CN111879604B - 加锚结构面锚固性能试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种加锚结构面锚固性能试验仪，属于加锚岩体试验设备技术领域，包括支撑框架、剪切盒机构、法向压力加载机构、法向拉力加载机构、水平荷载加载机构和扭矩加载机构；剪切盒机构设在支撑框架内，内部用于安放试件；法向压力加载机构设在支撑框架和剪切盒机构之间，用于对剪切盒机构施加法向压力；法向拉力加载机构设在支撑框架和剪切盒机构之间，用于对剪切盒机构施加法向拉力；水平荷载加载机构设在支撑框架和剪切盒机构之间，用于对剪切盒机构施加水平荷载；扭矩加载机构设在支撑框架和剪切盒机构之间，用于对剪切盒机构施加扭矩。本发明结构简单，使用方便，能够更为准确地模拟真实的岩体状态。

Description

加锚结构面锚固性能试验仪

技术领域

本发明属于加锚岩体试验设备技术领域，更具体地说，是涉及一种加锚结构面锚固性能试验仪。

背景技术

结构面广泛存在于工程岩体中，许多岩体工程的失稳破坏通常由于岩块沿结构面发生剪切滑移、错动或分离而产生。锚杆可以有效地限制岩块间的相对位移，提高裂隙岩体的整体稳定性。

现有的直剪仪等试验设备在进行室内试验时，是将加锚试样放在上下剪切盒内，然后对上剪切盒施加法向压力，并对下剪切盒施加水平剪切力，使加锚试样沿上、下剪切盒水平接触面发生剪切位移。可见，现有的直剪仪仍局限于对加锚岩体进行压剪试验。而实际工程中，由于裂隙岩体存在的环境错综复杂，因而加锚岩体受力及变形情况也多式多样，加锚岩体除受压剪荷载外，还可能受拉剪荷载，同时还可能受到扭矩的作用发生扭转变形，现有的直剪仪并不能满足这种实验要求，难以更为准确地模拟真实的岩体状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种加锚结构面锚固性能试验仪，以解决现有技术中存在的直剪仪等试验设备难以更为准确地模拟真实的岩体状态的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种加锚结构面锚固性能试验仪，包括支撑框架、剪切盒机构、法向压力加载机构、法向拉力加载机构、水平荷载加载机构和扭矩加载机构；剪切盒机构设在支撑框架内，内部用于安放试件；法向压力加载机构设在支撑框架和剪切盒机构之间，用于对剪切盒机构施加法向压力；法向拉力加载机构设在支撑框架和剪切盒机构之间，用于对剪切盒机构施加法向拉力；水平荷载加载机构设在支撑框架和剪切盒机构之间，用于对剪切盒机构施加水平荷载；扭矩加载机构设在支撑框架和剪切盒机构之间，用于对剪切盒机构施加扭矩。

在本发明的一个实施例中，支撑框架包括支座和主梁，支座内部设有用于放置剪切盒机构的容置槽；主梁设在支座上，且横置在容置槽上方。

在本发明的一个实施例中，剪切盒机构包括下剪切盒、上剪切盒和加载杆，下剪切盒设有用于容纳试件下部的第一容纳腔，并与支座通过单向限位结构连接，以限制沿下剪切盒沿法向拉力方向的运动；上剪切盒用于与下剪切盒扣合配合，并设有用于容纳试件上部的第二容纳腔和连通第二容纳腔与外部的穿设孔；加载杆用于穿过穿设孔和预设在试件上的通孔，以贯穿上剪切盒和试件。

在本发明的一个实施例中，法向拉力加载机构包括两个法向拉力液压缸、横梁和两个抱爪，两个法向拉力液压缸均设在支座上；横梁横置在容置槽上方，且两端分别与其中一个法向拉力液压缸的外端连接；两个抱爪均设在横梁上，且分别位于上剪切盒的两侧，并分别与加载杆的两端卡接，以在法向拉力液压缸的驱动下对试件加载拉力。

在本发明的一个实施例中，抱爪内侧和上剪切盒用于朝向与抱爪的侧面均为圆弧面，抱爪内侧设有若干沟槽，其中至少一个沟槽内设有用于对加载杆进行限位的限位槽，其他的沟槽内设有用于减小上剪切盒和抱爪之间摩擦的第二滚珠。

在本发明的一个实施例中，法向压力加载机构包括设在主梁和剪切盒机构之间且用于对剪切盒机构进行顶压的法向压力液压缸；横梁上设有用于法向压力液压缸穿过的避让孔；抱爪通过第一滚珠与支座内壁滑动连接。

