本发明涉及一种锚杆锚索抗剪切性能测试装置及测试方法，尤其适用于煤矿矿井支护时使用的锚杆锚索抗剪切性能测试装置及测试方法。
背景技术：
锚杆锚索支护是目前岩土和采矿工程中用到的主要围岩加固技术。锚杆锚索的力学性能是进行加固方案设计的基本参数。锚杆锚索的力学性能总体上可以分为轴向拉伸性能和横向抗剪切性能。对于锚杆锚索的轴向拉伸性能，过去进行了大量的研究，人们对其的认识也比较深入全面。现有的支护理论，如悬吊理论、组合梁理论、组合拱(压力拱、压缩拱)理论和松动圈理论等，考虑的主要都是锚杆锚索的轴向拉伸性能。对于锚杆锚索抗剪切性能尤其是在拉剪载荷共同作用下的力学性能的认识非常不足。在实际的工程应用中，人们发现锚杆锚索经常在承载不大的情况下发生拉伸和剪切形式的破坏。这一现象说明剪切载荷在锚杆锚索加固围岩中起着很重要的作用。研究人员开始关注锚杆锚索的抗剪切性能。由于锚杆锚索抗剪切性能试验远比拉伸性能试验复杂，尤其是在工程现场很难进行剪切试验，目前的试验基本都是实验室试验，并且目前的试验研究还很不系统。发明一种结构简单、操作方便、可以测试常见锚杆锚索的抗剪切性能的试验装置对于优化岩土工程支护设计是十分有必要的。
技术实现要素：
发明目的：针对现有技术问题，提供一种结构简单、操作方便，用以检测所有常见的锚杆锚索产品的抗剪切性能的锚杆锚索抗剪切性能测试装置及检测方法。
本发明采用的技术方案是：针对上述技术目的，本发明的锚杆锚索抗剪切性能测试装置，包括剪切单元、消除摩擦外框架、底座和附属单元，其中消除摩擦外框架设置在剪切单元外侧；
所述剪切单元包括左右两个两端剪切钢套，两个两端剪切钢套之间设有中间剪切钢套，中间剪切钢套上设有中间剪切钢套顶部调平筋板，所述两个两端剪切钢套及中间剪切钢套为柱状结构，均为上下两部分组成，上下两部分为可对半拆开的圆柱形钢套，两个两端剪切钢套下方分别设有两个两端钢套筋板，两端钢套筋板下方设有两端钢套筋板附属固定构件，中间剪切钢套上方设有四个中间剪切钢套顶部调平筋板；
所述消除摩擦外框架包括四根并行设置的消除摩擦外框架槽钢，四根消除摩擦外框架槽钢两两并排设置，四根消除摩擦外框架槽钢左右两端分别设置将四根消除摩擦外框架槽钢固定住的两只矩形消除摩擦外框架端部主钢板，消除摩擦外框架端部主钢板外侧设有消除摩擦外框架端部副钢板，消除摩擦外框架端部主钢板和消除摩擦外框架端部副钢板中心开有圆洞；
所述底座包括两条并排设置的底座工字钢，两条底座工字钢下方设有连接两条底座工字钢的底座下部钢板，两条底座工字钢上方设有连接两条底座工字钢的底座上部钢板，底座上部钢板上设有与两端剪切钢套下方的两端钢套筋板及两端钢套筋板附属固定构件匹配的底座凹槽，底座凹槽内设有调整两端钢套筋板位置的位置调整钢块；
所述附属单元包括设置在中间剪切钢套顶部调平筋板上方的载荷传递钢板，压力机通过载荷传递钢板对中间剪切钢套施加剪切位移，从而对剪切单元内安装的锚杆/锚索进行剪切加载；
所述附属单元包括设置在消除摩擦外框架端部副钢板外侧并与其中心共线的两个压力枕单元，两个压力枕单元外侧分别设有压力枕单元外端钢垫板。
所述两端剪切钢套和中间剪切钢套的上下两部分可对半拆开的圆柱形钢套两侧设有钢套连接部件，上下两部分可对半拆开的圆柱形钢套的钢套连接部件通过螺栓连接。
