一种适用于锚固循环拉伸、动载拉伸测试的实验装置的制作方法

本发明涉及一种适用于锚固循环拉伸、动载拉伸测试的实验装置，属于力学分析及测试技术领域。

背景技术：

锚杆支护系统在岩土、边坡、煤矿支护、水利工程等领域有着广泛的应用。在锚杆支护质量和锚杆性能评价方面，有着各类的技术规程和检测方案，比如锚杆静力拉拔试验、锚固质量无损检测方案、抗剪切试验、工程现场拉拔测试等等。

其中在实验室内开展较多的为锚固拉拔试验，此类实验多用混凝土或者钢管模拟工程岩体。当所采用的介质为混凝土时，锚杆在钻机带动下旋入混凝土试块中或者插入预先设置的钻孔中，而后二者之间的空隙被锚固剂所填满，锚杆杆体和钻孔胶结形成锚固测试系统。当所采用的介质为钢管时，锚杆在钻机带动下旋入钢管中，二者随后被钢管内部预置的锚固剂胶结形成锚固系统，或者采用后灌浆手段将二者黏结为整体锚固系统。

在上述提及的室内锚固系统测试方案中，所制备成形的锚固系统最后需要开展破坏性测试。在传统的测试方案中，如果采用的介质为混凝土，那么破坏性的拉拔测试可采用锚杆拉拔测试仪，也可以采用大型拉拔(剪切)设备；如果采用的是钢管，那么相关的破坏性拉拔测试可采用电液伺服试验机。对于后者，锚杆-钢管锚固系统被夹持在试验机上，夹持端分别为锚杆端和钢管端。而钢管端的夹持多采用特定方案以去除对内部锚杆的夹持应力，避免造成近锚杆单一拉拔的情形。通过设定特定的加载速度和破坏检测阈值，锚杆最终从钢管中拔出，最后分析破坏形式，拟合拉拔力-位移曲线，得出锚固系统特定的力学性能。这种测试方案可用以优化特定形式的锚固方案，或改进锚杆(锚固材料)的力学性能。

钢管-锚杆组合形式的锚固测试系统在国内外研究机构都有广泛的应用，比如德国埃森研究院、澳大利亚的cirso研究院、中国的煤炭科学研究总院都曾应用这一方案来检测评价锚杆支护系统的性能。然而受制于实验设备的限制，这一方案只能用于静力拉拔测试，对循环(动载)载荷拉拔测试则显得力不从心。在岩土领域，循环(动载)载荷的相关研究较为常见，但是通常开展的研究工作都是针对岩体，比如单轴循环(动载)载荷下岩石试样的滞回环特性、记忆特性、流变特性等，比如霍普金森杆冲击试验。但是这类测试多局限于单轴(三轴)压缩测试，极少涉及到拉伸循环测试。对于支护构件而言，相关的循环(动载)载荷测试就更少了。

对于前文所提及钢管-锚杆支护系统而言，在实验室内开展循环(动载)载荷拉伸测试所面临的技术难题很大。主要原因是：现行的单(三)轴试验机的电液伺服加载系统多为拉伸或压缩测试而设计，在循环(动载)载荷的施加上，可实现不同频率、幅度、循环方式的压缩循环(动载)载荷测试。然而在拉伸方面则存在一定的瓶颈，尽管开展单一拉伸测试的技术已经相对成熟，但是高频循环(动载)拉伸测试却无法达到和高频循环(动载)压缩测试一样的技术水准，多受到一方面或多方面的技术限制。

在岩土领域，循环(动载)扰动频现各类工程现场，比如地铁(铁路)中列车的往复运行、煤矿巷道中炮掘的频繁扰动、工程挖掘中邻近工作面的掘进扰动等等。虽然对岩石(土)的循环动载荷力学特性已经开展了很多的测试分析工作，但是对于支护构件(尤其是锚杆)在循环动载荷下的力学特性分析所做的研究还不够，相关的研究测试分析工作很有必要。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于锚固循环拉伸、动载拉伸测试的实验装置，其能够为实验室室内钢管-锚杆锚固系统的循环或动载载荷拉伸测试提供一定的解决思路。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种适用于锚固循环拉伸、动载拉伸测试的实验装置，其特征是，包括上承压单元和下承压单元；所述上承压单元包括从上而下依次连接的顶部承压盘、第一立杠、底部受载基底；所述第一立杠设置有两个，且对称分布；所述第一立杠用于连接顶部承压盘和底部受载基底；所述上承压单元呈中心对称，对称轴为顶部承压盘中心与底部受载基底中心的连线；所述下承压单元包括从下而上依次连接的底部承压盘、第二立杠、顶部受载基底；所述第二立杠设置有两个，且对称分布；所述第二立杠用于连接底部承压盘和顶部受载基底；所述下承压单元呈中心对称，对称轴为底部承压盘中心与顶部受载基底中心的连线；所述顶部受载基底位于两个第一立杠之间；所述底部受载基底位于两个第二立杠之间；所述顶部受载基底的中心设置有钢管端卡口；所述底部受载基底的中心设置有锚杆端卡口；所述锚杆端卡口的下端设置为倒喇叭口状；所述第一立杠和第二立杠上均竖直设置有观察缝。

