CN114894636A - 复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置及操作方法 - Google Patents

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CN114894636A CN202210410651.2A CN202210410651A CN114894636A CN 114894636 A CN114894636 A CN 114894636A CN 202210410651 A CN202210410651 A CN 202210410651A CN 114894636 A CN114894636 A CN 114894636A
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Abstract

本发明公开一种复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置及操作方法，尤其适用于水利、隧道、矿山的锚杆/索支护领域。基于万能试验机，包括底座，底座上垂直设有平行设置的侧低座和侧高座，其中底座与侧低座之间设有高度可调的垫板，侧低座和侧高座之间设有用以改变剪切间隙的间距调整装置，侧低座和侧高座上均设有用以固定被测锚杆/索的锚杆/索夹持机构，侧低座的锚杆/索夹持机构通过调整不同高度的垫板从而改变被侧低座和侧高座夹持的测锚杆/索的水平角度，侧低座与侧高座之间的剪切间隙中垂直设有剪切头。其结构简单、使用方便、功能可扩展性好、适用性好。

Description

复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置及操作方法
技术领域
本发明涉及一种复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置及操作方法，尤其适用于水利、隧道、矿山的锚杆/索支护检测使用。
技术背景
目前，锚杆/索支护技术在国内外得到普遍应用，锚杆/索使用量巨大，但锚杆/索在井下破断时有发生，锚杆/索剪切和拉剪破坏成为锚杆/索失效的首要问题，严重影响井下安全高效生产。但锚杆/索相关基础力学测试大多只是锚杆/索拉拔测试，锚杆剪切试验很少，锚索的剪切测试几乎没有，锚杆/索的拉剪测试更是少之又少，且大多只是加锚固体的抗剪试验或者只考虑单一因素的拉剪试验。但井下锚杆/索安装条件极为复杂，不同的布置角度、不同的岩层错动宽度、不同的预紧力、不同的剪切间隙都可能导致锚杆/索抗剪性能发生变化。因此设计一种用于测试复杂工况下锚杆/索剪切性能的试验装置及操作方法，一方面可以有效减少锚杆/索支护失效的情况，为井下安全高效生产提供保障，另一方面可以避免支护过度，降低支护成本。
专利CN109115632A提出的一种锚固体综合剪切实验装置及其实验方法，该装置通过三个混凝土试块对锚杆进行剪切试验，虽有一定的参考价值，但该装置大多只能将锚杆剪弯，不能剪断锚杆，对井下现场锚杆支护参考有限；专利CN108387459B提出的一种锚杆/索抗剪切性能测试装置及测试方法，能够检测所有常见的锚杆/索产品的抗剪切性能。但井下锚杆/索受力十分复杂，一般都会受到既拉又剪的应力，而该装置不能模拟锚杆/索的拉剪测试，为井下复杂受力环境下的锚杆安全高效使用提供的数据有限；专利CN105954098A提出的锚杆拉伸剪切试验装置和方法对认识锚杆在水平状态时的拉伸和剪切综合作用下破坏机制有重要意义。但井下巷道帮角和肩角处锚杆/索安装一般都是倾斜安装，锚杆/索发生破断往往也是这这些部位，只对锚杆锚索进行水平的拉剪测试是明显存在不足的。
针对上述问题，尚缺少一种可以在岩层不同错动宽度、不同剪切间隙、杆体不同角度和预拉力下进行剪切测试的装置及相关测试方法，无法实现真正安全高效的支护。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单，使用方便，适用性广的复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置及操作方法。
