CN110530738A - 一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置 - Google Patents

一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,包括上下剪切装置、左右固定圆筒、前后固定导槽和试件;剪切装置包括加载平板、固定托板、竖向导轨板以及空心剪切球台;固定圆筒包括长空心圆柱体和与空心剪切球台一侧耦合的空心球台;固定导槽包括一个带有三个螺栓孔的凹字型钢块;试样包括左右对称的长圆柱体、中间球形突起和内置于长圆柱体和中间球形突起的中心的锚杆或者锚索。其结构简单,通过普通单轴压缩试验机加载,操作方便且便于控制变量,可以实现与剪切面任意空间角的剪切,克服了传统锚杆单剪实验不能改变安装角的缺点,同时增大了剪切面积,不仅可适应较大剪切位移的工况,还能考虑剪切面对剪切工程的影响。

Description

一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置
技术领域
本发明公开了一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,尤其适用于矿山深部高应力和大变形节理岩体中锚杆锚索支护安全性检测及室内实验测试。
背景技术
锚杆锚索是现代岩土工程稳定技术中的主要支护元件,广泛运用于岩土和采矿工程中的地下开挖和露天边坡中。锚杆锚索的锚固力学性能是支护工程设计的基本参数。锚杆不仅能明显增强围岩抗拉性能,而且能有效抵抗在岩体中软弱结构面与潜在滑动面中所存在剪切破坏。在深部高应力和大变形节理岩体中,锚杆局部有可能被拉断、剪坏、剪弯、甚至扭曲,利用传统锚杆支护理论和锚固分析方法较难解释这些现象,即基于浅部岩体力学建立的锚杆加固理论并对于深部岩体支护的分析有一定的局限性。锚杆杆体钢筋的轴向抗拉性能强,而横向抗剪能力较弱;在加锚节理岩体中,由于节理面的错动,导致锚杆体受到较大的横向剪应力,产生明显的应力集中现象。目前涉及锚杆抗剪强度的研究和应用大多还是采用经验法或半经验法。尤其是在实际工程中,大多都是采用经验法,以锚杆的抗拉强度为基准作折减估算其抗剪强度来进行设计和施工,其中一个很重要的因素是锚杆的抗剪性能并无准确定量的研究。由于工程现场很难进行剪切试验,国内外研究人员设计了多种试验仪器,主要包括单剪和双剪两大类,但均有一定的局限性,如结构复杂、试件太大、没有考虑锚杆安装角、没有考虑节理面粗糙度等。发明一种结构简单、操作方便、可以改变锚杆安装角和考虑节理面粗糙度的锚杆锚索抗剪性能的试验装置,对于进一步提升岩土工程支护设计的准确性具有重大作用。
发明内容
为了克服现有锚杆锚索剪切仪器存在的缺点与不足,寻求设计发明一种结构简单、操作方便、可以改变锚杆安装角和考虑节理面粗糙度的锚杆锚索抗剪性能的试验装置。
针对上述技术目的,本发明提供了一种新型锚杆和锚索单剪实验装置,其特征在于:包括上、下剪切装置,左、右固定圆筒,前、后固定导槽和试样;
所述上、下剪切装置是两个彼此中心对称的独立构件,各包括加载平板、固定托板、竖向导轨板以及空心剪切球台,其中空心剪切球台外侧圆周边缘上设置有8个均匀分布的螺栓孔一,下剪切装置的竖向导轨板前后两侧面上各设置有3个螺栓孔二;
所述左、右固定圆筒是两个彼此中心对称的独立构件,各包括一长空心圆柱体和与空心剪切球台一侧耦合的空心球台,其中空心球台外侧圆周有一环形凸起,所述环形凸起上设置有8个与空心剪切球台上螺栓孔一相匹配的螺栓孔;
所述前、后固定导槽是两个轴对称的独立构件,各包括一个带凹字型的钢块,其中所述钢块上设置由3个与下剪切装置的竖向导轨板上螺栓孔二相匹配的螺栓孔;
所述试样包括左右对称的长圆柱体、中间球形突起和内置于长圆柱体和中间球形突起中心的锚杆或者锚索。
进一步地,所述上、下剪切装置在放置好试件后,通过前、后固定导槽使用螺栓二固定,所述螺栓二与螺栓孔二相对应,同样左、右固定圆筒使用螺栓一与上、下剪切装置的空心剪切球台固定连接,所述螺栓一与螺栓孔一相对应。
