考慮支護-圍巖相互作用的錨桿抗沖擊測試系統(tǒng)及其應(yīng)用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及錨桿在工程現(xiàn)場抗沖擊性能的研宄，特別是涉及實際工程考慮支護結(jié)構(gòu)和圍巖相互作用的錨桿抗沖擊測試系統(tǒng)及其應(yīng)用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，我國深部地下工程建設(shè)獲得了深入發(fā)展，同時也遇到了越來越復(fù)雜的地質(zhì)條件。高應(yīng)力引起的巖爆及沖擊地壓等破壞性強烈的工程災(zāi)害越來越嚴重，在這種條件下應(yīng)用的錨桿的抗沖擊性能是錨固支護效果的關(guān)鍵。
[0003]如附圖1所示，巖爆的發(fā)生過程是指硐室圍巖在高應(yīng)力作用下，首先產(chǎn)生板裂化現(xiàn)象(即產(chǎn)生裂隙)，之后隨著能量的進一步積聚，部分圍巖突然向外爆出的現(xiàn)象。在此過程中，錨桿極易破壞，其原因不僅在于巖爆釋放較高的能量，形成強烈的沖擊，更重要的是在錨桿中引發(fā)了應(yīng)力和應(yīng)變集中。
[0004]如圖2所示。由于錨桿表面粗糙并與錨固劑緊密結(jié)合，在巖爆導(dǎo)致圍巖裂隙張開的情況下，錨桿在裂隙附近僅有很短的桿體與錨固劑分離。巖爆發(fā)生時，只有與圍巖分離的部分桿體能夠受拉伸長，從而吸收爆出巖塊的能量，錨桿與圍巖緊密結(jié)合的部分則不能伸長和吸收能量。因此，錨桿實際的抗沖擊能力僅包括裂隙附近可變形部分桿體受拉伸長所能吸收的能量。
[0005]為了測試錨桿的抗沖擊性能，需要可以模擬上述破壞現(xiàn)象和過程的測試裝置?，F(xiàn)有的實驗室測試設(shè)備包括中國專利201110387388.1、2012100934515兩種。這兩種測試裝置都是將錨桿一端固定，對錨桿的另一端直接施加沖擊荷載，這樣實際測得的錨桿抗沖擊性能包括錨桿全部長度受拉伸長所吸收的能量，測試得到的結(jié)果與錨桿現(xiàn)場特性有較大差另O。目前的實驗裝置不能真實反映錨桿-圍巖之間的相互作用，即錨桿承受的沖擊荷載與現(xiàn)場實際情況不一致，而且不能直接反映在沖擊荷載作用下錨桿對圍巖的加固作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠反映工程現(xiàn)場錨桿與圍巖的相互作用的錨桿抗沖擊性能測試系統(tǒng)。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種考慮支護-圍巖相互作用的錨桿抗沖擊測試系統(tǒng)，其特征在于，包括主機框架結(jié)構(gòu)、圍巖模擬裝置、錨桿試件、送樣裝置、試樣升降組件、錘體組件、提錘裝置、電氣控制系統(tǒng)、緩沖裝置、防護裝置、沖擊荷載測量系統(tǒng)和位置測量系統(tǒng)；
所述的主機框架結(jié)構(gòu)，包括底板、頂板、支撐立柱、導(dǎo)向光桿和橫梁，支撐立柱共四根，相鄰支撐立柱之間通過橫梁連接以提高主機框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)向光桿共有兩根，任意一根的上、下兩端分別與頂板和底板相連；
所述的圍巖模擬裝置，包括上側(cè)鋼管、下側(cè)鋼管、掛鉤和沖擊盤；上側(cè)鋼管和下側(cè)鋼管通過凸臺相連，既能防止兩者軸心偏斜，又能使兩者受到拉力時可以方便的脫離，掛鉤的下端通過螺紋與上側(cè)鋼管連接，掛鉤的上端可以掛在試樣夾具上；沖擊盤固定在下側(cè)鋼管的外側(cè)，用于承受錘體組件的沖擊，并將沖擊力傳遞給下側(cè)鋼管；
所述的錨桿試件，包括桿體、托盤和螺母，桿體安裝在上述圍巖模擬裝置的上側(cè)鋼管和下側(cè)鋼管中，通過砂漿或樹脂錨固劑固定，托盤與下側(cè)鋼管的低端接觸，螺母用于固定托盤;
所述的送樣裝置，包括固定構(gòu)件、左右導(dǎo)軌、前后導(dǎo)軌、試樣抓鉤、抓鉤手輪，所述的固定構(gòu)件用于將送樣裝置固定在主機框架結(jié)構(gòu)的支撐立柱上，通過抓鉤手輪可以控制試樣抓鉤抓、放試樣；
所述的試樣升降組件，包括動力組件一、螺紋桿、試樣夾具，動力組件一可以控制螺紋桿上下運動，試樣夾具與螺紋桿下側(cè)通過螺紋連接；試樣升降組件可以將圍巖模擬裝置的上側(cè)鋼管固定在任意設(shè)定的高度；
所述的錘體組件，包括錘頭、錘頭座、主錘體、配重砝碼、砝碼鎖緊套、砝碼鎖緊桿，在主錘體上預(yù)留有上下通透的兩個導(dǎo)向光桿孔和圍巖模擬裝置孔，錘體組件工作時整體沿導(dǎo)向光桿下落，對圍巖模擬裝置的沖擊盤施加沖擊荷載；
所述的提錘裝置，包括動力組件二，電磁鐵牽引機構(gòu)，抓錘自鎖機構(gòu)，動、靜滑輪組，提錘鏈條；用于抓起或釋放錘體，以及將錘體組件提升到設(shè)定高度；
