组合框架式加锚裂隙岩体拉-剪试验装置及其应用方法与流程

本发明涉及岩土工程试验测试领域，具体涉及一种组合框架式加锚裂隙岩体拉-剪试验装置及其应用方法。

背景技术：

岩体中广泛存在的节理会对其强度和变形特性产生显著影响，是很多工程地质灾害产生的根本原因。作为能够深入岩体内部的支护结构，锚杆（索）已成为节理岩体重要的加固手段。为了解决工程现场锚杆剪切破坏难题，减少裂隙岩体失稳导致的诸多工程灾害，迫切需要深入研究加锚节理岩体的剪切特性。

传统的剪切试验装置只能对加锚裂隙岩体试件进行直接剪切试验或者压剪试验。然而，在工程现场锚杆多处于拉伸状态，需要进行拉剪试验，现有设备无法完成。另外，现有试验一般把试件放置在固定剪切盒中，存在可容纳试件较小，以及试件尺寸只能和剪切盒一致，无法进行大尺寸、多尺度剪切试验的问题。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供组合框架式加锚裂隙岩体拉-剪试验装置及其应用方法，不仅结构简单合理，而且适用性广。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：组合框架式加锚裂隙岩体拉-剪试验装置，包括组合框架系统、剪切力施加系统、轴向拉力施加系统和加锚裂隙岩体试件，所述组合框架系统由钢质方框单元排列组合固接而成，组合框架系统包括底层组合框架、加锚裂隙岩体试块单侧固定框架、剪切加载反力框架、轴向拉力加载反力框架。

进一步的，相邻的钢质方框单元间均通过螺栓固连在一起；所述钢质方框单元均具有五个面，其中四周面是完全等同的，为等同立面，另一面为单底面；钢质方框单元的五个面均开设螺栓孔，左右相邻的等同立面通过短螺栓固定；前后相邻的一列单底面通过一个长螺栓固定。

进一步的，所述加锚裂隙岩体试块单侧固定框架呈倒u型；所述轴向拉力加载反力框架包括两面平行的方框单元，其中一面方框单元外预留长条形锚杆通过孔，另一面方框单元上开设供锚杆垂直穿过的通孔；所述加锚裂隙岩体试块单侧固定框架与加锚裂隙岩体试件均位于两面方框单元之间。

进一步的，所述剪切力施加系统包括：液压油缸、剪切力伺服油源、加载垫块和减摩垫板；液压油缸固设在剪切加载反力框架内侧壁上，其输出端通过加载垫块与加锚裂隙岩体试件端面固连；加载垫块用于将液压油缸的压力均匀传递到加锚裂隙岩体试件的一侧；减摩垫板放置在加锚裂隙岩体试件与底层组合框架之间，用于减小加锚裂隙岩体试件与底层组合框架的摩擦力，减小实验误差；剪切力伺服油源用于给液压油缸提供液压油。

进一步的，所述轴向拉力施加系统，用于对加锚裂隙岩体试件两端施加水平拉力，主要包括一个锚杆拉拔仪和滚珠减摩板a；所述锚杆拉拔仪固设在轴向拉力加载反力框架外侧；滚珠减摩板a置于锚杆拉拔仪和轴向拉力加载反力框架之间，加锚裂隙岩体试件剪切过程中，锚杆拉拔仪随锚杆沿着长条形锚杆通过孔移动，滚珠减摩板a可以减小摩擦阻力；锚杆的一端外露段穿过方框单元的通孔，并通过托盘和螺母固定，锚杆另一端穿出方框单元并通过锚杆拉拔仪对其进行拉拔。

进一步的，所述加锚裂隙岩体试件包括：锚杆和两个并排的混凝土/岩块；所述锚杆至少一根；并通过两个并排的混凝土/岩块上设置的通孔贯穿串联，用于安装锚杆；锚杆通过砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土/岩块的钻孔内；加锚裂隙岩体试件中的锚杆两侧均伸出混凝土/岩块。

进一步的，该组合框架式加锚裂隙岩体拉-剪试验装置还包括围压加载系统；所述的围压加载系统包括加锚裂隙岩体试件可移动侧水平围压加载反力框架、加锚裂隙岩体试件可移动侧竖向围压加载反力框架、多个液压垫、滚珠减摩板b和液压油源；所述加锚裂隙岩体试件可移动侧水平围压加载反力框架是由钢质方框单元通过螺栓固定形成的侧向放置的u形框架；所述的加锚裂隙岩体试件可移动侧竖向围压加载反力框架通过螺栓与加锚裂隙岩体试块单侧固定框架顶部平面相连；液压垫置于加锚裂隙岩体试件与周围各框架接触的位置；滚珠减摩板b置于加锚裂隙岩体试件可移动侧上表面，用于减小加锚裂隙岩体试件与液压垫之间的摩擦力；液压油源用于给液压垫提供油压。