为了实现上述技术目的，本发明的一种复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置，设置在万能试验机上使用，包括底座，底座上垂直设有平行设置的侧低座和侧高座，其中底座与侧低座之间设有高度可调的垫板，通过调节垫板从而调整侧低座的高度；侧低座和侧高座之间设有用以改变剪切间隙的间距调整装置，通过调节间距调整装置从而改变侧低座和侧高座在底座上的相对位置，实现针对测试试样的不同剪切间隙；侧低座和侧高座上均设有用以固定被测锚杆/索的锚杆/索夹持机构，侧低座的锚杆/索夹持机构通过调整不同高度的垫板从而改变被侧低座和侧高座夹持的测锚杆/索的水平角度，侧低座与侧高座之间的剪切间隙中垂直设有剪切头，剪切头中设有允许被测锚杆/索穿过的通孔，所述通孔的角度与被测锚杆/索在锚杆/索夹持机构上的夹持角度匹配。
进一步，设置在剪切头两侧的侧低座与侧高座之间根据剪切间隙分别设置有上垫板a和上垫板b，上垫板a和上垫板b的厚度根据需要设定，若剪切间隙与剪切头相同，则无需设置上垫板a和上垫板b。在上垫板a和上垫板b之间水平设置有U形结构导向板，通过物理约束剪切头使其只有一个向下的自由度。
进一步，设有上垫板a的侧低座上通过水平设置的螺栓a在外侧设有防止衬座滑动的挡板a。
进一步，锚杆/索夹持机构包括设置在侧低座与侧高座上并且成对设置的衬座，成对设置的衬座中设有允许被测锚杆/索穿过的通孔，不同的成对衬座的通孔具有不同的角度，通过调整侧低座下方垫板的高度以安装不同角度的衬座，从而实现改变被测锚杆/索的夹持角度，调整侧低座的高度具体通过更换不同高度的垫板实现，调整不同的衬座后同时更换与衬座角度匹配的剪切头实现对被测锚杆/索的不同角度状态的剪切测试，衬座的外侧还设有旋紧在被测锚杆/索上的螺母从而保证被测锚杆/索被固定在衬座中不会移动，其中一侧的螺母与衬座之间还设有应力应变传感器。
进一步，间距调整装置包括水平设置在一侧侧高座上的螺栓b，通过旋转螺栓b改变螺栓穿过侧高座指向侧低座的长度并对侧低座推动，从而改变侧低座和侧高座之间的间距。
进一步，螺栓b与侧高座连接处设有防止衬座滑动的挡板b。
进一步，侧低座底部连同垫板通过垂直向上设置的螺钉b与底板连接，测高座通过垂直向上设置的螺钉a与底板连接，其中底板与螺钉b之间连接处为腰形孔，使得螺钉b沿着长度方向设有调节余量，便于根据垫板的尺寸变化进行匹配。
进一步，在复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置两侧设有多对用以安装搬运的吊环螺钉。
进一步，所述剪切头周围设有导向结构，能够基于MTS伺服万能实验机完成实验，它可以通过更换不同剪切头宽度模拟不同厚度岩层对杆体/锚索的错动，模拟的最大厚度岩层宽度通过MTS伺服万能试验机的空间决定。
一种复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置的操作方法，其具体步骤如下：
拼装锚杆/索剪切性能测试装置，通过调节需求直接更换垫板对侧低座的高度进行调节，实现对锚杆/索受力角度的控制；
根据锚杆/索受力角度选取合适的剪切头，安装匹配的剪切头；
将被测锚杆/索插入衬座放入试验台中，其中被测锚杆需要进行两端车丝，并配两套螺母固定，通过扭矩扳手或者单体钻机对螺母预紧实现对被测锚杆上不同的预拉力；被测锚索利用锁具在两侧将索体锁止固定，通过张拉泵对被测锚索单侧进行张拉实现被测锚索上不同的预拉力：
将拼装锚杆/索剪切性能测试装置放入MTS电液伺服万能试验机，并根据需要选择配以应变仪和声发射设备监测数据，操作万能试验机利用剪切头对被测锚杆/索进行拉剪试验，记录其破断载荷、延伸率和应力应变曲线；
调节剪切头的宽度从而对被测锚杆/索剪切宽度的调整，重复上述对被测锚杆/索检测的步骤；
调节螺栓b从而调节侧高座与侧低座之间的剪切间隙，并匹配安装相应尺寸的上垫板a和上垫板b，从而实现对被测锚杆/索剪切间隙的控制，重复上述对被测锚杆/索检测的步骤。
有益效果：
本装置克服了传统锚杆/索只能进行纯剪切和纯拉剪测试的缺陷，可以测试在不同材质、不同预拉力、不同角度、不同长度、不同剪切宽度、不同剪切间隙等多因素对锚杆/索整体抗拉剪性能的影响，尤其对模拟现场巷道肩角和帮底角位置处有角度布置的锚杆/索受力测试和锚杆/索在支护状态下承受不同宽度岩层滑移后的抗剪切能力测试具有很大的参考价值，实验结果可靠，为井下锚杆/索高效安全的使用、锚杆/索生产工艺改良、锚杆/索灾害事故分析等提供了一种成本低、实用性强和操作简单的试验研究装置和方法。
