CN114910344B - 一种梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置及试验方法 - Google Patents

一种梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置及试验方法，包括梯度应力施加模组、动载施加模组和应力波监测模组；梯度应力施加模组包括底座、侧梁一、侧梁二、横梁、支撑杆、承载钢板、液压千斤顶、分油管路和梯度静载控制箱；动载施加模组包括子弹、入射杆和缓冲装置，入射杆设置于侧梁二的外侧并与通孔二相对，子弹冲击入射杆对试件施加动载；缓冲装置设置于侧梁一的外侧并与通孔一相对；应力波监测模组包括传感器、超动态应变仪、示波器、计算机，传感器粘贴于试件上，传感器的接线端子连接超动态应变仪，超动态应变仪与示波器、计算机依次相连；本发明为研究应力波在锚固体中传播提供了一种有效的试验装置与方法。

Description

一种梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置及试验方法
技术领域
本发明涉及采矿工程技术领域，特别是涉及一种梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置及试验方法。
背景技术
锚固体是在锚杆的主动支护作用下形成的一定大小的锚固支护结构，该结构充分利用围岩的自身承载作用和预应力锚杆的主动支护力，锚固体作为锚杆支护的核心结构，其具有较高的承载能力，对巷道围岩的变形具有一定的适应性，其对于隧道、煤矿等地下工程结构支护具有重要作用。锚杆在井下支护中发挥作用时，一方面会受到梯度高地应力的作用，另一方面会受到开挖、煤炮及采空区垮落等各种动载应力波扰动的影响。锚固体受到在动静载荷载反复同时作用时，应力波在锚固体中反复拉伸，锚固体锚固段中锚固剂与围岩、锚杆耦合作用慢慢弱化，最终导致锚固体失效，锚杆出现断裂、射出。甚至会由于整体支护力不够而出现锚杆群的破坏。另一方面，锚固体所受应力环境为梯度高应力，对于全长锚固来说，锚固体锚固段范围覆盖数层岩层，在岩层界面节理处，岩层变形量不一致导致锚固体产生剪切破坏，锚固体产生局部应力集中的情况，这些情况进一步加剧了锚固体的失效进程。随着开采深度逐年增加，锚固体受动载和高应力下的失效现象越来越多，亟需一种室内试验装置及方法来研究锚固体的失效机理。
当前对梯度应力下受动载的研究多采用数值模拟的方法，在室内实验方面的研究较少。当前对类岩材料受梯度应力下的室内试验装置主要有两类：第一类是沿试件长度方向堆叠配重块，第二类是：将类岩试样上下方覆盖铁板，上下方铁板同时进行钻孔，将螺栓和螺母沿试样长度方向对称整齐布置，利用扭矩扳手施加梯度应力。这两种方法都有明显的缺点，第一种方法无法精确控制所施加的静应力大小。第二种方法使用人工将螺母螺栓固定，耗时耗力，且扭矩扳手施加力矩较小，对螺母施加预紧力不够，与实际工程中锚固体所受的应力大小相差过大，并不能模拟深部岩石梯度高应力。另一方面，当前研究主要针对岩体、类岩体或锚杆单独进行研究的，将锚杆与围岩耦合考虑的研究较少，更未见锚固体受梯度静载高应力下动载冲击的试验装置研究；因此，在类岩材料受梯度静载背景基础上，提供一种梯度应力下锚固体受动载冲击的试验装置及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置及试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现锚固体室内试验研究。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置，包括梯度应力施加模组、动载施加模组和应力波监测模组；
其中，所述梯度应力施加模组包括底座、侧梁一、侧梁二、横梁、支撑杆、承载钢板、液压千斤顶、分油管路和梯度静载控制箱；所述底座固定于地面上，所述侧梁一和所述侧梁二分别设置于所述底座的顶部两侧，所述侧梁一上开设置有尺寸大于所述试件的且能供所述试件通过的通孔一，所述侧梁二上开设有通孔二，所述横梁连接于所述侧梁一和所述侧梁二的顶端，所述横梁底部的所述侧梁一与所述侧梁二之间还设置有所述承载钢板，所述承载钢板与所述底座之间设置有支撑杆，所述承载钢板的顶部用于放置试件；所述横梁的底部设置有对所述试件进行竖向加载的液压千斤顶，所述液压千斤顶通过所述分油管路连接所述梯度静载控制箱；
