基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置及方法

技术领域

本发明属于矿山设备领域，具体涉及针对长锚固锚杆的试验装置及试验方法。

背景技术

随着深部岩石工程不断向纵深发展，岩石工程所处的环境变得越来越复杂，主要表现在“高地应力”、“高地温”、“高水压”以及工程施工带来的扰动等方面。锚杆是一种有效的支护手段，它能将岩层紧密地联锁在一起，通过锚杆体—锚固剂—围岩之间的力传递，调动和增强岩体的自身强度和自稳能力，从而改善岩体的应力状态、增强岩体的稳定性、提高工程的安全性。同时，锚杆具有支护成本低、劳动强度小、施工方便等独特优势，是目前应用最广泛的地下工程支护手段之一。因此，加强锚杆锚固性能的研究，进一步明确不同因素对锚固力的影响程度和规律，对于锚杆支护设计和工程应用具有重要意义。

目前，国内外许多学者对锚固体力学特性做了大量研究，并取得了不少成果。然而，本领域技术人员针对在围压作用下长锚固体蠕变的研究还很少，大多数传统的锚固体拉拔试验条件与岩石实际物理状态和赋存环境并不一致，而且也缺乏对长锚杆的考虑，所以不能准确地反映锚杆在实际工作状态下锚固段受力的详细变化情况，导致对围压作用下长锚固体蠕变破坏机理的研究无法深入开展。

发明内容

本发明提出了一种基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置及方法，其目的是：实现在围压作用下对长锚固体的蠕变试验，填补理论缺陷，得到更加完善和更准确的锚固体失稳机理，为研究锚杆支护提供科学指导。

本发明技术方案如下：

一种基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置，包括：用于固定锚杆试件的固定装置，用于向锚杆试件的端部加载拉拔力的加载装置，以及用于检测锚杆试件端部位移量的检测装置，所述固定装置包括承压筒和筒形的锚固模拟层；锚杆试件的一端伸入或穿过所述承压筒，所述锚固模拟层位于承压筒内、且包裹在锚杆试件的外侧；所述锚固模拟层和承压筒的内壁之间构成环形腔体；

所述基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置还包括用于向环形腔体内施加压力的围压系统；

所述加载装置和检测装置均位于承压筒外侧；加载装置用于向锚杆试件的另一端加载，所述检测装置用于检测锚杆试件的另一端的位移量。

作为所述基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置的进一步改进，所述锚固模拟层为内外两层，包括包裹在锚杆试件外侧的水泥砂浆锚固剂和包裹于水泥砂浆锚固剂外侧的类围岩基体。

作为所述基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置的进一步改进，所述围压系统包括：两组位于锚固模拟层两侧的密封组件，套在锚固模拟层外侧、两端与两侧的密封组件分别连接的热缩管，以及用于向热缩管、承压筒内壁、两侧的密封组件所围成的围压腔体中输送高压水的水压泵。

作为所述基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置的进一步改进，所述密封组件包括安装在承压筒端部的端盖，还包括位于端盖内侧的密封挡块，所述端盖和密封挡块均为环形，所述锚杆试件依次穿过端盖和密封挡块；

所述密封挡块的内端面与所述锚固模拟层相接触，热缩管套在密封挡块的内端处，密封挡块与承压筒之间设有密封圈。

作为所述基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置的进一步改进，在靠近检测装置的一端，所述端盖和密封挡块相接触；

在远离检测装置的一端，所述端盖和密封挡块之间还设有调整垫片。

作为所述基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置的进一步改进，所述密封挡块上开设有注水管路和排水管路，所述注水管路的内端和排水管路的内端均连通至所述围压腔体；

所述注水管路的外端为注水口，与所述水压泵的出水口相连接；

所述排水管路的外端为排水口。

作为所述基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置的进一步改进，所述加载装置包括套装在锚杆试件外侧的空心式液压千斤顶，空心式液压千斤顶通过向安装在锚杆试件的另一端的锁具施加推力实现对锚杆试件的拉拔力加载；

所述空心式液压千斤顶和承压筒之间还设有压式负荷传感器，所述压式负荷传感器通过检测空心式液压千斤顶施加的反作用力来测定锚杆试件所受的拉拔力大小。

作为所述基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置的进一步改进，加载装置还包括液压站、液压管道和压力调整系统；

