一种深部软岩锚固界面拉拔实验装置及实验方法与流程

本发明属于抗拔试验的技术领域，尤其涉及一种深部软岩锚固界面拉拔实验装置及实验方法。

背景技术：

随着煤矿逐渐进入深部开采，深部软岩巷道围岩的破裂碎胀大变形机制分析、变形预测及其控制问题越来越突出。深部巷道围岩的大变形可分为物化膨胀类、应力扩容类和结构变形类，其中应力扩容类围岩变形又可分别纯剪切破坏、弯曲破坏和张拉-剪切滑移破坏，且具有明显的流变性。深部软岩巷道围岩稳定性控制之所以难以解决，一方面是高地应力和软岩双重恶劣条件作用下，围岩的碎胀变形破坏演化机制不够明确。深部岩体与浅部岩体主要区别在于岩体所处应力环境的差别，应力环境的不同导致岩体物理力学特性不同，进而导致岩体强度和变形性质的明显差异。

由于存在着高赋存地应力和围岩体低强度之间的突出矛盾，深部巷道开挖后造成的应力集中和应力重分布将导致很大范围内的岩体破坏失稳(进入峰后破裂状态)，巷道围岩也会因流变损伤和破裂失稳而产生强烈的碎胀大变形。另一方面是现有的支护形式及支护理论有限，尤其是锚固机制的研究和设计理论仍落后于工程实践。深部软岩锚固工程中，锚杆贯穿岩体后形成整体性较强的锚固体，然而锚杆与软岩两种材料物理力学性质差异较大，导致二者接触面上变形不一致，表现出明显的非协调变形特性，因此，锚固界面力学机制及界面模型的研究尤为重要。

深入研究深部软岩碎胀大变形时效特性，揭示深部软岩巷道围岩碎胀大变形演化机理及锚固界面失效机制，寻求解决深部软岩碎胀大变形失稳问题的实用理论是深部软岩工程中亟需开展的基础性工作。

技术实现要素：

基于上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种深部软岩锚固界面拉拔实验装置及实验方法，操作容易、方便、整体连接稳固，受力均匀，安全可靠，操作人员可以控制实验进程，并准确的对研究试件循环加卸载和控制约束应力，保证测量结果的准确，有利于提高现场工作效率和节约成本。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种深部软岩锚固界面拉拔实验装置，包括试件夹具，由两个半圆弧形夹具体组成并固定在承载架内，用于将软岩试件固定于试件夹具的内部空腔内；第一锚杆拉拔仪，布置在所述试件夹具的两侧，用于对软岩试件进行夹紧以施加边界约束压力；锚杆，沿所述软岩试件的中心轴线方向插入软岩试件的中心圆孔内，并与在中心圆孔内浇筑的环氧树脂砂浆体凝固在一起；第二锚杆拉拔仪，安装在所述承载架的顶部并与所述锚杆伸出承载架的上部连接，用于对锚杆施加向上的拉拔力，直至锚杆及环氧树脂砂浆体被拉出；监测组件，布置在软岩试件的内部及外壁，用于监测不同边界约束压力条件下的软岩试件的抗拉拔力及变形特性。

可选的，所述半圆弧形夹具体包括固定外壁、沿固定外壁的两边缘径向延伸的固定脚、连接在所述固定外壁和固定脚之间的弧形加强端，所述固定脚上等距布置有两个加压锚固孔；固定夹具螺栓穿过所述加压锚固孔与所述第一锚杆拉拔仪连接。

进一步的，所述承载架和第二锚杆拉拔仪之间还设有锚杆托盘，所述锚杆托盘由预制在一起的上层承压片、中层承压片、下层承压片组成，三者的中心位置预留有供所述锚杆穿过的通孔；所述上层承压片和下层承压片呈圆环状，所述中层承压片连接在两者之间并呈圆锥状；所述上层承压片的直径小于所述下层承压片的直径，且所述上层承压片与所述第二锚杆拉拔仪相接触，所述下层承压片与所述承载架相接触。

可选的，所述监测组件包括：压力传感器，粘贴在软岩试件的外侧并相对于试件夹具的内侧设置，用于所述第一锚杆拉拔仪对试件夹具紧固后，监测软岩试件的边界约束压力；应变片，安装在软岩试件的内部，用于监测软岩试件的应变变化规律；所述压力传感器和应变片采集的数据通过数据采集线传输到控制中心。