在本发明的一个实施例中，水平荷载加载机构包括水平荷载液压缸和仪表安装座，水平荷载液压缸一端与支座的容置槽的侧壁固定连接，另一端用于与下剪切盒侧面抵接，仪表安装座设在容置槽侧壁上，且位于水平荷载液压缸的对侧，用于安装检测下剪切盒沿水平荷载施加方向的位移的计量仪表。

在本发明的一个实施例中，下剪切盒设有转轴竖向设置的轴承，轴承与支座的容置槽的底部沿水平荷载施加方向滑动连接。

在本发明的一个实施例中，扭矩加载机构包括两个扭矩加载液压缸，两个扭矩加载液压缸分别设在下剪切盒两侧，且分别通过滑动连接组件与容置槽的侧壁滑动连接，以调节扭矩加载液压缸的力臂。

在本发明的一个实施例中，容置槽的侧壁上设有水平的滑槽，滑动连接组件包括滑动板、T型滑块、两个限位挡板和两个调节螺栓，滑动板与扭矩加载液压缸固定连接；T型滑块设在滑动板上，且与滑槽滑动配合；两个限位挡板均设在容置槽的侧壁上，并均设有螺孔，且分别位于滑动板两侧；两个调节螺栓每个调节螺栓通过螺孔与其中一个限位挡板连接，且内端用于与滑动板抵接，以调节滑动板在容置槽的侧壁上的位置。

本发明提供的加锚结构面锚固性能试验仪的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过将剪切盒机构、法向压力加载机构、法向拉力加载机构、水平荷载加载机构和扭矩加载机构集成在支撑框架内，能够实现“压-剪-扭”试验和“拉-剪-扭”试验，结构简单，使用方便，能够更为准确地模拟真实的岩体状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的加锚结构面锚固性能试验仪的主视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的加锚结构面锚固性能试验仪的侧视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的加锚结构面锚固性能试验仪的上剪切盒的侧视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的加锚结构面锚固性能试验仪的上剪切盒的俯视结构示意图；

图5为本发明实施例提供的加锚结构面锚固性能试验仪的下剪切盒的侧视结构示意图；

图6为本发明实施例提供的加锚结构面锚固性能试验仪的下剪切盒的俯视结构示意图；

图7为本发明实施例提供的加锚结构面锚固性能试验仪的横梁的主视结构示意图；

图8为本发明实施例提供的加锚结构面锚固性能试验仪的横梁的俯视结构示意图；

图9为图7中的A-A部位的剖面示意图；

图10为图7中的B-B部位的剖面示意图；

图11为本发明实施例提供的加锚结构面锚固性能试验仪的扭矩加载状态的结构示意图；

图12为图11中的C-C部位的剖面示意图。

其中，图中各附图标记如下：

1、支撑框架；2、法向压力液压缸；3、水平荷载液压缸；4、横梁；5、法向拉力液压缸；6、沟槽；7、第一滚珠；8、加载杆；9、上剪切盒；10、下剪切盒；11、凸块；12、轴承；13、仪表安装座；14、容置槽侧壁；15、穿设孔；16、避让孔；17、限位槽；18、第二滚珠；19、扭矩加载液压缸；20、滑动板；21、限位挡板；22、调节螺栓；23、T型滑块；24、支座；25、抱爪。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现对本发明提供的一种加锚结构面锚固性能试验仪进行说明。

请一并参阅图1及图2，本发明提供的加锚结构面锚固性能试验仪，包括支撑框架、剪切盒机构、法向压力加载机构、法向拉力加载机构、水平荷载加载机构和扭矩加载机构；剪切盒机构设在支撑框架内，内部用于安放试件；法向压力加载机构设在支撑框架和剪切盒机构之间，用于对剪切盒机构施加法向压力；法向拉力加载机构设在支撑框架和剪切盒机构之间，用于对剪切盒机构施加法向拉力；水平荷载加载机构设在支撑框架和剪切盒机构之间，用于对剪切盒机构施加水平荷载；扭矩加载机构设在支撑框架和剪切盒机构之间，用于对剪切盒机构施加扭矩。

本发明提供的加锚结构面锚固性能试验仪，与现有技术相比，通过将剪切盒机构、法向压力加载机构、法向拉力加载机构、水平荷载加载机构和扭矩加载机构集成在支撑框架内，能够实现“压-剪-扭”试验和“拉-剪-扭”试验，结构简单，使用方便，能够更为准确地模拟真实的岩体状态。

