专利名称：深部围岩锚固性能多功能试验机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在矿山、能源、水电、交通、国防等深部地下工程领域的围岩锚固性能试验研究中应用的一种深部围岩铺固性能多功能试验机。
背景技术：
随着国家经济发展和基本建设推进，矿山、能源、水电、交通、国防等深部地下工程越来越多。目前，随着锚杆技术的推广应 用，深部岩土工程围岩的支护基本采用锚杆锚索支护技术，特别是深部矿山工程采用锚网索喷注等耦合支护技术。锚杆锚索的工程使用量非常大，而锚杆、锚索的锚固性能关系到工程的安全，因此，深部围岩锚固机理及参数设计非常重要。由于深部围岩的物理力学特性的复杂性，特别对于深部软岩，其变形破坏机理至今还有争议。锚杆锚索支护围岩的加固机理仍停留在定性上，如何定量的研究确定围岩锚固的效果是值得深入研究的课题。由于理论和数值方法的局限性，还不能定量的确定锚杆、锚索支护的相关参数，工程中大多采用类比法，其准确性欠佳。如何应用实验装置系统进行深入研究围岩变形破坏及锚固机理是本发明的目的。目前锚杆锚索的现场检测主要以拉拔力试验为主，同时配合围岩变形及支护内力的监测。在实验室内主要以单独测试锚杆、锚索试验为主。相关锚杆、锚索锚固性能测试试验机的研究现状如下(I)申请号为87217157的中国专利公开了一种锚杆试验装置，该试验装置在导杆和丝杆中套有弹簧、弹簧板及调节螺母，并根据围岩变形规律及所做的锚杆试验适当调整调节螺母及固定锚杆试件用的限位卡，即可做出符合围岩变形规律的各类锚杆试验。该装置可做全长锚固锚杆试验、局部锚固锚杆试验、端锚固锚杆试验、超塑限伸长锚杆试验及其他类别的锚杆试验，但无法进行锚杆、锚索拉伸剪切综合试验、大型裂隙岩体锚固性能试验等。对地下工程来说，随着开挖的进行，围岩不仅承受水平地应力的作用还要受到垂直地应力的作用，作用在锚杆、锚索上的力既有拉伸力又有剪切力，而且围岩当中也存在着发育程度不同的裂隙。(2)申请号为200810249631. I的中国专利公开了一种锚固体流变拉拔装置及试验方法。该试验装置是在流变试验机的顶部安装一个拉力传感器，在主机受力柱底端和主机油缸顶端安装两个连接构建，通过上下两个连接构件与锚固试验件连接。该试验装置只能进行锚固体的拉拔试验，不能进行不同组合方式受力变形耦合试验。对于地下工程来讲，不同的地质结构往往需要不同的支护组合方式。(3)申请号为200820060577. I的中国专利公开了一种微机控制静载锚固试验机，组成部分包括主机、沙墙车体、微机控制电液伺服系统。该试验机只能进行静载锚固性能的检测，不能模拟真实地应力场的支护锚固性能。对于地下工程来讲，围岩周围的地应力是随着时间不断变化着的。(4)申请号为200820232849. I的中国专利公开了一种锚固体流变拉拔试验装置，它是在流变试验机的顶部设置一个拉力传感器，中间部分为锚固体及其连接构件，底部油缸向下行程实施拉力，拉拔力大小及作用时间由油缸进回油系统控制，拉力传感器记录锚固体所受拉拔力的大小。该试验装置只能进行拉拔力试验，不能进行其他试验。随着地下工程的发展，仅仅测试锚杆、锚索的拉拔力已经不能满足实际工程的需要。(5)申请号为201020535350. 5的中国专利公开了一种静载锚固性能测试装置，该装置包括主机架、千斤顶、力值检测器、位移传感器和控制显示器。