进一步地,所述上、下剪切装置可由整体切割或铸造而成,也可以由加载平板、空心剪切球台、固定托板以及竖向导轨板焊接而成。
进一步地,所述加载平板为一长方体,便于传递压力试验机载荷,其厚度为20mm,横截面为280mm×240mm。
进一步地,所述空心剪切球台为空心球被两平行的平面切割而成,一平面过球心,另一平面与之相距60mm,球外壳直径230mm,球内壳直径200mm,所述空心剪切球台外侧圆周边缘设置有深为10mm直径6mm的螺栓孔一。
进一步地,所述固定托板连接和固定加载平板和空心剪切球台,为厚度20mm的不规则板。
进一步地,所述竖向导轨板与空心剪切球台、加载平板和固定托板紧密连接,其厚度为20mm,横截面为280mm×250mm,其中,上剪切装置的竖向导轨板在前后固定导槽中实现上下运动,以限制上剪切装置的剪切运动方向。
进一步地,所述左右固定圆筒根据锚杆安装角α的不同具有与之相匹配的型号,所述锚杆安装角α为空心剪切球台的中轴线与试件中轴线之间的角度,所述锚杆安装角α优选为0°、10°、20°和30°。
进一步地,在同一锚杆安装角α下,通过改变左、右固定圆筒与上、下剪切装置的空心剪切球台上螺栓孔的对应连接方式,实现左、右固定圆筒在竖直剪切方向上不同的旋转角β。
进一步地,所述左右固定圆筒的长空心圆柱体外直径100mm,内直径80mm,长300mm。
进一步地,所述固定圆筒的空心球台与长空心圆柱体紧密连接,二者的连接角度根据锚杆安装角α设计,所述空心球台外壳直径220mm,内壳直径200mm。
进一步地,所述前后固定导槽的钢块高为280mm,横截面长宽为60mm×25mm,其中沿横截面中心截去长宽为30mm×10mm部分,使钢块内部呈凹字型,在钢块上钻凿3个直径8mm深15mm的与下剪切装置的竖向导轨板上螺栓孔二相匹配螺栓孔。
进一步地,所述螺栓一的规格为直径6mm长20mm;所述螺栓二的规格为直径8mm长30mm。
进一步地,所述试样包含的圆柱体长为800mm,圆柱底面直径80mm,中间球形直径200mm,内置的锚杆或锚索直径不大于40mm。
此剪切装置测试操作流程具体如下:
a.试样的制作养护:在预先制作的模具中先固定锚杆位置,然后加入搅拌均匀的砂浆混凝土,24h后脱模并在标准环境中养护27天;
b.安装试样:在试样表面均匀涂抹黄油,再将试样套进上下两个剪切装置,安装固定导槽并拧紧螺栓,最好安装所需空间角的左右固定圆筒,稍微调整并拧紧固定螺栓;
c.试验准备:将剪切装置放置在加载平台中心,启动加载设备,预先设置加载方式及加载速率,力位移清零,在导槽底部防止海绵,防止上下剪切装剧烈碰撞;
d.剪切试验:记录加载力和位移曲线。
有益效果
本发明结构简单,各部分组装拆卸方便,同时可匹配任意加载装置,适应范围广,对于常见的锚杆锚索均可测试,中间空心球型剪切装置增大了最大剪切位移,避免了如British单剪试验装置剪切大直径锚杆锚索可能出现与剪切筒内测接触而破坏的情况出现;和现有的锚杆单剪装置对比:一、增加了调节锚杆安装角这个重要功能,并且可以根据需要增加不同空间角度的固定圆筒;二、增大剪切面积,适应锚杆较大的剪切位移的情况,还可考虑剪切面对剪切过程的影响;三、剪切筒两侧可增加施加预应力装置;本发明剪切装置可额外作为球型试件的剪切装置。
具体而言:
1.常见的剪切试件为长方体形试件或圆柱形,但锚杆实际变形只在剪切面附近极短的范围内比较明显,如果试件太小容易造成锚杆直接与剪切装置接触而发生错误的破坏,试件太大又造成极大的浪费,本实验提出在中间剪切面处包裹一个较大的球形,解决了以上两个问题,同时由于剪切面较大,可以考虑在预制不同剪切粗糙度情况下的锚杆锚固岩体的剪切过程;
2.传统的单剪只考虑了锚杆与剪切面垂直一种情况,实际工程中锚固岩体滑移面可能与锚杆呈不同空间角度,由于试件中间是球形,可以任意转动,配合相应角度的固定圆筒,可实现任意空间安装角的剪切;
