一种锚固体力学性能测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于巷道和隧道等地下空间支护技术测试领域，具体涉及一种锚固体力学性能测试装置及其测试方法。

背景技术

随着经济的高速发展，能源和交通需求越来越高，以煤炭资源为例，煤炭资源的开采从未停下脚步，随着煤炭资源的逐年开采，浅部资源逐渐枯竭，目前已经进入深部煤炭资源的开采。在深部高地应力环境下，巷道的开挖会破坏岩石原有的应力状态，造成巷道周围岩石产生松动破坏，使得应力重分布，此时，对深埋巷道围岩安装锚杆/锚索并施加高预紧力，可对松动圈内的围岩提供径向约束，使得锚杆/锚索与周围岩石组成整体结构，共同抵抗上覆岩层的压力，有效控制围岩变形，共同保护人员财产安全。

锚固体是支护构建与围岩组合形成的具有一定承载力的结构，故锚固体的承载能力是影响巷道安全的重要指标。巷道的承载能力一方面取决于围岩的强度等级，另一方面与锚杆/锚索的长度、直径、布置方式、锚固长度、施加的预应力大小、锚杆/锚索的材质、锚固剂的型号等参数相关，目前研究锚固体力学性能时，往往研究内容单一，研究参数比较少，当埋深较大时，地层温度随着深度的增加而增高，并且会出现地下水等状况。目前研究锚固体性能时只能在常温条件下进行，为了克服以上研究的不足，发明了一种锚固体力学性能测试装置及其测试方法，特别是用于地下空间结构锚固体力学测试的综合实验系统及使用方法，可以对锚固体本身进行温度控制并能满足各种地应力环境，对锚固体力学参数进行详细测试。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中的不足，从而提出了一种锚固体力学性能测试装置及其测试方法，主要用于地下空间结构，不仅可以对锚固体本身进行温度控制并能满足各种地应力环境，还能够对锚固体力学参数进行详细测试。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种锚固体力学性能测试装置，其改进之处在于，所述测试装置包括：

基座，为固体结构，设置于地面上；

工作台，设置于所述基座上，用于放置锚固体；

加载垫板，包括板状物，设置于所述锚固体的各个表面上；

架体，包括多个钢结构体；所述钢结构体包括环绕所述锚固体四周、且面向所述锚固体表面分别相对设置垂直于地面的第一固定架和第二固定架、第一移动架和第二移动架；以及在所述锚固体的上方设置与地面平行且同时连接至第一固定架以及第二固定架的第三固定架；

油缸，包括伺服液压油缸；分别设置在第一固定架、第二固定架、第一移动架和第三固定架上，用于给锚固体施加应力，以便模拟原岩的初始地应力环境；

锚杆/锚索，所述锚杆/锚索的锚固端设置在所述锚固体中；所述锚杆/锚索的自由端与所述第二移动架连接；

张拉机具，设置于同轴所述锚杆/锚索上，用于对锚杆/锚索进行张拉测试。

优选的，所述锚固体包括：均压板，设置于所述锚固体内部；以及电磁感应加热装置，设置在所述均压板内。

优选的，设置于所述锚固体上表面的顶部加载垫板还包括均匀分布的通孔，用于放置渗流通道；所述锚固体上表面设置与所述通孔相匹配的孔。

优选的，所述渗流通道包括：注水管道，包括空心轴体，用于注水；以及与所述注水管道同轴设置、且用弹簧连接的第一圆柱体和第二圆柱体；第二圆柱体凸出设置于所述顶部加载垫板，通过所述弹簧能够沿所述注水管道滑动。

