考虑支护-围岩相互作用的锚杆抗冲击测试系统及其应用方法

摘要

本发明公开了一种考虑支护-围岩相互作用的锚杆抗冲击测试系统及其应用方法，其特征在于，包括主机框架结构、围岩模拟装置、锚杆试件、送样装置、试样升降组件、锤体组件、提锤装置、电气控制系统、缓冲装置、防护装置、冲击荷载测量系统和位置测量系统；本发明所述的围岩模拟装置可以模拟工程现场发生岩爆时围岩产生的板裂化现象，通过锤体组件施加冲击荷载可以模拟围岩突然向外爆出的现象，通过围岩模拟装置上侧钢管和下侧钢管的分离使锚杆产生类似于现场的应力和应变集中现象。本测试系统能够真实的反映围岩和锚杆在冲击荷载作用下的相互作用过程，从而测量锚杆实际的抗冲击性能，真实反映锚杆对具有岩爆倾向围岩的加固作用。

说明书

技术领域

本发明涉及锚杆在工程现场抗冲击性能的研究，特别是涉及实际工程考虑支护结构和围岩相互作用的锚杆抗冲击测试系统及其应用方法。

背景技术

近年来，我国深部地下工程建设获得了深入发展，同时也遇到了越来越复杂的地质条件。高应力引起的岩爆及冲击地压等破坏性强烈的工程灾害越来越严重，在这种条件下应用的锚杆的抗冲击性能是锚固支护效果的关键。

如附图1所示，岩爆的发生过程是指硐室围岩在高应力作用下，首先产生板裂化现象（即产生裂隙），之后随着能量的进一步积聚，部分围岩突然向外爆出的现象。在此过程中，锚杆极易破坏，其原因不仅在于岩爆释放较高的能量，形成强烈的冲击，更重要的是在锚杆中引发了应力和应变集中。

如图2所示。由于锚杆表面粗糙并与锚固剂紧密结合，在岩爆导致围岩裂隙张开的情况下，锚杆在裂隙附近仅有很短的杆体与锚固剂分离。岩爆发生时，只有与围岩分离的部分杆体能够受拉伸长，从而吸收爆出岩块的能量，锚杆与围岩紧密结合的部分则不能伸长和吸收能量。因此，锚杆实际的抗冲击能力仅包括裂隙附近可变形部分杆体受拉伸长所能吸收的能量。

为了测试锚杆的抗冲击性能，需要可以模拟上述破坏现象和过程的测试装置。现有的实验室测试设备包括中国专利201110387388.1、2012100934515两种。这两种测试装置都是将锚杆一端固定，对锚杆的另一端直接施加冲击荷载，这样实际测得的锚杆抗冲击性能包括锚杆全部长度受拉伸长所吸收的能量，测试得到的结果与锚杆现场特性有较大差别。目前的实验装置不能真实反映锚杆-围岩之间的相互作用，即锚杆承受的冲击荷载与现场实际情况不一致，而且不能直接反映在冲击荷载作用下锚杆对围岩的加固作用。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种能够反映工程现场锚杆与围岩的相互作用的锚杆抗冲击性能测试系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种考虑支护-围岩相互作用的锚杆抗冲击测试系统，其特征在于，包括主机框架结构、围岩模拟装置、锚杆试件、送样装置、试样升降组件、锤体组件、提锤装置、电气控制系统、缓冲装置、防护装置、冲击荷载测量系统和位置测量系统；

所述的主机框架结构，包括底板、顶板、支撑立柱、导向光杆和横梁，支撑立柱共四根，相邻支撑立柱之间通过横梁连接以提高主机框架结构的稳定性，导向光杆共有两根，任意一根的上、下两端分别与顶板和底板相连；

所述的围岩模拟装置，包括上侧钢管、下侧钢管、挂钩和冲击盘；上侧钢管和下侧钢管通过凸台相连，既能防止两者轴心偏斜，又能使两者受到拉力时可以方便的脱离，挂钩的下端通过螺纹与上侧钢管连接，挂钩的上端可以挂在试样夹具上；冲击盘固定在下侧钢管的外侧，用于承受锤体组件的冲击，并将冲击力传递给下侧钢管；

所述的锚杆试件，包括杆体、托盘和螺母，杆体安装在上述围岩模拟装置的上侧钢管和下侧钢管中，通过砂浆或树脂锚固剂固定，托盘与下侧钢管的低端接触，螺母用于固定托盘；

所述的送样装置，包括固定构件、左右导轨、前后导轨、试样抓钩、抓钩手轮，所述的固定构件用于将送样装置固定在主机框架结构的支撑立柱上，通过抓钩手轮可以控制试样抓钩抓、放试样；

