裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置及方法与流程

本发明涉及岩石力学试验技术领域，尤其是一种裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置，以及利用该装置进行裂隙岩体离层模拟试验的方法。

背景技术：

锚杆锚固技术由于工艺简单和经济实用，被广泛的应用于深部巷道及大跨度地下洞室支护、水坝的坝基和坝肩加固、岩土边坡加固、深基坑支挡工程以及输水和交通隧洞等领域。在矿产开采方面，顶板离层是指巷道顶板岩层中一点与其上方一定深度内岩层中某点的相对位移量。随着地下资源开采深度增加，地温升高，巷道开挖后，由于通风在距巷道表面一定深度的围岩内产生较大的温度梯度和附加应力，容易使围岩产生离层，这也将对围岩稳定带来不利影响。顶板离层是地应力、围岩力学性质、围岩体结构、锚杆加固参数、巷道断面等诸因素综合作用的外在表现，顶板离层值，因此顶板离层值是一个能预测巷道稳定性的综合指标。

目前对顶板离层的研究大多是基于现场的数据监测，包括两种形式：一种为顶板离层指示仪监测，它是顶板离层监测的常规仪器，用以监测锚固范围内及锚固范围外的离层情况，能随时警示顶板的变形情况并及早发现顶板失稳预兆；另一种为深基点位移计监测，它能反映不同深度围岩的移动变形情况，尤其适用锚固工程的稳定性研究。但是顶板离层数据现场的监测存在监测困难，精确度不高，数据提取分析复杂，不利于顶板离层的定量分析和理论研究。

大量锚杆支护是岩土工程中重要的加固手段，试验和工程研究表明，锚杆能够有效的加固围岩，高性能锚杆支护可以转移岩土体的载荷分布，使支护范围内的应力均匀分布，抑制软弱夹层导致的拉伸破坏，改善岩土体的承载结构。锚杆支护可以形成组合梁结构，有效补强围岩，减少跨度作用，维护围岩结构，增强围岩承载能力，在控制巷道顶板离层方面有着重要作用。目前，对顶板离层的研究大多是基于现场的数据监测，缺乏精准可靠的室内试验研究数据。现场监测主要包括两种形式：一种为顶板离层指示仪监测，它是顶板离层监测的常规仪器，用以监测锚固范围内及锚固范围外的离层情况，能随时警示顶板的变形情况并及早发现顶板失稳预兆；另一种为深基点位移计监测，它能反映不同深度围岩的移动变形情况，尤其适用锚固工程的稳定性研究。但是顶板离层数据现场的监测存在监测困难，精确度不高，数据提取分析复杂，不利于顶板离层的定量分析和理论研究。基于现有现场监测和室内试验研究的局限性，岩体离层作用下锚杆受力理论研究，仍没有合理地考虑锚固界面剪切作用的非线性特性，以致其仅能很好地刻画锚杆弹性黏结阶段的受力特性，仍不能有效反映其塑性变形至滑移破坏阶段的受力特征。

针对锚杆对岩体离层的控制作用，例如在锚杆锚固技术由于工艺简单和经济实用，被广泛的应用于深部巷道及大跨度地下洞室支护、水坝的坝基和坝肩加固、岩土边坡加固、深基坑支挡工程以及输水和交通隧洞等领域。

巷道内采用锚杆支护时，如何选取锚固基点进而强化煤巷顶板已有的锚固区，形成可靠的承载结构，形成向上的扭矩消除复合顶板锚固层的整体离层破坏，需要对锚杆的锚固岩体离层破坏形式及破坏机理做进一步的研究，从而得到使用高性能预应力锚杆、顶板小孔径预紧力锚索等实现离层破碎型顶板的安全控制的理论依据。但是锚杆锚固技术的理论研究也受限于现有的研究方法及试验设备，锚杆支护围岩的加固机理尚未实现定量分析，尤其是针对锚固岩体的离层破坏的模拟尚未合理实现。需要对现有的室内锚杆锚固模拟试验装置做进一步的改进，从而可以更好的还原锚杆锚固岩体的离层实际情况，研究离层机理及特征、以及锚杆的支护机理及支护能力方法。

