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CN117606923A - 腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法、装置及应用 - Google Patents

腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法、装置及应用 Download PDF

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CN117606923A
CN117606923A CN202311471017.0A CN202311471017A CN117606923A CN 117606923 A CN117606923 A CN 117606923A CN 202311471017 A CN202311471017 A CN 202311471017A CN 117606923 A CN117606923 A CN 117606923A
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anchor rod
test piece
anchor
stress
corrosion
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褚晓威
张镇
鞠文君
李文洲
孟宪志
吴志刚
李中伟
石蒙
汪占领
石垚
王志超
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Original Assignee
Ccteg Coal Mining Research Institute Co ltd
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Abstract

本发明涉及锚杆力学性能测试技术领域，尤其涉及一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法、装置及应用，通过制备模拟锚杆的腐蚀环境、拉伸试验以及模拟工况腐蚀拉伸试验，可以获得不同典型工况下不同变形程度锚杆材料在腐蚀性环境中的应力应变特征以及应力腐蚀敏感性，进而直观评价锚杆材料及设计参数在腐蚀性矿井环境中的适用性，从而合理进行材料选择和参数设计，减少锚杆受腐蚀失效，增强支护系统以及围岩的长期稳定性。

Description

腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法、装置及应用
技术领域
本发明涉及锚杆力学性能测试技术领域，尤其涉及一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法、装置及应用。
背景技术
锚杆支护是煤矿巷道最主要的支护方式，锚杆支护过程中，受矿井环境以及自身材料变形等因素的影响，会发生一定的腐蚀，锚杆在煤矿井下的腐蚀形式主要包括均匀腐蚀、点蚀和应力腐蚀等。由于锚杆在工作状态下都有一定的工作阻力即载荷，会产生内应力(主要为拉应力)，因此应力腐蚀是煤矿井下实际正常工作锚杆的主要腐蚀形式。锚杆材料受变化载荷(内应力)和周围煤岩体变形运移的影响，也会出现各种变形，变形必然会引起局部微观组织的变化，甚至产生一些微裂纹等较严重损伤。为实现主动支护，锚杆在安装时即施加一定的主动载荷，以产生施加在围岩表面的压应力，即锚杆在刚开始工作时就会有一定的内应力和变形。锚杆在工作过程中受围岩的错动、碎胀等影响，载荷和内应力持续发生变化，变形复杂。
锚杆的变形特别是局部塑性应变，会对锚杆材料的腐蚀特性产生重要的影响，会加速腐蚀反应，加速材料的破坏。因此，对锚杆材料进行腐蚀环境中的力学性能的评价非常关键，特别是在不同工况下不同变形特征及阶段的应力腐蚀特性。
对锚杆材料进行腐蚀环境中的力学性能的评价，主要通过慢拉伸应力腐蚀试验机进行试验得到，现有的慢拉伸应力腐蚀试验只能测试拉伸工况下试件的应力腐蚀特征，无法满足锚杆实际的拉伸、扭转、弯曲等复杂组合工况下应力腐蚀特征的测试；而且，常规慢拉伸应力腐蚀试验方法将试件直接拉伸也无法测试已有应变对应力腐蚀特征的影响规律。
发明内容
本发明提供一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法、装置及应用，用以解决现有慢拉伸应力腐蚀试验的上述缺陷，实现对锚杆材料在不同工况、不同变形程度下的应力腐蚀行为进行直观的评价，进而对腐蚀矿井环境中锚杆材料选择、参数设计、失效风险评估等提供支持，减少由应力腐蚀造成的锚杆破断及围岩变形失稳风险。
