CN211784865U - 一种动荷载下锚杆锚固结构试验装置 - Google Patents
一种动荷载下锚杆锚固结构试验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种动荷载下锚杆锚固结构试验装置，技术方案是，包括底座和设置在底座上的加载室，加载室为两端开口的中空结构，加载室两端分别设置有沿其对应侧口部轴向滑动的第一滑动垫块和第二滑动垫块，第一滑动垫块所在侧的底座上依次安装有用于调节入射杆高度位置并对其进行定位导向的第一导向支架和子弹发射器，本实用新型通过采集的入射波‑反射波绘制出应变、应力、应变率、应变‑应力等曲线，并将曲线导出，得出锚杆锚固结构试件的本构关系，最终能够有效的模拟冲击地压诱发深部软岩巷道锚杆支护结构失效破坏机理。
Description
技术领域
本实用新型专利涉及锚杆支护控制围岩变形领域，有助于研究锚杆锚固结构失效破坏机理，特别适用于动荷载下锚杆锚固支护结构失效机理研究。
背景技术
随着我国煤炭资源开采深度和开采强度的增加，冲击地压引起煤岩动力灾害也日趋加剧。冲击地压具有突发性、瞬时震动性和巨大破坏性等显现特征，释放巨大能量，导致巷道支护结构失效、破坏。仅2019年，在大同、抚顺、北京、华亭、阜新等局矿因冲击地压的发生而导致的重大伤亡事故就多达10余起，造成严重人员伤亡和经济损失。深部煤岩体的性质也与浅部明显不同，其力学行为呈现非线性，岩体变形表现出脆－延转化特性、流变特性和扩容性质。对于深部冲击地压巷道，围岩变形量大，锚杆(索)支护体系严重破坏，锚杆(索) 被抛出，金属网断裂；支架倾斜、倾倒，销轴剪断，顶梁脱落，立柱折弯或折断、顶板冒落事故经常发生。冲击地压诱发深部软岩巷道锚杆支护结构失效破坏主要原因是冲击荷载下锚杆锚固结构失效破坏机理认识不清。对静荷载下锚杆锚固结构失效演化机理认识还不充分，冲击地压诱发深部软岩巷道锚杆锚固结构失效破坏机理认识更少。基于此，开展冲击荷载下锚杆锚固结构失效破坏试验，有助于揭示冲击荷载下锚杆锚固结构失效破坏机理，降低支护成本。但是，现有实验装置难以满足上述要求，因此，其改进和创新势在必行。
实用新型内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本实用新型之目的就是提供一种与霍普金森压杆配合的动荷载下锚杆锚固结构试验装置，可有效解决进行动荷载下锚杆锚固支护结构失效机理研究的问题。
本实用新型解决的技术方案是：
一种动荷载下锚杆锚固结构试验装置，包括底座和设置在底座上的加载室，加载室为两端开口的中空结构，加载室两端分别设置有沿其对应侧口部轴向滑动的第一滑动垫块和第二滑动垫块，第一滑动垫块所在侧的底座上依次安装有用于调节入射杆高度位置并对其进行定位导向的第一导向支架和子弹发射器，第二滑动垫块所在侧的底座上依次安装有用于调节透射杆高度位置并对其进行定位导向的第二导向支架、用于调节缓冲杆高度位置并对其进行定位导向的第三导向支架和缓冲支座，加载室内设置有用于托举支撑锚杆锚固结构试件且高度可调的托架，第二滑动垫块靠近第一滑动垫块一侧的端面中心开有呈盲孔状的预留孔，位于加载室内腔部分的第二滑动垫块外壁上连接有用于限制第二滑动垫块极限位置的限位凸沿。