技术实现要素：

为了在模拟地应力条件下进行岩石试件的锚杆设置试验，有效的模拟巷道围岩离层，以及锚杆锚固围岩的离层破坏特征，本发明提供了一种裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置及方法，具体技术方案如下：

裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置，包括基座、第一端架、第二端架、加载框架、离层加载框架、加载油缸、轴向加载油缸、离层千斤顶和承压板，第一端架和第二端架之间设置有加载框架和离层加载框架，离层加载框架的底部与基座通槽上的滑槽卡合，加载框架和离层加载框架在第一方向和第二方向上分别设置有相对布置的加载油缸，第一端架上沿第三方向设置有轴向加载油缸，加载油缸和轴向加载油缸的加载端与承压板相连，离层加载框架和加载框架之间设置有离层千斤顶，岩石试件放置在所述承压板围成的加载空间内。

优选的是，加载油缸和承压板之间设置有应力传感器；轴向加载油缸和承压板之间设置有应力传感器；加载油缸和轴向加载油缸上设置有位移传感器。

还优选的是，基座的上表面在中部设置有通槽，通槽的边上设置有一段滑槽；通槽的深度大于加载油缸安装后的外露长度；第一端架、第二端架、加载框架和离层加载框架之间通过支柱连接，支柱的两端与第一端架和第二端架连接固定，支柱从加载框架和离层加载框架的四角位置穿过。

还优选的是，第一端架的中部沿第三方向设置轴向加载油缸对所述岩石试件进行加载，第一端架固定在基座上；第二端架与相邻的离层加载框架之间留设有间隙，第二端架的中心留有岩石试件的通过空间。

还优选的是，离层加载框架设置有1个或多于1个，离层加载框架靠近第二端架设置；离层加载框架和支柱之间通过滑动轴承相连，支柱和离层加载框架之间涂有润滑油。

进一步优选的是，离层加载框架和相邻的加载框架之间的四角位置设置有同步加载的离层千斤顶，离层千斤顶推动离层加载框架沿滑槽移动。

进一步优选的是，加载框架有1个以上设置在靠近第一端架一侧，每个加载框架的加载宽度相等或相差30～150mm，每个加载框架上设置的加载油缸独立对岩石试件加载，离层加载框架和加载框架之间的最大间距小于离层千斤顶的最大长度。

一种裂隙岩体离层模拟试验方法，利用上述的一种裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置，其步骤包括：

步骤A1.制作相似材料的模拟试件，或取现场岩石制作模拟试件，将模拟试件表面打磨平整，模拟试件尺寸与承压板围成的空间尺寸匹配，从第二端架处将试件放入承压板围成的加载空间内，调整设计离层位置与离层加载框架和加载框架之间的缝隙对齐；

步骤B1.加载油缸和轴向加载油缸同时向模拟试件加载，模拟实际巷道地应力；

步骤C1.离层千斤顶缓慢加载，记录加载过程中试件的应力、位移和损伤情况。

一种裂隙岩体离层锚固控制模拟试验方法，利用权利上述的一种裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置，步骤包括：

步骤A2.制作相似材料的模拟试件，或取现场岩石制作模拟试件，将模拟试件表面打磨平整，模拟试件尺寸与承压板围成的空间尺寸匹配，从第二端架处将试件放入承压板围成的加载空间；

步骤B2.加载油缸和轴向加载油缸同时向模拟试件加载，模拟实际巷道地应力，通过锚杆钻机从第二端架一侧沿第三方向在模拟试件上打锚杆钻孔，记录钻孔过程中锚杆钻机的扭矩、转速、钻进速度以及模拟试件的受力、变形和损伤情况；

步骤C2.将锚杆和锚固剂同时导入钻孔内，待锚固剂凝固后，通过锚杆托盘和螺母固定锚杆并施加预紧力，完成锚固。

一种裂隙岩体离层锚固控制模拟试验方法，利用上述的一种裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置，步骤包括：

