CN113340747A - 锚杆剪切测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锚杆剪切试验技术领域，具体提供一种锚杆剪切测试装置及方法，包括加载装置，用于对锚杆施加法向剪切力，固定装置，设置在所述加载装置上，用于固定安装有锚杆的试件，并对试件施加水平预紧力，监测装置，与所述加载装置和所述固定装置对应连接，用于监测所述试件的受力及变形量，控制装置，根据所述监测装置的信息计算分析所述锚杆受剪切力时的参数变化。本发明提供的锚杆剪切测试装置即方法，通过对试件施加法向的剪切力和水平方向的预紧力，利用监测装置精准测算出锚杆的剪切变形，并通过控制装置有效分析出锚杆的抗剪性能，试验步骤简单高效，对锚杆的抗剪性能研究以及巷道支护设计具有重要的指导作用。

Description

锚杆剪切测试装置及方法

技术领域

本发明涉及锚杆剪切试验技术领域，尤其涉及一种锚杆剪切测试装置及方法。

背景技术

锚杆支护技术广泛应用在我国煤矿巷道中，其本质作用在于：通过杆体的轴向拉力和横向剪切力，对结构面的离层与滑动起到有效的阻止作用，防止围岩内部产生新的裂纹，有利于提高围岩结构面的剪切强度，保持围岩的完整性和稳定性，避免围岩产生较大的变形破坏。

在众多的锚固工程实例中，锚杆常见的破坏方式有拉剪破坏和拉弯破坏，杆体破坏多与结构面的剪切错动有关，结构面的力学特性对锚杆的破坏特征也有很大的关系。结构面的剪切错动会对锚杆产生较大的剪切载荷，部分构件会产生剪切弯曲变形，导致其发生屈服破坏，进而失效。而目前现行的锚杆支护设计大多只考虑了锚杆的轴向锚固作用，即锚杆的抗拉强度能否满足工程设计要求，然而，工程现场统计表明，在大埋深、高地应力作用的条件下，深部围岩锚杆的破坏往往是在拉剪综合作用下导致的，而并非单纯的拉伸断裂破坏。国内外学者对锚杆在拉伸状态下的受力和破坏机制研究较多，而对锚杆在剪切作用下的力学性能研究较少。人们对于锚杆发挥抗剪作用的认识一般存在着误区，认为锚杆只有在岩体沿节理面产生较大的相对位移，杆体表面与围岩紧密接触后才能发挥出抗剪性能，是一种被动的支护方式。事实上，预应力锚杆的横向抗剪作用仍然是一种主动的支护方式，通过托盘及螺母对锚杆杆体施加预应力后，围岩产生挤压作用导致节理面受到法向载荷，从而改变节理面的剪切强度，对围岩中潜在的滑移面进行加固。

因此，针对锚杆进行横向剪切测试对巷道支护设计具有重要的作用，而目前缺少对锚杆进行横向剪切测试的试验设备。

发明内容

本发明提供一种锚杆剪切测试装置及方法，用以解决现有技术中缺乏对锚杆进行横向剪切测试试验的问题，实现锚杆剪切强度对巷道支护作用全方位研究。

本发明提供一种锚杆剪切测试装置，包括：

加载装置，用于对安装有锚杆的试件施加法向剪切力；

固定装置，设置在所述加载装置上，用于固定安装有所述锚杆的试件，并对所述试件施加水平预紧力；

监测装置，与所述加载装置和所述固定装置对应连接，用于监测所述试件的受力及变形量；

控制装置，与所述加载装置、所述固定装置以及所述监测装置电连接，控制所述加载装置和所述固定装置施力，并根据所述监测装置的信息计算分析所述锚杆受剪切力时的参数变化。

根据本发明提供的一种锚杆剪切测试装置，所述加载装置包括试样主机，所述试样主机包括底座和与所述底座固定连接的框架，所述框架上设置有法向油缸。

根据本发明提供的一种锚杆剪切测试装置，所述固定装置包括试样模具和预紧装置，所述试样模具呈多段式水平延伸结构，用于对所述试件进行水平方向固定。

根据本发明提供的一种锚杆剪切测试装置，所述预紧装置包括设置在所述试样模具水平延伸方向一侧的预紧力油缸，用于对所述锚杆施加水平预紧力。

根据本发明提供的一种锚杆剪切测试装置，所述监测装置包括对应于所述法向油缸设置的法向力传感器和法向位移传感器，以及对应于所述预紧力油缸设置的预紧力传感器和水平位移传感器。