优选的，所述的托架包括调节螺杆、伸缩柱、水平连接板和弧形托板，加载室的底板上开有上下贯通的滑道孔，伸缩柱竖直位于加载室内且下端伸入滑道孔，伸入部分的伸缩柱与滑道孔之间设置有相匹配的轨道和滑块，构成伸缩柱沿滑道孔轴向的上下滑动结构，伸缩柱上端固定连接有与其垂直设置且长度方向与第一滑动垫块轴向平行的水平连接板，弧形托板有两个，分别固定在水平连接板的两端，远离水平连接板一端的伸缩柱端面上开有盲孔状的螺纹孔，螺纹孔内旋装有下端伸出加载室的底板的调节螺杆，调节螺杆与滑道孔之间设置有用于限制调节螺杆轴线位置的轴承，伸出加载室底板一端的调节螺杆上装有调节手轮。
优选的，所述的加载室上部开有内外贯通的天窗，天窗上通过销轴装有翻转的天窗盖板。
优选的，所述的第一导向支架内装有入射杆，入射杆靠近加载室的一端与第一滑动垫块紧贴，第二导向支架内装有透射杆，透射杆靠近加载室的一端与第二滑动垫块紧贴，第三导向支架内装有缓冲杆，入射杆、第一滑动垫块、锚杆锚固结构试件、第二滑动垫块、透射杆和缓冲杆呈同轴设置。
本实用新型结构新颖独特，简单合理，通过采集的入射波-反射波绘制出应变、应力、应变率、应变-应力等曲线，并将曲线导出，得出锚杆锚固结构试件的本构关系，最终能够有效的模拟冲击地压诱发深部软岩巷道锚杆支护结构失效破坏机理。通过简单改变第一滑动垫块，第二滑动垫块尺寸，可以用来做不同尺寸锚杆的锚杆锚固结构试件。试验灵活，其应力应变原始波形图(应变-时间)采集方法简单，通过应变片和应变仪直接采集，为动、静载耦合加载作用下的材料力学性能检测提供了准确的数据，能够有效的模拟冲击地压诱发深部软岩巷道锚杆支护结构失效破坏机理。使用方便，效果好。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图(加载室剖开)。
图2为本实用新型加载室的剖视图。
图3为本实用新型托架的剖视图。
图4为本实用新型安装支架的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。
包括底座10和设置在底座上的加载室，加载室为两端开口的中空结构，加载室两端分别设置有沿其对应侧口部轴向滑动的第一滑动垫块3a和第二滑动垫块3b，第一滑动垫块3a所在侧的底座上依次安装有用于调节入射杆12高度位置并对其进行定位导向的第一导向支架14a 和子弹发射器16，第二滑动垫块3b所在侧的底座上依次安装有用于调节透射杆13高度位置并对其进行定位导向的第二导向支架14b、用于调节缓冲杆17高度位置并对其进行定位导向的第三导向支架14c和缓冲支座18，加载室内设置有用于托举支撑锚杆锚固结构试件5且高度可调的托架，第二滑动垫块3b靠近第一滑动垫块一侧的端面中心开有呈盲孔状的预留孔3b1，位于加载室内腔部分的第二滑动垫块3b外壁上连接有用于限制第二滑动垫块极限位置的限位凸沿 3b2。
为保证使用效果，所述的托架包括调节螺杆81、伸缩柱86、水平连接板87和弧形托板88，加载室的底板上开有上下贯通的滑道孔2a，伸缩柱86竖直位于加载室内且下端伸入滑道孔2a，伸入部分的伸缩柱与滑道孔之间设置有相匹配的轨道和滑块84，构成伸缩柱沿滑道孔轴向的上下滑动结构，伸缩柱上端固定连接有与其垂直设置且长度方向与第一滑动垫块轴向平行的水平连接板87，弧形托板88有两个，分别固定在水平连接板87的两端，远离水平连接板一端的伸缩柱端面上开有盲孔状的螺纹孔85，螺纹孔85内旋装有下端伸出加载室的底板的调节螺杆81，调节螺杆81与滑道孔之间设置有用于限制调节螺杆轴线位置的轴承83，伸出加载室底板一端的调节螺杆上装有调节手轮82，使用时，通过调节手轮旋转调节螺杆，由于调节螺杆 81上端的螺纹段81a与伸缩柱下端的螺纹孔螺纹连接，轴承又限制了调节螺杆的轴线位置，同时由于轨道和滑块84的限制，伸缩柱只会沿径向前后滑动，这样在调节螺杆转动过程中伸缩柱沿滑道孔轴向上下滑动，从而带动弧形托板上下滑动，从而对锚杆锚固结构试件5的高度位置进行调节，方便对中。
