本發(fā)明涉及錨桿體系的時效特征，具體涉及一種全新的、基于蠕變試驗機的、實時測量錨桿體系水力耦合作用下時效特征的測試系統(tǒng)及測試方法。

背景技術：

隨著深部地下工程日益增多，深部巖石長期處于“三高一擾動”復雜地質(zhì)環(huán)境中。錨桿在圍巖支護中，由于其對原巖擾動小、施工速度快、節(jié)約工程材料等特性，成為解決地下巷道穩(wěn)定問題的有效手段。隨著錨固時間的增長，巖體錨固在服役期內(nèi)表現(xiàn)出明顯的蠕變特征，對深部地下工程的安全性造成了巨大的威脅。針對采礦工程、地下軌道交通、地下儲油工程服役期間的安全性，開展錨固巖體長期強度的研究具有重要的學術意義、工程價值和廣泛的應用前景。

目前巷道支護存在圍巖力學性質(zhì)參數(shù)取值不準，造成錨桿支護參數(shù)設計不合理，錨桿作用未能充分發(fā)揮，支護材料浪費和支護成本偏高的現(xiàn)象。目前基于巖體力學和支護理論，利用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等方法研究錨桿支護參數(shù)，進行了大量研究。針對常規(guī)數(shù)值模擬計算仍存在無法有效地反映錨桿對圍巖的加固效果的缺陷，相關學者從等效數(shù)值模擬和本構方程方面對巖石力學的參數(shù)進行了研究，如何分析研究錨固巖體長期強度變化特性，極大的關系到巖體錨固效果的優(yōu)劣。國內(nèi)外學者對巖體錨固機理進行了大量的研究，但大都基于彈塑性力學等分析原理提出各種本構模型和支護參數(shù)，蠕變的研究大多局限于對無錨桿巖體的蠕變研究，而關于錨固巖體整個錨固系統(tǒng)長期強度的研究還是涉及很少，針對該方面的實驗研究就更少。目前，錨固巖體長期強度研究存在主要問題有：一是實驗如何真實反應錨固巖體實際受力情況，二是如何監(jiān)測錨固系統(tǒng)應力應變的變化。然而現(xiàn)有研究成果尚不足以描述不同錨固方式和錨固結(jié)構的應力滲流耦合作用機理及其時空演化特性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是現(xiàn)有研究成果尚不足以描述不同錨固方式和錨固結(jié)構的應力滲流耦合作用機理及其時空演化特性，提供一種模擬工程環(huán)境中錨桿體系應力、應變隨時間變化的基于蠕變試驗機錨桿體系時效特征的測試系統(tǒng)及測試方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用下述技術方案：一種基于蠕變試驗機錨桿體系時效特征的測試系統(tǒng)，包括試樣制樣裝置、試樣加載裝置和應變檢測裝置，試樣制樣裝置固定在鋼架上；所述的試樣制樣裝置包括試樣夾具、固定鋼板和錨桿，所述試樣夾具內(nèi)裝有試樣，試樣內(nèi)預埋有應變片，所述錨桿插在試樣中心線上與固定鋼板連接；所述試樣加載裝置包括蠕變試驗機和壓力轉(zhuǎn)換裝置，壓力轉(zhuǎn)換裝置的底座固定于蠕變試驗機的工作臺上，壓力轉(zhuǎn)換裝置上部與蠕變試驗機的壓頭相連；所述的錨桿穿過壓力轉(zhuǎn)換裝置的通孔I后與固定鋼板連接。

所述固定鋼板上設有通孔II，所述通孔II直徑大于錨桿的直徑。

所述壓力轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)部從上到下依次設有主動桿、從動桿和滾軸軌道，主動桿上方設有頂板，主動桿下方設有固定輥，從動桿下端與滾軸軌道接觸，從動桿上部設有斜面，斜面與固定輥相接觸。