根据本发明提供的一种锚杆剪切测试装置，所述试样模具的底部设置有水平滑移小车，所述水平滑移小车包括托板和设置在所述托板两侧的升降滑轮，用于所述试样模具的水平移动。

根据本发明提供的一种锚杆剪切测试装置，所述底座的水平一侧设置有供水平滑移小车移动的导轨。

根据本发明提供的一种锚杆剪切测试装置，所述试样模具包括盖在所述试件上端的盖板和衬托在所述试件下端的底板，所述盖板和底板之间通过螺栓固定。

根据本发明提供的一种锚杆剪切测试装置，所述法向油缸与所述试件之间设置有加载块，所述加载块与所述试件大小相同。

本发明还提供的一种锚杆剪切测试方法，包括如下步骤：

安装试件，通过所述固定装置对所述试件进行夹持，其中，所述试件中安装有水平方向设置的锚杆；

通过所述加载装置对所述试件施加法向剪切力，同时通过所述固定装置对所述试件施加水平方向的预紧力；

通过所述控制装置对所述监测装置监测到的受力及位移信息进行处理，计算分析所述锚杆受剪切力时的参数变化。

本发明提供的锚杆剪切测试装置，通过固定装置对装有锚杆的试件进行固定，并通过水平设置的预紧力油缸对试件进行水平预紧，通过法向油缸对试件进行垂直方向上的施力，以此实现对锚杆横向剪切测试，试验步骤简单高效，监测装置能够精准测算出锚杆的剪切变形，利用控制装置有效分析出锚杆的抗剪性能，对锚杆的抗剪性能研究以及巷道支护设计具有重要的指导作用。

进一步，本发明提供的锚杆剪切测试方法，由于采用上述装置进行操作，因此同样具备如上所述的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的锚杆剪切测试装置整体结构示意图；

图2是本发明提供的锚杆剪切测试装置的加载装置和固定装置组合示意图；

图3是本发明提供的锚杆剪切测试装置的加载装置和固定装置的侧视图；

图4是本发明提供的锚杆剪切测试装置的固定装置结构示意图；

图5是本发明提供的锚杆剪切测试装置在试验中锚杆的安装示意图。

附图标记：

1：加载装置； 11：底座； 12：框架；

13：法向油缸； 14：供油器； 2：固定装置；

21：试件模具； 22：预紧装置； 23：加载块；

24：导轨； 25：托板； 26：升降滑轮；

211：盖板； 212：螺栓； 213：底板；

3：控制装置； 31：控制柜； 32：控制台；

4：锚杆； 5：试件； 6：垫块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

为实现本发明提到的对锚杆进行横向剪切测试，本发明结合图1-图5提供如下一种实施例：

本实施例提供一种锚杆剪切测试装置，包括加载装置1、固定装置2和控制装置3，以及与加载装置1、固定装置2和控制装置3连接的监测装置。加载装置1为试样主机，试样主机包括底座11和与底座11固定连接的框架12，框架12通过多个立柱设置在底座11的上方，框架12上设置有法向油缸13，用于对安装有锚杆4的试件5施加法向剪切力。另外，试样主机外部还设置有供油器14，为法向油缸13提供所需要的油压，保证法向油缸13的动载。

固定装置2设置在加载装置1上，包括试样模具21和预紧装置22；用于固定安装有锚杆4的试件5，并对试件5施加水平预紧力；试样模具21呈多段式水平延伸结构，可以将多个试件5按照直线排列固定。预紧装置22为设置在试样模具21水平延伸方向一侧的预紧力油缸，对锚杆4和试件5施加水平预紧力。

监测装置包括对应于法向油缸13设置的法向力传感器和法向位移传感器，以及对应于预紧力油缸设置的预紧力传感器和水平位移传感器，用于监测试件5的受力及变形量。预紧力油缸为中空结构，通过调节预紧力油缸的伸出用于为试件5提供一定的预紧力，其预紧力的大小及油缸的伸出量分别由水平布置的位移传感器及预紧力传感器测出。

控制装置3包括控制柜31和控制台32，其与加载装置1、固定装置2以及监测装置电连接，控制加载装置1的法向油缸13和固定装置2的预紧力油缸施力，根据监测装置的信息计算分析锚杆4受剪切力时的参数变化。

在本实施例中，具体的，试样模具21包括位于试件5上下端的盖板211和底板213，所述盖板211和底板213之间通过螺栓212固定。盖板211直接布置于试件5顶部，上部盖板211通过螺栓212与底部的底板213结构建立连接关系，防止试样模具21在某个块体剪切过程中，周边试件5发生局部翘起的现象，保证试验的精度。

作为进一步的改进，试样模具21的底部设置有水平滑移小车，水平滑移小车包括托板25和升降滑轮26，用于试样模具21的水平移动。当锚杆4安装完毕之后，可通过水平滑移小车将整个试样模具21推送至法向油缸13底部进行加载。在试样模具21位于法向油缸13底部底部时，可以通过升降滑轮26的升降功能将托板25放至底座11的表面，使试样模具21更好的受力。

同时，为了保证水平滑移小车能够相对于试样主机水平移动，在试样主机的底座11的水平一侧设置有供水平滑移小车移动的导轨24。试样模具21的水平移动更方便对试件5的装卸。