所述液压站通过液压管道与所述空心式液压千斤顶相连通，用于向空心式液压千斤顶的油腔中输入液压油；

所述压力调整系统设置在液压管道上，用于控制空心式液压千斤顶的油腔中的压力。

作为所述基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置的进一步改进，所述压力调整系统包括换向阀、第一蓄能器、第二蓄能器、压力表、压力传感器、减压阀、背压阀和截止阀；

所述液压管道包括从液压站的液压泵的输出口连通至空心式液压千斤顶的第一连接口的送油管路，还包括从空心式液压千斤顶的第二连接口连通至液压站的油箱的回油管路；所述第一连接口和第二连接口均与空心式液压千斤顶的油腔相连通；

所述换向阀位于液压管道靠近液压站的一端，用于控制送油管路和回油管路的通断状态；当换向阀位于左位时，送油管路和回油管路均为连通状态；当换向阀位于右位时，送油管路截断，回油管路为连通状态；

所述第一蓄能器连接在送油管路上，位于换向阀和空心式液压千斤顶之间；所述减压阀安装在送油管路上，位于第一蓄能器和空心式液压千斤顶之间；

所述第二蓄能器连接在回油管路上，位于换向阀和空心式液压千斤顶之间；所述背压阀安装在回油管路上，位于第二蓄能器和换向阀之间；所述截止阀与背压阀并联。

本发明还提供了一种基于所述基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置的试验方法，步骤为：

步骤1、制备由锚杆试件和锚固模拟层组成的锚固体试件；

步骤2、将热缩管和密封挡块安装到锚固体试件上，将锚固体试件的一端放入承压筒，使热缩管、承压筒内壁以及两侧的密封组件围成所述围压腔体；安装好两端的端盖；

步骤3、关闭排水口，通过水压泵向围压腔体中注水，使围压腔体内部的压力达到预设值；

步骤4、安装加载装置和检测装置；

步骤5、启动液压站，将换向阀切换至左位，打开减压阀和截止阀，使液压油充满液压管道和空心式液压千斤顶的油腔；当油箱中出现均匀的溢流液压油后，关闭截止阀，使第一蓄能器和第二蓄能器开始蓄能，同时驱动空心式液压千斤顶的伸缩端伸出，直至锚杆试件所受的拉拔力大于零；

步骤6、关闭减压阀，第一蓄能器继续蓄能，直至第一蓄能器的压力达到第一压力设定值；

步骤7、关闭液压站的液压泵，开启减压阀，第一蓄能器输出的液压油经过减压阀减压后到达空心式液压千斤顶，使空心式液压千斤顶的油腔和第二蓄能器的压力达到减压阀上所设定的第二压力设定值；在空心式液压千斤顶的油腔和第二蓄能器的压力达到第二压力设定值之前，如果第一蓄能器的压力小于第一压力设定值，则再次开启液压泵；

步骤8、关闭液压泵，将换向阀切换至右位，通过第一蓄能器和第二蓄能器保证空心式液压千斤顶油腔的压力为第二压力设定值，从而实现对锚杆试件的恒拉拔力蠕变加载；蠕变加载过程中，如果空心式液压千斤顶油腔的压力超过第二压力设定值，则调整背压阀进行卸压，确保空心式液压千斤顶油腔的压力稳定为第二压力设定值。

相对于现有技术，本发明具有以下积极效果：

1、本发明通过设置锚固模拟层和围压系统，真实的模拟了锚杆在实际使用时插入岩壁部分的围压受力状态，提高了试验的准确性和可靠性，对锚杆支护的研究具有更高的科学指导意义。

2、本发明通过压力调整系统实现了对千斤顶压力的精确控制，实现了恒拉拔力的蠕变加载，与实际支护情况更加接近，进一步提高了试验结果的准确性。

附图说明

图1为本发明试验装置的结构示意图。

图中部件名称：

1、承压筒；2、水压泵；3、锚杆试件；4、水泥砂浆锚固剂；5、类围岩基体；6、端盖；7、调整垫片；8、密封挡块；9、密封圈；10、热缩管；11、注水口；12、排水口；13、锁具；14、移动架；15、空心式液压千斤顶；16、液压管道；17、压式负荷传感器；18、激光测距仪；19、信号处理系统；20、油箱；21、电机；22、液压泵；23、滤油器；24、溢流阀；25、单向阀；26、换向阀；27、第一蓄能器；28、第二蓄能器；29、压力表；30、压力传感器；31、减压阀；32、背压阀；33、截止阀。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案：