所述的加载室上部开有内外贯通的天窗7，天窗7上通过销轴6a装有翻转的天窗盖板6，对中过程中，可以翻转天窗盖板，打开天窗，通过天窗7观察锚杆锚固结构试件5是否对齐压紧并固定在第一滑动垫块3a，第二滑动垫块3b之间。
所述弧形托板88为开口朝上的弧面型，且两个弧形托板截面的圆心的连线与第一滑动垫块轴向平行，保证锚杆锚固结构试件5放置在弧形托板上后，其轴向能与第一滑动垫块轴向平行，方便后续的对中调节。
所述第一滑动垫块3a靠近第二滑动垫块一侧的端面上设置有与锚杆锚固结构试件5中心的锚杆5a相对应的凸起部3a1。
所述预留孔3b1的内径大于锚杆的外径，当锚杆锚固结构试件受力，锚杆发生错位时，远离第一滑动垫块一端的锚杆进入预留孔，也就是说，为错位的锚杆预留一个容纳空间。
所述的第一导向支架14a内装有入射杆12，入射杆12靠近加载室的一端与第一滑动垫块3a 紧贴，第二导向支架14b内装有透射杆13，透射杆13靠近加载室的一端与第二滑动垫块3b紧贴，第三导向支架14c内装有缓冲杆17，入射杆12、第一滑动垫块3a、锚杆锚固结构试件5、第二滑动垫块3b、透射杆13和缓冲杆17呈同轴设置。
所述第一导向支架14a、第二导向支架14b和第三导向支架14c能够通过调节调整对应杆的高度，并且对其进行定位导向的作用，该导向支架为现有技术，如申请人在先申请的申请号为2019104958050的“分体式三维压力装置及应变波形图采集方法”中的导向支架，如图1所示，入射杆和透射杆各设置两组，缓冲杆17设置一组，通过调节导向支架使入射杆12、第一滑动垫块3a、锚杆锚固结构试件5、第二滑动垫块3b、透射杆13和缓冲杆17满足同轴的要求。
所述子弹发射器16为现有技术，可采用常规的霍普金森压杆子弹发射气缸等，其子弹为圆柱体，子弹发射器16内子弹的发射通道与入射杆同轴，且在发射管的出口与入射杆间上设置有用于检测子弹发射速度的激光测速仪。
所述的激光测速仪为市售产品，能够通过激光测速传感器激光探头测量运动物体的速度，并将速度与时间显示在激光测速仪的显示器上，如可采用北京天和恒通科技发展有限公司销售的型号为LK14T07B型的测速仪，其参数为：时间精度：1us；时间测试范围为1us～999999us；测速范围：<999米/秒；测速段距离：50mm；同时测量3路数据；大屏液晶显示测量值：同时显示速度与时间值；供电：AC220V，工作温度：-10～40℃，该信号的测速仪包括含有显示器的测速仪本体和三组激光发射、接收探头，每个激光发射探头和激光接收探头一一对应，可分别均布设置在子弹发射器的子弹发射通道两侧壁上，完全可以满足本装置的要求。
所述入射杆12上粘贴有用于测量其应变值的第一应变片15a，透射杆13上粘贴有用于测量其应变值的第二应变片15b。
所述第一应变片15a和第二应变片15b均与应变仪相连；记录两应变片到压力室表面的距离，打开应变仪观察应变片是否能正常工作，如正常工作，则进行下一步操作，如过载，查找过载原因，直至应变片正常工作为止；