所述的试样升降组件，包括动力组件一、螺纹杆、试样夹具，动力组件一可以控制螺纹杆上下运动，试样夹具与螺纹杆下侧通过螺纹连接；试样升降组件可以将围岩模拟装置的上侧钢管固定在任意设定的高度；

所述的锤体组件，包括锤头、锤头座、主锤体、配重砝码、砝码锁紧套、砝码锁紧杆，在主锤体上预留有上下通透的两个导向光杆孔和围岩模拟装置孔，锤体组件工作时整体沿导向光杆下落，对围岩模拟装置的冲击盘施加冲击荷载；

所述的提锤装置，包括动力组件二，电磁铁牵引机构，抓锤自锁机构，动、静滑轮组，提锤链条；用于抓起或释放锤体，以及将锤体组件提升到设定高度；

所述的电气控制系统，包含触摸屏、PLC、主命令控制按钮、伺服控制器、安全限位开关，用于操控整台试验机的正常指令运行；

所述的缓冲装置，采用液压缓冲油缸，安装在主机框架结构的底板上，在锚杆受冲击后产生破断的情况下，吸收锤体组件冲击能量，防止锤体组件直接冲击主机框架结构的底板；

所述的防护装置，包含声光报警系统、维护用安全爬梯、下安全防护罩、上安全防护网、安全门，用于保护设备操作员的人身安全，维持整机的运行安全；

所述的冲击荷载测量系统，包括压力传感器、导线、数据采集器，压力传感器安装在锤头和锤头座之间，用于实时测量实验过程中试件受到的冲击荷载；

所述的位置测量系统，包括非接触位置传感器、导线、数据采集器，非接触位置传感器用于实时测量实验过程中锤体组件的位置，进而计算得到其速度和加速度。

本发明的试验方法是：

1）首先将围岩模拟装置的上侧钢管和下侧钢管对接，安装挂钩和冲击盘；然后在上侧钢管和下侧钢管填充混凝土用于模拟围岩，待混凝土凝固后在其中心钻孔；然后通过砂浆或树脂锚固剂将锚杆的杆体固定在钻孔中；最后安装托盘和螺母；

2）设置锤体组件的重量并固定好配重砝码，通过提锤装置和动力组件将其提升到一定高度，通过送样装置将围岩模拟装置托起，将其挂钩固定在试样升降组件的试样夹具上，进而调节试样至实验设计高度；

3）通过提锤装置释放锤体组件，锤体组件自由落体冲击围岩模拟装置下侧钢管上的冲击盘，由于锚杆的下端与下侧钢管通过锚固剂粘结，同时还有托盘和螺母的阻挡，冲击荷载通过下侧钢管传递到锚杆试件，从而给锚杆试件施加冲击荷载；

4）在上述实验过程中，通过冲击荷载测量系统实时测量实验过程中试件受到的冲击荷载；通过位置测量系统实时测量锤体组件的位置，进而计算得到锤体的速度和加速度数据；实验完成后，提起锤体组件，卸下围岩模拟装置，记录分析试件的破坏情况。

本发明的原理是：

本发明的围岩模拟装置可以模拟工程现场发生岩爆时围岩产生的板裂化现象，通过锤体组件施加冲击荷载可以模拟围岩突然向外爆出的现象，通过围岩模拟装置上侧钢管和下侧钢管的分离使锚杆产生类似于现场的应力和应变集中现象。本测试系统能够真实的反映围岩和锚杆在冲击荷载作用下的相互作用过程，从而测量锚杆实际的抗冲击性能，真实反映锚杆对具有岩爆倾向围岩的加固作用。

附图说明

图1为岩爆原理示意图；

图2为岩爆发生时锚杆变形分析图；

图3为本发明考虑支护-围岩相互作用的锚杆抗冲击测试系统的结构示意图。

图例：主机框架结构的底板101、顶板102、支撑立柱103、导向光杆104；围岩模拟装置的上侧钢管201、下侧钢管202、冲击盘203；锚杆试件的杆体301、托盘302；试样升降组件的动力组件一401、螺纹杆402、试样夹具；锤体组件5；提锤装置的动力组件二601、电磁铁牵引机构602；缓冲装置7；围岩模拟装置的挂钩和试样升降组件的试样夹具的组合表示为88。

具体实施方式

结合附图3，一种考虑支护-围岩相互作用的锚杆抗冲击测试系统，其特征在于，包括主机框架结构、围岩模拟装置、锚杆试件、送样装置、试样升降组件、锤体组件5、提锤装置、电气控制系统、缓冲装置、防护装置、冲击荷载测量系统和位置测量系统；