如图1，一种基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置，包括：用于固定锚杆试件3的固定装置，用于向锚杆试件3的端部加载拉拔力的加载装置，以及用于检测锚杆试件3端部位移量的检测装置。

所述固定装置包括承压筒1和筒形的锚固模拟层。

所述承压筒1可以是固定设置，也可以是安装在移动架14上。

锚杆试件3的左端伸入或穿过所述承压筒1，所述锚固模拟层位于承压筒1内、且包裹在锚杆试件3的外侧。

具体的，所述锚固模拟层为内外两层，包括包裹在锚杆试件3外侧的水泥砂浆锚固剂4和包裹于水泥砂浆锚固剂4外侧的类围岩基体5。锚固模拟层和锚杆试件3组成锚固体试件。

所述锚固模拟层和承压筒1的内壁之间构成环形腔体。

所述基于围压作用的长锚固锚杆拉拔蠕变试验装置还包括用于向环形腔体内施加压力的围压系统。

具体的，所述围压系统包括：两组位于锚固模拟层两侧的密封组件，套在锚固模拟层外侧、两端与两侧的密封组件分别连接的热缩管10，以及用于向热缩管10、承压筒1内壁、两侧的密封组件所围成的围压腔体中输送高压水的水压泵2。

所述热缩管用于放置围压水渗入锚固模拟层。

进一步的，所述密封组件包括通过螺栓安装在承压筒1端部的法兰形式的端盖6，还包括位于端盖6内侧的密封挡块8，所述端盖6和密封挡块8均为环形。所述锚杆试件3依次穿过端盖6和密封挡块8。

所述密封挡块8的内端面与所述锚固模拟层相接触，热缩管10套在密封挡块8的内端处，密封挡块8与承压筒1之间设有密封圈9，起密封作用。

所述两侧的密封组件：左侧的端盖6和密封挡块8直接相接触；右侧的端盖6和密封挡块8之间还设有调整垫片7，根据锚固体试件实际长度修正调整垫片7的厚度，可以限补充承压筒1内部多余空间，限制锚固体试件在承压筒的轴向移动。

左侧的密封挡块8上开设有注水管路和排水管路，所述注水管路的内端和排水管路的内端均连通至所述围压腔体。所述注水管路的外端为注水口11，与所述水压泵2的出水口相连接。所述排水管路的外端为排水口12。水压泵2通过热缩管为放置于承压筒内的锚固体试件施加围压。所述排水口可以连接小型抽水泵，使水快速充满围压腔体。

本实施例中，所述加载装置和检测装置均位于承压筒1右外侧。加载装置用于向锚杆试件3的右端加载，所述检测装置用于检测锚杆试件3的右端的位移量。本实施例中，检测装置为激光测距仪18。

进一步的，所述加载装置包括套装在锚杆试件3外侧的空心式液压千斤顶15，空心式液压千斤顶15通过向安装在锚杆试件3的另一端的锁具13施加推力实现对锚杆试件3的拉拔力加载。

所述空心式液压千斤顶15和承压筒1之间还设有压式负荷传感器17，所述压式负荷传感器17通过检测空心式液压千斤顶15施加的反作用力来测定锚杆试件3所受的拉拔力大小，测得的压力同时也代表了空心式液压千斤顶15内部油腔的压力大小。

所述激光测距仪18和压式负荷传感器17还连接至信号处理系统19。

加载装置还包括液压站、液压管道16和压力调整系统。

所述液压站由电机21、液压泵22、滤油器23、溢流阀24、单向阀25和油箱20组成。电机21驱动液压泵22工作，油箱20中的油经过滤油器23后到达液压泵22，然后经过单向阀25泵送出去。液压泵22的输出口和油箱20之间安装有所述溢流阀24，用于调整输出压力。