两端剪切钢套通过两端钢套筋板附属固定构件和螺栓固定在底座上部钢板上的底座凹槽内。
所述两端剪切钢套和中间剪切钢套的圆柱形钢套内径为300mm；中间剪切钢套长度为500mm，两端剪切钢套长度均为400mm。
剪切单元包含的中间剪切钢套顶部设置的中间剪切钢套顶部调平筋板上方为平面，便于载荷传递钢板的摆放，所述载荷传递钢板共有四块重叠，载荷传递钢板(19)的厚度均为30mm，横截面为480mm×300mm，总厚度为120mm。
两端剪切钢套的两端钢套筋板下边缘距离两端剪切钢套下边缘的高度等于120mm加上底座上凹槽的深度。
消除摩擦外框架包含的四根外框架槽钢长度为1320mm，比剪切单元的总长度，即中间剪切钢套和两端剪切钢套的长度之和长20mm，四根消除摩擦外框架槽钢通过螺栓与消除摩擦外框架端部主钢板相连接。
一种锚杆锚索抗剪切性能测试方法，其步骤如下：
a.将位置调整钢块放在每个底座凹槽的内侧，将两个两端剪切钢套的下半部分分别通过两端钢套筋板附属固定构件和螺栓固定于底座上部钢板上的底座凹槽内；
b.将中间剪切钢套的下半部分放在底座上两个两端剪切钢套之间，并和两个两端剪切钢套间分别形成10mm间距，使用厚度120mm的木块将中间剪切钢套垫起，使中间剪切钢套和两端剪切钢套的中心在一条直线上；
c.将三个带中心锚固孔和注浆孔的试验用圆柱形混凝土试块分别放置在对应的剪切钢套内，并使混凝土试块上的注浆孔朝向正上方；
d.把待测试的锚杆或锚索依次穿过三个混凝土试块中心锚固孔。用软布把混凝土试块两端的锚固孔和锚杆或锚索间的间隙堵死，防止后期注浆时浆液从此处流出；
e.将两个消除摩擦外框架端部主钢板穿过所安装的锚杆或锚索分别装到剪切单元两端，并用木块垫起消除摩擦外框架端部主钢板，使消除摩擦外框架端部主钢板的中心孔与混凝土试块的中心锚固孔在一条直线上；
f.使用螺栓将四个消除摩擦外框架槽钢和消除摩擦外框架端部主钢板分别连接起来，依次在测试装置两端装上消除摩擦外框架端部副钢板、压力枕单元和压力枕单元外端钢垫板；
g.当需要向测试的锚杆或锚索施加预紧力时，使用张拉机具对被测锚杆或锚索进行张拉加载并用锁具锁死；向被测锚杆锚索施加的预紧力由消除摩擦外框架承受，不会作用在混凝土试块上，保证混凝土试块间不会因发生接触而产生挤压力，从而避免在剪切测试过程中产生摩擦力；
h.当无需对所测试的锚杆或锚索施加预紧力时，则直接在消除摩擦外框架两端依次装上消除摩擦外框架端部副钢板、压力枕单元和压力枕单元外端钢垫板，使用锁具锁死锚杆或锚索；
i.向中间混凝土试块的注浆孔注入锚固剂，待锚固剂从两端混凝土注浆孔流出时停止注浆，等锚固剂凝固后，将两端剪切钢套及中间剪切钢套的上半部分放在混凝土试块上，使用螺栓和底座上的剪切钢套下半部分连接起来从而完成试验的安装；
k.将锚杆锚索抗剪切性能测试装置放置在加载平台上，并在中间剪切钢套上摆放四个载荷传递钢板，移除中间剪切钢套下方的木垫块，将压力枕单元连接到数据记录仪后，对中间剪切钢套进行剪切加载，随着剪切力的加载收集数据，从而获得被测锚杆或锚索的抗剪切力和轴力与剪切位移之间的关系。
有益效果：