3.固定圆筒厚度达10mm,根据需要可以配套施加预应力装置,考虑预应力对锚固岩体剪切过程的影响。
附图说明
图1为本发明的新型锚杆和锚索球型单剪实验装置的安装图(α=10°);
图2为本发明的新型锚杆和锚索球型单剪实验装置的拆解图(α=10°);
图3为本发明的新型锚杆和锚索球型单剪实验装置的四种不同锚杆安装角α条件下左、右固定圆筒固定试件示意图,依次分别是α为0°、10°、20°和30°;
图4为本发明的新型锚杆和锚索球型单剪实验装置的安装图(α=10°,β=45°);
图5为本发明的新型锚杆和锚索球型单剪实验装置的剪切装置螺栓孔编号图;
图6为本发明的新型锚杆和锚索球型单剪实验装置的固定圆筒与剪切装置五种不同连接方式的示意图(α=10°);
图7为本发明的新型锚杆和锚索球型单剪实验装置的试件的三视图;
图中:1-上剪切装置、2-下剪切装置、3-左固定圆筒、4-右固定圆筒、5-前固定导槽、6-后固定导槽、7-加载平板、8-固定托板、9-竖向导轨板、10-空心剪切球台、11-长空心圆柱体、12-空心球台、13-环形凸起、14-螺栓孔二、15-螺栓孔一、16-试样、17-锚杆或锚索。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例;基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例,都属于本发明所保护的范围。
如图1、2所示,本发明提供的一种新型锚杆和锚索单剪实验装置,包括上、下剪切装置(1)和(2),左、右固定圆筒(3)和(4),前、后固定导槽(5)和(6)及试样(16);
所述上、下剪切装置(1)和(2)是两个彼此中心对称的独立构件,各包括加载平板(7)、固定托板(8)、竖向导轨板(9)以及空心剪切球台(10),其中空心剪切球台(10)外侧圆周边缘设置有8个均匀分布的螺栓孔一(15),下剪切装置的竖向导轨板(9)前后两侧面各设置有3个螺栓孔二(14);
所述左、右固定圆筒(3)和(4)是两个彼此中心对称的独立构件,各包括一长空心圆柱体(11)和与空心剪切球台(10)一侧耦合的空心球台(12),其中空心球台(12)外侧圆周有一环凸起(13),所述环形凸起上设置有8个与空心剪切球台(10)上螺栓孔一(15)相匹配的螺栓孔;
所述前、后固定导槽(5)和(6)是两个轴对称的独立构件,各包括一个带凹字型的钢块,其中所述钢块上设置有3个与下剪切装置(2)的竖向导轨板(9)上螺栓孔二(14)相匹配的螺栓孔;
所述试样(16)包括左右对称的长圆柱体、中间球形突起和内置于长圆柱体和中间球形突起的中心的锚杆或者锚索(17)。
优选地,所述上、下剪切装置(1)和(2)在放置好试件(16)后,通过前、后固定导槽(5)和(6)使用螺栓二固定,所述螺栓二与螺栓孔二相对应,同样左、右固定圆筒(3)和(4)使用螺栓一与上、下剪切装置(1)和(2)的空心剪切球台(10)固定连接,所述螺栓一与螺栓孔一相对应。
优选地,所述上、下剪切装置(1)和(2)可由整体切割或铸造而成,也可以由加载平板(7)、空心剪切球台(10)、固定托板(8)以及竖向导轨板(9)焊接而成。
优选地,所述加载平板(7)为一长方体,便于传递压力试验机载荷,其厚度为20mm,横截面为280mm×240mm。
优选地,所述空心剪切球台(10)为空心球被两平行的平面切割而成,一平面过球心,另一平面与之相距60mm,球外壳直径230mm,球内壳直径200mm,所述空心剪切球台(10)外侧圆周边缘设置有深为10mm直径6mm的螺栓孔一。
优选地,所述固定托板(8)连接和固定加载平板(7)和空心剪切球台(10),其为厚度20mm的不规则板。
优选地,所述竖向导轨板(9)与空心剪切球台(10)、加载平板(7)和固定托板(8)紧密连接,其厚度为20mm,横截面为280mm×250mm,其中,上剪切装置的竖向导轨板(9)在前后固定导槽(5)和(6)中实现上下运动,以限制上剪切装置的剪切运动方向。