所述壓力轉(zhuǎn)換裝置的通孔I位于壓力轉(zhuǎn)換裝置中心軸線上，通孔I的直徑大于錨桿的直徑。

所述應變檢測裝置包括應變儀、錨桿測力計和導線，錨桿測力計設置在兩塊固定鋼板之間；導線一端穿過試樣夾具側(cè)面的導線口與預埋在試樣內(nèi)的應變片連接，導線另一端與應變儀相連接，應變儀與電腦連接。

所述錨桿測力計包括環(huán)形液壓枕和設置在環(huán)形液壓枕上的壓力表，環(huán)形液壓枕套設在錨桿上，環(huán)形液壓枕位于兩塊固定鋼板之間，錨桿尾部通過螺栓固定在固定鋼板外側(cè)。

所述的鋼架上還設有加水模擬裝置，所述加水模擬裝置包括加壓水箱和導水管，加壓水箱固定于鋼架頂端，導水管一端與加壓水箱密封連接，導水管的另一端與試樣夾具密封連通。

一種基于蠕變試驗機錨桿體系時效特征的測試方法，其特征在于包括以下步驟：①制備試樣：將試樣倒入攪拌機內(nèi)充分攪拌均勻、將試樣倒入攪拌機內(nèi)充分攪拌均勻、緩慢均勻倒入試樣夾具內(nèi)，在試樣倒入試樣夾具過程中將應變片預埋在試樣夾具中，待試樣充滿試樣夾具后，將試樣脫模養(yǎng)護，試樣在室溫條件下養(yǎng)護2-3d后，在試樣中心鉆孔，安放錨桿并用錨固劑進行錨固，待錨固劑凝固后，將試樣重新裝在試樣夾具上；②安裝測試系統(tǒng)：將壓力轉(zhuǎn)換裝置安裝在蠕變試驗機上，在鋼架上自上而下依次安裝加壓水箱、試樣制樣裝置，通過調(diào)整鋼架的位置使錨桿穿過壓力轉(zhuǎn)換裝置的通孔I，然后用螺栓把固定鋼板和錨桿測力計固定；用導線連接應變片、應變儀、電腦，導水管一端密封連接試樣夾具底面的進水口，另一端與加壓水箱底部密封連接；③測試系統(tǒng)安裝結(jié)束后，線路連接好，打開蠕變試驗機開關，通過蠕變試驗機把恒定的壓力加載在壓力轉(zhuǎn)換裝置的頂板上；④根據(jù)錨桿極限抗拔力進行逐級加載；⑤通過觀測錨桿測力計的數(shù)值，檢測錨桿實際受力情況，同時觀察應變儀測試試樣中的應變值大小的變化，根據(jù)應變片的埋置位置測試錨桿體系應變變化的空間特征；⑥整理應變儀測試出的數(shù)據(jù)，繪制應變-時間曲線，研究錨桿體系受力的時效特征。

所述的應變儀為ASMB2D-32型應變儀，所述蠕變試驗機為RMT-D3型蠕變試驗機，所述錨桿測力計為MYJ-20錨桿測力計。

所述的試樣為鐵晶砂膠結(jié)巖土材料。

本發(fā)明是一種模擬工程環(huán)境中錨桿體系應力、應變隨時間變化的測試裝置，為解決應力滲流耦合條件下錨固支護體的長期穩(wěn)定性問題提供技術支撐。通過本發(fā)明的測試系統(tǒng)可以順利模擬錨桿體系內(nèi)部應變隨時間的變化特征，本發(fā)明的測試系統(tǒng)從應變的角度研究錨桿體系力學特征的時間效應，預測錨桿系統(tǒng)加固效果的長期效應，對錨固工程的長期穩(wěn)定性意義重大；能夠測試錨固體系在應力滲流耦合環(huán)境下隨時間變化的力學特征，通過應力應變參數(shù)分析錨桿體系的時間效應。