步骤A3.制作相似材料的模拟试件，或取现场岩石制作模拟试件，将模拟试件表面打磨平整，模拟试件尺寸与承压板围成的空间尺寸匹配，从第二端架处将试件放入承压板围成的加载空间；

步骤B3.加载油缸和轴向加载油缸同时向模拟试件加载，模拟实际巷道地应力，通过锚杆钻机从第二端架一侧沿第三方向在模拟试件上打锚杆钻孔；

步骤C3.将锚杆和锚固剂同时导入钻孔内，待锚固剂凝固后，通过锚杆托盘和螺母固定锚杆并施加预紧力，完成锚固，得到锚杆锚固岩石试件；

步骤D3.离层千斤顶缓慢加载，记录加载过程中岩石试件的应力、位移和损伤情况。

本发明的有益效果包括：

(1)本发明提供的裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置，通过第一端架和加载框架上设置的液压油缸，可以实现对岩石试件一面临空五面加载的巷道围岩受力情况模拟，在该实际围岩受力模拟的条件下可以设置锚杆，模拟锚杆设置过程；通过离层加载框架和离层千斤顶的配合实现了对巷道围岩离层的模拟，并且可以对锚固后的岩石试件进行离层模拟，这为锚杆锚固机理，以及锚固围岩离层破坏的理论研究提供试验方法和依据。

(2)该装置的加载框架上通过设置加载油缸可以实现对岩石试件的二维平面加载，并且各个加载油缸分别加载、协同作用可以更好的模拟真实地应力条件；轴向加载油缸可以实现垂直与该二维平面的轴向加载，模拟沿锚杆方向上的围岩受力情况，加载油缸成对的设置可以共同作用校正岩石试件的偏心，也可以让锚杆钻孔在试验中保持在试验机的轴心位置；加载油缸和轴向加载油缸在五个方向上加载，从而实现了试件“五面加载、一面临空”的实际围岩地应力环境模拟。

(3)基座上的通槽方便了加载框架和离层加载框架的安装，离层加载框架和通槽上的滑槽相配合从而方便试验过程中离层加载框架的移动；通过支柱和第一端架更好的固定了加载框架，离层加载框架和支柱之间设置的轴承方便了离层千斤顶的加载，减小了摩擦；设置多个加载框架通过加载油缸分别独立进行加载，并协同作用，并设置加载宽度的差别，从而可以有效模拟复杂的地应力环境；另外在进行离层试验时轴向加载油缸和离层千斤顶同时作用，有效的模拟了岩体的离层破坏。

(4)利用该装置进行模拟试验，包括岩石试件的离层试验方法，可以模拟巷道内围岩的离层情况，定量的分析离层过程中应力和位移特征关系，应用于顶板离层的理论研究；锚杆锚固岩体的试验方法利用了该试验装置更好的模拟了真实的围岩地应力环境的特点，并且通过该装置实现上述试验的方法操作更加简便；锚杆锚固岩体的离层模拟试验方法，在锚杆锚固试验的基础上，进行锚固岩体的离层模拟试验，该试验还可以重复进行，具有操作控制灵活，贴合工程实际等优点，上述室内试验对锚杆锚固性能及顶板离层锚固特性的理论研究具有重要意义。

附图说明

图1是裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置结构示意图；

图2是试验装置的正视图；

图3是试验装置的俯视图；

图4是试验装置沿第三方向的侧视图；

图5是基座结构示意图；

图6是第一端架和支柱安装结构示意图；

图7是第二端架的结构示意图；

图8是加载框架和加载油缸安装结构示意图；

图9是离层加载框架结构示意图；

图10是离层千斤顶结构示意图；

图11是离层试验的加载结构示意图；

图12是岩石试件离层原理示意图；

图中：1-基座；2-第一端架；3-第二端架；4-加载框架；5-离层加载框架；6-加载油缸；7-轴向加载油缸；8-离层千斤顶；9-承压板；10-支柱；11-通槽；12-滑槽；13-岩石试件；14-锚杆；15-滑动轴承。

具体实施方式

结合图1至图12所示，本发明提供的一种裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置及方法具体实施方式如下。