本发明提供一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，包括如下步骤：
S1、锚杆的腐蚀环境模拟制备：按照锚杆的腐蚀环境水质测试结果，配备模拟溶液，作为腐蚀试验的环境池溶液，所述模拟溶液的pH值、离子类型和离子浓度与所述锚杆的腐蚀环境水质一致；按照锚杆的腐蚀环境温度，配备加热装置，用于在试验过程中加热环境池溶液，模拟锚杆的腐蚀环境；
S2、拉伸试验：将锚杆试件安装于拉伸试验机，以1*10-3S-1～1*10-2S-1的拉伸速率，对锚杆试件在空气中进行拉伸试验直至锚杆试件破断，得到锚杆试件的典型应力-应变曲线，并计算得到锚杆试件的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率；
S3、模拟工况腐蚀拉伸试验：在拉伸试验机上设置旋转装置和弯曲装置，分别模拟扭转、弯曲和扭转+弯曲的锚杆初始载荷状态，将锚杆试件置于步骤S1所制备的腐蚀环境下，分别进行不同初始载荷状态下的锚杆试件拉伸试验直至锚杆试件破断，得到不同初始载荷状态下的锚杆试件的应力-应变曲线，并计算得到锚杆试件在不同初始载荷状态下的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率；
S4、改变步骤S3的初始载荷的大小，重复进行步骤S3，得到不同初始载荷大小下的锚杆试件的应力-应变曲线，并计算得到锚杆试件在不同初始载荷大小下的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率；
S5、将步骤S3和步骤S4得到的锚杆试件的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率与步骤S2得到的锚杆试件的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率进行对比，进行锚杆试件应力腐蚀敏感性评价。
根据本发明提供的一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，步骤S2中，根据典型应力-应变曲线得到锚杆试件拉伸过程中的弹性阶段、屈服阶段、均匀塑性阶段、颈缩阶段对应的应变及应力值范围；在典型应力-应变曲线中选取4～7个试验应力应变点，所述试验应力应变点分布于锚杆试件拉伸过程中的各个阶段；
步骤S3中，进行不同初始载荷状态下的锚杆试件拉伸试验，先以1*10-3S-1～1*10- 2S-1的拉伸速率将锚杆试件拉伸至上述其中一个试验应力应变点，调整拉伸速率为1*10-6S-1～1*10-8S-1，继续进行拉伸试验直至锚杆试件破断，得到不同初始载荷状态下的锚杆试件的应力-应变曲线。
根据本发明提供的一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，步骤S3和步骤S4中，每一组拉伸试验均配置一组将锚杆试件置于空气中的不同初始载荷状态下锚杆试件拉伸试验作为对比。
根据本发明提供的一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，还包括：
步骤S6、分别对步骤S2、步骤S3和步骤S4中锚杆试件拉伸试验破断后的断口进行扫描电镜和金相分析，对比微观组织结构和次生裂纹，分析得到不同初始载荷状态及不同载荷大小对锚杆试件应力腐蚀特征的影响。
本发明还提供一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置，包括拉伸试验机，所述拉伸试验机设置有用于连接锚杆试件的第一移动件和第二移动件，所述腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置适用于上述任意一项所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法；
所述腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置还包括：
腐蚀环境池，承装有模拟锚杆的腐蚀环境的环境池溶液，用于包覆所述锚杆试件；
旋转装置，固定于所述第一移动件上，所述旋转装置的旋转端通过扭矩传感器连接于所述锚杆试件的一端，所述锚杆试件的另一端连接所述第二移动件；
弯曲装置，连接于所述锚杆试件上，并对所述锚杆试件提供弯曲应力。