法向油缸13与试件5之间设置有加载块23，法向油缸13出力通过加载块23传递至装有锚杆4的试件5上，加载块23的大小与试件5的尺寸相同，可保证加载的精度。

需要注意的是，为了保证试件5受到有效的剪切力，被加载块23加载的试件5的上端是不用安装盖板211的，即加载块23直接垂直作用在试件5上，其余的试件5需要通过盖板211和底板213进行固定。当然，在需要对不同的试件5施加剪切力时，调整加载块23与对应的盖板211的位置即可。

上述锚杆剪切测试装置实现对锚杆4横向剪切测试，试验步骤简单高效，监测装置能够精准测算出锚杆的剪切变形，利用控制装置2有效分析出锚杆4的抗剪性能，对锚杆4的抗剪性能研究以及巷道支护设计具有重要的指导作用。

本实施例还提供一种锚杆剪切测试方法，包括如下步骤：

步骤1：将多个试件5通过一根锚杆4锚固，将多个试件5固定在固定装置2上，盖板211和底板213通过螺栓212将试件5进行夹持，其中，锚杆4是水平设置的；这里的多节理试件可以是由5个500mm×500mm×500mm的立方体试块组成。

步骤2：将安装好的试样模具21通过水平滑移小车移动至法向油缸13的下端，法向油缸13伸出将加载块23对应放置在其中一个试件5上，进行法向对位。

步骤3：通过控制装置3控制法向油缸13对试件5施加法向剪切力，同时控制预紧力油缸对试件5施加水平方向的预紧力，观测分析监测装置收集的变形信息，从而得到锚杆4在剪切力作用下的变化参数。

试验过程中，对应于预紧力油缸设置的预紧力传感器和水平位移传感器可在试验过程中测试出多节理岩体锚杆在剪切过程中的轴向力-轴向位移曲线，对应于法向油缸13设置的法向力传感器和法向位移传感器测试锚杆5在剪切过程中的切向力-切向位移曲线。

以上步骤可以对水平排列的不同位置的试件5依次进行试验，从而实现锚杆4作用于多节理岩体状况下的剪切测试。

进一步的，为了使锚杆4承受不同程度的剪切力，在试验中，试件5与底板213之间还可以放置垫块6，同样，如图5所示，为增强剪切力的效果，受剪切力的试件5的正下方可以是镂空的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种锚杆剪切测试装置，其特征在于，包括：

加载装置，用于对安装有锚杆的试件施加法向剪切力；

固定装置，设置在所述加载装置上，用于固定安装有所述锚杆的试件，并对所述试件施加水平预紧力；

监测装置，与所述加载装置和所述固定装置对应连接，用于监测所述试件的受力及变形量；

控制装置，与所述加载装置、所述固定装置以及所述监测装置电连接，控制所述加载装置和所述固定装置施力，并根据所述监测装置的信息计算分析所述锚杆受剪切力时的参数变化。

2.根据权利要求1所述的一种锚杆剪切测试装置，其特征在于，所述加载装置包括试样主机，所述试样主机包括底座和与所述底座固定连接的框架，所述框架上设置有法向油缸。

3.根据权利要求2所述的一种锚杆剪切测试装置，其特征在于，所述固定装置包括试样模具和预紧装置，所述试样模具呈多段式水平延伸结构，用于对所述试件进行水平方向固定。

4.根据权利要求3所述的一种锚杆剪切测试装置，其特征在于，所述预紧装置包括设置在所述试样模具水平延伸方向一侧的预紧力油缸，用于对所述锚杆施加水平预紧力。

5.根据权利要求4所述的一种锚杆剪切测试装置，其特征在于，所述监测装置包括对应于所述法向油缸设置的法向力传感器和法向位移传感器，以及对应于所述预紧力油缸设置的预紧力传感器和水平位移传感器。

6.根据权利要求4所述的一种锚杆剪切测试装置，其特征在于，所述试样模具的底部设置有水平滑移小车，所述水平滑移小车包括托板和设置在所述托板两侧的升降滑轮，用于所述试样模具的水平移动。

7.根据权利要求6所述的一种锚杆剪切测试装置，其特征在于，所述底座的水平一侧设置有供水平滑移小车移动的导轨。

8.根据权利要求4所述的一种锚杆剪切测试装置，其特征在于，所述试样模具包括盖在所述试件上端的盖板和衬托在所述试件下端的底板，所述盖板和底板之间通过螺栓固定。

9.根据权利要求8所述的一种锚杆剪切测试装置，其特征在于，所述法向油缸与所述试件之间设置有加载块，所述加载块与所述试件大小相同。

10.根据权利要1-9任一项所述的一种锚杆剪切测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

安装试件，通过所述固定装置对所述试件进行夹持，其中，所述试件中安装有水平方向设置的锚杆；

通过所述加载装置对所述试件施加法向剪切力，同时通过所述固定装置对所述试件施加水平方向的预紧力；

通过所述控制装置对所述监测装置监测到的受力及位移信息进行处理，计算分析所述锚杆受剪切力时的参数变化。

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