本发明结构简单，组装、拆卸方便，适用性强，对于加载试验机没有特殊要求；尺寸设计合理，可以实现对所有常见尺寸锚杆锚索的测试，并且可以避免锚杆锚索在剪切破断前和剪切钢套发生接触而产生错误的抗剪切强度结果；和现有框架式和方形截面双剪切装置相比，本发明采用的圆形截面剪切钢套可以给混凝土试块提供均匀的围压，防止剪切过程中混凝土试块由于承载不均匀而发生明显的破裂并进而丧失或严重弱化对锚杆锚索的束缚作用；本发明可以实现有摩擦和无摩擦两种条件下锚杆锚索抗剪切性能的测试，以及锚杆锚索在不同预紧力条件下抗剪切性能的测试。
具体而言：
1、通过加装或移除消除摩擦外框架，本发明可以实现不带摩擦和带摩擦两种条件下的锚杆锚索抗剪切性能试验。当加装外框架时，施加给锚杆锚索的预紧力以及后续剪切过程中产生的锚杆锚索附加拉力都将由消除摩擦外框架承受，从而不会在中间混凝土试块和两端混凝土试块间产生接触和挤压力，也就不会在试块间产生摩擦阻力，相反，当不加装外框架时，施加给锚杆锚索的预紧力以及后续剪切过程中产生的锚杆锚索拉力都将施加到混凝土试块接触面上，从而在试块接触面上产生摩擦阻力；
消除摩擦外框架中的槽钢长度比剪切单元长，通过和底座凹槽内的位置调整钢块的配合，可以保证在进行无摩擦试验时，中间钢套和两端钢套间存在间隙，从而有效避免剪切过程中可能出现的试块接触和摩擦；
2、剪切单元包含内径与混凝土试块的直径相同的圆柱形钢套，内径设计为300mm，可以避免混凝土试块对锚杆锚索的径向约束产生明显的尺寸效应；
3、在剪切的过程中中间钢套的两侧都将产生小于100mm的剪切挤压区，两端钢套都将在内侧产生少量剪切挤压区，各钢套在剪切挤压区外都还剩余足够长度的拉伸区域，可以很好的模拟锚杆锚索实际受载情况。
4、剪切单元中间钢套的顶部是平的，可以放置载荷传递钢板，在试验加载的过程中，压力机通过载荷传递钢板把剪切载荷施加到中间剪切钢套上。
5、两端钢套筋板固定于底板凹槽后剩余的有效高度，给中间钢套留出了足够的剪切位移空间，可以满足剪断所有常见锚杆锚索的要求。
5、两端钢套通过筋板固定于底座上的凹槽内，在进行无摩擦剪切试验时，可以避免剪切过程中产生的锚杆锚索拉力将两端的混凝土试块拉向中间和中间混凝土试块发生接触并进而产生摩擦。
6、可以通过位置调整钢块调整两端钢套相对于中间钢套的位置来控制它们之间的剪切面间隙。对于存在摩擦的剪切试验，需要两端钢套中的混凝土试块和中间钢套中的混凝土试块发生接触。此时，可以通过把位置调整钢块放置于凹槽的外侧从而消除钢套间的剪切面间隙，使混凝土试块发生接触。对于无摩擦剪切试验，需要两端钢套中的混凝土试块和中间钢套中的混凝土试块不接触。此时，可以通过将位置调整钢块放置于凹槽的内侧从而在钢套间制造间隙，避免试块发生接触。
7、四块载荷传递钢板给中间剪切钢套提供的剪切位移空间和两端钢套筋板所提供的剪切位移空间相一致。同时，由于单块载荷传递钢板的厚度不大，钢板的重量也不大，便于人工安装。
附图说明：
图1(a)为本发明的锚杆锚索抗剪切性能测试装置的主视图；
图1(b)为本发明的锚杆锚索抗剪切性能测试装置的左视图；
图2(a)为本发明的锚杆锚索抗剪切性能测试装置剪切单元的主视图；
图2(b)为本发明的锚杆锚索抗剪切性能测试装置剪切单元的左视图；
图3(a)为本发明的锚杆锚索抗剪切性能测试装置底座的主视图；
图3(b)为本发明的锚杆锚索抗剪切性能测试装置底座的左视图；
图4(a)为本发明的锚杆锚索抗剪切性能测试装置消除摩擦外框架的主视图；