该试验装置只能进行简单的静载锚固性能试验，不能进行锚杆、锚索联合锚固性能试验。实际的地下工程支护当中往往会采用锚杆、锚索的联合支护。目前的锚固性能测试装置均为单一的锚杆锚索实验装置，功能单一，没有考虑围岩的作用，特别是锚杆、锚索及支护构件与围岩锚固体的耦合作用。本发明就是为了克服现有锚固性能实验装置的不足，研制的专门用于深部围岩锚固实验研究的多功能实验系统。系统可以实现深部围岩铺固性能多功能试验，王要包括铺杆、锚索锚固性能的检测试验、支护组合构件受力性能试验、围岩与锚杆锚索耦合受力变形 试验及和围岩锚固体变形破坏耦合试验，能给出荷载-位移试验曲线，具有整体结构紧凑稳定、自动化程度和试验精度高、试验功能丰富、操作简单方便等优点。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术的锚固性能实验装置存在的功能单一，没有考虑围岩的作用，特别是锚杆、锚索及支护构件与围岩锚固体的耦合作用，只能进行简单的静载锚固性能试验，不能进行锚杆、锚索联合锚固性能试验的问题；提供一种深部围岩锚固性能多功能试验机；能够更真实地反映地下工程围岩变形规律，并更有效地模拟地下洞室围岩破裂变形条件下支护，实现锚杆、锚索等支护结构锚固性能测试的多功能试验装置。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案一种深部围岩锚固性能多功能试验机，包括伺服液压控制系统，锚固体垂直拉压系统，水平剪切系统，锚杆锚索剪切系统，伺服液压控制系统分别与锚固体垂直拉压系统、水平剪切系统和锚杆锚索剪切系统的液压油缸相连接。所述伺服液压控制系统包括液压站和电脑控制台，伺服液压加载控制系统设于基座的一侧，通过高压油管与垂直拉压系统、水平剪切系统、锚杆横向剪切系统的液压油缸连接，电脑控制台控制液压站对其他系统中油缸的给油量和回油量进行控制。所述锚杆锚索剪切系统包括两个水平油缸、两个反力框架、螺栓和剪切机具，其中水平油缸的一侧安装在反力框架上、并与剪切机具相连接，另一侧与下垂直加载反力板连接、并与高压油管连接，两个反力框架连接，水平油缸通过高压油管与伺服液压控制试验台相连接，水平油缸的另一侧通过螺栓与下垂直加载反力板连接，两个反力框架通过四根长螺栓连接。所述水平剪切系统包括剪切油缸、反力块、剪切反力板，底板，其中剪切油缸连接在剪切反力板的中上部，剪切油缸的活塞上设有剪切分力器、用于对锚固试件剪切时传递力，反力块与剪切反力板的下部连接，两块剪切反力板通过四根长拉杆固定在一起，并与底板相连接，滑轮设在底板预留出的圆形孔内，滑轮的间排距可通过底板上的圆形孔调节，滑轮与模型轨道配合，沿着模型轨道将锚固试件移入移出。锚杆、锚索的锚固试件放置在水平剪切系统的底板上，剪切油缸通过螺栓与剪切反力板连接，反力块通过螺栓与剪切反力板的下部连接。所述锚固体垂直拉压系统包括两个垂直加载油缸、四个移动固定丝杠、四个导向光杠、底座、限位板、限位传感器、位移传感器、上垂直加载反力板、下垂直加载反力板。其中移动固定丝杠、导向光杠上部分别与限位板连接， 下部分别与底座连接，底座与基座连接，移动固定丝杠、导向光杠分别通过移动固定丝杠安装孔和导向光杠安装孔与上垂直加载反力板和下垂直加载反力板连接，两个垂直加载油缸的缸体与下垂直加载反力板连接。