CN111811850B - 一种锚杆索系统协同承载性能测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锚杆索系统协同承载性能测试装置及方法，属大变形隧道围岩支护技术领域。旨在解决隧道围岩变形控制的锚杆索协同支护设计难题。装置包括导轨构件、锚杆锚固体、锚索锚固体、牵引系统。实施时，确定要研究的影响锚杆索协同承载性能的变量，安装锚杆锚固体和锚索锚固体，利用牵引系统，同步拉伸锚杆、锚索。根据锚杆索锚固系统的失效位置、次序、模式，以及应力、变形特征，评估锚杆索协同承载性能。其结构简单，操作方便，解决了传统单根锚杆或锚索的承载性能实验研究的缺陷，实现了锚杆、锚索协同承载性能测试的目的，而且室内锚杆索协同承载实验环境与现场高度贴近，能够更科学有效指导现场施工。
Description
技术领域
本发明涉及一种协同承载性能测试装置及方法，尤其是一种适用于大变形隧道围岩支护技术领域的锚杆索系统协同承载性能测试装置及方法。
背景技术
深埋软弱破碎岩层交通、水利、矿山隧道中，围岩稳定性差，大变形灾害频发。常见的支护技术有衬砌、钢拱架、锚杆索等。锚杆索联合支护技术理念是充分锚杆和锚索各自发挥了自身的优势，在隧道开挖支护初期，以锚杆的柔性支护为主，后期以锚索的悬吊作用为主。两者不是同时联合加强支护，而是相互取长补短，从而大大改善了锚杆支护的整体支护性能，达到控制围岩大变形的目的。但由于锚杆和锚索的变形性能不一致，锚杆-锚索联合支护设计不合理，常常造成围岩锚固体协同承载性能差，锚杆早期支护不起作用，锚索延伸量超过极限而破断，无法发挥各自的优势。
目前国内外集中在研究单根锚杆或锚索的承载性能，对于锚杆索协同支护系统的研究主要是理论分析和数值模拟，但缺乏对理论分析和数值模拟的验证，因此亟需一种锚杆索系统协同承载性能测试装置及方法，以避免理论分析和数值模拟的过度及不合理简化造成的误差。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对现有技术中存在的大变形隧道支护技术难题和锚杆索参数设计问题，提供一种锚杆索系统协同承载性能测试装置及方法。
技术方案：本发明的一种锚杆索系统协同承载性能测试装置，包括导轨构件、设在导轨构件上的锚杆锚固体、锚索锚固体、以及与锚杆锚固体和锚索锚固体相连的牵引系统；
所述导轨构件包括六根长度相等的导轨，六根长度相等的导轨分上下各三根，平行布置组成长方体结构；
所述的锚杆锚固体和锚索锚固体分别设在导轨构件内；
所述的锚杆锚固体包括锚杆、锚杆锚固围限体、锚杆限位块和锚杆锁具，所述锚杆限位块为带卡套的五孔钢板结构，所述的锚杆穿过五孔钢板结构的中孔进入锚杆锚固围限体内，中孔周边的四个孔分别穿过上下左右四个导轨，通过卡套将锚杆限位块紧固在导轨上，约束锚杆限位块的移动；
所述锚索锚固体包括锚索、锚索锚固围限体、锚索限位块和锚索锁具，所述锚索限位块为带卡套的五孔钢板结构，所述的锚索穿过五孔钢板结构的中孔进入锚索锚固围限体内，中孔周边四孔穿过上下左右四个导轨，通过卡套将锚索紧固在导轨上，约束所述锚索限位块的移动；
所述牵引系统包括滑块、牵引架和牵引动力源，所述的滑块为上中下三组，分别设在牵引架前后两侧，位于长方体结构的上中下导轨中，所述的牵引架左右对称位置处设有将固定锚索和锚杆固定的通孔，牵引架与牵引动力源相连，通过牵引动力源使牵引架定向移动，进而带动锚杆锚固体和锚索锚固体定向移动。
所述分上下各三根导轨平行布置的导轨的水平间距为0.5～1.5m，导轨的垂直间距为0.2～0.5m。
所述六根长度相等的导轨的长度为2～10m，导轨的刚度是锚杆和锚索的刚度的10倍以上。
所述锚杆限位块的刚度是所述锚杆的刚度的10倍以上。
所述锚索限位块的刚度是所述锚索的刚度的10倍以上。
所述牵引架的刚度需要同时满足所述锚杆和所述锚索的10倍以上刚度两个条件。