所述的主机框架结构，包括底板101、顶板102、支撑立柱103、导向光杆104和横梁，支撑立柱共四根，相邻支撑立柱之间通过横梁连接以提高主机框架结构的稳定性，导向光杆共有两根，任意一根的上、下两端分别与顶板和底板相连；

所述的围岩模拟装置，包括上侧钢管201、下侧钢管202、挂钩和冲击盘；上侧钢管和下侧钢管通过凸台相连，既能防止两者轴心偏斜，又能使两者受到拉力时可以方便的脱离，挂钩的下端通过螺纹与上侧钢管连接，挂钩的上端可以挂在试样夹具上；冲击盘固定在下侧钢管的外侧，用于承受锤体组件的冲击，并将冲击力传递给下侧钢管；

所述的锚杆试件，包括杆体301、托盘302和螺母，杆体安装在上述围岩模拟装置的上侧钢管和下侧钢管中，通过砂浆或树脂锚固剂固定，托盘与下侧钢管的低端接触，螺母用于固定托盘；

所述的送样装置，包括固定构件、左右导轨、前后导轨、试样抓钩、抓钩手轮，所述的固定构件用于将送样装置固定在主机框架结构的支撑立柱上，通过抓钩手轮可以控制试样抓钩抓、放试样；

所述的试样升降组件，包括动力组件一401、螺纹杆402、试样夹具，动力组件一可以控制螺纹杆上下运动，试样夹具与螺纹杆下侧通过螺纹连接；试样升降组件可以将围岩模拟装置的上侧钢管固定在任意设定的高度；

所述的锤体组件5，包括锤头、锤头座、主锤体、配重砝码、砝码锁紧套、砝码锁紧杆，在主锤体上预留有上下通透的两个导向光杆孔和围岩模拟装置孔，锤体组件工作时整体沿导向光杆下落，对围岩模拟装置的冲击盘施加冲击荷载；

所述的提锤装置，包括动力组件二601，电磁铁牵引机构602，抓锤自锁机构，动、静滑轮组，提锤链条；用于抓起或释放锤体，以及将锤体组件提升到设定高度；

所述的电气控制系统，包含触摸屏、PLC、主命令控制按钮、伺服控制器、安全限位开关，用于操控整台试验机的正常指令运行；

所述的缓冲装置7，采用液压缓冲油缸，安装在主机框架结构的底板上，在锚杆受冲击后产生破断的情况下，吸收锤体组件冲击能量，防止锤体组件直接冲击主机框架结构的底板；

所述的防护装置，包含声光报警系统、维护用安全爬梯、下安全防护罩、上安全防护网、安全门，用于保护设备操作员的人身安全，维持整机的运行安全。

所述的冲击荷载测量系统，包括压力传感器、导线、数据采集器，压力传感器安装在锤头和锤头座之间，用于实时测量实验过程中试件受到的冲击荷载。

所述的位置测量系统，包括非接触位置传感器、导线、数据采集器，非接触位置传感器用于实时测量实验过程中锤体组件的位置，进而计算得到其速度和加速度。

本发明的试验方法是：

1）首先将围岩模拟装置的上侧钢管和下侧钢管对接，安装挂钩和冲击盘；然后在上侧钢管和下侧钢管填充混凝土用于模拟围岩，待混凝土凝固后在其中心钻孔；然后通过砂浆或树脂锚固剂将锚杆的杆体固定在钻孔中；最后安装托盘和螺母；

2）设置锤体组件的重量并固定好配重砝码，通过提锤装置和动力组件将其提升到一定高度，通过送样装置将围岩模拟装置托起，将其挂钩固定在试样升降组件的试样夹具上，进而调节试样至实验设计高度；

3）通过提锤装置释放锤体组件，锤体组件自由落体冲击围岩模拟装置下侧钢管上的冲击盘，由于锚杆的下端与下侧钢管通过锚固剂粘结，同时还有托盘和螺母的阻挡，冲击荷载通过下侧钢管传递到锚杆试件，从而给锚杆试件施加冲击荷载；

4）在上述实验过程中，通过冲击荷载测量系统实时测量实验过程中试件受到的冲击荷载；通过位置测量系统实时测量锤体组件的位置，进而计算得到锤体的速度和加速度数据；实验完成后，提起锤体组件，卸下围岩模拟装置，记录分析试件的破坏情况。

以上所述实施例，只是本发明较优选的具体的实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。