可选的，所述应变片分为a组应变片和b组应变片，每组2个应变片并竖向布置；a组、b组应变片布置在软岩试件的中心圆孔内侧；a组应变片与软岩通过环氧树脂胶稳固粘结在一起，监测软岩的应变变化规律，a组应变片的另一面涂抹润滑剂，用于防止环氧树脂砂浆体与a组应变片粘结；b组应变片与软岩内壁通过普通双面胶条暂时粘结固定，b组应变片与软岩不发生共同变形，当中心圆孔内灌浆后，环氧树脂砂浆体与b组应变片粘结。

进一步的，述承载架包括彼此平行设置的上部承载板和下部承载板，两个承载板之间通过承载板固定螺栓连接固定；所述试件夹具固定在两个承载板之间。

本发明还提供一种上述的深部软岩锚固界面拉拔实验装置的实验方法，包括以下步骤：

s10：首先制作软岩试件，从深部软岩工程现场采集试样并加工圆盘形软岩试件，然后采用钻机在软岩试件的圆心处钻出中心圆孔；

s20：在每个软岩试件的中心圆孔内粘贴应变片，其中a组应变片与软岩通过环氧树脂胶稳固粘结在一起，监测软岩的应变变化规律；b组应变片与软岩内壁通过普通双面胶条暂时粘结固定，b组应变片与软岩不发生共同变形，当软岩试件的中心圆孔内灌环氧树脂砂浆体后，浆体将与b组应变片粘结，采用环氧树脂砂浆体浇筑在软岩试件的中心圆孔内，然后将锚杆安插在浆体的中间位置，待浆体凝固后，将锚杆-软岩试件脱模；

s30：在试样外侧粘贴压力传感器，将锚杆-软岩试件放入试件夹具内，对试件夹具两端进行螺栓紧固，并在螺栓另一端安装第一锚杆拉拔仪，将试件夹具及锚杆-软岩试件放在上下承载板间，上下承载板两端用螺栓紧固；

s40：在锚杆的顶端安装第二锚杆拉拔仪，通过对第一锚杆拉拔仪施加拉拔荷载，实现对软岩试件内部施加边界压力，先将试件夹具逐渐紧固，并观测压力传感器，当压力达到设定的第一级边界压力后持荷不变，然后启动第二锚杆拉拔仪，缓慢升高拉拔力，并监测变形传感器的变化，直至锚杆被拉出，实验结束；

s50：初步设计3个压力等级，分别对软岩试件内部施加边界压力至第二级和第三级，监测不同边界压力条件下的软岩试件的抗拉拔力及变形特性；

s60：进行多组拉拔实验，将锚固段长度设置成200mm，400mm和600mm；依次进行不同锚固长度及不同约束压力的锚杆-软岩-软岩界面拉拔实验。

另外，根据上述实验获得的不同锚固体及不同边界压力条件下的锚固力，制定锚杆-软岩界面循环加卸载拉拔实验方案，初步制定循环加载5级，每一级持荷12小时；

首先进行锚固段200mm试件循环加卸载拉拔实验，压力传感器的埋设与上述流程相同，首先对锚固体加载第一级拉力，然后持荷12小时，前2个小时，每半小时对锚固力损失进行补偿，然后进行卸荷并静止4小时，观测结构面黏塑性剪切应变的变化规律，然后继续加载第二级拉力，同样进行锚固力损失进行补偿，以此类推，直至加载至第5级拉力荷载，观测锚固界面的剪应力应变的变化规律，观察锚固界面破损特征；

依次进行不同锚固长度及不同约束压力的锚杆-软岩-软岩界面开展拉拔实验，测定不同区域浆体界面及软岩界面剪应变随时间变化的曲线，观察浆体-软岩界面的宏细观破裂特征。

由上，本发明的深部软岩锚固界面拉拔实验装置及实验方法操作容易、方便、整体连接稳固，受力均匀，安全可靠，操作人员可以控制实验进程，并准确的对研究试件循环加卸载和控制约束应力，也保证测量结果的准确，有利于提高现场工作效率和节约成本。针对深部软岩锚固体失效工程背景，从锚杆-软岩-软岩非协调变形特性研究方向开展实验研究，采用自主研制的软岩锚固体拉拔实验系统研究软岩锚固界面失效演化规律及破裂特征；从软岩的碎胀变形时效特性方向开展科研攻关，采用前沿的连续-非连续单元方法推演深部软岩碎胀大变形演化过程；最后采用连续-非连续单元方法构建典型深部软岩巷道数值模型，分析深部软岩巷道围岩碎胀大变形群锚作用机理及失效演化规律。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明优选实施例的深部软岩锚固界面拉拔实验装置的结构示意图；

