[发明专利]复合载荷下的全尺寸岩体锚杆锚固性能的试验系统及方法

说明书

本发明提供了一种复合载荷下的全尺寸岩体锚杆锚固性能的试验系统及方法，涉及检测试验设备技术领域。该系统包括主框架、同向拉扭加载机构和竖向剪切加载机构，主框架包括双平行卧式反力框架和竖向反力框架，同向拉扭加载机构和竖向剪切加载机构与主框架协同布置；同向拉扭加载机构可以对锚固岩体的拉伸、扭转同步加载，竖向剪切加载机构可以施加静态载荷还可以模拟动载扰动，同向拉扭加载机构和竖向剪切加载机构分别独立加载。利用该试验系统可以进行锚杆拉拔试验、锚杆杆体拉扭试验、锚杆杆体拉扭剪切试验、锚杆及锚固岩体的测试试验，在同一锚固裂隙面上同时施加拉、剪、扭耦合载荷，有效测试岩体内锚杆构件在复合应力状态下的综合力学性能。

技术领域

本发明涉及检测设备技术领域，尤其是一种复合载荷下的全尺寸岩体锚杆锚固性能的试验系统及方法。

背景技术

锚固支护技术广泛应用于煤矿、隧道、水利等工程领域，锚固方式通常为将锚杆、锚索等(以下统称为“锚杆”)通过树脂粘结剂或砂浆锚固在岩体中，以增强围岩的承载性能。锚杆在服役过程中，主要承受来自于锚杆粘结段和托盘之间因围岩碎胀而产生的拉力、安装锚杆时残余的扭转力及后期围岩错动、偏转等引起的剪切、弯曲及扭转等载荷作用，也就是说锚杆通常处于复合载荷作用工况下。

大量工程实践及研究表明，锚杆在围岩中的受力状态将对锚固性能产生重要影响。在实验室内测试锚杆的锚固工作性能，须尽可能地还原工程现场，因此室内静载及流变试验通常将全尺寸锚杆锚固在模拟围岩的混凝土或岩块中，通过对混凝土或岩块施加拉向、扭转或剪切载荷，以模拟锚杆在真实地层中的复合受力状态。现有技术中，全尺寸锚杆支护试验设备不能科学地解决以下问题：(1)工程锚杆直径通常在20-30mm之间，屈服强度普遍大于300MPa，在实验室内对全尺寸真实锚杆进行测试，所用模拟岩体的尺寸也较大，如何有效地将复杂载荷作用在岩体上；(2)真实围岩受裂隙切割或分层影响，锚固岩体通常会沿着裂隙面张开，处在裂隙面位置的锚杆容易受拉、剪、扭复合应力影响，粘结界面在该处更容易开裂、失效。如何将复杂载荷施加于同一裂隙面的锚杆上，即如何使锚杆与岩体在单一粘结界面处产生复合应力；(3)在伺服控制锚固支护试验机设计加工中，上述两个问题往往相互制约，例如岩体扭转时，很难实现拉伸及剪切加载；岩体在剪切时，很难实现拉伸及扭转加载，如何合理的布置全尺寸锚固试验系统的结构。

现有专利技术中，中国专利锚杆(索)支护结构测试及锚固系统性能综合试验装置及方法(CN110274831A)、裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置及方法(CN110261234A)等，但为了进一步提升锚固试验机对施加载荷的控制，尤其是拉拔、扭转、剪切相互配合的科学性及操控性，更便捷、更准确地测试出多种载荷共同作用下的全尺寸岩体锚杆的锚固性能，需要实现测试复合载荷工况下的全尺寸岩体锚杆锚固性能的试验。

发明内容

为了方便测试多种载荷共同作用下的全尺寸岩体锚杆的锚固性能，进行复合载荷工况下的全尺寸岩体锚杆锚固性能的试验，本发明提供了一种复合载荷下的全尺寸岩体锚杆锚固性能的试验系统及方法，具体的技术方案如下。

一种复合载荷下的全尺寸岩体锚杆锚固性能的试验系统，包括主框架、同向拉扭加载机构和竖向剪切加载机构，所述主框架包括双平行卧式反力框架和竖向反力框架，竖向反力框架架设在双平行卧式反力框架上；所述同向拉扭加载机构和竖向剪切加载机构与主框架协同布置；所述同向拉扭加载机构对锚固岩体进行拉伸、扭转同步加载，所述竖向剪切加载机构施加静态载荷或模拟动载扰动，所述同向拉扭加载机构和竖向剪切加载机构分别独立加载。

优选的是，双平行卧式反力框架包括外侧板、内侧板、前承载板、后承载板、支座和地面垫板，内侧板和外侧板平行布置，内侧板和外侧板之间留设安装空间，前承载板和后承载板分别设置在内侧板、外侧板的两端；所述支座固定在地面垫板上。

优选的是，竖向反力框架包括上部承载板、反力架光杠、下部承载板和运动轨道，所述运动轨道固定设置在地面垫板上，竖向反力框架沿运动轨道移动；所述反力架光杠设置在上部承载板的下方，并配合安装在内侧板和外侧板之间的安装空间。