附图说明
图1为本发明复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置的三维结构示意图；
图2为本发明复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置的正面结构示意图；
图3为本发明复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置的侧视结构示意图；
图4是本发明复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置的俯视结构示意图；
图5是本发明的侧低座主视结构示意图；
图6是本发明的侧高座主视结构示意图；
图7是本发明的侧高座侧视结构示意图；
图8是本发明的挡板a主视结构示意图；
图9是本发明的导向板主视结构示意图；
图10是本发明的导向板俯视结构示意图；
图11是本发明的底板主视结构示意图；
图12是本发明的底板俯视结构示意图；
图13是本发明的垫板俯视结构示意图；
图14是本发明的剪切头的主视结构示意图；
图15为本发明变换剪切宽度后的正视结构示意图；
图16为本发明变换剪切角度后的正视结构示意图。
图中：1-吊环螺钉；2-侧低座；3-被测试样；4-螺母或锁具；5-衬座；6-螺栓a；7-挡板a；8-上垫板a；9-导向板；10-剪切头；11-上垫板b；12-侧高座；13-应力应变传感器；14-挡板b；15-螺栓b；16-螺钉a；17-螺钉b；18-底板；19-垫板；20-螺钉c。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1、图2、图3、图4、图15和图16所示，本发明的一种复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置，设置在万能试验机上使用，包括底座18，底座18上垂直设有平行设置的侧低座2和侧高座12，分别如图5、图6和图7所示，其中底座18与侧低座2之间设有高度可调的垫板19，通过调节垫板19从而调整侧低座2的高度；侧低座2和侧高座12之间设有用以改变剪切间隙的间距调整装置，通过调节间距调整装置从而改变侧低座2和侧高座12在底座18上的相对位置，实现针对测试试样的不同剪切间隙；侧低座2和侧高座12上均设有用以固定被测锚杆/索3的锚杆/索夹持机构，侧低座2的锚杆/索夹持机构通过调整不同高度的垫板19从而改变被侧低座2和侧高座12夹持的测锚杆/索3的水平角度，侧低座2与侧高座12之间的剪切间隙中垂直设有剪切头10，剪切头10中设有允许被测锚杆/索3穿过的通孔，如图14所示，所述通孔的角度与被测锚杆/索3在锚杆/索夹持机构上的夹持角度匹配。设置在剪切头10两侧的侧低座2与侧高座12之间根据剪切间隙分别设置有上垫板a8和上垫板b11，上垫板a8和上垫板b11的厚度根据需要设定，若剪切间隙与剪切头10相同，则无需设置上垫板a8和上垫板b11。在上垫板a8和上垫板b11之间水平设置有U形结构导向板9，如图9和图10所示，通过物理约束剪切头10使其只有一个向下的自由度。设有上垫板a8的侧低座2上通过水平设置的螺栓a6在外侧设有防止衬座5滑动的挡板a7，具体如图8所示。螺栓b15与侧高座12连接处设有防止衬座5滑动的挡板b14。
锚杆/索夹持机构包括设置在侧低座2与侧高座12上并且成对设置的衬座5，成对设置的衬座5中设有允许被测锚杆/索3穿过的通孔，不同的成对衬座5的通孔具有不同的角度，通过调整侧低座2下方垫板19的高度以安装不同角度的衬座5，从而实现改变被测锚杆/索3的夹持角度，调整侧低座2的高度具体通过更换不同高度的垫板19实现，调整不同的衬座5后同时更换与衬座5角度匹配的剪切头10实现对被测锚杆/索3的不同角度状态的剪切测试，衬座5的外侧还设有旋紧在被测锚杆/索3上的螺母4从而保证被测锚杆/索3被固定在衬座5中不会移动，其中一侧的螺母4与衬座5之间还设有应力应变传感器13。间距调整装置包括水平设置在一侧侧高座12上的螺栓b15，通过旋转螺栓b15改变螺栓穿过侧高座12指向侧低座2的长度并对侧低座2推动，从而改变侧低座2和侧高座12之间的间距。
