箱和第三实验箱向上顶起一段距离,然后在第三实验箱体的下表面安装上激光位移传感器,使位置磁铁、通孔和激光位移传感器位于同一直线上,保证剪切位移的实时监测。
10.根据权利要求9所述的锚固体综合剪切实验装置的实验方法,其特征在于:步骤(5)中的模拟对锚杆或锚索的双剪切过程具体为,中下压油缸对第三实验箱不断施加向下的压力,查看中下压油缸管路上的压力表示数,第三实验箱会向下缓慢移动,通过激光位移传感器发出可见红色激光射向位置磁铁表面,经位置磁铁反射后再次射向激光位移传感器,可见红色激光通过激光位移传感器内部的CCD线性相机接收,根据不同的距离,CCD线性相机可以在不同的时间识别这束激光;根据发出的可见红色激光与相机之间的距离变化和可见红色激光经位置磁铁反射到激光位移传感器的时间变化,最后通过激光位移传感器内置的数字信号处理器就可计算出第三实验箱向下的位移,根据压力表示数,从而计算出锚杆或锚索受到岩体剪切力作用产生的变形量;实时进行监测,取得实验数据,实验结束时,观察锚杆或锚索收到双剪切的破坏形态,根据相应的破坏特征进行分析,得出结论并提出防止锚杆或锚索发生剪切破坏的有效对策。
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