根据本发明提供的一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置，所述弯曲装置包括：
两个横向架，所述横向架的一端通过固定器连接固定于所述锚杆试件；
纵向架，所述纵向架连接于两个所述横向架之间，所述纵向架上设有螺纹通孔；
顶推杆，所述顶推杆穿设于所述纵向架上的螺纹通孔，并朝向所述锚杆试件进行顶推；
轴力传感器，固定于所述顶推杆朝向所述锚杆试件的端部，用于监测所述顶推杆顶推所述锚杆试件的应力。
根据本发明提供的一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置，所述纵向架为纵向伸缩架，适于能沿着所述锚杆试件拉伸和收缩的方向进行伸缩。
根据本发明提供的一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置，所述纵向架上设置有活动伸缩部，以通过所述活动伸缩部的伸缩实现所述纵向架的纵向伸缩。
本发明还提供一种锚杆支护能力衰减系数测试方法，包括：
S10、将锚杆试件置于不同腐蚀环境并设定不同时长，进行受力和变形的监测；
S20、将步骤S10的锚杆试件分别进行上述任意一项所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，得到锚杆试件在无初始载荷状态下的空气环境中的极限抗拉强度和延伸率，以及得到锚杆试件在不同初始载荷状态下的腐蚀环境中的极限抗拉强度和延伸率；
S30、计算获得锚杆试件延伸率衰减系数和强度衰减系数：
延伸率衰减系数其中，δ1为锚杆试件在不同初始载荷状态下的腐蚀环境中的延伸率，δ0为锚杆试件在无初始载荷状态下的空气环境中的延伸率；
强度衰减系数其中，Rm1为锚杆试件在不同初始载荷状态下的腐蚀环境中的极限抗拉强度，Rm0为锚杆试件在无初始载荷状态下的空气环境中的极限抗拉强度；
S40、取k＝max(k1,k2)为支护能力衰减系数。
本发明还提供一种锚杆支护能力安全系数评价方法，包括：
S100、取与服役锚杆相同的锚杆试件进行上述任意一项所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，锚杆试件在腐蚀环境中拉伸试验直至锚杆试件破断，得到破断前的最大拉伸长度L1；
S200、判断服役锚杆的状态，确定其目前拉伸长度L2；
S300、计算服役锚杆支护能力安全系数通过锚杆支护能力安全系数评估服役锚杆的支护剩余能力以及支护的安全度。
本发明提供的一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法、装置及应用，通过制备模拟锚杆的腐蚀环境、拉伸试验以及模拟工况腐蚀拉伸试验，可以获得不同典型工况下不同变形程度锚杆材料在腐蚀性环境中的应力应变特征以及应力腐蚀敏感性，进而直观评价锚杆材料及设计参数在腐蚀性矿井环境中的适用性，从而合理进行材料选择和参数设计，减少锚杆受腐蚀失效，增强支护系统以及围岩的长期稳定性。
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是本发明提供的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法的流程示意图；
图2是锚杆试件拉伸试验典型应力-应变曲线；
图3是锚杆试件拉伸试验试验应力应变点取点示意图；
图4是本发明提供的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置在拉伸工况的结构示意图；
图5是本发明提供的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置在拉伸+扭转工况的结构示意图；
图6是本发明提供的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置在拉伸+弯曲工况的结构示意图；
图7是本发明提供的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置在拉伸+扭转+弯曲工况的结构示意图；
图8是本发明提供的弯曲装置的一种实施例结构示意图；
图9是本发明提供的锚杆支护能力安全系数评价过程中拉伸长度取值示意图。
附图标记：
1、拉伸试验机；11、第一移动件；12、第二移动件；13、第一夹具；14、第二夹具；2、锚杆试件；3、腐蚀环境池；4、旋转装置；5、弯曲装置；51、横向架；52、固定器；53、纵向架；531、活动伸缩部；54、顶推杆；55、轴力传感器；6、扭矩传感器。
