CN210136143U - 一种锚固岩体扭转剪切试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种锚固岩体扭转剪切试验装置，涉及岩石力学试验技术领域，该装置包括基座、第一连接架、第二连接架、双轴框架、加载油缸、轴向加载油缸和承压板，基座支撑装置本体，第一连接架和第二连接架之间设置有多个双轴框架，双轴框架上沿第一方向和第二方向分别设置有相对布置的加载油缸，第一连接架上沿第三方向设置有轴向加载油缸，加载油缸和轴向加载油缸的加载端与承压板相连，岩石试件放置在承压板围成的空间内；利用该装置进行岩石试件的模拟地应力条件下钻设锚杆试验，以及锚杆锚固岩体剪切破坏试验，锚杆锚固岩体扭转破坏试验。该装置实现了锚杆锚固岩体的扭转和剪切模拟，还具有操作简便，试验灵活等优点。

Description

一种锚固岩体扭转剪切试验装置

技术领域

本实用新型涉及岩石力学试验技术领域，尤其是一种可以用于锚固岩体扭转剪切试验的试验装置。

背景技术

由于锚杆支护工艺简单、经济有效，被广泛应用于深部巷道及大跨度地下洞室支护、水坝的坝基和坝肩加固、岩土边坡加固、深基坑支挡工程以及输水和交通隧洞等领域。工程岩体中存在的大量节理裂隙严重削弱了岩体强度，在工程扰动与原岩应力场的作用下，岩体的潜在滑移体易发生剪切或扭转错动损坏锚固结构、导致工程灾害。锚杆支护可以改善工程岩体应力分布，有效补强工程岩体，充分利用岩体自身承载能力。对锚杆施加高预紧力还可以有效抑制节理进一步发育，与岩体形成锚固承载结构，使岩体物理强度向结构强度转变，有效控制工程岩体的错动滑移。

在采矿行业中，工程围岩变形破坏实测数据和模拟试验研究表明，发生在围岩中的剪切破坏、块体滑移和二次剪切破坏是引起围岩支护结构大规模变形破坏的根本原因，特别是侏罗纪、白垩纪地层中富含泥岩夹层，岩石软弱，水化膨胀问题严重，大断面巷道中围岩的剪切滑移现象更为显著。近年来，新型高强度、高延展性、高冲击韧性锚杆的研发使用对解决工程岩体剪切滑移提供了新手段，锚杆对岩体的稳定性控制作用主要体现在以下三个方面：第一，通过高预紧力抑制节理发育；第二，通过增大层间摩擦力，增加裂隙本身的抗滑移能力；第三，提供直接抵抗裂缝相对移动的阻抗力。但受限于当前的试验检测方法，难以科学地模拟出锚固岩体间的滑移演化规律及与锚杆的协同变形过程，有碍于进一步揭示锚杆提高围岩抗剪切滑移能力的作用机理。

目前，围岩剪切滑移现场检测主要通过钻孔探测手段进行，其监测困难，精确度低，数据提取分析复杂，不利于定量分析和理论研究。室内试验缺乏适配的试验装置对锚固岩体的剪切扭转问题进行测试。随着新型锚杆的研发使用，对锚杆的性能及与围岩的适配性提出了新的要求，传统的分段锚杆检测方法不能有效地测试各种新型锚杆的整体性能，无法有效检测锚杆与锚固岩体的协同作用效果。因此，要想进一步促进锚固岩体剪切扭转试验与理论研究，需要在实验室内对现场工况进行更准确的还原，设计研发一种锚杆锚固岩体扭转剪切试验装置，利用该装置针对各类加锚岩体试件进行整体性试验，检测锚杆锚固岩体在剪切或扭转作用下的变形破坏特征，分析岩体与锚杆在复杂力学条件下的协调工作机制，指导锚固支护设计。

实用新型内容

为实现模拟地应力条件下钻设锚杆试验，以及锚杆锚固岩体剪切破坏定量试验，锚杆锚固岩体扭转破坏定量试验，研究锚杆锚固岩体的破坏机理及特征，本实用新型提供了一种锚固岩体扭转剪切试验装置，具体技术方案如下：