进一步的，所述液压站通过液压管道16与所述空心式液压千斤顶15相连通，用于向空心式液压千斤顶15的油腔中输入液压油。

所述压力调整系统设置在液压管道16上，用于控制空心式液压千斤顶15的油腔中的压力。

具体的，所述压力调整系统包括换向阀26、第一蓄能器27、第二蓄能器28、压力表29、压力传感器30、减压阀31、背压阀32和截止阀33。

所述液压管道16包括从液压站的液压泵22的输出口连通至空心式液压千斤顶15的第一连接口的送油管路，还包括从空心式液压千斤顶15的第二连接口连通至液压站的油箱20的回油管路；所述第一连接口和第二连接口均与空心式液压千斤顶15的油腔相连通。

所述换向阀26位于液压管道16靠近液压站的一端，用于控制送油管路和回油管路的通断状态；当换向阀26位于左位时，送油管路和回油管路均为连通状态；当换向阀26位于右位时，送油管路截断，回油管路为连通状态。

所述第一蓄能器27连接在送油管路上，位于换向阀26和空心式液压千斤顶15之间；所述减压阀31安装在送油管路上，位于第一蓄能器27和空心式液压千斤顶15之间。

所述第二蓄能器28连接在回油管路上，位于换向阀26和空心式液压千斤顶15之间；所述背压阀32安装在回油管路上，位于第二蓄能器28和换向阀26之间；所述截止阀33与背压阀32并联。

所述第一蓄能器27和第二蓄能器28上均安装有压力表29，所述减压阀31和背压阀32上安装有压力传感器30。

蓄能器的结构为：外层为刚体，内部有压力为5~7MPa的气囊。第一蓄能器的作用是给千斤顶和第二蓄能器提供稳定充足的油压，使其达到蠕变所需应力值。第二蓄能器的作用是维持千斤顶内部压力的稳定。

试验步骤为：

步骤1、制备由锚杆试件3和锚固模拟层组成的锚固体试件。将养护好的类围岩基体使用固定支架固定，在类围岩基体的锚孔内灌注水泥砂浆锚固剂，开启振动台充分振捣，将锚杆沉入水泥砂浆直到锚杆定位器底部，待水泥沙浆养护好即制作完成锚固体试件。

步骤2、将热缩管10和密封挡块8安装到锚固体试件上，将锚固体试件的一端放入承压筒1，使热缩管10、承压筒1内壁以及两侧的密封组件围成所述围压腔体，利用热缩管对锚固体试件及密封挡块外部进行整体密封。然后安装好两端的端盖6。安装时，根据锚固体试件的实际长度，调整所述调整垫片7的厚度，确保锚固体试件在承压筒1中不会窜动。

步骤3、关闭排水口12，通过水压泵2向围压腔体中注水，使围压腔体内部的压力达到预设值。围压压力通过水压泵上的压力检测仪器进行读取。

步骤4、安装加载装置和检测装置。

步骤5、启动液压站，将换向阀26切换至左位，打开减压阀31和截止阀33，使液压油充满液压管道16和空心式液压千斤顶15的油腔，排出空气。当油箱20中出现均匀的溢流液压油后，关闭截止阀33，使第一蓄能器27和第二蓄能器28开始蓄能，同时驱动空心式液压千斤顶15的伸缩端伸出，直至锚杆试件3所受的拉拔力大于零。

步骤6、关闭减压阀31，第一蓄能器27继续蓄能，直至第一蓄能器27的压力达到第一压力设定值。本实施例中，第一压力设定值为18~20MPa。

步骤7、关闭液压站的液压泵22，开启减压阀31，第一蓄能器27输出的液压油经过减压阀31减压后到达空心式液压千斤顶15，使空心式液压千斤顶15的油腔和第二蓄能器28的压力达到减压阀31上所设定的第二压力设定值。本实施例中，第二压力设定值为10~12MPa。

在空心式液压千斤顶15的油腔和第二蓄能器28的压力达到第二压力设定值之前，如果第一蓄能器27的压力小于第一压力设定值，则再次开启液压泵22。

步骤8、关闭液压泵22，将换向阀26切换至右位，通过第一蓄能器27和第二蓄能器28保证空心式液压千斤顶15油腔的压力为第二压力设定值，从而实现对锚杆试件3的恒拉拔力蠕变加载；蠕变加载过程中，如果空心式液压千斤顶15油腔的压力超过第二压力设定值，则调整背压阀32进行卸压，确保空心式液压千斤顶15油腔的压力稳定为第二压力设定值。