优选的，在所述第一移动架以及第二移动架底部均设置移动槽口，以便所述第一移动架以及所述第二移动架移动。

优选的，所述测试装置还包括连接杆，所述连接杆用于连接所述第一移动架和第二移动架。

优选的，所述钢结构体内部设置纵向和横向相交排列呈网状的加强筋。

本申请还涉及一种锚固体力学性能测试方法，其改进之处在于，所述方法包括：

步骤S1、预制锚固体模型：将均压板设置于所述锚固体内；

步骤S2、调整所述锚固体模型的固定位置；并预设伺服液压油缸加载初始点；

步骤S3、按照预加载路径由所述伺服液压油缸对所述锚固体表面进行加载应力，以模拟原岩的初始地应力环境，达到预定应力后静置，等待将应力环境传递到所述锚固体模型内部；

步骤S4、开启渗流通道，控制计算机调节渗流速度和流体体积；

步骤S5、打开电磁感应加热装置，将温度控制在初始地层温度后静置；

步骤S6、对静置后的所述锚固体模型进行钻孔，安装锚杆/锚索，施加锚固剂，待锚固剂凝固后对所述锚杆/锚索施加预紧力；

步骤S7、对锚固体整体进行无损监测，依据无所监测数据对所述锚杆/锚索的锚固质量进行评价；

步骤S8、锚杆/锚索穿过张拉机具，对锚杆/锚索进行张拉测试；

步骤S9、对锚杆/锚索多次进行张拉，直至锚杆/锚索被拉出或锚杆/锚索被拉断，停止实验，记录实验过程中的数据；

步骤S10、实验结束，进入下一个工作循环。

优选的，所述步骤S3模拟原岩的初始地应力环境包括：

步骤S3-1打孔；

步骤S3-2，向所述孔注水加压，直至所述孔扩张裂隙；

步骤S3-3，重复步骤S3-2，并记录测试数据；

步骤S3-4，泄压。

优选的，所述步骤S7还包括：在锚杆顶端施加一个传感器接收反射信号，通过对所接收的反射信号进行时域、频域分析，通过分析获得所述锚杆/锚索的有效锚固长度、砂浆饱和度、工作荷载、极限承载能力等参数，依据上述参数对所述锚杆/锚索的锚固质量进行评价。

本发明与现有技术相比，本申请还具有以下优点和效果：

1、锚固体模型可根据需要进行预制，预制模型节省时间、易于组装和拆卸，便于实验，模块化结构允许设计多样性，可根据不同实验要求进行不同模型的制作；

2、传统锚固体参数研究比较单一，本实验系统可以对锚固体的力学参数、锚杆长度、锚杆直径、锚杆材质、锚固长度、锚固剂参数、预应力大小、围岩强度、不同埋深的地应力等参数进行全方位的对比模拟，实验操作简单，满足不同的实验要求；

3、传统锚固体力学测试均是在常温条件下进行，当埋深较深时，温度的影响也是一个关键因素，相比较传统锚固体力学测试增加了模拟地层温度电磁感应加热装置，能够真正意义上的模拟初始地层条件；

4、利用各类监测设备对实验过程中的力学参数进行详细记录并分析；

5、可确定锚杆/锚索的锚固范围，利用伺服液压油缸加载系统，可对锚固体进行单一加载或循环加载。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例中涉及的实验系统后视图；

图2为本发明实施例中涉及的实验系统正视图；

图3为本发明实施例中涉及的实验系统侧视图；

图4为本发明实施例中涉及的实验系统剖面图；

图5为本发明实施例中涉及的电磁感应加热装置剖面图；

图6为本发明实施例中涉及的电磁感应加热装置位置示意图；

图7为本发明实施例中涉及的电磁感应加热装置示意图；

图8为本发明实施例中涉及的顶部加载垫板示意图；

图9为本发明实施例中涉及的顶部加载垫板后视图；

图10为本发明实施例中涉及的渗流通道示意图；

1-反力式主体框架；2-螺栓排；3-左力臂；4-伺服液压油缸；5-加载垫板；6-右力臂；7-后移动臂；8-基座；9-弹簧；10-锚固体；11-工作台；12-加强筋板；13-前移动臂；14-顶板；15-张拉机具；16-连接杆；17-锚固端；18-锚固剂；19-锚杆/锚索；20-锁具；21-托盘；22-电磁感应加热装置；23-均压板；24-顶部加载垫板；25-渗流通道。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“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；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