一种锚固岩体扭转剪切试验装置，包括基座、第一连接架、第二连接架、双轴框架、加载油缸、轴向加载油缸和承压板，基座支撑装置本体，第一连接架和第二连接架之间设置有多个双轴框架；双轴框架上沿第一方向和第二方向分别设置有相对布置的加载油缸；第一连接架上沿第三方向设置有轴向加载油缸；加载油缸和轴向加载油缸的加载端与承压板相连，岩石试件放置在所述承压板围成的空间内。

优选的是，基座的上表面设置有通槽，通槽的深度大于加载油缸安装后的外露长度；第一连接架、第二连接架和双轴框架之间通过支柱连接，支柱的两端与第一连接架和第二连接架连接固定；所述支柱从双轴框架的四角位置穿过。

进一步优选的是，第一连接架的中部沿第三方向设置的轴向加载油缸对所述岩石试件进行加载，第一连接架固定在基座上；第二连接架与相邻的双轴框架之间留设有间隙，第二连接架的中心留有试件通过空间。

还优选的是，承压板包括扭转承压板、平面承压板和空心承压板；所述扭转承压板包括连接板、加载板和连轴，连接板与加载油缸的加载端相连，连接板和加载板之间设置有连轴；所述空心承压板设置在轴向加载油缸上；加载油缸上安装扭转承压板或平面承压板；所述承压板上设置有应力传感器。

还优选的是，双轴框架呈矩形，双轴框架上设置的4个加载油缸分别布置在四条边上；加载油缸沿双轴框架上的滑动导轨沿边长方向移动。

还优选的是，双轴框架呈矩形，双轴框架的四条边上分别设置1个或2个或多个加载油缸，加载油缸沿双轴框架上的滑动导轨沿边长方向移动。

还进一步优选的是，第一连接架和第二连接架之间设置有3个双轴框架，每个双轴框架上设置的加载油缸独立对试件加载，每个双轴框架的加载宽度相等或相差30～150mm。

本实用新型的有益效果包括：

(1)本实用新型提供的锚固岩体扭转剪切试验装置，利用了双轴框架和加载油缸的组合结构实现第一方向和第二方向上的二维平面内受力加载，在第三方向上使用了轴向加载油缸对其进行加载，该种加载能够模拟真实的地应力环境，另外第一连接架和第二连接架之间设置多个双轴框架分别进行加载可以模拟复杂的地应力环境，不同的加载油缸通过多个承压板对试件进行加载，同时承压板也对岩石试件进行限位。

(2)该装置的双轴框架上通过设置加载油缸可以实现对岩石试件的二维平面加载，并且各个加载油缸分别加载、协同作用可以更好的模拟真实地应力条件；轴向加载油缸可以实现垂直与该二维平面的轴向加载，模拟沿锚杆方向上的围岩受力情况，加载油缸成对的设置可以共同作用校正岩石试件的偏心，也可以让锚杆钻孔在试验中保持在试验机的轴心位置；加载油缸和轴向加载油缸在五个方向上加载，从而实现了试件“五面加载、一面临空”的实际围岩地应力环境模拟。

(3)由于装置整体受力较大，在模拟地应力及锚杆受力过程中基座可以起到保证装置稳定的功能；通过支柱连接各个框架可以更好的固定装置，实现稳定加载；承压板通过跟换平面承压板施加平面载荷，更换扭转承压板可以方便的实现扭转加载，空心承压板和轴向加载油缸的组合能够防止锚杆钻机钻孔过程中损伤加载油缸；双轴框架的每条边上设置可以移动的加载油缸，以及双轴框架的加载宽度的设置，都可以进一步的提高装置加载的灵活性。

(4)本实用新型提供的锚杆锚固岩体试验方法，以及锚杆锚固岩体的扭转和剪切试验方法，利用了该试验装置更好的模拟了真实的地应力环境，并且通过该装置实现上述试验的方法操作更加简便，试验还可以重复进行，具有操作控制灵活，贴合工程实际等优点。