所述动载施加模组包括子弹、入射杆和缓冲装置，所述入射杆设置于所述侧梁二的外侧并与所述通孔二相对，所述通孔二的外径大于所述入射杆的外径，所述子弹冲击所述入射杆对所述试件施加动载；所述缓冲装置设置于所述侧梁一的外侧并与所述通孔一相对；
所述应力波监测模组包括传感器、超动态应变仪、示波器、计算机，所述传感器粘贴于试件上，所述传感器的接线端子连接所述超动态应变仪，所述超动态应变仪与所述示波器、所述计算机依次相连。
优选地，所述底座通过落地钉固定于地面上。
优选地，所述横梁的两端分别与所述侧梁一、所述侧梁二榫接。
优选地，所述通孔一为正方形孔，所述通孔一、所述试件、所述通孔二和所述入射杆同轴心。
优选地，所述支撑杆相对设置有两排，每排中的各个所述支撑杆横向均布。
优选地，所述试件底部与所述承载钢板之间设置有橡胶垫一和橡胶垫二，所述试件顶部设置有橡胶垫三和橡胶垫四，所述橡胶垫一和所述橡胶垫二之间沿着所述试件的长度方向均布有圆钢柱，所述橡胶垫三和所述橡胶垫四之间沿着所述试件的长度方向也均布有圆钢柱；所述橡胶垫四的顶部还无间隔的分布有方铁板，各个所述方铁板的顶部均设置有圆铁板，每个所述圆铁板相对连接一个所述液压千斤顶。
优选地，还包括分别安装于所述试件前侧和后侧的前挡板和后挡板，所述前挡板和所述后挡板的顶部设置有与所述橡胶垫三和橡胶垫四之间的圆钢柱一一相对的圆孔，所述前挡板和所述后挡板的底部设置有与所述橡胶垫一和橡胶垫二之间的圆钢柱一一相对的凹槽。
优选地，所述前挡板和所述后挡板上还设置有与粘贴于试件上的所述传感器相对的长方形孔。
优选地，所述缓冲装置为设置于所述侧梁一外侧的铁罐，所述铁罐内设置有红泥，所述试件在所述入射杆的冲击下横移入所述铁罐内，所述红泥能够吸收冲击而来的试件能量。
基于上述梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置，本发明还提供了一种梯度应力下锚固体试件受动载冲击的试验方法，包括以下步骤：
步骤1，试件制备；
试件为长方体岩石材料，将锚固体材料按所需组合岩体的相似模拟配比进行材料配比，所述试件内锚固有锚杆；
步骤2，确定轴向加载施加载荷值及应力梯度；
将所述试件放置在侧梁一与侧梁二中间的承载钢板上，所述承载钢板上预先铺设橡胶垫一和橡胶垫二，调整所述试件位置，所述试件凸出有所述锚杆的一端朝向所述侧梁一，所述试件另一端朝向所述侧梁二，所述试件上方铺设橡胶垫三和橡胶垫四，橡胶垫一与橡胶垫二之间、橡胶垫三与橡胶四之间均匀放置圆钢柱，在所述橡胶垫四上方无间隔平铺方铁板，使每块所述方铁板形心位置与液压千斤顶下方圆铁板形心位置在同一条轴线上，且所述圆钢柱轴心位置与所述圆铁板轴心位置在同一条轴线上，前挡板和后挡板贴紧于所述试件上，按照所述试件所处应力梯度环境，对梯度静载控制箱进行操作，设计预加载荷；
步骤3，对试件粘贴传感器，完成线路连接；
所述液压千斤顶接触试件后，将传感器均匀布置在所述试件上，所述传感器另一端接线端子接至超动态应变仪上，超动态应变仪连接示波器，示波器连接至计算机；
步骤4，对试件施加载荷；
所述梯度静载控制箱通过分油管路对所述液压千斤顶施加梯度线性或非线性载荷，达到目标载荷值时停止加压；
步骤5，对试件进行动载冲击；
发射子弹，子弹打至入射杆上，入射杆穿过侧梁二上的通孔二打至试件上，试件上粘贴的传感器记录应力波波形发送至示波器和计算机上；
步骤6，试验结束；
试验结束时，观察所述试件破坏特征及应力波波形特征，控制梯度静载控制箱升起液压千斤顶，卸下所述试件。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