请一并参阅图1至图10，作为本发明提供的加锚结构面锚固性能试验仪的一种具体实施方式，支撑框架包括支座24和主梁1，支座24内部设有用于放置剪切盒机构的容置槽；主梁1设在支座24上，且横置在容置槽上方。

剪切盒机构包括下剪切盒10、上剪切盒9和加载杆8，下剪切盒10设有用于容纳试件下部的第一容纳腔，并与支座24通过单向限位结构连接，以限制沿下剪切盒10沿法向拉力方向的运动；上剪切盒9用于与下剪切盒10扣合配合，并设有用于容纳试件上部的第二容纳腔和连通第二容纳腔与外部的穿设孔；加载杆8用于穿过穿设孔和预设在试件上的通孔，以贯穿上剪切盒9和试件。

法向拉力加载机构包括两个法向拉力液压缸5、横梁4和两个抱爪25，两个法向拉力液压缸5均设在支座24上；横梁4横置在容置槽上方，且两端分别与其中一个法向拉力液压缸5的外端连接；两个抱爪25均设在横梁4上，且分别位于上剪切盒9的两侧，并分别与加载杆8的两端卡接，以在法向拉力液压缸5的驱动下对试件加载拉力。

抱爪25内侧和上剪切盒9用于朝向与抱爪25的侧面均为圆弧面，抱爪25内侧设有若干沟槽6，其中至少一个沟槽6内设有用于对加载杆8进行限位的限位槽17，其他的沟槽6内设有用于减小上剪切盒9和抱爪25之间摩擦的第二滚珠18。

法向压力加载机构包括设在主梁1和剪切盒机构之间且用于对剪切盒机构进行顶压的法向压力液压缸2；横梁4上设有用于法向压力液压缸2穿过的避让孔16；抱爪25通过第一滚珠7与支座24内壁滑动连接。

水平荷载加载机构包括水平荷载液压缸3和仪表安装座13，水平荷载液压缸3一端与支座24的容置槽的侧壁固定连接，另一端用于与下剪切盒10侧面抵接，仪表安装座13设在容置槽侧壁上，且位于水平荷载液压缸3的对侧，用于安装检测下剪切盒10沿水平荷载施加方向的位移的计量仪表。

下剪切盒10设有转轴竖向设置的轴承12，轴承12与支座24的容置槽的底部沿水平荷载施加方向滑动连接。

请一并参阅图11和图12，作为本发明提供的加锚结构面锚固性能试验仪的一种具体实施方式，扭矩加载机构包括两个扭矩加载液压缸19，两个扭矩加载液压缸19分别设在下剪切盒10两侧，且分别通过滑动连接组件与容置槽的侧壁滑动连接，以调节扭矩加载液压缸19的力臂。

容置槽的侧壁上设有水平的滑槽，滑动连接组件包括滑动板20、T型滑块23、两个限位挡板21和两个调节螺栓22，滑动板20与扭矩加载液压缸19固定连接；T型滑块23设在滑动板20上，且与滑槽滑动配合；两个限位挡板21均设在容置槽的侧壁上，并均设有螺孔，且分别位于滑动板20两侧；两个调节螺栓22每个调节螺栓22通过螺孔与其中一个限位挡板21连接，且内端用于与滑动板20抵接，以调节滑动板20在容置槽的侧壁上的位置。

本发明通过各部件的配合将剪切盒机构、法向压力加载机构、法向拉力加载机构、水平荷载加载机构和扭矩加载机构集成在支撑框架内，能够实现“压-剪-扭”试验和“拉-剪-扭”试验，能够更为准确地模拟真实的岩体状态，在使用时各部件之间不会相互影响，操作方便。

下面参照附图，以具体实施例对本发明进行介绍。

请参阅图1与图2，支撑框架1材料为刚度较大的钢板，左右两侧对称设有矩形开口，前后两侧对称设有容置槽侧壁14，容置槽侧壁14与支撑框架1连接方式为焊接。整个支撑框架可用于安装法向压力加载机构、水平荷载加载机构、法向拉力加载机构、扭矩加载机构和剪切机构的相关仪器设备，并为试验提供操作空间。

请参阅图1与图11，法向压力机构、水平荷载加载机构以及扭矩加载机构施力组件均为分离式液压液压缸，且法向压力液压缸2固定于支撑框架1顶部中央，水平荷载液压缸3固定于支撑框架1左侧中央，扭矩加载液压缸19固定于前后两侧滑动板20中央。