附图说明

图1是锚固岩体扭转剪切试验装置结构示意图；

图2是试验装置的正视图；

图3是试验装置另一角度的正视图；

图4是试验装置的侧视图；

图5是试验装置另一角度的侧视图；

图6是试验装置的俯视图；

图7是双轴框架和加载油缸安装结构示意图；

图8是平面承压板结构示意图

图9是扭转承压板结构示意图；

图10是第二连接架结构示意图；

图11是改进的试验装置的俯视图

图12是改进的双轴框架和加载油缸结构示意图；

图13是岩石试件剪切加载结构示意图；

图14是试件剪切原理示意图；

图15是岩石试件扭转加载结构示意图；

图16是试件扭转原理示意图；

图中：1-基座；2-第一连接架；3-第二连接架；4-双轴框架；5-加载油缸；6-轴向加载油缸；7-承压板；8-支柱；9-岩石试件；10-锚杆；11-通槽；12-扭转承压板；13-平面承压板；14-空心承压板；15-连接板；16-加载板；17-连轴；18-滑动导轨。

具体实施方式

结合图1至图16所示，本实用新型提供的一种锚固岩体扭转剪切试验装置具体实施方式如下。

在实验室内研究锚杆锚固状态下围岩受力破坏的试验装置，一般只能模拟小型的模拟锚固试件，试件大多通过相似材料模拟直接制作的，但是该情况下由于模拟锚杆直接设置在相似材料当中，因此与实际的锚杆设置情况存在较大的差异，并且现有的试验设备并未实现五面加载一面临空的实际巷道围岩受力状态的模拟。并且在研究巷道锚固围岩受到水平地应力影响锚固失效等现象时，仍缺少有效的模拟试验装置对其进行有效的定量模拟。本实用新型提供的锚杆锚固岩体扭转剪切试验装置能够实现模拟地应力条件下钻设锚杆试验，以及锚杆锚固岩体剪切破坏定量试验，锚杆锚固岩体扭转破坏定量试验，对研究锚杆、锚索锚固岩体的破坏机理及理论研究具有重要意义。

实施例1

锚固岩体扭转剪切试验装置，如图1至6所示，其结构包括基座1、第一连接架2、第二连接架3、双轴框架4、加载油缸5、轴向加载油缸6和承压板7。该装置利用了双轴框架4和加载油缸5的组合结构实现第一方向和第二方向上的二维平面内受力加载，在第三方向上使用了轴向加载油缸6对其进行加载，该种加载能够模拟真实的地应力环境，另外第一连接架2和第二连接架3之间设置多个双轴框架4分别进行加载可以模拟复杂的地应力环境，不同的加载油缸5通过多个承压板对试件进行加载，同时承压板7也对岩石试件进行限位。

基座1支撑试验装置本体结构，第一连接架2和第二连接架3之间设置有多个双轴框架4，至少设置3个双轴框架4，方便完成剪切和扭转等试验。双轴框架4上沿第一方向和第二方向分别设置有相对布置的加载油缸5，第一连接架1上沿第三方向设置有轴向加载油缸5，其中第一方向为图中的X轴方向，第二方向为图中的Y方向，第三方向为图中的Z轴方向。基座1的上表面设置有通槽，通槽11的深度大于加载油缸5安装后的外露长度，从而保证加载油缸5和双轴框架4的安装。第一连接架2、第二连接架3和双轴框架4之间通过支柱8连接，支柱8的两端与第一连接架2和第二连接架3连接固定，支柱8从双轴框架4的四角位置穿过，从而可以更好的稳定的固定连接架和双轴框架。第一连接架2的中部沿第三方向设置的轴向加载油缸6对岩石试件9进行加载，第一连接架2可以固定在基座1上。第二连接架3与相邻的双轴框架4之间留设有间隙，方便试验操作，如图10所示，第二连接架3的中心留有试件通过空间，方便试件的安装。