本发明提供的梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置及试验方法，为研究应力波在锚固体中传播提供了一种有效的试验装置与方法。其操作简单易行，梯度加载控制箱通过分油管路分别控制千斤顶加压，可以模拟多种应力梯度，能够较为真实的模拟锚固体受力环境，且锚固体材料可以按照相似配比试验进行多种组合，可以模拟组合岩体(煤-岩-煤、煤岩体等)锚固体受动静载耦合时的应力波传播特征及锚固体损伤特征。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明中梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置的立体图；
图2为梯度应力施加模组和动载施加模组的立体装配图；
图3为梯度应力施加模组和动载施加模组的主视装配图；
图4为梯度应力施加模组和动载施加模组的俯视装配图；
图5为梯度应力施加模组的侧视图；
图6为橡胶垫及试件层位示意图；
图7为锚固体试件的立体图；
图中：1-计算机、2-示波器、3-超动态应变仪、4-底座、5-缓冲装置、61-侧梁一、62-侧梁二、7-横梁、8-入射杆、9-子弹、10-梯度静载控制箱、11-支撑杆、12-螺母、13-垫圈、14-锚杆、15-试件、16-分油管路、17-液压千斤顶、18-圆铁板、19-方铁板、20-承载钢板、21-传感器、22-圆钢柱、23-橡胶垫一、24-橡胶垫二、25-橡胶垫三、26-橡胶垫四、27-前挡板、28-后挡板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置及试验方法，以解决现有技术存在的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例中的梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置，如图1-6所示，包括梯度应力施加模组、动载施加模组和应力波监测模组；
其中，梯度应力施加模组包括底座4、侧梁一62、侧梁二62、横梁7、支撑杆11、承载钢板20、液压千斤顶17、分油管路16和梯度静载控制箱10；底座4通过落地钉固定于地面上，侧梁一62和侧梁二62分别设置于底座4的顶部两侧，侧梁一62上开设置有尺寸大于试件15的且能供试件15通过的通孔一，侧梁二62上开设有通孔二，通孔一为正方形孔，通孔一、试件15、通孔二和入射杆8同轴心，横梁7连接于侧梁一62和侧梁二62的顶端，且横梁7的两端分别与侧梁一62、侧梁二62榫接，横梁7底部的侧梁一62与侧梁二62之间还设置有承载钢板20，承载钢板20与底座4之间设置有支撑杆11，支撑杆11相对设置有两排，每排中的各个支撑杆11横向均布，承载钢板20的顶部用于放置试件15；横梁7的底部设置有对试件15进行竖向加载的液压千斤顶17，液压千斤顶17通过分油管路16连接梯度静载控制箱10；
动载施加模组包括子弹9、入射杆8和缓冲装置5，入射杆8设置于侧梁二62的外侧并与通孔二相对，通孔二的外径大于入射杆8的外径，子弹9冲击入射杆8对试件15施加动载；缓冲装置5设置于侧梁一62的外侧并与通孔一相对；
应力波监测模组包括传感器21、超动态应变仪3、示波器2、计算机1，传感器21粘贴于试件15上，传感器21的接线端子连接超动态应变仪3，超动态应变仪3与示波器2、计算机1依次相连。
于本具体实施例中，试件15底部与承载钢板20之间设置有橡胶垫一23和橡胶垫二24，试件15顶部设置有橡胶垫三25和橡胶垫四26，橡胶垫一23和橡胶垫二24之间沿着试件15的长度方向均布有圆钢柱22，橡胶垫三25和橡胶垫四26之间沿着试件15的长度方向也均布有圆钢柱22；橡胶垫四26的顶部还无间隔的分布有方铁板19，各个方铁板19的顶部均设置有圆铁板18，每个圆铁板18相对连接一个液压千斤顶。还包括分别安装于试件15前侧和后侧的前挡板27和后挡板28，前挡板27和后挡板28的顶部设置有与橡胶垫三25和橡胶垫四26之间的圆钢柱22一一相对的圆孔，前挡板27和后挡板28的底部设置有与橡胶垫一23和橡胶垫二24之间的圆钢柱22一一相对的凹槽。前挡板27和后挡板28上还设置有与粘贴于试件15上的传感器21相对的长方形孔。