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。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1～图9描述本发明的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法、装置及应用。
本发明的一个具体实施例提供一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，参见图1所示，包括如下步骤：
S1、锚杆的腐蚀环境模拟制备：按照锚杆的腐蚀环境水质测试结果，配备模拟溶液，作为腐蚀试验的环境池溶液，所述模拟溶液的pH值、离子类型和离子浓度与所述锚杆的腐蚀环境水质一致；按照锚杆的腐蚀环境温度，配备加热装置，用于在试验过程中加热环境池溶液，模拟锚杆的腐蚀环境；
S2、拉伸试验：将锚杆试件安装于拉伸试验机，以1*10-3S-1～1*10-2S-1的拉伸速率，对锚杆试件在空气中进行拉伸试验直至锚杆试件破断，得到锚杆试件的典型应力-应变曲线，并计算得到锚杆试件的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率；
S3、模拟工况腐蚀拉伸试验：在拉伸试验机上设置旋转装置和弯曲装置，分别模拟扭转、弯曲和扭转+弯曲的锚杆初始载荷状态，将锚杆试件置于步骤S1所制备的腐蚀环境下，分别进行不同初始载荷状态下的锚杆试件拉伸试验直至锚杆试件破断，得到不同初始载荷状态下的锚杆试件的应力-应变曲线，并计算得到锚杆试件在不同初始载荷状态下的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率；
S4、改变步骤S3的初始载荷的大小，重复进行步骤S3，得到不同初始载荷大小下的锚杆试件的应力-应变曲线，并计算得到锚杆试件在不同初始载荷大小下的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率；
S5、将步骤S3和步骤S4得到的锚杆试件的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率与步骤S2得到的锚杆试件的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率进行对比，进行锚杆试件应力腐蚀敏感性评价。
其中，步骤S1中，要制作锚杆试验试件以及配置环境池内腐蚀溶液及温度。按照所试验的腐蚀环境水质测试结果，配备相同pH及离子类型和浓度的模拟溶液，作为拉伸试验环境池溶液；按照所试验研究的腐蚀环境温度，配备加热带等加热装置。
步骤S3中，锚杆试件初始载荷状态包括扭转、弯曲和扭转+弯曲，再结合步骤S2，可以形成锚杆试件的多种工况：
工况一：拉伸。参见图4所示，直接用拉伸试验机进行，可参见步骤S2。
工况二：拉伸+扭转。参见图5所示，对拉伸试验机进行改造，使得下夹持部位能够在一定角度范围内旋转，从而实现扭转，在扭转的基础上进行拉伸，实现“拉伸+扭转”工况。可以根据扭矩传感器数据给定不同扭矩，开展不同扭矩和拉伸的组合试验，测试扭转和拉伸变形下锚杆应力腐蚀特征，即在步骤S4中，扭转初始载荷状态下改变载荷大小后进行拉伸试验。
工况三：拉伸+弯曲。参见图6所示，给锚杆试件安装弯曲装置，通过弯曲装置对锚杆试件施加一定的弯曲应力，同时对锚杆试件进行张拉，实现“拉伸+弯曲”工况。可以根据轴力传感器数据给定不同弯曲载荷，开展不同弯曲载荷和拉伸的组合试验，测试弯曲和拉伸变形下锚杆应力腐蚀特征，即在步骤S4中，弯曲初始载荷状态下改变载荷大小后进行拉伸试验。
工况四：拉伸+弯曲+扭转。参见图7所示，将弯曲、扭转和拉伸三种工况进行组合，即采用锚杆试件中部位置弯曲、装置底部旋转施加扭转以及拉伸来实现“拉伸+弯曲+扭转”工况。可以根据扭矩传感器和轴力传感器数据给定不同扭矩和弯曲载荷，开展不同扭矩、弯曲和拉伸的组合试验，测试扭转、弯曲和拉伸变形下锚杆应力腐蚀特征，即在步骤S4中，扭转+弯曲初始载荷状态下改变载荷大小后进行拉伸试验。
通过本实施例的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，可以获得不同典型工况下不同变形程度锚杆试件在腐蚀性环境中的应力应变特征以及应力腐蚀敏感性，进而直观评价锚杆材料及设计参数在腐蚀性矿井环境中的适用性，从而合理进行材料选择和参数设计，减少锚杆受腐蚀失效，增强支护系统以及围岩的长期稳定性。