底座通过螺栓与基座连接，上垂直加载反力板、下垂直加载反力板通过螺母与移动固定丝杠连接，两个垂直加载油缸通过螺栓与下垂直加载反力板连接。上垂直加载反力板和下垂直加载反力板的位置可以通过垂直加载油缸和螺母调节。所述上垂直加载反力板和下垂直加载反力板上设有位移传感器，位移传感器的一端与底座连接、用来测量上下垂直加载反力板的位移，另一端与电脑控制台相连接，以给出荷载一位移曲线；限位传感器设于限位板下面的上垂直加载反力板上，限位传感器与电脑控制台连接。所述上垂直加载反力板和下垂直加载反力板分别为整体铸造纵横肋板式结构，左右两侧设有突耳结构、设有垂直加载油缸安装孔，其中一面为平面、并分别设有锚杆夹具安装孔、锚索夹具安装孔，锚杆夹具安装孔通过安装不同的锚杆索夹具调整锚杆的间排距。不同的锚杆夹具安装孔和锚索夹具安装孔与不同的锚杆夹具、锚索夹具对应，锚杆夹具安装孔通过安装不同的锚杆夹具调整锚杆的间排距。本发明的工作原理地下工程开挖后，由于地应力释放，围岩产生向洞内的径向位移，围岩内应力重新分布，产生拉应力和剪应力，形成新的裂隙。这时候锚杆和锚索支护结构会受到拉伸剪切作用。为模拟支护结构受到的拉伸剪切作用，该试验机配备了锚固体垂直拉压系统、水平剪切系统以及锚杆锚索剪切系统，通过伺服液压控制系统来调节锚杆和锚索受到的拉伸剪切力。试验机锚固体垂直拉压系统可通过位移控制升降上下垂直加载反力板。具体操作如下当下垂直加载反力板通过上下螺母固定在移动固定丝杠上时，松开上垂直加载反力板的丝杠螺母，通过垂直油缸的升降调整其位置至试验要求。同样，当上垂直加载反力板通过上下螺母固定在移动固定丝杠上时，松开下垂直加载反力板的丝杠螺母，通过垂直油缸的升降调整其位置。试验机单独运行锚固体垂直拉压系统时，锚固体试件由下垂直加载反力板压紧固定，两个垂直油缸推动上垂直加载反力板带动表面围岩试件向上移动，可以进行锚杆锚索拉伸性能试验，锚杆锚索底部锚固在锚固试件内可以进行锚杆锚索锚固拉拔力试验。当上垂直加载反力板螺母固定时，两个垂直油缸推动下垂直加载反力板向下移动，可对锚固体试件或承压结构进行大吨位压缩试验。当下垂直加载反力板压紧固定锚固试件，上垂直加载反力板固定时，可通过扭矩扳手锁紧锚杆螺母，施加锚固预应力。水平剪切系统可以模拟锚固体在剪应力作用下锚杆和锚索的加固效应，试验时通过剪切油缸施加横向剪切力作用在锚固体的前侧面上部，反力块施加反力作用在后侧面下部。同时运行水平剪切系统和锚固体垂直拉压系统可以对锚杆锚索进行拉伸剪切综合试验，底部锚固试件通过模拟现场围岩裂隙可以进行大型裂隙岩体锚固性能试验。为了检测锚杆或锚索的抗剪能力，该试验机配备了锚杆锚索剪切系统，通过伺服液压控制试验台调节两个水平油缸的行程，由水平油缸推动剪切机具的水平移动来控制剪切力的大小。该试验机留有锚杆锚索夹具安装孔，通过更换不同的锚杆锚索夹具可以进行锚杆锚索不同间排距耦合受力变形试验，对锚杆、锚索联合支护进行受力变形分析，主要研究不同型号的锚杆、锚索组合形式的受力变形耦合情况。试验机具有锚固试件轨道推送装置，制作好的锚固试件可方便的移动到试验机内，试验结束后方便拆卸。本发明的有益效果(I)本发明装置可以实现锚杆、锚索锚固性能的多功能检测试验，主要包括锚杆锚 索拉伸性能试验、锚杆锚索预紧力试验、锚杆锚索锚固拉拔力试验、锚杆锚索拉伸剪切综合试验、大型裂隙岩体锚固性能试验等。