于本具体实施例中，缓冲装置5为设置于侧梁一61外侧的铁罐，铁罐内设置有红泥，试件15在入射杆8的冲击下横移入铁罐内，红泥能够吸收冲击而来的试件能量，避免对试验系统横梁侧梁卯榫结构造成损伤。
本实施例中，试件15由相似配比材料制成，如图7所示，试件内部设置有锚杆14，锚杆14凸出于试件15的一端设置有垫圈13和螺母12。
基于上述梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置，本发明还提供了一种梯度应力下锚固体试件受动载冲击的试验方法，包括以下步骤：
步骤1，试件制备；
试件15为长方体岩石材料，将锚固体材料按所需组合岩体的相似模拟配比进行材料配比，试件15的长、横截面宽、横截面高分别为1650mm、75mm、75mm，同时在试件15正方形断面中心沿轴线方向开中心孔，孔深度为1550mm，孔内径为18mm，锚杆14选择长度为1650mm的左螺旋锚杆，锚杆14直径为12mm，通过锚固剂将锚杆14锚固于试件15的中心孔中，锚杆14一端凸出长方体试件100mm，并确保锚杆14、中心孔轴线与试件15中心轴线共线；
步骤2，确定轴向加载施加载荷值及应力梯度；
将试件15放置在侧梁一62与侧梁二62中间的承载钢板20上，承载钢板20上预先铺设橡胶垫一23和橡胶垫二24，调整试件15位置，试件15凸出有锚杆14的一端朝向侧梁一62，试件15另一端朝向侧梁二62，试件15上方铺设橡胶垫三25和橡胶垫四26，橡胶垫一23与橡胶垫二24之间、橡胶垫三25与橡胶四之间均匀放置圆钢柱22，在橡胶垫四26上方无间隔平铺方铁板19，使每块方铁板19形心位置与液压千斤顶17下方圆铁板18形心位置在同一条轴线上，且圆钢柱22轴心位置与圆铁板18轴心位置在同一条轴线上，前挡板27和后挡板28贴紧于试件15上，按照试件15所处应力梯度环境，对梯度静载控制箱10进行操作，设计预加载荷；
步骤3，对试件15粘贴传感器21，完成线路连接；
液压千斤顶17接触试件15后，将传感器21均匀布置在试件15上，传感器21另一端接线端子接至超动态应变仪3上，超动态应变仪3连接示波器2，示波器2连接至计算机1；
步骤4，对试件15施加载荷；
梯度静载控制箱10通过分油管路16对液压千斤顶17施加梯度线性或非线性载荷，达到目标载荷值时停止加压；
步骤5，对试件15进行动载冲击；
发射子弹9，子弹9打至入射杆8上，入射杆8穿过侧梁二62上的通孔二打至试件15上，试件15上粘贴的传感器21记录应力波波形发送至示波器2和计算机1上；
步骤6，试验结束；
试验结束时，观察试件15破坏特征及应力波波形特征，控制梯度静载控制箱10升起液压千斤顶17，卸下试件15。
本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置，其特征在于：包括梯度应力施加模组、动载施加模组和应力波监测模组；
其中，所述梯度应力施加模组包括底座、侧梁一、侧梁二、横梁、支撑杆、承载钢板、液压千斤顶、分油管路和梯度静载控制箱；所述底座固定于地面上，所述侧梁一和所述侧梁二分别设置于所述底座的顶部两侧，所述侧梁一上开设置有尺寸大于所述试件的且能供所述试件通过的通孔一，所述侧梁二上开设有通孔二，所述横梁连接于所述侧梁一和所述侧梁二的顶端，所述横梁底部的所述侧梁一与所述侧梁二之间还设置有所述承载钢板，所述承载钢板与所述底座之间设置有支撑杆，所述承载钢板的顶部用于放置试件；所述横梁的底部设置有对所述试件进行竖向加载的液压千斤顶，所述液压千斤顶通过所述分油管路连接所述梯度静载控制箱；
所述动载施加模组包括子弹、入射杆和缓冲装置，所述入射杆设置于所述侧梁二的外侧并与所述通孔二相对，所述通孔二的外径大于所述入射杆的外径，所述子弹冲击所述入射杆对所述试件施加动载；所述缓冲装置设置于所述侧梁一的外侧并与所述通孔一相对；
所述应力波监测模组包括传感器、超动态应变仪、示波器、计算机，所述传感器粘贴于试件上，所述传感器的接线端子连接所述超动态应变仪，所述超动态应变仪与所述示波器、所述计算机依次相连；
