一种基于CT扫描系统的锚杆拉拔力试验装置的制作方法

一种基于ct扫描系统的锚杆拉拔力试验装置
技术领域
1.本发明属于锚杆力学性能测试领域，具体涉及一种基于ct扫描系统的锚杆拉拔力试验装置。


背景技术：

2.锚固支护系统自被应用到矿山巷道支护以来，以其快速、高效、占用空间位置少、经济等优点得到工程技术人员的认可，目前已广泛应用于矿山、隧道、水利、边坡等岩土工程中。为了有针对性的选定锚杆规格、锚固材料，对锚杆的锚固性能测试是必不可少的环节；现有技术中，在进行锚杆锚固性能测试时仅重视对锚杆抗拉性能的测试，且仅关注锚杆本身的抗拉性能，而忽略了锚杆的锚固体/粘结剂对锚杆的锚固性能的影响，而实际工程中，锚杆失效的主要原因是锚杆与锚固材料/粘结剂脱离。因此有必要研究一种可综合测试锚杆锚固性能、锚杆拉拔失效过程的试验装置。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术的不足，本发明研究了一种基于ct扫描系统的锚杆拉拔力试验装置，包括固定系统、加卸载系统和ct扫描系统，所述固定系统包括自下而上依次连接的下轴压外腔、高强度塑料空腔和上轴压外腔，下轴压外腔内部固定有轴压加载座，轴压加载座上设置有试样下部垫环，上轴压外腔内部设置有可上下移动的轴压加载杆，轴压加载杆设置有环形凸起，环形凸起设置在上轴压外腔与轴压加载杆形成的上部封闭的轴压加卸载腔内，并将轴压加卸载腔分为上部加载腔以及下部卸载腔；轴压加载杆、试样下部垫环之间设置有拉拔力试样，所述拉拔力试样包括自内而外依次固接的锚杆、粘结剂和锚固材料，所述锚杆选用玻璃钢锚杆，锚杆上端外部套设有试样上部垫环，试样上部垫环下部设置在锚固材料上；还设置有环压薄膜，环压薄膜内部自上而下依次密贴轴压加载杆、试样上部垫环、锚固材料、试样下部垫环和轴压加载座，外部自上而下与上轴压外腔、高强度塑料空腔、下轴压外腔形成封闭的环向加卸载腔；
4.所述加卸载系统包括轴向加卸载系统和环向加卸载系统,所述轴向加卸载系统包括轴向加压泵以及与上部加载腔连通的轴压加载接口、与下部卸载腔连通的轴压卸载接口，轴向加压泵与轴压加载接口连接；所述环向加卸载系统包括环向加压泵以及与环向加卸载腔上部连通的环压加载接口、与环向加卸载腔下部连通的环压卸载接口，环向加压泵与环压加载接口连接；
5.所述ct扫描系统主要包括位于防护箱体内部左右两侧且相对设置的射线源和平板探测器，还包括位于防护箱体底部且在射线源和平板探测器之间的ct扫描旋转样品台；通过外接电脑操作ct扫描仪，并将数据存储于外接电脑上；通过ct扫描系统记录锚杆拉拔力试验过程中锚杆、锚固材料以及粘结剂的细观破坏过程；加卸载系统底部通过固定支架固定于ct旋转样品台。
6.优选的，所述下轴压外腔包括两个上下连接的内外径皆呈台阶形的整体呈倒凸形
的圆环，下部圆环的台阶处外周通过固定螺丝固定在固定支架，内部下部小直径段与轴压加载座螺纹连接，内部上部大直径段与上部圆环下部小直径段外周螺纹连接，上部圆环下部小直径段内周与轴压加载座之间固定有环压薄膜下端，上部圆环台阶处设置有环压卸载接口，上部圆环上部大直径段内部螺纹连接有高强度塑料空腔。更进一步的，上部圆环的台阶向内形成第一凸环。
7.优选的，所述上轴压外腔包括两个上下连接的内外径皆呈台阶形的整体呈凸形的圆环，下部圆环的台阶处外周设置有环压加载接口，内部下部大直径段螺纹连接有高强度塑料空腔上端，上部小直径段内部与轴压加载杆之间固定有环压薄膜上端，上部小直径段外周与上部圆环下部大直径段内周螺纹连接，上部圆环的台阶向内形成第二凸环与轴压加载杆密封连接，该第二凸环上部设置有轴压卸载接口；还包括一个带孔环帽，该带孔环帽下部内部与上部圆环上部小直径段外周螺纹连接，带孔环帽的上部开孔的内径与第二凸环内径相同，与轴压加载杆上部密封连接，上部开孔、第二凸环、轴压加载杆及其环形凸起构成上部的轴向加载腔以及下部的轴向卸载腔，轴压加载接口设置在带孔环帽上端并与轴向加载腔连通。