所述的牵引动力源由伺服电机或液压伺服系统提供。
所述的锚杆锚固围限体为岩块、混凝土块或铁质套筒，所述锚索锚固围限体为岩块、混凝土块或铁质套筒。
根据上述锚杆索系统协同承载性能测试装置的试验方法，包括如下步骤：
1)确定要测试的受影响锚杆索协同承载性能的变量：包括锚杆的长度、直径、杆体型号、托盘、锁具、锚固剂和预紧力，还包括锚索的长度、直径、索体型号、托盘、锁具、锚固剂和预紧力；
2)用锚杆的杆体、锚索的索体分别将锚固剂均匀顶入锚杆锚固围限体、锚索锚固围限体中，安装锚杆锁具、锚索锁具，标记锚杆、锚索索体、锚杆锚固围限体、锚索锚固围限体、锚杆锁具、锚索锁具的位置，或布设应变片和传感器；
3)对锚杆、锚索施加设定的预紧力，之后利用牵引系统，同步拉伸锚杆和锚索；
4)根据锚杆索锚固系统的失效位置、次序、模式，以及应力、变形特征，评估锚杆索协同承载性能。
有益效果：由于采用上述技术方案：本发明针对隧道围岩变形控制的锚杆索协同支护设计的难题，解决了传统单根锚杆或锚索的承载性能实验研究的缺陷，并解决了大变形隧道支护技术难题和锚杆索参数设计问题。实施时，确定要研究的影响锚杆索协同承载性能的变量，安装锚杆锚固体和锚索锚固体，利用牵引系统，同步拉伸锚杆、锚索。根据锚杆索锚固系统的失效位置、次序、模式，以及应力、变形特征，评估锚杆索协同承载性能。实现了锚杆、锚索协同承载性能测试的目的，而且室内锚杆索协同承载实验环境与现场高度贴近，能够更科学有效指导现场施工。其结构简单、操作方便。主要优点有：
1)实现了锚杆、锚索协同承载性能测试的目的，方便技术人员解决大变形隧道的锚杆索参数设计难题；
2)实验导轨刚度相比锚杆索的刚度足够大，且“导轨-滑块结构”极大削弱了牵引系统与导轨构件的摩擦力，精巧结构确保了实验结果的精度和准确性满足科学研究需要；
3)锚杆、锚索安装工艺与现场保持一致，锚杆锚固围限体和锚索锚固围限体采用现场采样岩石，室内锚杆索协同承载实验环境与现场高度贴近，能够更有效指导现场施工。
附图说明
图1是本发明的锚杆索系统协同承载性能测试装置结构示意图；
图2是本发明的锚杆、锚杆锚固围限体及锚杆限位块的立体结构示意图；
图3是本图1中牵引架区域的A-A剖视结构示意图。
图中：1-导轨构件，2-锚杆锚固体，3-锚索锚固体，4-牵引系统，1-1-导轨，2-1-锚杆，2-2-锚杆锚固围限体，2-3-锚杆限位块，2-3-1-锚杆限位块的卡套，2-4-锚杆锁具，3-1-锚索，3-2-锚索锚固围限体，3-3-锚索限位块，3-3-1-锚索限位块的卡套，3-4-锚索锁具，4-1-滑块，4-2-牵引架，4-3-牵引动力源。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的说明：
本发明的用于锚杆索协同承载性能测试装置，主要由导轨构件1、设在导轨构件1上的锚杆锚固体2、锚索锚固体3、以及与锚杆锚固体2和锚索锚固体3相连的牵引系统4构成；
所述导轨构件1包括六根长度相等的导轨1-1，六根长度相等的导轨1-1分上下各三根，平行布置组成长方体结构；所述分上下各三根导轨平行布置的导轨1-1的水平间距为0.5～1.5m，导轨1-1的垂直间距为0.2～0.5m。所述六根长度相等的导轨1-1的长度为2～10m，导轨1-1的刚度是锚杆2-1和锚索3-1的刚度的10倍以上。
所述的锚杆锚固体2和锚索锚固体3分别设在导轨构件1内；
所述的锚杆锚固体2包括锚杆2-1、锚杆锚固围限体2-2、锚杆限位块2-3和锚杆锁具2-4，所述的锚杆锚固围限体2-2为岩块、混凝土块或铁质套筒；所述锚杆限位块2-3为带卡套2-3-1的五孔钢板结构，所述的锚杆2-1穿过五孔钢板结构的中孔进入锚杆锚固围限体2-2内，中孔周边的四个孔分别穿过上下左右四个导轨1-1，通过卡套2-3-1将锚杆限位块2-3紧固在导轨1-1上，约束锚杆限位块2-3的移动；所述锚杆限位块2-3的刚度是所述锚杆2-1的刚度的10倍以上。