所述的電氣控制系統(tǒng)，包含觸摸屏、PLC、主命令控制按鈕、伺服控制器、安全限位開關(guān)，用于操控整臺試驗機的正常指令運行；
所述的緩沖裝置，采用液壓緩沖油缸，安裝在主機框架結(jié)構(gòu)的底板上，在錨桿受沖擊后產(chǎn)生破斷的情況下，吸收錘體組件沖擊能量，防止錘體組件直接沖擊主機框架結(jié)構(gòu)的底板；
所述的防護裝置，包含聲光報警系統(tǒng)、維護用安全爬梯、下安全防護罩、上安全防護網(wǎng)、安全門，用于保護設(shè)備操作員的人身安全，維持整機的運行安全；
所述的沖擊荷載測量系統(tǒng)，包括壓力傳感器、導(dǎo)線、數(shù)據(jù)采集器，壓力傳感器安裝在錘頭和錘頭座之間，用于實時測量實驗過程中試件受到的沖擊荷載；
所述的位置測量系統(tǒng)，包括非接觸位置傳感器、導(dǎo)線、數(shù)據(jù)采集器，非接觸位置傳感器用于實時測量實驗過程中錘體組件的位置，進而計算得到其速度和加速度。
[0008]本發(fā)明的試驗方法是:
O首先將圍巖模擬裝置的上側(cè)鋼管和下側(cè)鋼管對接，安裝掛鉤和沖擊盤；然后在上側(cè)鋼管和下側(cè)鋼管填充混凝土用于模擬圍巖，待混凝土凝固后在其中心鉆孔；然后通過砂漿或樹脂錨固劑將錨桿的桿體固定在鉆孔中；最后安裝托盤和螺母；
2)設(shè)置錘體組件的重量并固定好配重砝碼，通過提錘裝置和動力組件將其提升到一定高度，通過送樣裝置將圍巖模擬裝置托起，將其掛鉤固定在試樣升降組件的試樣夾具上，進而調(diào)節(jié)試樣至實驗設(shè)計高度；
3)通過提錘裝置釋放錘體組件，錘體組件自由落體沖擊圍巖模擬裝置下側(cè)鋼管上的沖擊盤，由于錨桿的下端與下側(cè)鋼管通過錨固劑粘結(jié)，同時還有托盤和螺母的阻擋，沖擊荷載通過下側(cè)鋼管傳遞到錨桿試件，從而給錨桿試件施加沖擊荷載；
4)在上述實驗過程中，通過沖擊荷載測量系統(tǒng)實時測量實驗過程中試件受到的沖擊荷載；通過位置測量系統(tǒng)實時測量錘體組件的位置，進而計算得到錘體的速度和加速度數(shù)據(jù)；實驗完成后，提起錘體組件，卸下圍巖模擬裝置，記錄分析試件的破壞情況。
[0009]本發(fā)明的原理是:
本發(fā)明的圍巖模擬裝置可以模擬工程現(xiàn)場發(fā)生巖爆時圍巖產(chǎn)生的板裂化現(xiàn)象，通過錘體組件施加沖擊荷載可以模擬圍巖突然向外爆出的現(xiàn)象，通過圍巖模擬裝置上側(cè)鋼管和下側(cè)鋼管的分離使錨桿產(chǎn)生類似于現(xiàn)場的應(yīng)力和應(yīng)變集中現(xiàn)象。本測試系統(tǒng)能夠真實的反映圍巖和錨桿在沖擊荷載作用下的相互作用過程，從而測量錨桿實際的抗沖擊性能，真實反映錨桿對具有巖爆傾向圍巖的加固作用。
【附圖說明】
[0010]圖1為巖爆原理不意圖；
圖2為巖爆發(fā)生時錨桿變形分析圖；
圖3為本發(fā)明考慮支護-圍巖相互作用的錨桿抗沖擊測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖例:主機框架結(jié)構(gòu)的底板101、頂板102、支撐立柱103、導(dǎo)向光桿104 ;圍巖模擬裝置的上側(cè)鋼管201、下側(cè)鋼管202、沖擊盤203 ;錨桿試件的桿體301、托盤302 ;試樣升降組件的動力組件一 401、螺紋桿402、試樣夾具；錘體組件5 ;提錘裝置的動力組件二 601、電磁鐵牽引機構(gòu)602 ;緩沖裝置7 ;圍巖模擬裝置的掛鉤和試樣升降組件的試樣夾具的組合表示為88。
【具體實施方式】
[0012]結(jié)合附圖3，一種考慮支護-圍巖相互作用的錨桿抗沖擊測試系統(tǒng)，其特征在于，包括主機框架結(jié)構(gòu)、圍巖模擬裝置、錨桿試件、送樣裝置、試樣升降組件、錘體組件5、提錘裝置、電氣控制系統(tǒng)、緩沖裝置、防護裝置、沖擊荷載測量系統(tǒng)和位置測量系統(tǒng)；
所述的主機框架結(jié)構(gòu)，包括底板101、頂板102、支撐立柱103、導(dǎo)向光桿104和橫梁，支撐立柱共四根，相鄰支撐立柱之間通過橫梁連接以提高主機框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)向光桿共有兩根，任意一根的上、下兩端分別與頂板和底板相連；
所述的圍巖模擬裝置，包括上側(cè)鋼管201、下側(cè)鋼管202、掛鉤和沖擊盤；上側(cè)鋼管和下側(cè)鋼管通過凸臺相連，既能防止兩者軸心偏斜，又能使兩者受到拉力時可以方便的脫離，掛鉤的下端通過螺紋與上側(cè)鋼管連接，掛鉤的上端可以掛在試樣夾具上；沖擊盤固定在下側(cè)鋼管的外側(cè)，用于承受錘體組件的沖擊，并將沖擊力傳遞給下側(cè)鋼管；
所述的