前述的一种适用于锚固循环拉伸、动载拉伸测试的实验装置，其特征是，所述锚杆端卡口的倒喇叭口状处匹配有偏心球座；所述偏心球座采用中空半球形。

前述的一种适用于锚固循环拉伸、动载拉伸测试的实验装置，其特征是，所述偏心球座底部设置有对称的两个紧固孔。

前述的一种适用于锚固循环拉伸、动载拉伸测试的实验装置，其特征是，所述第一立杠和第二立杠采用截面均为弧线的柱状体。

前述的一种适用于锚固循环拉伸、动载拉伸测试的实验装置，其特征是，所述弧线对应的圆心角为70-80度。

前述的一种适用于锚固循环拉伸、动载拉伸测试的实验装置，其特征是，所述顶部承压盘的底部中心和底部承压盘的顶部中心设置有圆形槽。

前述的一种适用于锚固循环拉伸、动载拉伸测试的实验装置，其特征是，所述观察缝设置为矩形开口，两条短边设置为半圆形。

前述的一种适用于锚固循环拉伸、动载拉伸测试的实验装置，其特征是，所述钢管端卡口配有丁字形螺母；所述螺母的内径与钢管直径相匹配。

前述的一种适用于锚固循环拉伸、动载拉伸测试的实验装置，其特征是，所述顶部承压盘的底部和底部承压盘的顶部周边设置有沟槽；所述沟槽分别用于对应安放第一立杠和第二立杠。

前述的一种适用于锚固循环拉伸、动载拉伸测试的实验装置，其特征是，所述顶部承压盘的顶部中心开有顶部承压盘槽。

本发明所达到的有益效果：

1)可完全将循环(动载)载荷压缩试验机的压缩载荷转为体现在锚杆系统上的拉伸载荷，而且这一转换方式并不会失去原有压缩循环(动载)载荷的特定参数设定；

2)对原有试验机无负面影响，只要原试验机所具备的循环(动载)性能，都能够转化同样的压缩载荷参数特性为拉伸载荷参数特性，同时该实验装置也可开展静力拉伸试验；

3)对钢管端的固定方式避开了传统的夹持方式，避免了夹持部位锚固系统内部出现的夹持应力，释放了对锚杆拉伸位移所存在的潜在限制效应；

4)通过偏心球座的调整效应，也有效回避了拉伸过程中可能存在的轴线偏心所带来的偏应力情形；

5)通过第一立杠和第二立杠侧面竖直设置的观察缝，可以实时观测锚杆-钢管锚固系统在拉拔过程中的破坏情形和细节，指导修正测试结果；

6)经济成本低、技术效果明显、模组化程度高、测试精确度高，可为锚杆支护系统在循环(动载)载荷下的力学疲劳特性研究和失效过程分析提供相应的解决方案。

附图说明

图1是本实验装置的立体结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是图1的另一角度的侧视图；

图4是图2的截面结构示意图；

图5是图3的截面结构示意图。

图中附图标记的含义：

1-顶部承压盘，2-底部承压盘，3-第一立杠，4-第二立杠，5-底部受载基底，6-顶部受载基底，7-锚杆端卡口，8-钢管端卡口，9-顶部承压盘槽，10、11-观察缝，12、14-圆形槽，13、15-沟槽，16-偏心球座，17-紧固孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本实验装置在结构上，如图1所示，包括上承压单元和下承压单元。

上承压单元包括从上而下依次连接的顶部承压盘1、第一立杠3、底部受载基底5。第一立杠3设置有两个，且对称分布。第一立杠3用于连接顶部承压盘1和底部受载基底5。上承压单元呈中心对称，对称轴为顶部承压盘1中心与底部受载基底5中心的连线。

下承压单元包括从下而上依次连接的底部承压盘2、第二立杠4、顶部受载基底6。第二立杠4设置有两个，且对称分布。第二立杠4用于连接底部承压盘2和顶部受载基底6。下承压单元呈中心对称，对称轴为底部承压盘2中心与顶部受载基底6中心的连线。