附圖說明

圖1是本發(fā)明結(jié)構示意圖；

圖2是本發(fā)明試樣夾具剖面結(jié)構示意圖；

圖3是本發(fā)明壓力轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)部雙側(cè)從動桿與主動桿配合結(jié)構示意圖；

圖4是本發(fā)明壓力轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)部單側(cè)從動桿與主動桿配合結(jié)構示意圖；

圖5是本發(fā)明壓力轉(zhuǎn)換裝置俯視結(jié)構示意圖；

圖6是本發(fā)明錨桿測力計安裝狀態(tài)結(jié)構示意圖。

具體實施方式

如圖1至圖6所示，一種基于蠕變試驗機錨桿體系時效特征的測試系統(tǒng)，包括試樣制樣裝置1、試樣加載裝置6和應變檢測裝置4，試樣制樣裝置1固定在鋼架5上；所述的試樣制樣裝置1包括試樣夾具11、固定鋼板12和錨桿13，所述試樣夾具11內(nèi)裝有試樣14，試樣14內(nèi)預埋有應變片16，所述錨桿13插在試樣14中心線上與固定鋼板12連接；所述試樣加載裝置6包括蠕變試驗機61和壓力轉(zhuǎn)換裝置2，壓力轉(zhuǎn)換裝置2的底座29固定于蠕變試驗機61的工作臺62上，壓力轉(zhuǎn)換裝置2上部與蠕變試驗機61的壓頭63相連；所述的錨桿13穿過壓力轉(zhuǎn)換裝置2的通孔I21后與固定鋼板12連接。

所述固定鋼板12上設有通孔II121，所述通孔II121直徑大于錨桿13的直徑。錨桿13通過通孔II121與固定鋼板12連接。

所述壓力轉(zhuǎn)換裝置2內(nèi)部從上到下依次設有主動桿22、從動桿23和滾軸軌道25，主動桿22上方設有頂板26，主動桿22下方設有固定輥24，從動桿23下端與滾軸軌道25接觸，從動桿23上部設有斜面25，斜面25與固定輥24相接觸。從動桿23下端卡在滾軸軌道25上可以水平移動，試驗時，蠕變試驗機61直接加壓在轉(zhuǎn)換裝置篩的頂板26上，頂板26推動主動桿22垂直向下移動，從動桿23上的斜面25受到固定輥24垂直向下擠壓，促使斜面25向水平方向移動，從而實現(xiàn)荷載由豎向加載轉(zhuǎn)換成水平向加載。

所述壓力轉(zhuǎn)換裝置2的通孔I21位于壓力轉(zhuǎn)換裝置2中心軸線上，通孔I21的直徑大于錨桿13的直徑。

所述應變檢測裝置4包括應變儀41、錨桿測力計42和導線43，錨桿測力計42設置在兩塊固定鋼板12之間；導線43一端穿過試樣夾具11側(cè)面的導線口15與預埋在試樣14內(nèi)的應變片16連接，導線43另一端與應變儀41相連接，應變儀41與電腦44連接。導線43另一端與應變儀41的固定電極相連接。

所述錨桿測力計42包括環(huán)形液壓枕422和設置在環(huán)形液壓枕422上的壓力表421，環(huán)形液壓枕422套設在錨桿13上，環(huán)形液壓枕422位于兩塊固定鋼板12之間，錨桿13尾部通過螺栓17固定在固定鋼板12外側(cè)。試驗時，錨桿測力計42的環(huán)形液壓枕422受固定鋼板12擠壓，環(huán)形液壓枕422枕內(nèi)油壓增加，壓力表壓力表421顯示出的數(shù)值就是錨桿的實際受力大小。

所述的鋼架5上還設有加水模擬裝置3，所述加水模擬裝置3包括加壓水箱31和導水管32，加壓水箱31固定于鋼架5頂端，導水管32一端與加壓水箱31密封連接，導水管32的另一端與試樣夾具11密封連通。試驗時，水通過試樣夾具11底端對試樣進行加水。