顶板离层是地应力和围岩力学性质等诸因素综合作用的外在表现，顶板离层值是一个能预测巷道稳定性的综合指标。目前对顶板离层的研究大多是基于现场的数据监测，但是现场监测研究存在数据精准度低以及监测干扰多等缺点，顶板离层的室内试验模拟有助于锚杆支护围岩的加固机理研究并实现定量分析，对顶板离层和锚杆锚固的理论研究具有重要意义。

实施例1

裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置，如图1至图4所示，结构包括基座1、第一端架2、第二端架3、加载框架4、离层加载框架5、加载油缸6、轴向加载油缸7、离层千斤顶8和承压板9。通过第一端架2和加载框架4上设置的液压油缸6，可以实现对岩石试件13五面加载一面临空的巷道围岩受力情况模拟，在该实际围岩受力模拟的条件下可以设置锚杆，模拟锚杆14的设置过程，通过离层加载框架5和离层千斤顶8的配合实现了对巷道围岩离层的模拟，并且可以对锚固后的岩石试件进行离层模拟，为锚杆锚固机理以及锚固围岩离层破坏的理论研究提供试验方法和理论依据。

其中第一端架2和第二端架3之间设置有加载框架4和离层加载框架5，离层加载框架5的底部与基座通槽11上的滑槽12卡合，沿该滑槽12移动，滑槽12对离层加载框架5也有限位的作用。加载框架4和离层加载框架5在第一方向和第二方向上分别设置有相对布置的加载油缸6，实现在加载框架4二维平面上的四面加载，第一端架2上沿第三方向设置有轴向加载油缸7，实现沿锚杆14方向的加载。其中第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三方向为Z轴方向。加载油缸6和轴向加载油缸7的加载端与承压板9相连，加载油缸6和轴向加载油缸7分别加载协同作用为试件加载，离层加载框架5和加载框架4之间设置有离层千斤顶8，离层千斤顶8加载带动试件模拟离层，岩石试件13放置在承压板9围成的加载空间内。

如图5所示，基座1的上表面在中部设置有通槽11，通槽11的边上设置有一段滑槽12，滑槽12的长度略大于离层加载框架的加载宽度，该宽度为沿锚杆14设置方向的长度。加载油缸和承压板之间设置有应力传感器，轴向加载油缸和承压板之间设置有应力传感器，加载油缸和轴向加载油缸上设置有位移传感器，位移传感器可以是顶推丝杠监测位移或安装LVDT位移传感器。通槽11的深度大于加载油缸6安装后的外露长度，从而方便安装。第一端架2、第二端架3、加载框架4和离层加载框架5之间通过支柱10连接，如图1和6所示，支柱10的两端与第一端架2和第二端架3连接固定，支柱10从加载框架4和离层加载框架5的四角位置穿过，从而保证装置整体的稳定性。第一端架2的中部沿第三方向设置轴向加载油缸对岩石试件进行加载，第一端架2可以固定在基座1上。第二端架3与相邻的离层加载框架5之间留设有间隙，离层加载框架5的外露端还可以设置挡板来加固试件，第二端架3的中心留有岩石试件13的通过空间，方便试件的安装和试验操作。

如图1、图8和图9所示，离层加载框架5设置有1个或多于1个，其中1个仅能模拟一个离层，多个离层加载框架5可以模拟多个复杂的离层情况，离层加载框架5靠近第二端架设置；离层加载框架5和支柱10之间通过滑动轴承15相连，支柱10和离层加载框架5之间涂有润滑油，从而减小摩擦消除试验误差。如图2和图10所示，离层加载框架5和相邻的加载框架4之间的四角位置设置有同步加载的离层千斤顶8，离层千斤顶8推动离层加载框架5沿滑槽移动，承压板9上设置高精度的位移应力传感器监测加载过程中的位移和应力变化，离层千斤顶8也设置有位移和应力传感器对离层的应力和位移情况进行监测。加载框架4可以有1个以上设置在靠近第一端架2的一侧，每个加载框架4的加载宽度相等或相差30～150mm，每个加载框架4上设置的加载油缸6独立对岩石试件13加载，进而可以模拟更为复杂的地应力环境，离层加载框架5和加载框架4之间的最大间距小于离层千斤顶的最大长度，保证离层的正常加载。