8.优选的，拉拔力试样的锚固材料放置于高强度塑料空腔中心位置，试样下部垫环和试样上部垫环的外径与锚固材料外径一致，锚固材料外壁被环压薄膜包裹，试样下部垫环和试样上部垫环分别放置于锚固材料上下两端。
9.优选的，锚杆下端部与锚固材料齐平，锚杆略高于试样上部垫环，高出部分的长度不大于试样下部垫环的高度。
10.优选的，还设置有环向卸压泵、轴向卸压泵，分别与环压卸载接口、轴压卸载接口连接。
11.优选的，选用高强度钢为材料制作固定支架、固定螺丝、轴压加载座、上轴压外腔、下轴压外腔，采用车削成形技术，保证整体的支撑和固定强度；选用高强度塑料制作试样下部垫环、高强度塑料空腔、试样上部垫环，在保证设计强度的基础上提高x光的穿透性，减少ct扫描数据质量的影响。
12.本发明的有益技术效果为：本发明的试验装置不仅可以记录试验过程中锚杆锚固体的轴向压力、环向压力、轴向位移，而且还能记录测试过程中不同阶段锚固材料的细观裂隙发育情况，实现锚杆拉拔力测试全过程的原位ct扫描。且该装置构造简单，操作便捷，安全性好。
附图说明
13.图1是本发明试验装置整体结构示意图；
14.图2是本发明加载系统示意图；
15.图中，ct旋转样品台1，固定支架2，固定螺丝3，试样下部垫环4，高强度塑料空腔5，粘结剂6，锚固材料7，试样上部垫环8，锚杆9，环压薄膜10，轴压卸载接口11，轴压加载接口12，环压加载接口13，环压卸载接口14，轴压加载杆15.1，轴压加载座15.2，上轴压外腔16.1，下轴压外腔16.2，射线源17，平板探测器18，环向加压泵19，轴向加压泵20，环向卸压泵21，轴向卸压泵22。
具体实施方式
16.本实施例采用的ct扫描仪为三英精密仪器生产的voxel4000工业ct扫描仪，其包括硬件系统和试件扫描系统，硬件系统包括防护箱体以及分别位于防护箱体内部左右两侧且相对设置的射线源17和平板探测器18，还包括位于防护箱体底部且在射线源17和平板探测器18之间的ct扫描旋转样品台1；试件扫描系统主要包括硬件控制软件和图像采集及可视化软件，其中硬件控制软件用于控制射线源17、平板探测器18、ct扫描旋转样品台1的位置，图像采集及可视化软件用于试样扫描结果的实时成像及成像结果的存储。
17.基于上述ct扫描仪，如图1-2所示，本发明提出了一种基于ct扫描系统的锚杆拉拔力试验装置，包括固定系统、加卸载系统和ct扫描系统，所述固定系统包括自下而上依次连接的下轴压外腔16.2、高强度塑料空腔5和上轴压外腔16.1，下轴压外腔16.2内部还固定有轴压加载座15.2，轴压加载座15.2上设置有试样下部垫环4，上轴压外腔16.1内部设置有可上下移动的轴压加载杆15.1，轴压加载杆15.1设置有环形凸起，环形凸起设置在上轴压外腔16.1与轴压加载杆15.1形成的上部封闭的轴压加卸载腔内，将轴压加卸载腔分为上部加载腔以及下部卸载腔；轴压加载杆15.1、试样下部垫环4之间设置有拉拔力试样，所述拉拔力试样包括自内而外依次固接的玻璃钢锚杆9、粘结剂6和锚固材料7，锚杆9上端外部套设有试样上部垫环8，试样上部垫环8下部设置在锚固材料7上；锚杆9下端部与锚固材料7齐平，锚杆9略高于试样上部垫环8，高出部分的长度不大于试样下部垫环4的高度，避免直接压缩锚杆；还设置有环压薄膜10，环压薄膜10内部自上而下依次密贴轴压加载杆15.1、试样上部垫环8、锚固材料7、试样下部垫环4和轴压加载座15.2，外部自上而下与上轴压外腔16.1、高强度塑料空腔5、下轴压外腔16.2形成封闭的环向加卸载腔；拉拔力试样的锚