随着我国经济的高速发展，能源和交通需求越来越高，以煤炭资源为例，尽管煤炭的黄金十年已经过去，但煤炭资源的开采却从未停下脚步，随着煤炭资源的逐年开采，浅部资源逐渐枯竭，我国已经进入深部煤炭资源的开采。在深部高地应力环境下，巷道的开挖会破坏岩石原有的应力状态，造成巷道周围岩石产生松动破坏，使得应力重分布，此时，对深埋巷道围岩安装锚杆/锚索并施加高预紧力，可对松动圈内的围岩提供径向约束，使得锚杆/锚索与周围岩石组成整体结构，共同抵抗上覆岩层的压力，有效控制围岩变形，共同保护人员财产安全。

锚固体是支护构建与围岩组合形成的具有一定承载力的结构，故锚固体的承载能力是影响巷道安全的重要指标。巷道的承载能力一方面取决于围岩的强度等级，另一方面与锚杆/锚索的长度、直径、布置方式、锚固长度、施加的预应力大小、锚杆/锚索的材质、锚固剂的型号等参数相关，目前研究锚固体力学性能时，往往研究内容单一，研究参数比较少，当埋深较大时，地层温度较高，且会出现渗透地下水等情况，目前研究锚固体性能时只能在常温条件下进行，为了克服以上研究的不足，申请人设计了一种锚固体力学性能测试装置及其测试方法，主要用于地下空间结构，不仅可以对锚固体本身进行温度控制并能满足各种地应力环境，还能够对锚固体力学参数进行详细测试。

本申请提供一种锚固体力学性能测试装置及其测试方法，该实验系统可以通过上部加载油缸和左右加载油缸实现加载不同强度等级的应力，以模仿原岩环境。并通过控制电磁感应装置实现对锚固体加热以模拟地温，同时还可实现原岩应力状态下锚杆/锚索长度、直径、材质、锚固长度、锚固剂参数、施加预应力大小等参数的力学测试，借助实验系统的监测设备，还可实现对松动围岩参数的测试，确定锚固范围。该实验系统可实现不同埋深条件下地应力的加载，通过控制加载方式，可实现锚固体循环加载和超载实验等力学测试。

具体讲，如图1至图4所示，本申请涉及一种锚固体力学性能测试装置，其改进之处在于，所述测试装置包括：

基座8，为固体结构，设置于地面上。具体的，基座8形状、大小均不做限制，保证其表面平整、足够大即可。在本申请中，为了保证能够承受更多的压力，优选采用碳素钢结构。

工作台11，设置于所述基座8上，用于放置锚固体10；其中锚固体10即为本申请测试所用的锚固体模型。锚固体10的形状不受限制，但是为了便于制作和便于后续应力施加，优选为矩形。工作台11结构也不受限制，优选采用优质碳素钢结构，能够达到用于放置锚固体10并能承受其压力的功能即可。

加载垫板5，包括板状物，优选为碳素钢；设置于所述锚固体的各个表面上；优选的，在加载垫板上设置有位置孔，可以根据尺寸变化，进行组合安装以及安装时的定位，满足多种实验测试需求。

架体，包括多个钢结构体；优选采用优质碳素钢结构。所述钢结构体包括环绕所述锚固体10四周、且面向所述锚固体表面分别相对设置垂直于地面的第一固定架和第二固定架、第一移动架和第二移动架；以及在所述锚固体10上方设置与地面平行且同时连接至第一固定架以及第二固定架的第三固定架。具体讲，上述5个钢结构体以及基座8构成反力式主体框架1，具有高强度和高韧性的特点。固定架或移动架在锚固体10四周及锚固体10上方分别对应设置，具体为：在锚固体10左右两侧分别设置第一固定架和第二固定架，对应的构成测试装置的左力臂3和右力臂6。在锚固体前后位置分别设置第一移动架和第二移动架，对应的构成后移动臂7和前移动臂13。同时，还在锚固体10上方设置第三固定架，即构成反力式主体框架顶部的顶板14，顶板14平行于地面设置，且同时与左力臂3和右力臂6连接。