所述锚索锚固体3包括锚索3-1、锚索锚固围限体3-2、锚索限位块3-3和锚索锁具3-4，所述锚索锚固围限体3-2为岩块、混凝土块或铁质套筒。所述锚索限位块3-3为带卡套3-3-1的五孔钢板结构，所述的锚索3-1穿过五孔钢板结构的中孔进入锚索锚固围限体3-2内，中孔周边四孔穿过上下左右四个导轨1-1，通过卡套3-3-1将锚索3-1紧固在导轨1-1上，约束所述锚索限位块3-3的移动；所述锚索限位块3-3的刚度是所述锚索3-1的刚度的10倍以上。
所述牵引系统4包括滑块4-1、牵引架4-2和牵引动力源4-3，所述的滑块4-1为上中下三组，分别设在牵引架4-2前后两侧，位于长方体结构的上中下导轨1-1中，所述的牵引架4-2左右对称位置处设有将固定锚索3-1和锚杆2-1固定的通孔，牵引架4-2与牵引动力源4-3相连，通过牵引动力源4-3使牵引架4-2定向移动，进而带动锚杆锚固体2和锚索锚固体3定向移动。所述牵引架4-2的刚度需要同时满足所述锚杆2-1和所述锚索3-1的10倍以上刚度两个条件；所述的牵引动力源4-3由伺服电机或液压伺服系统提供。
本发明的锚杆索系统协同承载性能测试方法，包括如下步骤：
1)确定要测试的受影响锚杆索协同承载性能的变量：包括锚杆2-1的长度、直径、杆体型号、托盘、锁具、锚固剂和预紧力，还包括锚索3-1的长度、直径、索体型号、托盘、锁具、锚固剂和预紧力；
2)用锚杆2-1的杆体、锚索3-1的索体分别将锚固剂均匀顶入锚杆锚固围限体2-2、锚索锚固围限体3-2中，安装锚杆锁具2-4、锚索锁具3-4，标记锚杆2-1、锚索索体3-1、锚杆锚固围限体2-2、锚索锚固围限体3-2、锚杆锁具2-4、锚索锁具3-4的位置，或布设应变片和传感器；
3)对锚杆2-1、锚索3-1施加设定的预紧力，之后利用牵引系统4，同步拉伸锚杆2-1、锚索3-1；
4)根据锚杆索锚固系统的失效位置、次序、模式，以及应力、变形特征，评估锚杆索协同承载性能。
实施例1、导轨1-1的水平间距为0.5m，导轨1-1的垂直间距为0.5m，导轨1-1的长度为10m，导轨1-1的刚度是锚杆2-1和锚索3-1的刚度的10倍；锚杆限位块2-3的刚度是锚杆2-1的刚度的10倍；锚索限位块3-3的刚度是所述锚索3-1的刚度的10倍；牵引架4-2的刚度需要同时满足锚杆2-1的刚度的10倍、锚索3-1的刚度的10倍以上的两个条件。
具体实施中，
1)某隧道支护设计为锚杆长度2.6m、直径25mm，锚固长度1.8m，采用150×150×8mm蝶形托盘，预紧力80kN；锚索长度6.3m、直径17.8mm，锚固长度1.7m，预紧力100kN。对比采用规格150×150×8mm和150×150×15mm锚索蝶形托盘等该两种工况下，锚杆索协同承载性能特征；
2)用锚杆杆体、锚索索体分别将锚固剂均匀顶入锚杆锚固围限体、锚索锚固围限体，安装锚杆锁具、锚索锁具，在锚杆杆体、锚索索体、锚杆锚固围限体、锚索锚固围限体、锚杆锁具、锚索锁具等位置标记，或粘贴应变片和传感器。
3)对锚杆、锚索施加设定的预紧力，之后利用牵引系统，同步拉伸锚杆、锚索。
4)记录锚杆索锚固系统的失效位置、次序、模式，以及应力、变形特征，评估锚杆索协同承载性能。实验结果表明采用锚索蝶形托盘150×150×15mm时，锚杆索极限承载力更高，更加能够实现协同承载。
Claims (9)
1.一种锚杆索系统协同承载性能测试装置，其特征在于：它包括导轨构件（1）、设在导轨构件（1）上的锚杆锚固体（2）、锚索锚固体（3）、以及与锚杆锚固体（2）和锚索锚固体（3）相连的牵引系统（4）；
所述导轨构件（1）包括六根长度相等的导轨（1-1），六根长度相等的导轨（1-1）分上下各三根，平行布置组成长方体结构；
所述的锚杆锚固体（2）和锚索锚固体（3）分别设在导轨构件（1）内；