第一应变片和第二应变片均为矩形，第一应变片和第二应变片都可以在对应位置的两侧对称粘贴两枚；消除压杆的弯曲效应，贴片位置应打磨平整光滑，并用酒精或丙酮棉球擦洗干净。应变片粘贴要牢固，焊接要实焊，表面要光滑，用万能表测量电阻值是否正确。贴完后将240欧姆标准电阻来做补偿片，分别与动态测试仪的连接线焊接，记录应变片到试件间的距离。打开动态测试观察应变片是否能正常工作，如正常工作，则进行下一步操作。如过载，查找过载原因，直至应变片正常工作为止。应变仪可采集第一应变片和第二应变片的电压值，应变片均为市售的现有产品，如北京一洋应振测试技术有限公司销售的型号为BX120-5AA的应变片等；应变仪可采用江苏东华测试技术股份公司生产和销售的型号为DH8302的动态测试仪，配套有对应的动态测试分析系统；该型号的动态测试仪与电脑相连后，可以采用入射波- 反射波、入射波-透射波或入射波-反射波-透射波三种计算方法绘制出应变、应力、应变率、应变-应力等曲线，并将曲线导出；
该装置要得到入射波、反射波、透射波需要屏蔽电信号的干扰，处理手段一是将该设备及DH8302的高性能动态测试分析系统接地，二是将第一应变片、第二应变片用锡箔纸包裹，且连接第一应变片、第二应变片与DH8302的高性能动态测试分析系统连接线必须为屏蔽线。
所述的加载室包括壳体2，壳体2为两端开口的管状中空结构，壳体2两端分别连接有第一端盖1a和第二端盖1b，第一端盖1a与壳体2之间固定有第一导向块4a，第二端盖1b与壳体2之间固定有第二导向块4b，第一端盖1a和第二端盖1b的中心开有内外贯通的第一中心孔，第一导向块4a和第二导向块4b的中心开有内外贯通的第二中心孔，第一中心孔、第二中心孔同轴设置且和壳体的内腔相互连通，第一滑动垫块3a滑动装在第一导向块的第二中心孔内，第二滑动垫块3b滑动装在第二导向块4b的第二中心孔内。
第一端盖1a、第二端盖1b与壳体2通过连接螺栓10连接在一起，导向块被连接螺栓压紧固定在端盖和壳体之间。
天窗可设置在壳体2的正上方。
所述第一滑动垫块3a的直径与入射杆12相等，第二滑动垫块3b的直径与透射杆13相等，这样只要将入射杆或透射杆与对应的滑动垫块端面对准即表示同轴。
所述加载室为可拆卸结构，加载室通过螺栓固定在固定支架9上，如图4所示，固定支架9 包括安装底座91和固定在所述安装底座91上的连接套92，连接套92上开有用于与加载室螺栓连接的螺栓孔94，加载室的固定部分(如两端盖上)设置与连接套相匹配的凸沿，并且在凸沿上设置与螺栓孔94相对应的安装孔，将加载室穿装在连接套的中心孔93内，再通过螺栓、螺母压紧固定即可实现加载室与固定支架的固定连接，再讲固定支架通过螺栓固定在底座11 上即可。
所述的锚杆锚固结构试件5包括圆柱状的混凝土试块5b和锚固在所述混凝土试块5b中心的锚杆5a，锚杆5a的一端伸出混凝土试块5b的对应侧端面，伸出部分的锚杆5a断面与第一滑动垫块3a正对面上的凸起部3a1正对紧贴，锚杆5a另一端与预留孔3b1正对。
所述缓冲支座(18)通过螺栓连接固定在底座上，缓冲支座(18)与缓冲杆正对侧开由于缓冲孔，缓冲孔内填充有缓冲垫，可以对缓冲杆撞击发生位移后起到保护作用，缓冲孔与缓冲杆同轴，且缓冲孔内径大于缓冲杆的直径，这样可以适应不同高度的缓冲杆。
本实用新型使用时，包括以下步骤：
1、安装加载室
将安装支架9通过螺栓安装在底座11上，将加载室的壳体通过螺栓安装在安装支架9上，将锚杆锚固结构试件装入载室内，通过手轮调节托架的高度，使锚杆锚固结构试件5对齐压紧并固定在第一滑动垫块3a，第二滑动垫块3b之间，通过天窗7观察锚杆锚固结构试件5是否对齐压紧并固定在第一滑动垫块3a，第二滑动垫块3b之间；