图2为图1的正面分解图；

图3为本发明的第二锚杆拉拔仪、锚杆托盘和锚杆的连接示意图；

图4为本发明的锚杆托盘的结构示意图；

图5为本发明的压力传感器布置在软岩试件上的示意图；

图6为本发明的应变片布置在软岩试件上的示意图；

图7为本发明的试件夹具的结构示意图；

图8为本发明的第二锚杆拉拔仪的布置示意图；

图9为锚固段长度设置成200mm的拉拔实验图；

图10为锚固段长度设置成400mm的拉拔实验图；

图11为锚固段长度设置成600mm的拉拔实验图；

图12为图11的正视图。

图中，1-第二锚杆拉拔仪(hc-50型锚杆拉拔仪)；2-承载板固定螺栓；3-上部承载板；4-锚杆托盘；5-试件夹具；6-螺纹钢锚杆；7-软岩试件；8-第一锚杆拉拔仪(hc-10型锚杆拉拔仪)；9-固定夹具螺栓；10-下部承载板；11-压力传感器；12-应变片；13-数据采集线；4-1-上层承压片；4-2-中层承压片；4-3-下层承压片；5-1-固定外壁；5-2-固定脚；5-3-加强端；5-4-加压锚固孔；12-1-a组应变片；12-2-b组应变片。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

如图1至图12所示，本发明的深部软岩锚固界面拉拔实验装置主要包括hc-50型锚杆拉拔仪(第二锚杆拉拔仪)1、承载板固定螺栓2、上部承载板3、锚杆托盘4、试件夹具5、螺纹钢锚杆6、软岩试件7、hc-10型锚杆拉拔仪(第一锚杆拉拔仪)8、固定夹具螺栓9、下部承载板10、粘贴压力传感器11、应变片12、数据采集线13，该实验装置的上侧拉拔动力来源于hc-50型锚杆拉拔仪1，hc-50型锚杆拉拔仪1的下侧布置锚杆托盘4，螺纹钢锚杆6的上连接部贯穿锚杆托盘4与hc-50型锚杆拉拔仪1连接，锚杆托盘4的下侧布置在上部承载板3上，上部承载板3的周边(四个角部)布置四个承载板固定螺栓2，承载板固定螺栓2的上连接部与上部承载板固定3，承载板固定螺栓2的下连接部与下部承载板10固定。上下部承载板之间固定试件夹具5，试件夹具5内部放置软岩试件7，软岩试件7为空心圆柱体试件，软岩试件7的中心圆孔的内壁布置内应变片12。螺纹钢锚杆6的杆身穿过上部承载板3的中心位置预留的通孔插入软岩试件7的内部并浇筑环氧树脂砂浆体。

软岩试件7的外壁粘贴有压力传感器11，并固定在试件夹具5的内侧，在试件夹具5的两侧安装有hc-10型锚杆拉拔仪8，通过拉拔固定夹具螺栓9对软岩试件7施加边界约束压力，试验约束压力初步定为3级，当压力稳定后，对应变片的读数清零；然后启动hc-50型锚杆拉拔仪1，缓慢升高拉拔力，并监测各应变片的数据变化，以及锚固力的变化，直至锚杆及浆体被拉出。压力传感器11和应变片12采集的数据通过数据采集线13传输到控制中心。

如图4所示，本发明的锚杆托盘4由上层承压片4-1、中层承压片4-2、下层承压片4-3三部分组成，三者预制一起，三者的中心位置预留锚杆通孔，锚杆通孔的尺寸与螺纹钢锚杆6的外径相匹配。其中，上层承压片4-1和下层承压片4-3呈圆环状，所述中层承压片4-2连接在两者之间并呈圆锥状，上层承压片4-1的直径小于所述下层承压片4-3的直径，且上层承压片4-1与hc-50型锚杆拉拔仪1相接触，所述下层承压片4-3与上部承载板3相接触。

如图6所示，应变片12分为a组应变片12-1和b组应变片12-2，每组2个应变片并竖向布置，a组、b组应变片布置在软岩试件7的中心圆孔内侧，其中a组应变片12-1与软岩通过环氧树脂胶稳固粘结在一起，监测软岩的应变变化规律，a组应变片12-1的另一面涂抹润滑剂，防止后续的环氧树脂浆体与a组应变片12-1粘结。b组应变片12-2与软岩内壁通过普通双面胶条暂时粘结固定，b组应变片12-2与软岩不发生共同变形，当孔内灌浆后，浆体将与b组应变片12-2粘结。