上述三个固定架的连接方式优选采用优质碳素钢焊接，具体为：左力臂3和右力臂6紧贴基座8两侧设置，且相接处与基座8焊接，为了保证架体稳固，还在左力臂3和右力臂6偏下位置分别设置加强板，再用横向和纵向排列的螺栓排2进行固定。顶板14与左力臂3和右力臂6先焊接至一起，再在连接处设置加强板，也采用横向和纵向排列的螺栓排2对加强板进行固定，以达到更好的连接以及抗形变的效果。

优选的，在前移动臂和后移动臂的底部基座上均设置有移动槽，需要移动时只需控制移动器即可完成以后移动。其中，移动器可以选用液压油缸。

优选的，为了用于抵抗锚固体受力变形对前移动臂、后移动臂的变形，本申请涉及的测试装置还设置两条平行的连接杆16，连接于前移动臂13和后移动臂7的上部位置。在进行力学性能测试时可以限制前、后移动臂的移动，同时也能够承担部分受力用于抵抗锚固体受力变形时对前、后移动臂的变形。

优选的，为了增加反力式主体框架1的抗变形能力，在基座8和所有钢结构体内部还设置纵向和横向相交排列呈网状的加强筋，构成纵向和横向的多排加强筋板12，增加了架体的抗变形能力。

油缸，包括伺服液压油缸4；分别设置在第一固定架、第二固定架、第三固定架和第一移动架上上，用于给锚固体施加应力，以便模拟原岩的初始地应力环境。具体的，油缸4选用伺服液压加载油缸，用螺栓将其固定在左力臂3、右力臂6、顶板27和后移动臂7上，每个面均匀分部安装6个油缸4，共安装24个伺服液压油缸，单个加载油缸最大实验力为1280kN，实验行程为300mm，实验精度控制在1％，在加载油缸上设置有位移传感器，通过伺服液压油缸本身的油缸位移实现对锚固体的加压，传感器测量范围为0-300mm，还可以实现对加载构件进行连续控制。

本申请分别控制24个伺服液压油缸，通过计算机控制系统驱动，以实现24个作动器或激振器的力、位移和变形单独控制协调加载。在计算机控制系统内设置好各项实验规程，从而可以精准控制实验过程。本申请涉及的计算机控制系统还可以自动测量力学参数以实现全自动实验操作，自动控制实验过程按照设定的方案运行和自动求出实验结果。

锚杆/锚索19，所述锚杆/锚索的锚固端设置在所述锚固体中；所述锚杆/锚索的自由端与所述第二移动架连接。具体为，如图4所示，锚杆/锚索19的设置如下：将锚杆/锚索19穿入锚固体10内，即将锚杆/锚索19的锚固端17设置在所述锚固体10中，并注入锚固剂18，根据锚固剂型号不同，静止相应的时间，待锚固剂18完全将锚杆/锚索和锚固体10锚固，即可控制张拉机具15对锚杆/锚索19进行预紧和张拉。优选的，为了进行更优质的张拉实验，还需在锚杆/锚索19上同轴设置托盘21和锁具20，其中托盘21紧贴在对应的加载垫板5上，另外还在托盘和张拉机具15中间设置锁具20，用于将锚杆/锚索10更牢固的固定在锚固体中。

张拉机具15，设置于所述锚杆/锚索10上，用于对锚杆/锚索进行张拉测试，采用现有技术中常用的锚索张拉机具即可。在前移动臂13上设置有张拉机具15，配套设施还包括液压泵，一般适用于煤矿、隧道、桥梁等工程的预应力及锚固力测试，其特点为张拉力大，工作可靠，操作简单、维护方便，可以适用各种直径的钢绞线或锚杆直径，本申请中额定张拉力可达到500kN，一次张拉行程不得超过120mm，超过行程时可多次张拉。