一種基于蠕變試驗機錨桿體系時效特征的測試方法，包括以下步驟：①制備試樣：將試樣14倒入攪拌機內(nèi)充分攪拌均勻、緩慢均勻倒入試樣夾具11內(nèi)，在試樣倒入試樣夾具過程中將應變片16預埋在試樣夾具11中，待試樣14充滿試樣夾具11后，將試樣脫模養(yǎng)護，試樣在室溫條件下養(yǎng)護2-3d后，在試樣中心鉆孔，安放錨桿13并用錨固劑18進行錨固，待錨固劑18凝固后，將試樣14重新裝在試樣夾具11上；②安裝測試系統(tǒng)：將壓力轉(zhuǎn)換裝置2安裝在蠕變試驗機61上，在鋼架上自上而下依次安裝加壓水箱31、試樣制樣裝置1，通過調(diào)整鋼架的位置使錨桿穿過壓力轉(zhuǎn)換裝置2的通孔I，然后用螺栓把固定鋼板12和錨桿測力計42固定；用導線連接應變片16、應變儀41、電腦44，導水管32一端密封連接試樣夾具11底面的進水口19，另一端與加壓水箱31底部密封連接；③測試系統(tǒng)安裝結(jié)束后，線路連接好，打開蠕變試驗機61開關，通過蠕變試驗機61把恒定的壓力加載在壓力轉(zhuǎn)換裝置2的頂板26上；通過壓力轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換作用，相當于施加給錨桿一個恒定的拉力；④根據(jù)錨桿極限抗拔力進行逐級加載；確定合理的加載方式和試驗終止條件；⑤通過觀測錨桿測力計42的數(shù)值，檢測錨桿實際受力情況，同時觀察應變儀測試試樣中的應變值大小的變化，根據(jù)應變片的埋置位置測試錨桿體系應變變化的空間特征；⑥整理應變儀測試出的數(shù)據(jù)，繪制應變-時間曲線，研究錨桿體系受力的時效特征。為了試樣能均勻倒入試樣夾具中，試樣要緩慢的一層一層的向試樣夾具中倒，分層多次倒入，每一層都要進行振搗密實，應變片根據(jù)需要埋設在試樣夾具的不同位置，試樣夾具上的導線口有多個，根據(jù)應變片的位置使導線從不同的導線口引出。實驗時，檢測應變片在不同位置的應變數(shù)據(jù)。

所述的應變儀為ASMB2D-32型應變儀，所述蠕變試驗機為RMT-D3型蠕變試驗機，所述錨桿測力計為MYJ-20錨桿測力計。

所述的試樣14為鐵晶砂膠結(jié)巖土材料。

具體操作過程為：如圖1所示，安裝連接測試系統(tǒng)的各個部分，試樣夾具尺寸為360×360×1400cm，在試樣夾具中緩慢的一層層均勻加入按照一定配比而成的鐵晶砂膠結(jié)巖土相似材料作為試樣，在試樣制備過程中將電阻應變片預埋在相應的位置，待試樣充滿夾具后，脫模養(yǎng)護，在室溫條件下養(yǎng)護2-3d后，在試樣中心鉆孔并安裝錨桿。按照上述說明安裝好試樣并進行調(diào)試，在試驗前可以另外取試樣單獨進行拉拔試驗，測定錨固體系極限抗拔力。檢查線路連接情況，打開蠕變試驗機開關。試驗時，采用分級加載方式，根據(jù)極限抗拔力有效控制每次加載的大小和時間間隔。加壓水箱中盛裝足夠量的水，通過導水管對試驗試樣進行加水，所加的水為模擬地下水環(huán)境中的水，通過觀測錨桿測力計的數(shù)值，檢測錨桿實際受力情況，利用應變儀測試錨桿體系的應變變化，根據(jù)不同時間、不同位置的應力變化參數(shù)，分析錨桿體系與時間有關的力學特征。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征以及本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實例的限制，上述實例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。