在一些实施例中，腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法的过程中，步骤S2中，根据典型应力-应变曲线得到锚杆试件拉伸过程中的弹性阶段、屈服阶段、均匀塑性阶段、颈缩阶段对应的应变及应力值范围；在典型应力-应变曲线中选取4～7个试验应力应变点，所述试验应力应变点分布于锚杆试件拉伸过程中的各个阶段；步骤S3中，进行不同初始载荷状态下的锚杆试件拉伸试验，先以1*10-3S-1～1*10-2S-1的拉伸速率将锚杆试件拉伸至上述其中一个试验应力应变点，调整拉伸速率为1*10-6S-1～1*10-8S-1，继续进行拉伸试验直至锚杆试件破断，得到不同初始载荷状态下的锚杆试件的应力-应变曲线。
具体地，第一步，利用慢拉伸试验机，按照不施加载荷、施加一定初始扭转、弯曲、弯曲+扭转载荷给定不同工况初始状态。以一定的拉伸速率(1*10-3S-1～1*10-2S-1)分别进行空气中(无腐蚀)拉伸试验，各三组，得到典型应力-应变曲线，并根据曲线给出弹性阶段、屈服阶段、均匀塑性阶段、颈缩阶段等四个阶段的应变及应力值范围，如图2所示(以拉伸工况为例)。对试件较大变形处及断口进行微观结构分析，获得不同工况下变形及破坏特征。
第二步，根据上述应变及应力值范围，选择4～7个试验应力应变点作为试验方案，如屈服应变的70％、100％、200％、300％、400％、500％、700％等点，如图3所示(以拉伸工况为例)。
第三步，利用慢拉伸试验机及配置的环境池，进行慢拉伸应力腐蚀试验。首先，采用与第一步相同的方法，按照不施加载荷、施加一定初始扭转、弯曲、弯曲+扭转载荷给定初始状态，以与第一步相同的拉伸速率对试件进行拉伸，对应力-应变曲线进行实时记录，拉伸至上述其中一个设计试验应力应变点暂停；调整拉伸速率至较慢速率(1*10-6S-1～1*10- 8S-1)，继续进行应力腐蚀慢拉伸试验，并继续记录应力-应变曲线，直至试件破断，完成试验。每种工况设置一组无环境池试验，试验过程与上述过程完全相同，用以对比。
试验完成后进行锚杆极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率的计算；与在空气中无腐蚀状态下的数据对比，可以采用延伸率和断面收缩率的变化率进行应力腐蚀敏感性评价。
进一步地，可以分别对各个步骤中锚杆试件拉伸试验破断后的断口进行扫描电镜和金相等分析，观察微观组织结构、次生裂纹等特征并进行比对，分析得到不同初始载荷状态及不同载荷大小对锚杆试件应力腐蚀特征的影响机理。
下面对本发明提供的一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置进行描述，下文描述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置与上文描述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法可相互对应参照。
本发明一个具体实施例提供一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置，参见图4所示，包括拉伸试验机1，所述拉伸试验机1设置有用于连接锚杆试件2的第一移动件11和第二移动件12，所述腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置适用于上述任意一项实施例所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法。
结合图5、图6和图7所示，腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置还包括腐蚀环境池3、旋转装置4和弯曲装置5，腐蚀环境池3承装有模拟锚杆的腐蚀环境的环境池溶液，用于包覆所述锚杆试件2；旋转装置4固定于所述第一移动件11上，所述旋转装置4的旋转端通过扭矩传感器6连接于所述锚杆试件2的一端，所述锚杆试件2的另一端连接所述第二移动件12；弯曲装置5连接于所述锚杆试件2上，并对所述锚杆试件2提供弯曲应力。
本实施例的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置中，旋转装置4和弯曲装置5可以选装，以形成应对不同工况的结构：
对于拉伸工况，参见图4所示，直接用拉伸试验机1进行，拉伸试验机1的第一移动件11通过第一夹具13夹紧锚杆试件2的一端，拉伸试验机1的第二移动件12通过第二夹具14夹紧锚杆试件2的另一端，第一移动件11和第二移动件12向着相反方向移动，对锚杆试件2进行拉伸。