(2)试验装置可以按位移加载也可以按力加载，位移加载的时候可以模拟围岩不同变形速度条件下的锚固支护结构受力特征，力加载的时候可以模拟地应力和锚固预紧力作用，可给出拉伸、剪切及预紧试验全过程力-位移时程曲线。(3)试验装置可以实现锚杆、锚索耦合受力变形试验，对锚杆、锚索联合支护进行受力变形分析，主要研究不同型号的锚杆、锚索组合形式的受力变形耦合情况。通过上述试验可以比较真实地模拟实际地下工程当中支护结构的合理性和安全性。(4)试验装置可以实现支护组合构件受力性能试验，分析各种钢梁、钢带、托盘、让力弧板、让压环、锚索锁具、螺母、垫圈等支护构件的力学性能，为工程实践提供一个科学的指导。(5)试验装置可以实现支护组合构件不同组合方式下锚固围岩受力变形耦合试验，在不同的支护构件配合关系下，通过加载过程中各构件的受力变形监测，分析其组合受力性能，调整配合参数，实现受力变形耦合，为地下工程的安全性和稳定性提供一个合理的支护方案。(6)试验装置具有锚固试件轨道推送装置，制作好的锚固模型可方便的移动到试验机内，试验结束后方便拆卸；配备先进的液压饲服加载系统和位移测量系统，实现计算机高精度自动控制试验全过程。
图I是本发明试验机结构示意图；图2是图I的主视图；图3是图I的侧视图；图4是图I的俯视图；图5是锚杆剪切系统的结构示意图；图6是垂直加载反力板的结构示意图。I.限位板，2.锚索，3.锚杆，4.导向光杠，5.移动固定丝杠，6.限位传感器，7.位移传感器，8.上垂直加载反力板，9.下垂直加载反力板，10.拉杆，11.剪切反力板，12.垂直加载油缸，13.液压站，14.电脑控制台，15.模型轨道，16.基座，17.底板，18.托盘，19.螺母，20.表面围岩试件，21.滑轮，22.剪切油缸，23.锚固试件，24.反力块，25.剪切分力器，26.水平油缸，27.螺栓，28.反力框架，29.剪切机具，30.锚杆夹具安装孔，31.锚索夹具安装孔，32.导向光杠安装孔，33.移动固定丝杠安装孔，34.垂直加载油缸安装孔，35.底座。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种深部围岩锚固性能多功能试验机，结合图I至图6，包括伺服液压控制系统，锚固体垂直拉压系统，水平剪切系统，锚杆锚索剪切系统，伺服液压控制系统分别与锚固体垂直拉压系统、水平剪切系统和锚杆锚索剪切系统的液压油缸相连接。所述伺服液压加载控制系统包括液压站13和电脑控制台14，伺服液压加载控制系统设于基座16的一侧，通过高压油管与垂直拉压系统、水平剪切系统、锚杆横向剪切系统的液压油缸连接，电脑控制台14控制液压站13对其他系统中油缸的给油量和回油量进行控制。所述锚杆锚索剪切系统包括两个水平油缸26、两个反力框架28、螺栓27和剪切机具29，其中水平油缸26的一侧安装在反力框架28上、并与剪切机具29相连接，另一侧与下垂直加载反力板9连接、并与高压油管连接，两个反力框架28连接，水平油缸26通过高压油管与伺服液压控制试验台相连接。水平油缸26的另一侧通过螺栓与下垂直加载反力板9连接，两个反力框架28通过四根长螺栓27连接。