两个承压单元在结构上是相互关联的：顶部受载基底6位于两个第一立杠3之间。底部受载基底5位于两个第二立杠4之间。

顶部受载基底6的中心设置有钢管端卡口8。底部受载基底5的中心设置有锚杆端卡口7。锚杆端卡口7的下端设置为倒喇叭口状。

本实施例中，在上承压单元中，其中顶部承压盘1的直径为180～220mm，厚度为40mm。底部中心开有一圆形槽14，直径和深度分别为90mm和20mm。底部周边开有沟槽15，沟槽宽度和深度分别为25mm和10mm。顶部承压盘1顶部开有顶部承压盘槽9，宽度为45～55mm，深度为4mm。第一立杠3的高度为220～270mm，厚度为25mm，所对应圆心角为76°。底部受载基底5的厚度为40mm，中心加工有一内径为25mm的锚杆端卡口7，卡口周围40mm范围内做加高处理，高度10mm；卡口下端25mm的范围内为倒喇叭口状开口，该开口可匹配偏心球座16。偏心球座16为中空半球形，开孔尺寸为17～23mm，球座16底部直径为80mm；偏心球座16底部开有对称的两个紧固孔17，直径和深度分别为5mm和3mm。上承压单元观察缝10为矩形开孔，短边半圆形开孔，观察缝10下端距离底部受载基底5的距离为10mm，观察缝10的纵向长度为120mm，宽度为15mm。紧固孔17用于配合两爪扳手，可利用偏心球座16底部的紧固孔17将偏心球座16紧固在锚杆端上。

在下承压单元中，其中底部承压盘2的直径为180～220mm，厚度为40mm，顶部中心开有一圆形槽12，其直径和深度分别为90mm和20mm；顶部周边开有沟槽13，沟槽宽度和深度分别为25mm和10mm。下承压单元第二立杠4的高度为220～270mm，厚度为25mm，所对应圆心角为76°。顶部受载基底6的厚度为40mm，中心贯穿开有一钢管端卡口8，卡口上部的孔直径为80mm，深度为5mm，下部的孔直径为60mm，深度为35mm。钢管端卡口8配套有丁字形螺母，螺母能够和卡口吻合，螺母内径根据钢管直径不同而有不同规格。观察缝11为矩形开孔，短边半圆形开孔，观察缝11上端距离顶部受载基底6的距离为10mm，观察缝11的纵向长度为120mm，宽度为15mm。

在该实验装置的上下承压单元为单独加工，通过顶部承压盘1和底部承压盘2的沟槽13和15可实现该装置的模组化，实现手工装配。

在上下承压单元之间，有足够的空间补偿锚固系统拉伸行程中杆体的伸出，能够适应常规尺寸的锚固系统拉伸测试。

为了扩大补偿空间，避免锚杆单元变形过大撞击顶部承压盘1的底部或者底部承压盘2的顶部，在顶部承压盘1的底部和底部承压盘2的顶部分别加工了一定深度的圆形槽14和12以扩大轴向变形空间。

通过与钢管端卡口8内径相匹配的丁字形螺母，并在钢管外壁加工细牙螺纹，通过不同开孔内径的丁字形螺母，可以匹配不同直径的钢管。这种钢管固定方式，去除了传统拉伸试验中试验机夹头对钢管外壁的夹持力，从而不会对内部锚固剂造成压应力，也不会限制锚杆的拉伸位移。

通过上承压单元和下承压单元中设置的观察缝，可以实时观测锚杆-钢管锚固系统的拉拔过程中的破坏情形和破坏细节，指导修正测试结果。通过锚杆端卡口7的偏心球座16可以调整适应锚杆轴线和钢管端卡口8轴线的重合误差，从而去除在拉拔过程中可能出现的偏心应力。

本实验装置在操作时，按照如下步骤：

1.测试之前，将制备成形的锚固系统的钢管端加工上细牙螺纹，然后在钢管上旋上丁字形螺母，螺母有不同的规格，其外径统一为和钢管端卡口8吻合，内径大小可根据钢管直径而具体确定。

2.同时在锚固系统的锚杆端加工细牙螺纹用以和偏心球座16连接。在锚固系统的锚杆端旋上偏心球座16，该偏心球座16有不同的规格，但是其外部尺寸能够和锚杆端卡口7下端的倒喇叭口面吻合。不同的规格具有不同的内径，进而适应不同直径的锚杆。配合两爪扳手，可利用偏心球座16底部的紧固孔17将偏心球座16紧固在锚杆端上。

3.将上下承载单元分开，而后将钢管端固定有丁字形螺母，锚杆端固定有偏心球座16的测试单元固定在钢管端卡口8和锚杆端卡口7之间。

4.通过顶部承压盘1和底部承压盘2周围的沟槽13和15，将两个承压盘的立杠3和4卡扣在沟槽中。为了保证在拉伸过程中不出现偏心承载，在测试前通过重锤调整偏心球座16的方位，保证锚杆端卡口7和钢管端卡口8位于同一轴线上。

5.将上述组装成形的实验系统置于试验机的上下压盘之间，而后通过试验机调整上下压盘和实验系统顶部承压盘1和底部承压盘2的距离，使其相互接触。而后根据实验需要，设定具体的循环载荷参数或者动载载荷参数，最后开展实验，单轴循环(动载)压缩将转换为单轴循环(动载)拉伸。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。