优选的，为了达到模拟地温环境，本申请还在锚固体10内放置均压板23，同时，在所述均压板23内设置电磁感应加热装置22。具体的，根据地应力环境，通过加载垫板5将相应应力传递至锚固体10。电磁感应加热装置22位于均压板内部。优选的，均压板为铝制压板，铝制压板导热性能较好，且铝的密度较轻，制作时只需要把均压板布置在锚固体层内即可，优选设置在锚固体10偏下位置。如图6至图7所示，通过电磁感应装置22加热，通过铝制压板传热，即可将温度传入锚固体，当锚固体内温度达到设计值，即可对锚索进行预紧和张拉。还可以在锚固体10表面或者内部埋设温度传感器，当电磁感应装置22开始加热至加热完成达到设计值时，设置电磁感应加热装置为恒温即可；计算机控制系统所显示温度均由内置温度传感器获取。

优选的，为了模拟地层渗水情况，本测试装置还在置于锚固体10顶面的加载垫板，即顶部加载垫板24内设置均匀分布的渗流通道25。具体设置如下：在置于锚固体10顶面的顶部加载垫板24内设置均匀分布的通孔，用于放置渗流通道25。渗流通道25包括：注水管道，包括空心轴体，用于注水；以及与所述注水管道同轴设置、且用弹簧9连接的第一圆柱体即上压头和第二圆柱体；第二圆柱体凸出于所述顶部加载垫板24设置，通过所述弹簧9能够沿所述注水管道滑动。如图8所示，顶部加载垫板24内设置有渗流通道，同时在锚固体10上表面也设置与通孔相匹配的孔，用于模拟实际情况下地层水条件下锚固能力。渗流系统由高压泵组、减压阀、导液管和计算机控制系统等组成，试验液体从玻璃缸内经高压泵和减压阀，再通过导液管与上压头相连，流经锚固体试件后排出，再流经质量流量计后排到室外。通过调节计算机参数，渗流通道外接高压泵组控制流体的流速，达到一个模拟地层水环境。渗流通道突出顶部加载垫板5cm，当渗流通道和锚固体接触后，开启注入泵，向锚固体10内注入水，当地层压力较大时，渗流通道内置压簧压缩，即刻停止注水，渗流通道会进入顶部加载垫板24而不被破坏。当顶部加载垫板24感受到无压力时候，渗流通道再自行弹出。

本申请还涉及一种锚固体力学性能测试方法，其改进之处在于，所述方法包括：

步骤S1、预制锚固体模型：将均压板设置于所述锚固体内。具体为：选取需要的模型材料，进行浇筑或逐层搭建，浇筑或搭建时将均压板置于锚固体模型内部；浇筑方式不做限制，可以先将均压板放置在浇筑模具中进行浇筑；或者先搭建底层锚固体，将均压板放置在底层锚固体上，进行逐层搭建。再将浇筑好的模型进行养护。一般预制模型为三天，根据使用的材质不同，预制模型需要养护时间不同，一般模型养护时间为7-14天；锚固体力学测试试验周期为10天左右；可以采用蒸汽养护或者蒸箱养护等减少模型养护时间，周期一般为5-7天。

步骤S2、调整所述锚固体模型的固定位置；并预设伺服液压油缸4加载初始点；将预制养护好的锚固体模型运送到实验系统中心底座处，调整放置位置，将伺服液压油缸接触到模型表面但不施加任何力，作为伺服液压油缸加载初始点；

步骤S3、按照预加载路径由所述伺服液压油缸4对所述锚固体表面进行加载应力，以模拟原岩的初始地应力环境，达到预定应力后静置，等待将应力环境传递到所述锚固体模型内部：按照在计算机控制系统中预先设计好的加载路径对模型进行左面、右面和顶部加载应力，比如阶梯型加载或者直线加载等，模拟原岩的初始地应力环境，达到预定应力后静止一段时间，将应力环境传递到模型内部。