一种裂隙岩体离层试验方法，利用上述的一种裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置，可以模拟实际的地应力条件下巷道围岩受力情况，并模拟巷道围岩的离层，监测并记录巷道围岩离层的应力、位移和岩石损伤情况，其步骤包括：

步骤A1.制作相似材料的模拟试件，相似材料模拟试件是使用矸石、沙子、石膏、石灰、水泥等材料按一定配比制成的相似材料试件；或取现场岩石制作模拟试件，将模拟试件表面打磨平整，模拟试件尺寸与承压板围成的空间尺寸匹配，从第二端架处将试件放入承压板围成的加载空间内，调整设计离层位置与离层加载框架和加载框架之间的缝隙对齐，从而在合理的位置模拟离层。

步骤B1.加载油缸和轴向加载油缸同时向模拟试件加载，根据试验方案确定的地应力条件，模拟实际的巷道地应力。

步骤C1.离层千斤顶缓慢加载，离层加载框架带动岩石试件在设计的离层位置处离层，记录加载过程中试件的应力、位移和损伤情况，通过分析监测数据进一步的研究离层了机理。

实施例2

一种裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置，如图1至图4所示，结构包括基座1、第一端架2、第二端架3、加载框架4、离层加载框架5、加载油缸6、轴向加载油缸7、离层千斤顶8和承压板9。其中第一端架2和第二端架3之间设置有加载框架4和离层加载框架5，离层加载框架5的底部与基座通槽11上的滑槽12卡合，沿该滑槽12移动，滑槽12对离层加载框架5也有限位的作用。加载框架4和离层加载框架5在第一方向和第二方向上分别设置有相对布置的加载油缸6，实现在加载框架4二维平面上的四个面加载，第一端架2上沿第三方向设置有轴向加载油缸7，实现沿锚杆14方向的加载。其中第一方向为X轴方向，第二方向为Y轴方向，第三方向为Z轴方向。加载油缸6和轴向加载油缸7的加载端与承压板9相连，加载油缸6和轴向加载油缸7分别加载，协同作用为试件加载，在每个加载油缸6和轴向加载油缸7上均设置有位移和应力传感器。离层加载框架5和加载框架4之间设置有离层千斤顶8，离层千斤顶8加载带动试件模拟离层，岩石试件13放置在承压板9围成的加载空间内。

基座1的上表面在中部设置有通槽11，通槽11的边上设置有一段滑槽12，滑槽12的长度略大于离层加载框架的加载宽度，该宽度为沿锚杆14设置方向的长度。通槽11的深度大于加载油缸6安装后的外露长度，从而方便安装。第一端架2、第二端架3、加载框架4和离层加载框架5之间通过支柱10连接，第二端架3、加载框架4和离层加载框架5可拆卸的装设在支柱上，支柱10的两端与第一端架2和第二端架3连接固定，支柱10从加载框架4和离层加载框架5的四角位置穿过，从而保证装置整体的稳定性。第一端架2的中部沿第三方向设置轴向加载油缸对岩石试件进行加载，第一端架2可以固定在基座1上。第二端架3与相邻的离层加载框架5之间留设有间隙，离层加载框架5的外露端还可以设置挡板来加固试件，第二端架3的中心留有岩石试件13的通过空间，方便试件的安装和试验操作。

离层加载框架5设置有2个及以上，多个离层加载框架5可以模拟多个复杂的离层情况，尤其是可以模拟多次离层，离层加载框架5靠近第二端架设置；离层加载框架5和支柱10之间通过滑动轴承15相连，支柱10和离层加载框架5之间涂有润滑油，从而减小摩擦消除试验误差。离层加载框架5和相邻的加载框架4之间的四角位置设置有同步加载的离层千斤顶8，离层千斤顶8推动离层加载框架5沿滑槽移动，承压板9上设置高精度的位移应力传感器监测加载过程中的位移和应力变化，离层千斤顶8也设置有位移和应力传感器对离层的应力和位移情况进行监测。加载框架4可以有多个设置在靠近第一端架2的一侧，每个加载框架4的加载宽度相等或相差30～150mm，每个加载框架4上设置的加载油缸6独立对岩石试件13加载，进而可以模拟更为复杂的地应力环境，离层加载框架5和加载框架4之间的最大间距小于离层千斤顶的最大长度，保证离层的正常加载。