所述水平剪切系统包括剪切油缸22、反力块24、剪切反力板11，底板17，其中剪切油缸22连接在剪切反力板11的中上部，剪切油缸22的活塞上设有剪切分力器25，用于对锚固试件23剪切时传递力，反力块24与剪切反力板11的下部连接，两块剪切反力板11通过四根长拉杆10固定在一起，并与底板17相连接，滑轮21设在底板17预留出的圆形孔内，滑轮21的间排距可通过底板17上的圆形孔调节，滑轮21与模型轨道15配合、沿着模型轨道15将锚固试件23移入移出。剪切油缸22通过螺栓与剪切反力板11连接，反力块24通过螺栓与剪切反力板11的下部连接。锚杆3、锚索2的锚固试件23放置在横向剪切系统的底板17上。所述锚固体垂直拉压系统包括两个垂直加载油缸12、四个移动固定丝杠5、四个导向光杠4、底座35、限位板I、限位传感器6、位移传感器7、上垂直加载反力板8、下垂直加载反力板9。其中移动固定丝杠5、导向光杠4上部分别与限位板I连接，下部分别与底座35连接，底座35与基座16连接，移动固定丝杠5、导向光杠4分别通过移动固定丝杠安装孔33和导向光杠安装孔32与上垂直加载反力板8和下垂直加载反力板9连接，两个垂直加载油缸12的缸体与下垂直加载反力板9连接。底座35通过螺栓与基座16连接，上垂直加载反力板8、下垂直加载反力板9通过螺母19与移动固定丝杠5连接，两个垂直加载油缸12通过螺栓与下垂直加载反力板9连接。上垂直加载反力板8和下垂直加载反力板9的位置可以通过垂直加载油缸12和螺母19调节。所述上垂直加载反力板8和下垂直加载反力板9上设有位移传感器7，位移传感器7的一端与底座35连接、用来测量上下垂直加载反力板的位移，另一端与电脑控制台14相连接，以给出荷载一位移曲线；限位传感器6设于限位板I下面的上垂直加载反力板8上，限位传感器6与电脑控制台14连接，限位传感器6监测上垂直加载反力板8与限位板I的安全距离，当小于安全距离时停止垂直加载油缸12的运作。锚索2和锚杆3下部锚固在锚固试件23内，上部在围岩试件20的出露端可以安装托盘18，并通过螺母19来施加一个预紧力，并可增加网和钢带等支护构件。所述上垂直加载反力板8和下垂直加载反力板9分别为整体铸造纵横肋板式结构，左右两侧设有突耳结构、设有垂直加载油缸安装孔34，其中一面为平面、并分别设有锚杆夹具安装孔30、锚索夹具安装孔31，锚杆夹具安装孔30通过安装不同的锚杆索夹具调整锚杆、锚索的间排距。不同的锚杆夹具安装孔30和锚索夹具安装孔31与不同的锚杆夹具、锚索夹具对应，锚杆间排距可以通 过更换不同的锚杆夹具进行调节。上述虽然结合附图对发明的具体实施方式
进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
权利要求
1.一种深部围岩锚固性能多功能试验机，其特征是，包括伺服液压控制系统，锚固体垂直拉压系统，水平剪切系统，锚杆锚索剪切系统，伺服液压控制系统分别与锚固体垂直拉压系统、水平剪切系统和锚杆锚索剪切系统的液压油缸相连接。
2.如权利要求I所述的深部围岩锚固性能多功能试验机，其特征是，所述伺服液压控制系统包括液压站和电脑控制台，伺服液压加载控制系统设于基座的一侧，通过高压油管与垂直拉压系统、水平 剪切系统、锚杆横向剪切系统的液压油缸连接，电脑控制台控制液压站对其他系统中油缸的给油量和回油量进行控制。
3.如权利要求I所述的深部围岩锚固性能多功能试验机，其特征是，所述锚杆锚索剪切系统包括两个水平油缸、两个反力框架、螺栓和剪切机具，其中水平油缸的一侧安装在反力框架上、并与剪切机具相连接，另一侧与下垂直加载反力板连接、并与高压油管连接，两个反力框架连接，水平油缸通过高压油管与伺服液压控制试验台相连接，水平油缸的另一侧通过螺栓与下垂直加载反力板连接，两个反力框架通过四根长螺栓连接。