其中，加载应力包括：通过设置在左力臂3、右力臂6、后移动臂7和顶板14上的伺服液压油缸4对锚固体左表面、右表面、后表面和顶面进行加载应力。锚固体10需要均匀受力，模型加载路径设置好以后，待控制伺服液压油缸4加载达到指定力后，维持这个指定力一段时间，确保上述指定力能够均匀传递到锚固体10内部；锚固体内的均压板能达到将热能均匀的传递到模型内部、同时也不影响荷载的传递的效果。

其中，获得原岩的初始地应力环境，采用水力致裂法，主要步骤如下：

S3-1、打钻孔到准备测量应力的部位，并将钻孔中待加压段用封隔器密封起来；

S3-2、向两个封隔器的隔离段注射高压水，不断加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力Pi；继续施加水压以扩张裂隙，当裂隙扩张至3倍直径深度时，关闭高水压系统，保持水压恒定，此时的应力称为关闭压力，记为Ps；最后卸压，使裂隙闭合；

S3-3、重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开并记录裂隙重开时的压力Pr和随后的恒定关闭压力Pj。这种卸压—重新加压的过程重复2-3次，以提高测试数据的准确性。Pr和Pj同样由压力—时间曲线和流量—时间曲线确定；

S3-4、将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出；最小水平应力为ps1，垂直应力为ps2，最大水平应力为3ps-pi1-p0+σt，pi1为第一次获得的初始开裂压力；p0为卸压-重新加压过程中获取的最小的压力；σt为岩石抗拉强度。

步骤S4、开启渗流通道，控制计算机调节渗流速度和流体体积；具体为：将顶部加载垫板24按照设定压力加载完成后，设置计算机参数，开启高压泵和减压阀，控制流体的流速，让流体渗透到锚固体内部，待流体从锚固体试件底部经流量计流出后，保持流速持续渗流，然后进入步骤S5。

步骤S5、打开电磁感应加热装置22，将锚固体模型温度控制在初始地层温度后静置，稳定一段时间；

先对锚固体模型进行加热，待达到预定加热值后再进行预应力施加；为防止加热后锚固体热量散失较快，在模型的四周可以粘贴铝箔复合式隔热气泡膜以隔绝内部热量与外界温度交换，达到一个隔热保温的目的。

步骤S6、对静置后的所述锚固体模型进行钻孔，安装锚杆/锚索，施加锚固剂，待锚固剂凝固后对所述锚杆/锚索施加预紧力；优选的，还在锚杆/锚索上托盘和锁具，以锁定预紧力。

步骤S7、对锚固体整体进行无损监测，依据无所监测数据对所述锚杆/锚索的锚固质量进行评价；具体为：可采用新型声发射设备对锚固体整体进行无损监测，具体监测如下：在锚杆顶端施加一个传感器接收反射信号，通过对所接收的反射信号进行时域、频域分析，通过分析获得锚杆的有效锚固长度、砂浆饱和度、工作荷载、极限承载能力等参数，依据这些参数对锚杆的锚固质量进行评价；

步骤S8、锚杆/锚索穿过张拉机具，对锚杆/锚索进行张拉测试；具体为：锚杆/锚索穿过张拉机具，对锚杆/锚索进行张拉测试，记录实验过程中锚固体的力学参数、锚杆/锚索的延伸率、锚固剂的使用参数、施加的预应力大小、锚固长度、锚杆/锚索的直径和材质等参数；

步骤S9、对锚杆/锚索多次进行张拉，直至锚杆/锚索被拉出或锚杆/锚索被拉断，停止实验，记录实验过程中的数据；

步骤S10、实验结束，进入下一个工作循环，并根据需要对比的参数，进行不同材质、直径、锚固剂参数等的锚固体力学参数进行实验对比。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。