侧低座2底部连同垫板19通过垂直向上设置的螺钉b17与底板18连接，如图11和图12所示，测高座12通过垂直向上设置的螺钉a16与底板18连接，其中底板18与螺钉b17之间连接处为腰形孔，使得螺钉b17沿着长度方向设有调节余量，便于根据垫板19的尺寸变化进行匹配，如图13所示，在复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置两侧设有多对用以安装搬运的吊环螺钉1。
所述剪切头10周围设有导向结构，能够基于MTS伺服万能实验机完成实验，它可以通过更换不同剪切头10宽度模拟不同厚度岩层对杆体/锚索的错动，模拟的最大厚度岩层宽度通过MTS伺服万能试验机的空间决定。
一种复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置的操作方法，其具体步骤如下：
拼装锚杆/索剪切性能测试装置，通过调节需求直接更换垫板19对侧低座2的高度进行调节，实现对锚杆/索受力角度的控制；
根据锚杆/索受力角度选取合适的剪切头10，安装匹配的剪切头11；
将被测锚杆/索3插入衬座5放入试验台中，其中被测锚杆3需要进行两端车丝，并配两套螺母4固定，通过扭矩扳手或者单体钻机对螺母4预紧实现被测锚杆上不同的预拉力；被测锚索3利用锁具4在两侧将索体锁止固定，通过张拉泵对被测锚索3单侧进行张拉实现被测锚索上不同的预拉力：
将拼装锚杆/索剪切性能测试装置放入MTS电液伺服万能试验机，并根据需要选择配以应变仪和声发射设备监测数据，操作万能试验机利用剪切头10对被测锚杆/索3进行拉剪试验，记录其破断载荷、延伸率和应力应变曲线；
调节剪切头10的宽度从而对被测锚杆/索3剪切宽度的调整，重复上述对被测锚杆/索3检测的步骤；
调节螺栓b15从而调节侧高座12与侧低座2之间的剪切间隙，并匹配安装相应尺寸的上垫板a8和上垫板b11，从而实现对被测锚杆/索3剪切间隙的控制，重复上述对被测锚杆/索3检测的步骤。

Claims (10)

1.一种复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置，其特征在于：设置在万能试验机上使用，包括底座(18)，底座(18)上垂直设有平行设置的侧低座(2)和侧高座(12)，其中底座(18)与侧低座(2)之间设有高度可调的垫板(19)，通过调节垫板(19)从而调整侧低座(2)的高度；侧低座(2)和侧高座(12)之间设有用以改变剪切间隙的间距调整装置，通过调节间距调整装置从而改变侧低座(2)和侧高座(12)在底座(18)上的相对位置，实现针对测试试样的不同剪切间隙；侧低座(2)和侧高座(12)上均设有用以固定被测锚杆/索(3)的锚杆/索夹持机构，侧低座(2)的锚杆/索夹持机构通过调整不同高度的垫板(19)从而改变被侧低座(2)和侧高座(12)夹持的测锚杆/索(3)的水平角度，侧低座(2)与侧高座(12)之间的剪切间隙中垂直设有剪切头(10)，剪切头(10)中设有允许被测锚杆/索(3)穿过的通孔，所述通孔的角度与被测锚杆/索(3)在锚杆/索夹持机构上的夹持角度匹配。
2.根据权利要求1所述复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置，其特征在于：设置在剪切头(10)两侧的侧低座(2)与侧高座(12)之间根据剪切间隙分别设置有上垫板a(8)和上垫板b(11)，上垫板a(8)和上垫板b(11)的厚度根据需要设定，若剪切间隙与剪切头(10)相同，则无需设置上垫板a(8)和上垫板b(11)；在上垫板a(8)和上垫板b(11)之间水平设置有U形结构导向板(9)，通过物理约束剪切头(10)使其只有一个向下的自由度。
3.根据权利要求2所述复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置，其特征在于：设有上垫板a(8)的侧低座(2)上通过水平设置的螺栓a(6)在外侧设有防止衬座(5)滑动的挡板a(7)。