对于拉伸+扭转工况，参见图5所示，对拉伸试验机1进行改造，拉伸试验机1的第一移动件11上安装旋转装置4(旋转装置4为常规的实现转动的结构，比如旋转电机等，在此不作详细结构说明)，旋转装置4通过扭矩传感器6连接第一夹具13，第一夹具13夹紧锚杆试件2的一端，拉伸试验机1的第二移动件12通过第二夹具14夹紧锚杆试件2的另一端，旋转装置4旋转输出端旋转，给锚杆试件2施加一定的扭矩，作为初始载荷状态，第一移动件11和第二移动件12向着相反方向移动，对锚杆试件2进行拉伸，实现锚杆试件2的拉伸+扭转，可以根据扭矩传感器6的读数给定不同扭矩，开展不同扭矩和拉伸的组合试验，测试扭转和拉伸变形下锚杆应力腐蚀特征。
对于拉伸+弯曲工况，参见图6所示，给锚杆试件2安装弯曲装置5，通过弯曲装置5对锚杆试件2施加一定的弯曲应力，作为初始载荷状态，接着通过第一移动件11和第二移动件12向着相反方向移动，对锚杆试件2进行拉伸，实现锚杆试件2的弯曲+拉伸，可以根据轴力传感器数据给定不同弯曲载荷，开展不同弯曲载荷和拉伸的组合试验，测试弯曲和拉伸变形下锚杆应力腐蚀特征。可以根据扭矩传感器和轴力传感器数据给定不同扭矩和弯曲载荷，开展不同扭矩、弯曲和拉伸的组合试验，测试扭转、弯曲和拉伸变形下锚杆应力腐蚀特征。
对锚杆试件2的弯曲应力的产生，通过弯曲装置5进行，在腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置的一些实施例中，参见图8所示，所述弯曲装置5包括两个横向架51、纵向架53、顶推杆54和轴力传感器55，所述横向架51的一端通过固定器52连接固定于所述锚杆试件2；所述纵向架53连接于两个所述横向架51之间，所述纵向架53上设有螺纹通孔；所述顶推杆54穿设于所述纵向架53上的螺纹通孔，并朝向所述锚杆试件2进行顶推；轴力传感器55固定于所述顶推杆54朝向所述锚杆试件2的端部，用于监测所述顶推杆54顶推所述锚杆试件2的应力。
可以理解的是，当需要对锚杆试件2进行弯曲应力的施加时，通过顶推杆54朝着锚杆试件2进行顶推，顶推杆54可以是顶推螺钉，顶推螺钉前部为圆弧形推点，与锚杆试件2柔性接触，接触点前部设置轴力传感器55，用于监测对锚杆试件2施加的顶推应力的大小。通过顶推螺钉的顶推，能使得锚杆试件2产生一定的应力变形，形成初始弯曲载荷状态。
随着锚杆试件2产生弯曲变形，两个固定器52之间的锚杆试件2部分在竖直方向上会缩短，或者后期进行锚杆试件2拉伸试验过程中，两个固定器52之间的锚杆试件2部分在竖直方向上会拉长，为了能使弯曲装置5不因为锚杆试件2的缩短或拉长而发生变形，影响使用，在一些实施例中，所述纵向架53为纵向伸缩架，适于能沿着所述锚杆试件2拉伸和收缩的方向进行伸缩。具体地，所述纵向架53上设置有活动伸缩部531，活动伸缩部531可以是多层套管形式，以通过所述活动伸缩部531的伸缩实现所述纵向架53的纵向伸缩。
本发明还提供上述任意一项所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法的一种应用，具体是一种锚杆支护能力衰减系数测试方法，包括：
S10、将锚杆试件置于不同腐蚀环境并设定不同时长，进行受力和变形的监测；
S20、将步骤S10的锚杆试件分别进行上述任意一项实施例所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，得到锚杆试件在无初始载荷状态下的空气环境中的极限抗拉强度和延伸率，以及得到锚杆试件在不同初始载荷状态下的腐蚀环境中的极限抗拉强度和延伸率；
S30、计算获得锚杆试件延伸率衰减系数和强度衰减系数：
延伸率衰减系数其中，δ1为锚杆试件在不同初始载荷状态下的腐蚀环境中的延伸率，δ0为锚杆试件在无初始载荷状态下的空气环境中的延伸率；
强度衰减系数其中，Rm1为锚杆试件在不同初始载荷状态下的腐蚀环境中的极限抗拉强度，Rm0为锚杆试件在无初始载荷状态下的空气环境中的极限抗拉强度；
S40、取k＝max(k1,k2)为支护能力衰减系数。
具体地，首先，对腐蚀环境中锚杆的初始受力以及服役前期(不同腐蚀环境设定不同时长，见下表)受力和变形进行监测，确定锚杆受应力腐蚀前的应变状态。
开展上述腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，获得该环境中所使用锚杆材料在不同变形程度下应力腐蚀特征及延伸率，并计算获得锚杆试件强度衰减系数k2和延伸率衰减系数k1。取k＝max(k1,k2)为支护能力衰减系数，支护能力衰减系数即为类似条件下进行支护设计时锚杆支护强度提高比例。