加载油缸5和轴向加载油缸6上设置有稿精度的位移传感器和应力传感器，加载油缸5和轴向加载油缸6的加载端与承压板7相连，岩石试件9放置在承压板7围成的空间内，多个加载油缸5分别独立对试件进行加载，各个加载油缸之间协同作用可以模拟实际的地应力环境。如图8和图9所示，承压板7包括扭转承压板12、平面承压板13和空心承压板14，扭转承压板12包括连接板15、加载板16和连轴17，连接板15与加载油缸4的加载端相连，连接板15和加载板16之间设置有连轴17，从而可以在实现扭转后继续加载。空心承压板14设置在轴向加载油缸6上。加载油缸5上安装扭转承压板12或平面承压板13，承压板7上设置有高精度的应力传感器和位移传感器。

如图7或图12所示，双轴框架4呈矩形，双轴框架4上设置的4个加载油缸分别布置在四条边上，加载油缸6沿双轴框架上的滑动导轨18沿边长方向移动，从而可以实现灵活加载。双轴框架4呈矩形，双轴框架的四条边上分别设置1个或2个或多个加载油缸5，可以模拟更复杂的加载形式，加载油缸5沿双轴框架4上的滑动导轨18沿边长方向移动。另外，双轴框架4还可以呈矩形、正方形、六边形或八边形等，或者为圆形，在各个边上设置加载油缸或者在圆周上均匀的设置加载油缸。第一连接架2和第二连接架3之间设置有3个双轴框架4，可以实现基本的剪切和扭转试验，每个双轴框架4上设置的加载油缸5独立对试件加载，每个双轴框架4的加载宽度相等或相差30～150mm，根据不同的试验方案可以更换双轴框架4的尺寸从而进行不同类型的模拟试验。

为进一说明该装置的结构及功能，提供了一种锚杆锚固岩体的试验方法，本方法中在模拟真实的地应力环境情况下，对锚杆的设置过程进行模拟试验，利用上述的一种锚固岩体扭转剪切试验装置进行试验，步骤包括：

步骤A₁.制作相似材料的模拟试件，相似材料模拟试件是使用矸石、沙子、石膏、石灰、水泥等材料按一定配比制成的相似材料试件；或取现场岩石制作模拟试件，将模拟试件表面打磨平整，模拟试件尺寸与承压板围成的空间尺寸匹配，从第二连接架一端将试件放入承压板围成的加载空间。

步骤B₁.加载油缸和轴向加载油缸同时向模拟试件加载，模拟实际巷道地应力，多个加载油缸分别加载，当设置多个加载油缸时，多个加载油缸不同的加载组合可以模拟复杂的地应力环境；通过锚杆钻机从第二连接架一端沿第三方向在模拟试件上打锚杆钻孔，记录钻孔过程中锚杆钻机的扭矩、转速、钻进速度以及模拟试件的受力、变形和损伤情况，通过分析可以对锚杆钻孔的钻设过程进行定量研究。

步骤C₁.将锚杆和锚固剂同时导入钻孔内，待锚固剂凝固后，通过锚杆托盘和螺母固定锚杆并施加预紧力，完成锚固。

实施例2

一种锚固岩体扭转剪切试验装置其结构包括基座1、第一连接架2、第二连接架3、双轴框架4、加载油缸5、轴向加载油缸6和承压板7。其中基座1支撑试验装置本体结构，第一连接架2和第二连接架3之间设置有多个双轴框架4，至少设置3个双轴框架4，方便完成剪切和扭转等试验。双轴框架4上沿第一方向和第二方向分别设置有相对布置的加载油缸5，第一连接架1上沿第三方向设置有轴向加载油缸5，其中第一方向为图中的X轴方向，第二方向为图中的Y方向，第三方向为图中的Z轴方向。基座1的上表面设置有通槽，通槽11的深度大于加载油缸5安装后的外露长度，从而保证加载油缸5和双轴框架4的安装。第一连接架2、第二连接架3和双轴框架4之间通过支柱8连接，支柱8的两端与第一连接架2和第二连接架3连接固定，支柱8从双轴框架4的四角位置穿过，从而可以更好的稳定的固定连接架和双轴框架。第一连接架2的中部沿第三方向设置的轴向加载油缸6对岩石试件9进行加载，第一连接架2可以固定在基座1上。第二连接架3与相邻的双轴框架4之间留设有间隙，方便试验操作，第二连接架3的中心留有试件通过空间，方便试件的安装。