请参阅图1、图3～图6，剪切机构包括上剪切盒9、下剪切盒10、底部轴承12和右侧仪表安装座13。上剪切盒9、下剪切盒10形状均为中部矩形两侧半圆形；上剪切盒9盒身开设有两组穿设孔15，能使加载杆8恰好通过；下剪切盒10左侧中央有一凸块11，凸块11表面为平面，形状为圆形，与水平荷载液压缸3活塞正对且大小相等；下剪切盒10底部设有球形轴承12，用以减小下剪切盒10与支撑框架1底部的摩擦，使得下剪切盒10在水平荷载加载机构的作用下发生剪切位移；支撑框架1右侧与下剪切盒10中部正对位置处设有仪表安装座13，用以放置百分表测量下剪切盒的剪切位移。

请参阅图1～图4、图7～图10，法向拉力加载机构由一横梁4和左右对称放置的法向拉力液压缸5组成。横梁4顶部中央设有避让孔16，且避让孔16大小略大于法向压力液压缸2横截面大小，以保证法向压力液压缸2能顺利穿过；横梁4夹持部分中部设有沟槽6，沟槽6对称设有限位槽17，用以放置与上剪切盒9穿过的加载杆8，夹持部分上下侧对称布设两排第二滚珠18，第二滚珠18能减小上剪切盒9在旋转时的摩擦；横梁4夹持部分与支撑框架1之间左右对称布设两排第一滚珠7，以减小横梁4在法向拉力液压缸5的作用力下向上提升时与支撑框架1间的摩擦；与上剪切盒9右侧接触的横梁4夹持部分同时起到限制上剪切盒9发生水平位移的作用；横梁4外伸部分穿过支撑框架1上部的矩形开口，并能在法向拉力液压缸5的荷载下向上提升。

请参阅图11与图12，扭矩加载机构前后对称设置，包括容置槽侧壁14、滑动板20、扭矩加载液压缸19、限位挡板21和调节螺栓22。扭矩加载液压缸19固定于滑动板20中央，滑动板20底部设有T型滑块23，容置槽侧壁14与滑动板20接触面上有与T型滑块23相匹配的T型滑槽。滑动板20两端位于容置槽侧壁14上对称设有限位挡板21，限位挡板21上设有调节螺栓22。施加扭矩时，滑动滑动板20至指定位置，使扭矩加载液压缸19中心线与上剪切盒9中心线产生偏差，拧紧调节螺栓22，使扭矩加载液压缸19位置维持稳定，对前后对称设置的扭矩加载机构保持相同操作，同时让前后两侧的扭矩加载液压缸19对上剪切盒9施加相同大小的力进行加载，使上剪切盒9发生旋转，从而达到施加扭矩的目的。

请参照图1至图12，本实施例的工作过程如下：

(1)浇筑试样，预留能使加载杆8穿过的圆形孔洞以及放置锚杆的孔洞。

(2)加锚杆锚固试样，放入剪切盒中，将两根加载杆8穿过上剪切盒9的穿设孔15，放入沟槽6中，移动至限位槽17处，使之卡住加载杆8。

(3)开展试验：1)若开展“压-剪-扭”试验：移动前后两侧滑动板20至指定位置处，锁紧调节螺栓22，将前后两侧的扭矩加载液压缸19外接油泵，对上剪切盒9施加相同大小的力进行加载，从而使上剪切盒9发生旋转，其施加的扭矩值为扭矩加载液压缸19对上剪切盒9施加的荷载大小与前后两侧两扭矩加载液压缸19中心线距离的乘积。将法向压力液压缸2外接油泵，加载至法向压力液压缸2活塞与上剪切盒9的上表面接触后，继续加载至油泵上的压力表达到指定数值后停止加载，记录此时的读数。在仪表安装座13上安装百分表，将水平荷载液压缸3顶外接油泵，加载至水平荷载液压缸3活塞恰好与下剪切盒10侧表面的凸块11接触时，记录此时百分表的初始读数。保持法向荷载恒定，逐级施加水平剪切荷载，每级荷载施加后，立即测读水平荷载液压缸3油泵上压力表的数值以及百分表上的剪切位移值。剪切结束标志：水平荷载液压缸3油泵上压力表数值不再上升，甚至回退。调整不同等级法向压力和不同初始设计扭矩值，重复上述步骤，对其他加锚试样进行试验；2)若开展“拉-剪-扭”试验：其他步骤与“压-剪-扭”试验相同，仅将法向压力加载步骤替换为法向拉力加载步骤：即将左右两侧法向拉力液压缸5外接油泵，加载至法向拉力液压缸5活塞与横梁4外伸部分接触后，继续加载至油泵上的压力表达到指定数值后停止加载，记录此时的读数。