所述试件底部与所述承载钢板之间设置有橡胶垫一和橡胶垫二，所述试件顶部设置有橡胶垫三和橡胶垫四，所述橡胶垫一和所述橡胶垫二之间沿着所述试件的长度方向均布有圆钢柱，所述橡胶垫三和所述橡胶垫四之间沿着所述试件的长度方向也均布有圆钢柱；所述橡胶垫四的顶部还无间隔的分布有方铁板，各个所述方铁板的顶部均设置有圆铁板，每个所述圆铁板相对连接一个所述液压千斤顶。
2.根据权利要求1所述的梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置，其特征在于：所述底座通过落地钉固定于地面上。
3.根据权利要求1所述的梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置，其特征在于：所述横梁的两端分别与所述侧梁一、所述侧梁二榫接。
4.根据权利要求1所述的梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置，其特征在于：所述通孔一为正方形孔，所述通孔一、所述试件、所述通孔二和所述入射杆同轴心。
5.根据权利要求1所述的梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置，其特征在于：所述支撑杆相对设置有两排，每排中的各个所述支撑杆横向均布。
6.根据权利要求1所述的梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置，其特征在于：还包括分别安装于所述试件前侧和后侧的前挡板和后挡板，所述前挡板和所述后挡板的顶部设置有与所述橡胶垫三和橡胶垫四之间的圆钢柱一一相对的圆孔，所述前挡板和所述后挡板的底部设置有与所述橡胶垫一和橡胶垫二之间的圆钢柱一一相对的凹槽。
7.根据权利要求6所述的梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置，其特征在于：所述前挡板和所述后挡板上还设置有与粘贴于试件上的所述传感器相对的长方形孔。
8.根据权利要求1所述的梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置，其特征在于：所述缓冲装置为设置于所述侧梁一外侧的铁罐，所述铁罐内设置有红泥，所述试件在所述入射杆的冲击下横移入所述铁罐内，所述红泥能够吸收冲击而来的试件能量。
9.一种梯度应力下锚固体试件受动载冲击的试验方法，应用权利要求1-8任一项所述的梯度应力下锚固体试件受动载冲击的装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，试件制备；
试件为长方体岩石材料，将锚固体材料按所需组合岩体的相似模拟配比进行材料配比，所述试件内锚固有锚杆；
步骤2，确定轴向加载施加载荷值及应力梯度；
将所述试件放置在侧梁一与侧梁二中间的承载钢板上，所述承载钢板上预先铺设橡胶垫一和橡胶垫二，调整所述试件位置，所述试件凸出有所述锚杆的一端朝向所述侧梁一，所述试件另一端朝向所述侧梁二，所述试件上方铺设橡胶垫三和橡胶垫四，橡胶垫一与橡胶垫二之间、橡胶垫三与橡胶四之间均匀放置圆钢柱，在所述橡胶垫四上方无间隔平铺方铁板，使每块所述方铁板形心位置与液压千斤顶下方圆铁板形心位置在同一条轴线上，且所述圆钢柱轴心位置与所述圆铁板轴心位置在同一条轴线上，前挡板和后挡板贴紧于所述试件上，按照所述试件所处应力梯度环境，对梯度静载控制箱进行操作，设计预加载荷；
步骤3，对试件粘贴传感器，完成线路连接；
所述液压千斤顶接触试件后，将传感器均匀布置在所述试件上，所述传感器另一端接线端子接至超动态应变仪上，超动态应变仪连接示波器，示波器连接至计算机；
步骤4，对试件施加载荷；
所述梯度静载控制箱通过分油管路对所述液压千斤顶施加梯度线性或非线性载荷，达到目标载荷值时停止加压；
步骤5，对试件进行动载冲击；
发射子弹，子弹打至入射杆上，入射杆穿过侧梁二上的通孔二打至试件上，试件上粘贴的传感器记录应力波波形发送至示波器和计算机上；
步骤6，试验结束；
试验结束时，观察所述试件破坏特征及应力波波形特征，控制梯度静载控制箱升起液压千斤顶，卸下所述试件。
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