加载油缸5和轴向加载油缸6上设置有稿精度的位移传感器和应力传感器，加载油缸5和轴向加载油缸6的加载端与承压板7相连，岩石试件9放置在承压板7围成的空间内，多个加载油缸5分别独立对试件进行加载，各个加载油缸之间协同作用可以模拟实际的地应力环境。承压板7包括扭转承压板12、平面承压板13和空心承压板14，扭转承压板12包括连接板15、加载板16和连轴17，连接板15与加载油缸4的加载端相连，连接板15和加载板16之间设置有连轴17，从而可以在实现扭转后继续加载。空心承压板14设置在轴向加载油缸6上。加载油缸5上安装扭转承压板12或平面承压板13，承压板7上设置有高精度的应力传感器和位移传感器。

双轴框架4呈矩形，双轴框架4上设置的4个加载油缸分别布置在四条边上，加载油缸6沿双轴框架上的滑动导轨18沿边长方向移动，从而可以实现灵活加载。第一连接架2和第二连接架3之间设置有3个双轴框架4，可以实现剪切和扭转试验，每个双轴框架4上设置的加载油缸5独立对试件加载，每个双轴框架4的加载宽度相等或相差30～150mm，根据不同的试验方案可以更换不同尺寸的双轴框架4从而进行不同类型的模拟试验。另外当设置的试验装置长度达到锚索模拟的试验需求时，也可以在同等条件下对锚索的锚固及剪切、扭转进行模拟，在试验场地及设备条件合适的情况下还可以将装置整体竖直放置，更好的实现模拟。

为进一说明该装置的结构及功能，提供了一种锚杆锚固岩体剪切试验的方法，如图13和图14所示，利用上述的一种锚固岩体扭转剪切试验装置进行试验，步骤包括：

步骤A₁.制作相似材料的模拟试件，相似材料模拟试件是使用矸石、沙子、石膏、石灰、水泥等材料按一定配比制成的相似材料试件；或取现场岩石制作模拟试件，将模拟试件表面打磨平整，模拟试件尺寸与承压板围成的空间尺寸匹配，从第二连接架一端将试件放入承压板围成的加载空间。

步骤B₂.加载油缸和轴向加载油缸同时向模拟试件加载，模拟实际巷道的地应力，通过锚杆钻机从第二连接架的一端沿第三方向在模拟试件上打锚杆钻孔。

步骤C₂.将锚杆和锚固剂同时导入钻孔内，待锚固剂凝固后，通过锚杆托盘和螺母固定锚杆并施加预紧力，完成锚固，得到锚杆锚固岩石试件。

步骤D₂.中部1个双轴框架上的加载油缸沿第一方向或第二方向的正向加载；中部双轴框架两侧的双轴框架上的加载油缸沿第一方向或第二方向的反向加载，剪切锚杆锚固岩石试件。具体的是当中部的双轴框架上加载油缸沿第一方向的正向加载时，该双轴框架的第二方向上加载油缸持续按照特定的需求加载；同时中部双轴框架两侧的双轴框架上第一方向上的加载油缸均沿第一方向的反向加载，双轴框架的第二方向上加载油缸持续按照特定的需求加载，协同全部双轴框架第一方向上的加载油缸持续加载增大剪力直至试件受到剪切破坏。

步骤E₂.持续加载至岩石试件破坏，记录剪切加载过程中岩石试件的应力、位移和损伤变化情况，对锚杆锚固岩体的剪切破坏进行定量研究。

一种锚杆锚固岩体扭转试验的方法，如图15和图16所示，利用上述的一种锚固岩体扭转剪切试验装置进行试验，步骤包括：

步骤A₁.制作相似材料的模拟试件，相似材料模拟试件是使用矸石、沙子、石膏、石灰、水泥等材料按一定配比制成的相似材料试件；或取现场岩石制作模拟试件，将模拟试件表面打磨平整，模拟试件尺寸与承压板围成的空间尺寸匹配，从第二连接架一端将试件放入承压板围成的加载空间。