进一步的，所述滚珠减摩板a与滚珠减摩板b结构一致，滚珠减摩板b朝向加锚裂隙岩体表面具有能转动的滚珠以减小加锚裂隙岩体试件与加锚裂隙岩体试件可移动侧竖向围压加载反力框架间的摩擦力。

组合框架式加锚裂隙岩体拉-剪试验装置的工作方法，按以下步骤进行：s1:根据加锚裂隙岩体试件尺寸组装组合框架系统，使二者尺寸匹配；然后安装剪切力施加系统、轴向拉力施加系统和加锚裂隙岩体试件；s2:通过轴向拉力施加系统对加锚裂隙岩体试件两端施加水平拉力至设计值；s3:通过剪切力施加系统的剪切力伺服油源控制液压油缸对加锚裂隙岩体试件自右侧施加压力，至剪切位移达到设计值后，停止加载，过程中记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的剪切力及剪切变形情况；s4:然后收回剪切力施加系统的液压油缸，释放轴向拉力施加系统拉力，拆解组合框架式加锚裂隙岩体拉-剪试验装置取出试件，结束试验。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过特别设计的组合框架系统和加载系统，实现了大尺寸、多尺度加锚裂隙岩体拉剪试验，对加锚裂隙岩体的理论研究和工程设计具有重要意义。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明组合框架式加锚裂隙岩体拉-剪试验装置的三维示意图；

图2为本发明组合框架式加锚裂隙岩体拉-剪试验装置的俯视示意图；

图3为本发明加锚裂隙岩体试件三维示意图；

图4为四块钢质方框单元组合示意图；

图5为本发明组合框架系统钢质方框单元单底面组合示意图；

图6为本发明包含围压加载系统情况下的三维示意图；

图7为加锚裂隙岩体试件可移动侧水平围压加载反力框架三维示意图；

图8为加锚裂隙岩体试件可移动侧混凝土块和周围结构的剖面示意图。

图中：11.底层组合框架；12.加锚裂隙岩体试块单侧固定框架13.剪切加载反力框架；14.轴向拉力加载反力框架；110.钢质方框单元；111.等同立面；112.单底面；113.螺栓孔；114.短螺栓；115.长螺栓；116.长条形锚杆通过孔；21.液压油缸；22.加载垫块；23.减摩垫板；31.锚杆拉拔仪；32.滚珠减摩板a；41.锚杆；42.混凝土/岩块；43.托盘；44.螺母；51.液压垫；52.加锚裂隙岩体试件可移动侧水平围压加载反力框架；53.加锚裂隙岩体试件可移动侧竖向围压加载反力框架；54.滚珠减摩板b。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图1~8所示，组合框架式加锚裂隙岩体拉-剪试验装置，包括组合框架系统、剪切力施加系统、轴向拉力施加系统和加锚裂隙岩体试件，所述组合框架系统由钢质方框单元110排列组合固接而成，组合框架系统包括底层组合框架11、加锚裂隙岩体试块单侧固定框架12、剪切加载反力框架13、轴向拉力加载反力框架14。

在本发明实施例中，相邻的钢质方框单元间均通过螺栓固连在一起；所述钢质方框单元均具有五个面，其中四周面是完全等同的，为等同立面111，另一面为单底面112；钢质方框单元的五个面均开设螺栓孔113，左右相邻的等同立面通过短螺栓114固定；前后相邻的一列单底面通过一个长螺栓115固定。

在本发明实施例中，所述加锚裂隙岩体试块单侧固定框架呈倒u型，即u型口朝下；所述轴向拉力加载反力框架包括两面平行的方框单元，其中一面方框单元外预留长条形锚杆通过孔116，该长条形锚杆通过孔为配合锚杆拉拔仪设计，另一面方框单元上开设供锚杆垂直穿过的通孔；所述加锚裂隙岩体试块单侧固定框架与加锚裂隙岩体试件均位于两面方框单元之间，所述加锚裂隙岩体试块单侧固定框架与开设通孔端的方框单元连接，其底端与底层组合框架固连，所述方框单元均呈板状且由钢质方框单元组合形成。