如图7所示，本发明的试件夹具5的半圆弧形夹具体由固定外壁5-1、固定脚5-2、加强端5-3组成，固定外壁5-1两侧布置两个固定脚5-2，固定脚5-2上等距布置2个加压锚固孔5-4，固定外壁5-1与固定脚5-2增设弧形加强端5-3加强连接。固定夹具螺栓9穿过加压锚固孔5-4，其中固定外壁5-1厚度t为20mm，固定脚5-2高度h为200mm，长度n为100mm，两块固定外壁5-1围成的空腔内径r为220mm，两块贴合的固定脚5-2之间预留一个宽度z＝5mm的压缩缝。

另外，本发明的hc-10型锚杆拉拔仪主要参数有：油泵中心孔直径27mm，油泵行程60mm，测量范围：0-100kn，重量为7.5kg；hc-50型锚杆拉拔仪主要参数有：油泵中心孔直径60mm，油泵行程120mm，测量范围：0-500kn，重量为29kg；两款仪器均由北京海创高科技有限公司生产。本发明的螺纹钢锚杆6采用直径为φ＝18螺纹钢锚杆。

软岩试件7为从深部软岩工程现场采集试样并加工成直径φ220mm、厚度l＝100mm的圆盘形试样，然后采用钻机在圆心处钻出r＝22mm的通孔。

如图9-12所示，采用上述实验装置做锚杆-软岩拉拔软岩实验的实验操作流程为：锚固段长度为100mm实验操作：①首先制作软岩试件7，从深部软岩工程现场采集试样并加工成直径φ220mm、厚度l＝100mm的圆盘形试样，然后采用钻机在圆心处钻出r＝22mm的中心圆孔。

②然后软岩试件7放入试件夹具5内固定，并在每个试件的中心圆孔内粘贴应变片12，其中a组应变片12-1与软岩通过环氧树脂胶稳固粘结在一起，监测软岩的应变变化规律，a组应变片12-1的另一面涂抹润滑剂，防止后续的环氧树脂浆体与a组应变片12-1粘结。再将b组应变片12-2与软岩内壁通过普通双面胶条暂时粘结固定，防止b组应变片12-2与软岩共同变形，当孔内灌浆后，浆体将与b组应变片12-2粘结，采用环氧树脂砂浆体浇筑在软岩试件7内，然后将长度为400mm的φ18的螺纹钢锚杆6安插在浆体的中间位置，待浆体凝固后，将锚杆-软岩试件脱模，然后在试样外侧粘贴压力传感器11。将锚杆-软岩放入试件夹具5内，对试件夹具5两端进行螺栓紧固，并在螺栓另一端安装hc-10型锚杆拉拔仪8，将夹具及锚杆-软岩试件放在上下承载板间，上下承载板两端用螺栓紧固。

③在锚杆一端安装hc-50型锚杆拉拔仪1，通过对hc-10型锚杆拉拔仪8施加拉拔荷载，实现对软岩试件7内部施加边界压力，实验初步设计3个压力等级。首先将试件夹具5逐渐紧固，并观测压力传感器，当压力达到设定的第一级边界压力后持荷不变，然后启动hc-50型锚杆拉拔仪1，缓慢升高拉拔力，并监测变形传感器的变化，直至锚杆6被拉出，实验结束。分别对软岩试件7内部施加边界压力至第二级和第三级，监测不同边界压力条件下的软岩试件7的抗拉拔力及变形特性。

④进行多组拉拔实验，将锚固段长度设置成200mm，400mm和600mm；依次进行不同锚固长度及不同约束压力的锚杆-软岩-软岩界面拉拔实验。首先将钻取好的直径φ220mm的岩样加工成厚度l＝100mm的圆盘形试样并在圆心处钻出直径r＝22mm的中心圆孔，将2件软岩圆盘试样放入试件夹具5中固定叠加成锚固段为200mm组合试件，以此类推制成400mm和600mm组合试件；其余操作与上述相同；

根据上述实验获得的不同锚固体及不同边界压力条件下的锚固力，制定锚杆-软岩界面循环加卸载拉拔实验方案，初步制定循环加载5级，每一级持荷12小时。

①首先进行锚固段200mm试件循环加卸载拉拔实验。传感器的埋设与上述流程相同，首先对锚固体加载第一级拉力，然后持荷12小时，前2个小时，每半小时对锚固力损失进行补偿，然后进行卸荷并静止4小时，观测结构面黏塑性剪切应变的变化规律，然后继续加载第二级拉力，同样进行锚固力损失进行补偿，以此类推，直至加载至第5级拉力荷载，观测锚固界面的剪应力应变的变化规律，观察锚固界面破损特征。

②依次进行不同锚固长度及不同约束压力的锚杆-软岩-软岩界面开展拉拔实验，测定不同区域浆体界面及软岩界面剪应变随时间变化的曲线，观察浆体-软岩界面的宏细观破裂特征。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。