2、杆系对中调整
调节各个导向支架，从而调节安装在各个对应导向支架内的入射杆12、透射杆13、缓冲杆17的高度，最终使入射杆12、透射杆13、缓冲杆17、第一滑动垫块3a、第二滑动垫块3b同轴；
3、粘贴应变片
在入射杆上粘贴有用于测量其应变值的第一应变片15a，在透射杆上粘贴有用于测量其应变值的第二应变片15b；第一应变片和第二应变片均与应变仪相连；
D、试验
具体包括以下步骤：
a、子弹就位
用软杆将子弹推入子弹发射器16发射管中；
b、脉冲整形器
在入射杆(与子弹正对的端面上)贴上涂抹少量黄油的黄铜片作为波形整形器；
c、气源准备
打开与子弹发射器对应的瓶装高压氮气阀门，通过气压控制室设置所需冲击气压；
d、数据采集准备
设置应变仪相关参数，平衡清零；打开激光测速仪(装在子弹发射器发射管与入射杆之间用于检测子弹速度)，使其处于正常工作状态；
再对以上操作进行全方位检查，正确无误后打开气源开关，调节减压阀使出口压力略大于所需冲击气压，打开充气按钮进行充气，同时调节动态应变仪使其处于“等待触发”状态，当发射器内气压与所设置所需气压相同时发射子弹。
e、试验
从子弹发射器16发射子弹，撞击入射杆，同时应变仪记录到波形数据，完成应变波形图采集。
本实用新型结构新颖独特，简单合理，通过采集的入射波-反射波绘制出应变、应力、应变率、应变-应力等曲线，并将曲线导出，得出锚杆锚固结构试件的本构关系，最终能够有效的模拟冲击地压诱发深部软岩巷道锚杆支护结构失效破坏机理。通过简单改变第一滑动垫块，第二滑动垫块尺寸，可以用来做不同尺寸锚杆的锚杆锚固结构试件。试验灵活，其应力应变原始波形图(应变-时间)采集方法简单，通过应变片和应变仪直接采集，为动、静载耦合加载作用下的材料力学性能检测提供了准确的数据，能够有效的模拟冲击地压诱发深部软岩巷道锚杆支护结构失效破坏机理。使用方便，效果好。
Claims (10)
1.一种动荷载下锚杆锚固结构试验装置，包括底座(10)和设置在底座上的加载室，其特征在于，加载室为两端开口的中空结构，加载室两端分别设置有沿其对应侧口部轴向滑动的第一滑动垫块(3a)和第二滑动垫块(3b)，第一滑动垫块(3a)所在侧的底座上依次安装有用于调节入射杆(12)高度位置并对其进行定位导向的第一导向支架(14a)和子弹发射器(16)，第二滑动垫块(3b)所在侧的底座上依次安装有用于调节透射杆(13)高度位置并对其进行定位导向的第二导向支架(14b)、用于调节缓冲杆(17)高度位置并对其进行定位导向的第三导向支架(14c)和缓冲支座(18)，加载室内设置有用于托举支撑锚杆锚固结构试件(5)且高度可调的托架，第二滑动垫块(3b)靠近第一滑动垫块一侧的端面中心开有呈盲孔状的预留孔(3b1)，位于加载室内腔部分的第二滑动垫块(3b)外壁上连接有用于限制第二滑动垫块极限位置的限位凸沿(3b2)。
2.根据权利要求1所述的动荷载下锚杆锚固结构试验装置，其特征在于，所述的托架包括调节螺杆(81)、伸缩柱(86)、水平连接板(87)和弧形托板(88)，加载室的底板上开有上下贯通的滑道孔(2a)，伸缩柱(86)竖直位于加载室内且下端伸入滑道孔(2a)，伸入部分的伸缩柱与滑道孔之间设置有相匹配的轨道和滑块(84)，构成伸缩柱沿滑道孔轴向的上下滑动结构，伸缩柱上端固定连接有与其垂直设置且长度方向与第一滑动垫块轴向平行的水平连接板(87)，弧形托板(88)有两个，分别固定在水平连接板(87)的两端，远离水平连接板一端的伸缩柱端面上开有盲孔状的螺纹孔(85)，螺纹孔(85)内旋装有下端伸出加载室的底板的调节螺杆(81)，调节螺杆(81)与滑道孔之间设置有用于限制调节螺杆轴线位置的轴承(83)，伸出加载室底板一端的调节螺杆上装有调节手轮(82)。