在本发明实施例中，所述剪切力施加系统包括：液压油缸21、剪切力伺服油源、加载垫块22和减摩垫板23；液压油缸固设在剪切加载反力框架内侧壁上，其输出端通过加载垫块与加锚裂隙岩体试件端面固连；加载垫块用于将液压油缸的压力均匀传递到加锚裂隙岩体试件的一侧；减摩垫板放置在加锚裂隙岩体试件与底层组合框架之间，用于减小加锚裂隙岩体试件与底层组合框架的摩擦力，减小实验误差；剪切力伺服油源用于给液压油缸提供液压油，所述剪切加载反力框架与轴向拉力加载反力框架下端均固接在底层组合框架上，且剪切加载反力框架与轴向拉力加载反力框架的长度延伸端部固接。

在本发明实施例中，所述轴向拉力施加系统，用于对加锚裂隙岩体试件两端施加水平拉力，主要包括一个锚杆拉拔仪31和滚珠减摩板a32；所述锚杆拉拔仪固设在轴向拉力加载反力框架外侧；滚珠减摩板a置于锚杆拉拔仪和轴向拉力加载反力框架之间，加锚裂隙岩体试件剪切过程中，锚杆拉拔仪随锚杆沿着长条形锚杆通过孔移动，滚珠减摩板a可以减小摩擦阻力；锚杆的一端外露段穿过方框单元的通孔，并通过托盘43和螺母44固定，锚杆另一端穿出方框单元并通过锚杆拉拔仪对其进行拉拔，至于锚杆拉拔仪的工作原理为通用设置，在此不做赘述。

在本发明实施例中，所述加锚裂隙岩体试件包括：锚杆41和两个并排的混凝土/岩块42；所述锚杆至少一根；并通过两个并排的混凝土/岩块上设置的通孔贯穿串联，用于安装锚杆；锚杆通过砂浆或者树脂锚固剂固定在混凝土/岩块的钻孔内；加锚裂隙岩体试件中的锚杆两侧均伸出混凝土/岩块。

在本发明实施例中，该组合框架式加锚裂隙岩体拉-剪试验装置还包括围压加载系统；所述的围压加载系统包括加锚裂隙岩体试件可移动侧水平围压加载反力框架52、加锚裂隙岩体试件可移动侧竖向围压加载反力框架53、多个液压垫51、滚珠减摩板b54和液压油源；所述加锚裂隙岩体试件可移动侧水平围压加载反力框架是由钢质方框单元通过螺栓固定形成的侧向放置的u形框架，其u形开口方向朝向加锚裂隙岩体试块单侧固定框架，加锚裂隙岩体试件可移动侧水平围压加载反力框架与加锚裂隙岩体试件可移动侧竖向围压加载反力框架以及底层组合框架将加锚裂隙岩体试件围设在内；所述的加锚裂隙岩体试件可移动侧竖向围压加载反力框架通过螺栓与加锚裂隙岩体试块单侧固定框架顶部平面相连，使加锚裂隙岩体试块单侧固定框架顶部与加锚裂隙岩体试件可移动侧竖向围压加载反力框架同水平；液压垫置于加锚裂隙岩体试件与周围各框架接触的位置；滚珠减摩板b置于加锚裂隙岩体试件可移动侧上表面，用于减小加锚裂隙岩体试件与液压垫之间的摩擦力；液压油源用于给液压垫提供油压。

在本发明实施例中，所述滚珠减摩板a与滚珠减摩板b结构一致，滚珠减摩板b朝向加锚裂隙岩体表面具有能转动的滚珠以减小加锚裂隙岩体试件与加锚裂隙岩体试件可移动侧竖向围压加载反力框架间的摩擦力。

组合框架式加锚裂隙岩体拉-剪试验装置的工作方法，并按以下步骤进行：s1:根据加锚裂隙岩体试件尺寸组装组合框架系统，使二者尺寸匹配；然后安装剪切力施加系统、轴向拉力施加系统和加锚裂隙岩体试件；s2:通过轴向拉力施加系统对加锚裂隙岩体试件两端施加水平拉力至设计值；s3:通过剪切力施加系统的剪切力伺服油源控制液压油缸对加锚裂隙岩体试件自右侧施加压力，至剪切位移达到设计值后，停止加载，过程中记录加载过程中加锚裂隙岩体试件的剪切力及剪切变形情况；s4:然后收回剪切力施加系统的液压油缸，释放轴向拉力施加系统拉力，拆解组合框架式加锚裂隙岩体拉-剪试验装置取出试件，结束试验。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的组合框架式加锚裂隙岩体拉-剪试验装置及其应用方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。