(4)试验结束，拆除仪表，安放仪器。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种加锚结构面锚固性能试验仪，其特征在于，包括：

支撑框架；

剪切盒机构，设在所述支撑框架内，内部用于安放试件；

法向压力加载机构，设在所述支撑框架和所述剪切盒机构之间，用于对所述剪切盒机构施加法向压力；

法向拉力加载机构，设在所述支撑框架和所述剪切盒机构之间，用于对所述剪切盒机构施加法向拉力；

水平荷载加载机构，设在所述支撑框架和所述剪切盒机构之间，用于对所述剪切盒机构施加水平荷载；以及

扭矩加载机构，设在所述支撑框架和所述剪切盒机构之间，用于对所述剪切盒机构施加扭矩；

所述支撑框架包括：

支座(24)，内部设有用于放置所述剪切盒机构的容置槽；

主梁(1)，设在所述支座(24)上，且横置在所述容置槽上方；

所述剪切盒机构包括：

下剪切盒(10)，设有用于容纳试件下部的第一容纳腔，并与所述支座(24)通过单向限位结构连接，以限制沿所述下剪切盒(10)沿法向拉力方向的运动；

上剪切盒(9)，用于与所述下剪切盒(10)扣合配合，并设有用于容纳试件上部的第二容纳腔和连通所述第二容纳腔与外部的穿设孔；

加载杆(8)，用于穿过所述穿设孔和预设在所述试件上的通孔，以贯穿所述上剪切盒(9)和所述试件；

所述法向拉力加载机构包括：

两个法向拉力液压缸(5)，均设在所述支座(24)上；

横梁(4)，横置在所述容置槽上方，且两端分别与其中一个所述法向拉力液压缸(5)的外端连接；

两个抱爪(25)，均设在所述横梁(4)上，且分别位于所述上剪切盒(9)的两侧，并分别与所述加载杆(8)的两端卡接，以在所述法向拉力液压缸(5)的驱动下对所述试件加载拉力；

所述抱爪(25)内侧和所述上剪切盒(9)用于朝向与所述抱爪(25)的侧面均为圆弧面，所述抱爪(25)内侧设有若干沟槽(6)，其中至少一个所述沟槽(6)内设有用于对所述加载杆(8)进行限位的限位槽(17)，其他的所述沟槽(6)内设有用于减小所述上剪切盒(9)和所述抱爪(25)之间摩擦的第二滚珠(18)；

所述法向压力加载机构包括设在所述主梁(1)和所述剪切盒机构之间且用于对所述剪切盒机构进行顶压的法向压力液压缸(2)；所述横梁(4)上设有用于法向压力液压缸(2)穿过的避让孔(16)；所述抱爪(25)通过第一滚珠(7)与所述支座(24)内壁滑动连接；

所述扭矩加载机构包括两个扭矩加载液压缸(19)，两个所述扭矩加载液压缸(19)分别设在下剪切盒(10)两侧，且分别通过滑动连接组件与所述容置槽的侧壁滑动连接，以调节所述扭矩加载液压缸(19)的力臂；

所述容置槽的侧壁上设有水平的滑槽，所述滑动连接组件包括：

滑动板(20)，与所述扭矩加载液压缸(19)固定连接；

T型滑块(23)，设在所述滑动板(20)上，且与所述滑槽滑动配合；

两个限位挡板(21)，均设在所述容置槽的侧壁上，并均设有螺孔，且分别位于所述滑动板(20)两侧；

两个调节螺栓(22)，每个所述调节螺栓(22)通过所述螺孔与其中一个所述限位挡板(21)连接，且内端用于与所述滑动板(20)抵接，以调节所述滑动板(20)在所述容置槽的侧壁上的位置。

2.如权利要求1所述的加锚结构面锚固性能试验仪，其特征在于：所述水平荷载加载机构包括水平荷载液压缸(3)和仪表安装座(13)，所述水平荷载液压缸(3)一端与所述支座(24)的容置槽的侧壁固定连接，另一端用于与所述下剪切盒(10)侧面抵接，所述仪表安装座(13)设在所述容置槽侧壁上，且位于所述水平荷载液压缸(3)的对侧，用于安装检测所述下剪切盒(10)沿所述水平荷载施加方向的位移的计量仪表。

3.如权利要求1所述的加锚结构面锚固性能试验仪，其特征在于：所述下剪切盒(10)设有转轴竖向设置的轴承(12)，所述轴承(12)与所述支座(24)的容置槽的底部沿所述水平荷载施加方向滑动连接。

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