步骤B₃.通过锚杆钻机从第二连接架一端沿第三方向在模拟试件上打锚杆钻孔，将锚杆和锚固剂同时导入钻孔内，待锚固剂凝固后，通过锚杆托盘和螺母固定锚杆并施加预紧力，完成锚固，得到锚杆锚固的岩石试件。

步骤C₃.加载扭转力的双轴框架安装有扭转承压板，扭转承压板在第一方向和第二方向上交错加载，第一方向和第二方向上交错方向同为顺时针或逆时针。具体的是，施加扭转力的双轴框架换用了扭转承压板，举例说明该加载的加载特点，在第一方向上，上部的加载油缸在试件上表面的左侧加载，下部的加载油缸在试件的右侧加载，第二方向上，左侧加载油缸在试件左侧表面的下侧加载，右侧加载油缸在试件右侧表面的上侧加载。

步骤D₃.持续加载至岩石试件破坏记录扭转加载过程中岩石试件的应力、位移和损伤变化情况，对锚杆锚固岩体的扭转破坏进行定量研究。

本实用新型提供的锚杆锚固岩体试验方法，以及锚杆、锚索锚固岩体的扭转和剪切试验方法，利用了该试验装置更好的模拟了真实的地应力环境，并且通过该装置实现上述试验的方法操作更加简便，试验还可以重复进行，具有操作控制灵活，贴合工程实际等优点。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种锚固岩体扭转剪切试验装置，包括基座、第一连接架、第二连接架、双轴框架、加载油缸、轴向加载油缸和承压板，基座支撑装置本体，其特征在于，所述第一连接架和第二连接架之间设置有多个双轴框架；所述双轴框架上沿第一方向和第二方向分别设置有相对布置的加载油缸；所述第一连接架上沿第三方向设置有轴向加载油缸；所述加载油缸和轴向加载油缸的加载端与承压板相连，岩石试件放置在所述承压板围成的空间内。

2.根据权利要求1所述的一种锚固岩体扭转剪切试验装置，其特征在于，所述基座的上表面设置有通槽，通槽的深度大于加载油缸安装后的外露长度。

3.根据权利要求1所述的一种锚固岩体扭转剪切试验装置，其特征在于，所述第一连接架、第二连接架和双轴框架之间通过支柱连接，支柱的两端与第一连接架和第二连接架连接固定；所述支柱从双轴框架的四角位置穿过。

4.根据权利要求1或3所述的一种锚固岩体扭转剪切试验装置，其特征在于，所述第一连接架的中部沿第三方向设置的轴向加载油缸对所述岩石试件进行加载，第一连接架固定在基座上；所述第二连接架与相邻的双轴框架之间留设有间隙，第二连接架的中心留有试件通过空间。

5.根据权利要求4所述的一种锚固岩体扭转剪切试验装置，其特征在于，所述承压板包括扭转承压板、平面承压板和空心承压板；所述扭转承压板包括连接板、加载板和连轴，连接板与加载油缸的加载端相连，连接板和加载板之间设置有连轴；所述空心承压板设置在轴向加载油缸上；所述加载油缸上安装扭转承压板或平面承压板；所述承压板上设置有应力传感器。

6.根据权利要求1所述的一种锚固岩体扭转剪切试验装置，其特征在于，所述双轴框架呈矩形，双轴框架上设置的4个加载油缸分别布置在四条边上；所述加载油缸沿双轴框架上的滑动导轨沿边长方向移动。

7.根据权利要求1所述的一种锚固岩体扭转剪切试验装置，其特征在于，所述双轴框架呈矩形，双轴框架的四条边上分别设置1个或2个或多个加载油缸，所述加载油缸沿双轴框架上的滑动导轨沿边长方向移动。

8.根据权利要求6或7所述的一种锚固岩体扭转剪切试验装置，其特征在于，所述第一连接架和第二连接架之间设置有3个双轴框架，每个双轴框架上设置的加载油缸独立对试件加载，每个双轴框架的加载宽度相等或相差30～150mm。

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