图4(b)为本发明的锚杆锚索抗剪切性能测试装置消除摩擦外框架的左视图；
图5(a)为本发明的锚杆锚索抗剪切性能测试装置压力枕单元的主视图；
图5(b)为本发明的锚杆锚索抗剪切性能测试装置压力枕单元的左视图；
图6(a)为本发明的锚杆锚索抗剪切性能测试装置载荷传递钢板的主视图；
图6(b)为本发明的锚杆锚索抗剪切性能测试装置载荷传递钢板的俯视图；
图7为本发明的锚杆锚索抗剪切性能测试装置的结构示意图。
图中：1-两端剪切钢套、2-中间剪切钢套、3-中间剪切钢套顶部调平筋板、4-钢套连接部件、5-螺栓、6-两端钢套筋板、7-两端钢套筋板附属固定构件、8-底座上部钢板、9-位置调整钢块、10-底座凹槽、11-底座工字钢、12-底座下部钢板、13-底座上部钢板耳、14-消除摩擦外框架槽钢、15-消除摩擦外框架端部主钢板、16-消除摩擦外框架端部副钢板、17-压力枕单元、18-压力枕单元外端钢垫板、19-载荷传递钢板。
具体实施方式
下面结合附图对本申请做进一步说明：
如图7所示，锚杆锚索抗剪切性能测试装置，其特征在于：它包括剪切单元、消除摩擦外框架、底座和附属单元，其中消除摩擦外框架设置在剪切单元外侧；
如图1(a)、图1(b)、图2(a)和图2(b)所示，所述剪切单元包括左右两个两端剪切钢套1，两个两端剪切钢套1之间设有中间剪切钢套2，所述两端剪切钢套1和中间剪切钢套2的上下两部分可对半拆开的圆柱形钢套两侧设有钢套连接部件4，所述两端剪切钢套1和中间剪切钢套2的圆柱形钢套内径为300mm；中间剪切钢套2长度为500mm，两端剪切钢套1长度均为400mm，上下两部分可对半拆开的圆柱形钢套的钢套连接部件4通过螺栓5连接，中间剪切钢套2上设有中间剪切钢套顶部调平筋板3，所述两个两端剪切钢套1及中间剪切钢套2为柱状结构，均为上下两部分组成，上下两部分为可对半拆开的圆柱形钢套，两个两端剪切钢套1下方分别设有两个两端钢套筋板6，两端钢套筋板6下方设有两端钢套筋板附属固定构件7，中间剪切钢套2上方设有四个中间剪切钢套顶部调平筋板3；
如图3(a)和图3(b)所示，所述底座包括两条并排设置的底座工字钢11，两条底座工字钢11下方设有连接两条底座工字钢11的底座下部钢板12，两条底座工字钢11上方设有连接两条底座工字钢11的底座上部钢板8，底座上部钢板8上设有与两端剪切钢套1下方的两端钢套筋板6及两端钢套筋板附属固定构件7匹配的底座凹槽10，底座凹槽10内设有调整两端钢套筋板6位置的位置调整钢块9；两端剪切钢套1通过两端钢套筋板附属固定构件7和螺栓5固定在底座上部钢板8上的底座凹槽10内；两端剪切钢套1的两端钢套筋板6下边缘距离两端剪切钢套1下边缘的高度等于120mm加上底座上凹槽10的深度；
如图4(a)和图4(b)所示，所述消除摩擦外框架包括四根并行设置的消除摩擦外框架槽钢14，四根消除摩擦外框架槽钢14两两并排设置，四根消除摩擦外框架槽钢14左右两端分别设置将四根消除摩擦外框架槽钢14固定住的两只矩形消除摩擦外框架端部主钢板15，消除摩擦外框架端部主钢板15外侧设有消除摩擦外框架端部副钢板16，消除摩擦外框架端部主钢板15和消除摩擦外框架端部副钢板16中心开有圆洞；消除摩擦外框架包含的四根外框架槽钢14长度为1320mm，比剪切单元的总长度，即中间剪切钢套2和两端剪切钢套1的长度之和长20mm，四根消除摩擦外框架槽钢14通过螺栓5与消除摩擦外框架端部主钢板15相连接；