固材料7放置于高强度塑料空腔5中心位置；试样下部垫环4和试样上部垫环8的外径与锚固材料7外径一致，用于减弱因环向约束造成的锚固材料局部应力集中效应；锚固材料外壁被环压薄膜10包裹提供了一个环向约束，试样下部垫环4和试样上部垫环8分别放置于锚固材料7上下两端，为拉拔力试样提供支撑与位移空间；所述下轴压外腔16.2包括两个上下连接的内外径皆呈台阶形的整体呈倒凸形的圆环，下部圆环的台阶处外周通过固定螺丝3固定在固定支架2，内部下部小直径段与轴压加载座15.2螺纹连接，内部上部大直径段与上部圆环下部小直径段外周螺纹连接，上部圆环下部小直径段内周与轴压加载座15.2之间固定有环压薄膜10下端，上部圆环台阶处设置有环压卸载接口14，上部圆环上部大直径段内部螺纹连接有高强度塑料空腔5。更进一步的，上部圆环的台阶向内形成第一凸环；所述上轴压外腔16.1包括两个上下连接的内外径皆呈台阶形的整体呈凸形的圆环，下部圆环的台阶处外周设置有环压加载接口13，内部下部大直径段螺纹连接有高强度塑料空腔5上端，上部小直径段内部与轴压加载杆15.1之间固定有环压薄膜10上端，上部小直径段外周与上部圆环下部大直径段内周螺纹连接，上部圆环的台阶向内形成第二凸环与轴压加载杆15.1密封连接，该第二凸环上部设置有轴压卸载接口11；还包括一个带孔环帽，该带孔环帽下部内部与上部圆环上部小直径段外周螺纹连接，带孔环帽的上部开孔的内径与第二凸环内径相同，与轴压加载杆15.1上部密封连接，上部开孔、第二凸环、轴压加载杆15.1及其环形凸起构成上部的轴向加载腔以及下部的轴向卸载腔，轴压加载接口12设置在带孔环帽上端并与轴向加载腔连通。
18.所述加卸载系统包括轴向加卸载系统和环向加卸载系统,所述轴向加卸载系统包
括轴向加压泵20以及与上部加载腔连通的轴压加载接口12、与下部卸载腔连通的轴压卸载接口11，轴向加压泵20与轴压加载接口12连接；所述环向加卸载系统包括环向加压泵19以及与环向加卸载腔上部连通的环压加载接口13、与环向加卸载腔下部连通的环压卸载接口14，环向加压泵19与环压加载接口13连接；还设置有环向卸压泵21、轴向卸压泵22，分别与环压卸载接口14、轴压卸载接口11连接；对拉拔力试样施加指定的轴向和环向压力时可进行应力加载控制模式和位移加载控制模式切换，可设置不同加载速度和加载曲线，并通过伺服泵(环向加压泵19，轴向加压泵20，环向卸压泵21，轴向卸压泵22)外接控制程序记录试验过程中压力与位移的变化量。
19.所述ct扫描系统主要包括位于防护箱体内部左右两侧且相对设置的射线源17和平板探测器18，还包括位于防护箱体底部且在射线源17和平板探测器18之间的ct扫描旋转样品台1；通过外接电脑操作ct扫描仪，并将数据存储于外接电脑上；通过ct扫描系统记录锚杆拉拔力试验过程中锚杆、锚固材料以及粘结剂的细观破坏过程；加卸载系统底部通过固定支架2固定于ct旋转样品台1。
20.对于试验装置的选材具体为：选用高强度钢为材料制作固定支架、固定螺丝、轴压加载座、上轴压外腔、下轴压外腔，采用车削成形技术，保证整体的支撑和固定强度；选用高强度塑料制作试样下部垫环、高强度塑料空腔、试样上部垫环，在保证设计强度的基础上提高x光的穿透性，减少ct扫描数据质量的影响。
21.本发明工作机理：将拉拔力试样放置于试验装置内，通过轴压加载接口12向上部加载腔注液，进而通过环形凸起对轴压加载杆15.1施加向下的力，轴压加载杆15.1对锚杆施加压力，该压力实质也可看做一种对锚杆的拉拔力，锚杆向下移动进入试样下部垫环4，试验过程中对拉拔力试样进行扫描研究锚固材料与粘结剂的细观裂隙生成与发育情况；此外，在轴向加压的过程中，可以设置不同的环向压力，用于模拟矿井巷道围岩受采动影响产生的水平方向应力的变化。