本发明还提供上述任意一项所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法的一种应用，具体是一种锚杆支护能力安全系数评价方法，包括：
S100、取与服役锚杆相同的锚杆试件进行上述任意一项所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，锚杆试件在腐蚀环境中拉伸试验直至锚杆试件破断，得到破断前的最大拉伸长度L1；
S200、判断服役锚杆的状态，确定其目前拉伸长度L2；
S300、计算服役锚杆支护能力安全系数通过锚杆支护能力安全系数评估服役锚杆的支护剩余能力以及支护的安全度。
传统支护中，一般将载荷或应力作为锚杆支护能力或安全系数的主要监测和评价指标。但在腐蚀环境中，锚杆的延伸率等塑性指标较屈服强度等指标下降更明显、降幅更大，变形性能对锚杆力学性能发挥起到重要的作用，因此将变形能力作为评价腐蚀环境中锚杆性能及安全系数的重要指标之一。
对腐蚀环境中服役锚杆的受力和变形进行监测，并与腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法中相应的曲线进行对比，确定不同测试时间点锚杆所处的状态，参见图9所示，根据变形数据计算剩余变形量以及安全系数。
剩余变形量ΔL＝L1-L2；安全系数
通过对安全系数的计算，评估锚杆支护剩余能力以及支护的安全度，并根据安全度提出解决措施。
K ＜0.2 0.2-0.5 ＞0.5
安全度 低 中等 高
措施 补强支护 加强监测 日常监测
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)

1.一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、锚杆的腐蚀环境模拟制备：按照锚杆的腐蚀环境水质测试结果，配备模拟溶液，作为腐蚀试验的环境池溶液，所述模拟溶液的pH值、离子类型和离子浓度与所述锚杆的腐蚀环境水质一致；按照锚杆的腐蚀环境温度，配备加热装置，用于在试验过程中加热环境池溶液，模拟锚杆的腐蚀环境；
S2、拉伸试验：将锚杆试件安装于拉伸试验机，以1*10-3S-1～1*10-2S-1的拉伸速率，对锚杆试件在空气中进行拉伸试验直至锚杆试件破断，得到锚杆试件的典型应力-应变曲线，并计算得到锚杆试件的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率；
S3、模拟工况腐蚀拉伸试验：在拉伸试验机上设置旋转装置和弯曲装置，分别模拟扭转、弯曲和扭转+弯曲的锚杆初始载荷状态，将锚杆试件置于步骤S1所制备的腐蚀环境下，分别进行不同初始载荷状态下的锚杆试件拉伸试验直至锚杆试件破断，得到不同初始载荷状态下的锚杆试件的应力-应变曲线，并计算得到锚杆试件在不同初始载荷状态下的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率；
S4、改变步骤S3的初始载荷的大小，重复进行步骤S3，得到不同初始载荷大小下的锚杆试件的应力-应变曲线，并计算得到锚杆试件在不同初始载荷大小下的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率；
S5、将步骤S3和步骤S4得到的锚杆试件的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率与步骤S2得到的锚杆试件的极限抗拉强度、延伸率和断面收缩率进行对比，进行锚杆试件应力腐蚀敏感性评价。
2.根据权利要求1所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，其特征在于，步骤S2中，根据典型应力-应变曲线得到锚杆试件拉伸过程中的弹性阶段、屈服阶段、均匀塑性阶段、颈缩阶段对应的应变及应力值范围；在典型应力-应变曲线中选取4～7个试验应力应变点，所述试验应力应变点分布于锚杆试件拉伸过程中的各个阶段；
步骤S3中，进行不同初始载荷状态下的锚杆试件拉伸试验，先以1*10-3S-1～1*10-2S-1的拉伸速率将锚杆试件拉伸至上述其中一个试验应力应变点，调整拉伸速率为1*10-6S-1～1*10-8S-1，继续进行拉伸试验直至锚杆试件破断，得到不同初始载荷状态下的锚杆试件的应力-应变曲线。