4.根据权利要求1所述复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置，其特征在于：锚杆/索夹持机构包括设置在侧低座(2)与侧高座(12)上且成对设置的衬座(5)，成对设置的衬座(5)中设有允许被测锚杆/索(3)穿过的通孔，不同的成对衬座(5)的通孔具有不同的角度，通过调整侧低座(2)下方垫板(19)的高度以安装不同角度的衬座(5)，从而实现改变被测锚杆/索(3)的夹持角度，调整侧低座(2)的高度具体通过更换不同高度的垫板(19)实现，调整不同的衬座(5)后同时更换与衬座(5)角度匹配的剪切头(10)实现对被测锚杆/索(3)的不同角度状态的剪切测试，衬座(5)的外侧还设有旋紧在被测锚杆/索(3)上的螺母(4)从而保证被测锚杆/索(3)被固定在衬座(5)中不会移动，其中一侧的螺母(4)与衬座(5)之间还设有应力应变传感器(13)。
5.根据权利要求1所述复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置，其特征在于：间距调整装置包括水平设置在一侧侧高座(12)上的螺栓b(15)，通过旋转螺栓b(15)改变螺栓穿过侧高座(12)指向侧低座(2)的长度并对侧低座(2)推动，从而改变侧低座(2)和侧高座(12)之间的间距。
6.根据权利要求5所述复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置，其特征在于：螺栓b(15)与侧高座(12)连接处设有防止衬座(5)滑动的挡板b(14)。
7.根据权利要求5所述复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置，其特征在于：侧低座(2)底部连同垫板(19)通过垂直向上设置的螺钉b(17)与底板(18)连接，测高座(12)通过垂直向上设置的螺钉a(16)与底板(18)连接，其中底板(18)与螺钉b(17)之间连接处为腰形孔，使得螺钉b(17)沿着长度方向设有调节余量，便于根据垫板(19)的尺寸变化进行匹配。
8.根据权利要求1所述复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置，其特征在于：在复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置两侧设有多对用以安装搬运的吊环螺钉(1)。
9.根据权利要求1所述复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置，其特征在于：所述剪切头(10)周围设有导向结构，能够基于MTS伺服万能实验机完成实验，它可以通过更换不同剪切头(10)宽度模拟不同厚度岩层对杆体/锚索的错动，模拟的最大厚度岩层宽度通过MTS伺服万能试验机的空间决定。
10.一种根据权利要求1所述复杂工况下锚杆/索剪切性能测试装置的操作方法，其特征在于具体步骤如下：
拼装锚杆/索剪切性能测试装置，通过调节需求直接更换垫板(19)对侧低座(2)的高度进行调节，实现对锚杆/索受力角度的控制；
根据锚杆/索受力角度选取合适的剪切头(10)，安装匹配的衬座(5)、上垫板a(8)和上垫板b(11)；
将被测锚杆/索(3)插入衬座(5)放入试验台中，其中被测锚杆(3)需要进行两端车丝，并配两套螺母(4)固定，通过扭矩扳手或者单体钻机对螺母(4)预紧实现被测锚杆上不同的预拉力；被测锚索(3)利用锁具(4)在两侧将索体锁止固定，通过张拉泵对被测锚索(3)单侧进行张拉实现被测锚索上不同的预拉力；
将拼装锚杆/索剪切性能测试装置放入MTS电液伺服万能试验机，并根据需要选择配以应变仪和声发射设备监测数据，操作万能试验机利用剪切头(10)对被测锚杆/索(3)进行拉剪试验，记录其破断载荷、延伸率和应力应变曲线；
调节剪切头(10)的宽度从而对被测锚杆/索(3)剪切宽度的调整，重复上述对被测锚杆/索(3)检测的步骤；
调节螺栓b(15)从而调节侧高座(12)与侧低座(2)之间的剪切间隙，并匹配安装相应尺寸的上垫板a(8)和上垫板b(11)，从而实现对被测锚杆/索(3)剪切间隙的控制，重复上述对被测锚杆/索(3)检测的步骤。
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