一种裂隙岩体离层锚固控制模拟试验方法，在模拟实际地应力条件的情况下，钻设锚杆钻孔并设置锚杆锚固，利用了上述的一种裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置，步骤包括：

步骤A2.制作相似材料的模拟试件，相似材料模拟试件是使用矸石、沙子、石膏、石灰、水泥等材料按一定配比制成的相似材料试件；或取现场岩石制作模拟试件，将模拟试件表面打磨平整，模拟试件尺寸与承压板围成的空间尺寸匹配，从第二端架处将试件放入承压板围成的加载空间。

步骤B2.加载油缸和轴向加载油缸同时向模拟试件加载，模拟实际巷道地应力，通过锚杆钻机从第二端架一侧沿第三方向在模拟试件上打锚杆钻孔，记录钻孔过程中锚杆钻机的扭矩、转速、钻进速度以及模拟试件的受力、变形和损伤情况；

步骤C2.将锚杆和锚固剂同时导入钻孔内，待锚固剂凝固后，通过锚杆托盘和螺母固定锚杆并施加预紧力，完成锚固。

在此基础上，如图11和图12所示，进一步的一种裂隙岩体离层锚固控制模拟试验方法，利用上述的一种裂隙岩体离层锚固控制模拟试验装置，步骤包括：

步骤A3.制作相似材料的模拟试件，相似材料模拟试件是使用矸石、沙子、石膏、石灰、水泥等材料按一定配比制成的相似材料试件；或取现场岩石制作模拟试件，将模拟试件表面打磨平整，模拟试件尺寸与承压板围成的空间尺寸匹配，从第二端架处将试件放入承压板围成的加载空间。

步骤B3.加载油缸和轴向加载油缸同时向模拟试件加载，模拟实际巷道地应力，通过锚杆钻机从第二端架一侧沿第三方向在模拟试件上打锚杆钻孔。

步骤C3.将锚杆和锚固剂同时导入钻孔内，待锚固剂凝固后，通过锚杆托盘和螺母固定锚杆并施加预紧力，完成锚固，得到锚杆锚固岩石试件。

步骤D3.离层千斤顶缓慢加载，记录加载过程中岩石试件的应力、位移和损伤情况。具体的是根据试验方案和试验装置可以进行一侧离层仅通过一组离层千斤顶加载，在一个离层加载框架的带动下使得锚固后的岩石试件发生离层，模拟了巷道锚固后发生离层甚至是离层导致锚杆失效的情况。或者是多次分次离层试验，在试验装置足够大，并设置了多个离层加载框架的基础上，逐个离层加载框架进行加载完成多次离层模拟实际锚杆锚固巷道的顶板发生多次离层的现象。

通过实施例1和实施例2可见，利用该试验装置可以进行多项类型的模拟试验，其中本试验装置的应用试验还有尚未述及的部分，这也反映了该装置整体上具有灵活使用的特点。试验的方法包括了岩石试件的离层试验方法，可以模拟巷道内围岩的离层情况，定量的分析离层过程中应力和位移特征关系，应用于顶板离层的理论研究；锚杆锚固岩体的试验方法利用了该试验装置更好的模拟了真实的围岩地应力环境，并且通过该装置实现上述试验的方法操作更加简便；锚杆锚固岩体的离层模拟试验方法，在锚杆锚固试验的基础上，进行锚固岩体的离层模拟试验，该试验还可以重复进行，具有操作控制灵活，贴合工程实际等优点，上述室内试验对锚杆锚固性能及顶板离层锚固特性的理论研究具有重要意义。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。