参见图3,所述左右固定圆筒(3)和(4)根据锚杆安装角α的不同具有与之相匹配的型号,所述锚杆安装角α为空心剪切球台(10)的中轴线与试件(16)的中轴线之间的角度,所述锚杆安装角α优选为0°、10°、20°和30°。
进一步地,在同一锚杆安装角α下,通过改变左、右固定圆筒(3)和(4)与上、下剪切装置(1)和(2)的空心剪切球台(10)上螺栓孔的对应连接方式,实现左、右固定圆筒(3)和(4)在竖直剪切方向上不同的旋转角β,所述旋转角β优选为0°、45°、90°、135°、180°,图4即锚杆安装角α为10°,旋转角β为45°的示意图。
参见图5,所述固定圆筒有八个螺栓孔,固定圆筒可以和剪切装置中八个螺栓孔通过螺栓连接,当锚杆安装角α不为0°时,根据左右对称性,共有五种不同的连接方式,令剪切装置正上方的螺栓孔为①号孔,依次顺时针向下数为②、③、④、⑤号孔,其可以与固定圆筒的①、②、③、④和⑤号孔连接;如图6所示,以锚杆安装角α等于10°为例,剪切装置的①号孔与固定圆筒①号孔连接,即为10°锚杆安装角、0°旋转角条件下新型锚杆和锚索球型单剪实验装置;剪切装置的①号孔与固定圆筒②号孔连接,即为10°锚杆安装角、45°旋转角条件下新型锚杆和锚索球型单剪实验装置;剪切装置的①)号孔与固定圆筒③号孔连接,即为10°锚杆安装角、90°旋转角条件下新型锚杆和锚索球型单剪实验装置;剪切装置的①号孔与固定圆筒④号孔连接,即为10°锚杆安装角、135°旋转角条件下新型锚杆和锚索球型单剪实验装置;剪切装置的①号孔与固定圆筒⑤号孔连接,即为10°锚杆安装角、180°旋转角条件下新型锚杆和锚索球型单剪实验装置。
优选地,所述左右固定圆筒(3)和(4)的长空心圆柱体(11)外直径100mm,内直径80mm,长300mm。
优选地,所述固定圆筒(3)和(4)的空心球台(12)与长空心圆柱体(11)紧密连接,二者的连接角度根据锚杆安装角α设计,所述空心球台外壳直径220mm,内壳直径200mm。
优选地,所述前后固定导槽(5、6)的钢块高为280mm,横截面长宽为60mm×25mm,其中沿横截面中心截去长宽为30mm×10mm部分,使钢块内部呈凹字型,在钢块上钻凿三个直径8mm深15mm的与下剪切装置的竖向导轨板(9)上螺栓孔二(14)相匹配螺栓孔。
优选地,所述螺栓一的规格为直径6mm长20mm;所述螺栓二的规格为直径8mm长30mm。
如图7所示,优选地,所述试样(16)包含的圆柱体长为800mm,圆柱底面直径80mm,中间球形直径200mm,内置的锚杆或锚索(17)直径不大于40mm。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,其特征在于:
包括上、下剪切装置,左、右固定圆筒,前、后固定导槽及试样;
所述上、下剪切装置是两个彼此中心对称的独立构件,各包括加载平板、固定托板、竖向导轨板以及空心剪切球台,其中空心剪切球台外侧圆周边缘上设置有8个均匀分布的螺栓孔一,下剪切装置的竖向导轨板前后两侧面上各设置有3个螺栓孔二;
所述左、右固定圆筒是两个彼此中心对称的独立构件,各包括一长空心圆柱体和与空心剪切球台一侧耦合的空心球台,其中,空心球台外侧圆周有一环形凸起,所述环形凸起上设置有8个与空心剪切球台上螺栓孔一相匹配的螺栓孔;
所述前、后固定导槽是两个轴对称的独立构件,各包括一个带凹字型的钢块,其中所述钢块上设置有3个与下剪切装置的竖向导轨板上螺栓孔二相匹配的螺栓孔;
所述试样包括左右对称的长圆柱体、中间球形突起和内置于长圆柱体和中间球形突起中心的锚杆或锚索。
2.根据权利要求1所述的一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,其特征在于:所述上、下剪切装置在放置好试件后,通过前、后固定导槽使用螺栓二固定,所述螺栓二与螺栓孔二相对应,同样左、右固定圆筒使用螺栓一与上、下剪切装置的空心剪切球台固定连接,所述螺栓一与螺栓孔一相对应。