所述的锚杆锚固体（2）包括锚杆（2-1）、锚杆锚固围限体（2-2）、锚杆限位块（2-3）和锚杆锁具（2-4），所述锚杆限位块（2-3）为带卡套（2-3-1）的五孔钢板结构，所述的锚杆（2-1）穿过五孔钢板结构的中孔进入锚杆锚固围限体（2-2）内，中孔周边的四个孔分别穿过上下左右四个导轨（1-1），通过卡套（2-3-1）将锚杆限位块（2-3）紧固在导轨（1-1）上，约束锚杆限位块（2-3）的移动；
所述锚索锚固体（3）包括锚索（3-1）、锚索锚固围限体（3-2）、锚索限位块（3-3）和锚索锁具（3-4），所述锚索限位块（3-3）为带卡套（3-3-1）的五孔钢板结构，所述的锚索（3-1）穿过五孔钢板结构的中孔进入锚索锚固围限体（3-2）内，中孔周边四孔穿过上下左右四个导轨（1-1），通过卡套（3-3-1）将锚索（3-1）紧固在导轨（1-1）上，约束所述锚索限位块（3-3）的移动；
所述牵引系统（4）包括滑块（4-1）、牵引架（4-2）和牵引动力源（4-3），所述的滑块（4-1）为上下各三组，分别设在牵引架（4-2）前后两侧，位于长方体结构的上下导轨（1-1）中，所述的牵引架（4-2）左右对称位置处设有将固定锚索（3-1）和锚杆（2-1）固定的通孔，牵引架（4-2）与牵引动力源（4-3）相连，通过牵引动力源（4-3）使牵引架（4-2）定向移动，进而带动锚杆锚固体（2）和锚索锚固体（3）定向移动。
2.根据权利要求1所述的锚杆索系统协同承载性能测试装置，其特征在于：所述分上下各三根导轨平行布置的导轨（1-1）的水平间距为0.5~1.5m，导轨（1-1）的垂直间距为0.2~0.5m。
3.根据权利要求1所述的锚杆索系统协同承载性能测试装置，其特征在于：所述六根长度相等的导轨（1-1）的长度为2~10m，导轨（1-1）的刚度是锚杆（2-1）和锚索（3-1）的刚度的10倍以上。
4.根据权利要求1所述的锚杆索系统协同承载性能测试装置，其特征在于：所述锚杆限位块（2-3）的刚度是所述锚杆（2-1）的刚度的10倍以上。
5.根据权利要求1所述的锚杆索系统协同承载性能测试装置，其特征在于：所述锚索限位块（3-3）的刚度是所述锚索（3-1）的刚度的10倍以上。
6.根据权利要求1所述的锚杆索系统协同承载性能测试装置，其特征在于：所述牵引架（4-2）的刚度需要同时满足所述锚杆（2-1）和所述锚索（3-1）的10倍以上刚度两个条件。
7.根据权利要求1所述的锚杆索系统协同承载性能测试装置，其特征在于：所述的牵引动力源（4-3）由伺服电机或液压伺服系统提供。
8.根据权利要求1所述的锚杆索系统协同承载性能测试装置，其特征在于：所述的锚杆锚固围限体（2-2）为岩块、混凝土块或铁质套筒，所述锚索锚固围限体（3-2）为岩块、混凝土块或铁质套筒。
9.根据权利要求1-8项任意项所述锚杆索系统协同承载性能测试装置的试验方法，其特征在于包括如下步骤：
1）确定要测试的受影响锚杆索协同承载性能的变量：包括锚杆（2-1）的长度、直径、杆体型号、托盘、锁具、锚固剂和预紧力，还包括锚索（3-1）的长度、直径、索体型号、托盘、锁具、锚固剂和预紧力；
2）用锚杆（2-1）的杆体、锚索（3-1）的索体分别将锚固剂均匀顶入锚杆锚固围限体（2-2）、锚索锚固围限体（3-2）中，安装锚杆锁具（2-4）、锚索锁具（3-4），标记锚杆（2-1）、锚索索体（3-1）、锚杆锚固围限体（2-2）、锚索锚固围限体（3-2）、锚杆锁具（2-4）、锚索锁具（3-4）的位置，或布设应变片和传感器；
3）对锚杆（2-1）、锚索（3-1）施加设定的预紧力，之后利用牵引系统（4），同步拉伸锚杆（2-1）、锚索（3-1）；
4）根据锚杆索锚固系统的失效位置、次序、模式，以及应力、变形特征，评估锚杆索协同承载性能。
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