3.根据权利要求2所述的动荷载下锚杆锚固结构试验装置，其特征在于，所述的加载室上部开有内外贯通的天窗(7)，天窗(7)上通过销轴(6a)装有翻转的天窗盖板(6)。
4.根据权利要求2所述的动荷载下锚杆锚固结构试验装置，其特征在于，所述弧形托板(88)为开口朝上的弧面型，且两个弧形托板截面的圆心的连线与第一滑动垫块轴向平行。
5.根据权利要求1所述的动荷载下锚杆锚固结构试验装置，其特征在于，所述第一滑动垫块(3a)靠近第二滑动垫块一侧的端面上设置有与锚杆锚固结构试件(5)中心的锚杆(5a)相对应的凸起部(3a1)。
6.根据权利要求1所述的动荷载下锚杆锚固结构试验装置，其特征在于，所述预留孔(3b1)的内径大于锚杆的外径。
7.根据权利要求1所述的动荷载下锚杆锚固结构试验装置，其特征在于，所述的第一导向支架(14a)内装有入射杆(12)，入射杆(12)靠近加载室的一端与第一滑动垫块(3a)紧贴，第二导向支架(14b)内装有透射杆(13)，透射杆(13)靠近加载室的一端与第二滑动垫块(3b)紧贴，第三导向支架(14c)内装有缓冲杆(17)，入射杆(12)、第一滑动垫块(3a)、锚杆锚固结构试件(5)、第二滑动垫块(3b)、透射杆(13)和缓冲杆(17)呈同轴设置。
8.根据权利要求1所述的动荷载下锚杆锚固结构试验装置，其特征在于，所述入射杆(12)上粘贴有用于测量其应变值的第一应变片(15a)，透射杆(13)上粘贴有用于测量其应变值的第二应变片(15b)。
9.根据权利要求1所述的动荷载下锚杆锚固结构试验装置，其特征在于，所述的加载室包括壳体(2)，壳体(2)为两端开口的管状中空结构，壳体(2)两端分别连接有第一端盖(1a)和第二端盖(1b)，第一端盖(1a)与壳体(2)之间固定有第一导向块(4a)，第二端盖(1b)与壳体(2)之间固定有第二导向块(4b)，第一端盖(1a)和第二端盖(1b)的中心开有内外贯通的第一中心孔，第一导向块(4a)和第二导向块(4b)的中心开有内外贯通的第二中心孔，第一中心孔、第二中心孔同轴设置且和壳体的内腔相互连通，第一滑动垫块(3a)滑动装在第一导向块的第二中心孔内，第二滑动垫块(3b)滑动装在第二导向块(4b)的第二中心孔内。
10.根据权利要求1所述的动荷载下锚杆锚固结构试验装置，其特征在于，所述的锚杆锚固结构试件(5)包括圆柱状的混凝土试块(5b)和锚固在所述混凝土试块(5b)中心的锚杆(5a)，锚杆(5a)的一端伸出混凝土试块(5b)的对应侧端面，伸出部分的锚杆(5a)断面与第一滑动垫块(3a)正对面上的凸起部(3a1)正对紧贴，锚杆(5a)另一端与预留孔(3b1)正对。
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|---|---|---|---|---|
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2020
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