如图5(a)和图5(b)所示，所述附属单元包括设置在消除摩擦外框架端部副钢板16外侧并与其中心共线的两个压力枕单元17，两个压力枕单元17外侧分别设有压力枕单元外端钢垫板18。
如图6(a)和图6(b)所示，所述附属单元包括设置在中间剪切钢套顶部调平筋板3上方的载荷传递钢板19，压力机通过载荷传递钢板19对中间剪切钢套2施加剪切位移，从而对剪切单元内安装的锚杆/锚索进行剪切加载；剪切单元包含的中间剪切钢套2顶部设置的中间剪切钢套顶部调平筋板3上方为平面，便于载荷传递钢板19的摆放，所述载荷传递钢板19共有四块重叠，载荷传递钢板19的厚度均为30mm，横截面为480mm×300mm，总厚度为120mm。
一种锚杆锚索抗剪切性能测试方法，其步骤如下：
a.将位置调整钢块9放在每个底座凹槽10的内侧，将两个两端剪切钢套1的下半部分分别通过两端钢套筋板附属固定构件7和螺栓5固定于底座上部钢板8上的底座凹槽10内；
b.将中间剪切钢套2的下半部分放在底座上两个两端剪切钢套1之间，并和两个两端剪切钢套1间分别形成10mm间距，使用厚度120mm的木块将中间剪切钢套2垫起，使中间剪切钢套2和两端剪切钢套1的中心在一条直线上；
c.将三个带中心锚固孔和注浆孔的试验用圆柱形混凝土试块分别放置在对应的剪切钢套内，并使混凝土试块上的注浆孔朝向正上方；
d.把待测试的锚杆或锚索依次穿过三个混凝土试块中心锚固孔。用软布把混凝土试块两端的锚固孔和锚杆或锚索间的间隙堵死，防止后期注浆时浆液从此处流出；
e.将两个消除摩擦外框架端部主钢板15穿过所安装的锚杆或锚索分别装到剪切单元两端，并用木块垫起消除摩擦外框架端部主钢板15，使消除摩擦外框架端部主钢板15的中心孔与混凝土试块的中心锚固孔在一条直线上；
f.使用螺栓5将四个消除摩擦外框架槽钢14和消除摩擦外框架端部主钢板15分别连接起来，依次在测试装置两端装上消除摩擦外框架端部副钢板16、压力枕单元17和压力枕单元外端钢垫板18；
g.当需要向测试的锚杆或锚索施加预紧力时，使用张拉机具对被测锚杆或锚索进行张拉加载并用锁具锁死；向被测锚杆锚索施加的预紧力由消除摩擦外框架承受，不会作用在混凝土试块上，保证混凝土试块间不会因发生接触而产生挤压力，从而避免在剪切测试过程中产生摩擦力；
h.当无需对所测试的锚杆或锚索施加预紧力时，则直接在消除摩擦外框架两端依次装上消除摩擦外框架端部副钢板16、压力枕单元17和压力枕单元外端钢垫板18，使用锁具锁死锚杆或锚索；
i.向中间混凝土试块的注浆孔注入锚固剂，待锚固剂从两端混凝土注浆孔流出时停止注浆，等锚固剂凝固后，将两端剪切钢套1及中间剪切钢套2的上半部分放在混凝土试块上，使用螺栓5和底座上的剪切钢套下半部分连接起来从而完成试验的安装；
k.将锚杆锚索抗剪切性能测试装置放置在加载平台上，并在中间剪切钢套2上摆放四个载荷传递钢板19，移除中间剪切钢套2下方的木垫块，将压力枕单元17连接到数据记录仪后，对中间剪切钢套2进行剪切加载，随着剪切力的加载收集数据，从而获得被测锚杆或锚索的抗剪切力和轴力与剪切位移之间的关系。