3.根据权利要求1所述的一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,其特征在于:所述上、下剪切装置可由整体切割或铸造而成,也可以由加载平板、空心剪切球台、固定托板以及竖向导轨板焊接而成。
4.根据权利要求1所述的一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,其特征在于:所述加载平板为一长方体,便于传递压力试验机载荷,其厚度为20mm,横截面为280mm×240mm。
5.根据权利要求1所述的一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,其特征在于:所述空心剪切球台为空心球被两平行的平面切割而成,一平面过球心,另一平面与之相距60mm,球外壳直径230mm,球内壳直径200mm,所述空心剪切球台外侧圆周边缘设置有深为10mm直径6mm的螺栓孔一。
6.根据权利要求1所述的一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,其特征在于:所述固定托板连接固定加载平板和空心剪切球台,为厚度20mm的不规则板。
7.根据权利要求1所述的一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,其特征在于:所述竖向导轨板与空心剪切球台、加载平板和固定托板紧密连接,其厚度为20mm,横截面为280mm×250mm,其中,上剪切装置的竖向导轨板在前后固定导槽中实现上下运动,以限制上剪切装置的剪切运动方向。
8.根据权利要求1所述的一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,其特征在于:所述左右固定圆筒根据锚杆安装角α的不同具有与之相匹配的型号,所述锚杆安装角α为空心剪切球台的中轴线与试件的中轴线之间的角度,所述锚杆安装角α优选为0°、10°、20°和30°。
9.根据权利要求8所述的一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,其特征在于:在同一锚杆安装角α下,通过改变左、右固定圆筒与上、下剪切装置的空心剪切球台上螺栓孔的对应连接方式,实现左、右固定圆筒在竖直剪切方向上不同的旋转角β。
10.根据权利要求1所述的一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,其特征在于:所述左右固定圆筒的长空心圆柱体外直径100mm,内直径80mm,长300mm。
11.根据权利要求1所述的一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,其特征在于:所述固定圆筒的空心球台与长空心圆柱体紧密连接,二者的连接角度根据锚杆安装角α设计,所述空心球台外壳直径220mm,内壳直径200mm。
12.根据权利要求1所述的一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,其特征在于:所述前后固定导槽的钢块高为280mm,横截面长宽为60mm×25mm,其中沿横截面中心截去长宽为30mm×10mm部分,使钢块内部呈凹字型,在钢块上钻凿3个直径8mm深15mm的与下剪切装置的竖向导轨板上螺栓孔二相匹配螺栓孔。
13.根据权利要求2所述的一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,其特征在于:所述螺栓一的规格为直径6mm长20mm;所述螺栓二的规格为直径8mm长30mm。
14.根据权利要求1所述的一种新型锚杆和锚索球型单剪实验装置,其特征在于:所述试样包含的圆柱体长为800mm,圆柱底面直径80mm,中间球形直径200mm,内置的锚杆或锚索直径不大于40mm。
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