3.根据权利要求1或2所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，其特征在于，步骤S3和步骤S4中，每一组拉伸试验均配置一组将锚杆试件置于空气中的不同初始载荷状态下锚杆试件拉伸试验作为对比。
4.根据权利要求3所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，其特征在于，还包括：
步骤S6、分别对步骤S2、步骤S3和步骤S4中锚杆试件拉伸试验破断后的断口进行扫描电镜和金相分析，对比微观组织结构和次生裂纹，分析得到不同初始载荷状态及不同载荷大小对锚杆试件应力腐蚀特征的影响。
5.一种腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置，包括拉伸试验机(1)，所述拉伸试验机(1)设置有用于连接锚杆试件(2)的第一移动件(11)和第二移动件(12)，其特征在于，所述腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置适用于权利要求1～4中任意一项所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法；
所述腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置还包括：
腐蚀环境池(3)，承装有模拟锚杆的腐蚀环境的环境池溶液，用于包覆所述锚杆试件(2)；
旋转装置(4)，固定于所述第一移动件(11)上，所述旋转装置(4)的旋转端通过扭矩传感器(6)连接于所述锚杆试件(2)的一端，所述锚杆试件(2)的另一端连接所述第二移动件(12)；
弯曲装置(5)，连接于所述锚杆试件(2)上，用于对所述锚杆试件(2)提供弯曲应力。
6.根据权利要求5所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置，其特征在于，所述弯曲装置(5)包括：
两个横向架(51)，所述横向架(51)的一端通过固定器(52)连接固定于所述锚杆试件(2)；
纵向架(53)，所述纵向架(53)连接于两个所述横向架(51)之间，所述纵向架(53)上设有螺纹通孔；
顶推杆(54)，所述顶推杆(54)穿设于所述纵向架(53)上的螺纹通孔，并朝向所述锚杆试件(2)进行顶推；
轴力传感器(55)，固定于所述顶推杆(54)朝向所述锚杆试件(2)的端部，用于监测所述顶推杆(54)顶推所述锚杆试件(2)的应力。
7.根据权利要求6所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置，其特征在于，所述纵向架(53)为纵向伸缩架，适于能沿着所述锚杆试件(2)拉伸和收缩的方向进行伸缩。
8.根据权利要求6所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验装置，其特征在于，所述纵向架(53)上设置有活动伸缩部(531)，以通过所述活动伸缩部(531)的伸缩实现所述纵向架(53)的纵向伸缩。
9.一种锚杆支护能力衰减系数测试方法，其特征在于，包括：
S10、将锚杆试件置于不同腐蚀环境并设定不同时长，进行受力和变形的监测；
S20、将步骤S10的锚杆试件分别进行权利要求1～4中任意一项所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，得到锚杆试件在无初始载荷状态下的空气环境中的极限抗拉强度和延伸率，以及得到锚杆试件在不同初始载荷状态下的腐蚀环境中的极限抗拉强度和延伸率；
S30、计算获得锚杆试件延伸率衰减系数和强度衰减系数：
延伸率衰减系数其中，δ1为锚杆试件在不同初始载荷状态下的腐蚀环境中的延伸率，δ0为锚杆试件在无初始载荷状态下的空气环境中的延伸率；
强度衰减系数其中，Rm1为锚杆试件在不同初始载荷状态下的腐蚀环境中的极限抗拉强度，Rm0为锚杆试件在无初始载荷状态下的空气环境中的极限抗拉强度；
S40、取k＝max(k1,k2)为支护能力衰减系数。
10.一种锚杆支护能力安全系数评价方法，其特征在于，包括：
S100、取与服役锚杆相同的锚杆试件进行权利要求1～4中任意一项所述的腐蚀环境中的锚杆应力腐蚀试验方法，锚杆试件在腐蚀环境中拉伸试验直至锚杆试件破断，得到破断前的最大拉伸长度L1；
S200、判断服役锚杆的状态，确定其目前拉伸长度L2；
S300、计算服役锚杆支护能力安全系数通过锚杆支护能力安全系数评估服役锚杆的支护剩余能力以及支护的安全度。
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