4.如权利要求I所述的深部围岩锚固性能多功能试验机，其特征是，所述水平剪切系统包括剪切油缸、反力块、剪切反力板、底板，其中剪切油缸连接在剪切反力板的中上部，剪切油缸的活塞上设有剪切分力器、用于对锚固试件剪切时传递力，反力块与剪切反力板的下部连接，两块剪切反力板通过四根长拉杆固定在一起，并与底板相连接，滑轮设在底板预留出的圆形孔内，滑轮的间排距可通过底板上的圆形孔调节，滑轮与模型轨道配合，沿着模型轨道将锚固试件移入移出，剪切油缸通过螺栓与剪切反力板连接，反力块通过螺栓与剪切反力板的下部连接。
5.如权利要求I所述的深部围岩锚固性能多功能试验机，其特征是，所述锚固体垂直拉压系统包括两个垂直加载油缸、四个移动固定丝杠、四个导向光杠、底座、限位板、限位传感器、位移传感器、上垂直加载反力板、下垂直加载反力板，其中移动固定丝杠、导向光杠上部分别与限位板连接，下部分别与底座连接，底座与基座连接，移动固定丝杠、导向光杠分别通过移动固定丝杠安装孔和导向光杠安装孔与上垂直加载反力板和下垂直加载反力板连接，两个垂直加载油缸的缸体与下垂直加载反力板连接。
6.如权利要求5所述的深部围岩锚固性能多功能试验机，其特征是，底座通过螺栓与基座连接，上垂直加载反力板、下垂直加载反力板通过螺母与移动固定丝杠连接，两个垂直加载油缸通过螺栓与下垂直加载反力板连接，上垂直加载反力板和下垂直加载反力板的位置通过垂直加载油缸和螺母调节。
7.如权利要求5或者6所述的深部围岩锚固性能多功能试验机，其特征是，所述上垂直加载反力板和下垂直加载反力板上设有位移传感器，位移传感器的一端与底座连接、用来测量上下垂直加载反力板的位移，另一端与电脑控制台相连接、以给出荷载一位移曲线；限位传感器设于限位板下面的上垂直加载反力板上，限位传感器与电脑控制台连接。
8.如权利要求5或者6所述的深部围岩锚固性能多功能试验机，其特征是，所述上垂直加载反力板和下垂直加载反力板分别为整体铸造纵横肋板式结构，左右两侧设有突耳结构、设有垂直加载油缸安装孔，其中一面为平面、并分别设有锚杆夹具安装孔、锚索夹具安装孔，锚杆夹具安装孔通过安装不同的锚杆索夹具调整锚杆的间排距。
全文摘要
本发明公开了一种深部围岩锚固性能多功能试验机，包括伺服液压控制系统，锚固体垂直拉压系统，水平剪切系统，锚杆锚索剪切系统，伺服液压控制系统分别与锚固体垂直拉压系统、水平剪切系统和锚杆锚索剪切系统的液压油缸相连接，所述伺服液压控制系统包括液压站和电脑控制台，伺服液压加载控制系统设于基座的一侧，通过高压油管与垂直拉压系统、水平剪切系统、锚杆横向剪切系统的液压油缸连接，电脑控制台控制液压站对其他系统中油缸的给油量和回油量进行控制；能够更真实地反映地下工程围岩变形规律，并更有效地模拟地下洞室围岩破裂变形条件下支护，实现锚杆、锚索等支护结构锚固性能测试的多功能试验装置。
文档编号G01N3/10GK102621010SQ20121010885
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者张庆松, 李为腾, 李建明, 李术才, 李海燕, 王汉鹏 申请人:山东大学