專利名稱：深部圍巖錨固性能多功能試驗機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在礦山、能源、水電、交通、國防等深部地下工程領域的圍巖錨固性能試驗研究中應用的一種深部圍巖鋪固性能多功能試驗機。
背景技術：
隨著國家經濟發展和基本建設推進，礦山、能源、水電、交通、國防等深部地下工程越來越多。目前，隨著錨桿技術的推廣應 用，深部巖土工程圍巖的支護基本采用錨桿錨索支護技術，特別是深部礦山工程采用錨網索噴注等耦合支護技術。錨桿錨索的工程使用量非常大，而錨桿、錨索的錨固性能關系到工程的安全，因此，深部圍巖錨固機理及參數設計非常重要。由于深部圍巖的物理力學特性的復雜性，特別對于深部軟巖，其變形破壞機理至今還有爭議。錨桿錨索支護圍巖的加固機理仍停留在定性上，如何定量的研究確定圍巖錨固的效果是值得深入研究的課題。由于理論和數值方法的局限性，還不能定量的確定錨桿、錨索支護的相關參數，工程中大多采用類比法，其準確性欠佳。如何應用實驗裝置系統進行深入研究圍巖變形破壞及錨固機理是本發明的目的。目前錨桿錨索的現場檢測主要以拉拔力試驗為主，同時配合圍巖變形及支護內力的監測。在實驗室內主要以單獨測試錨桿、錨索試驗為主。相關錨桿、錨索錨固性能測試試驗機的研究現狀如下(I)申請號為87217157的中國專利公開了一種錨桿試驗裝置，該試驗裝置在導桿和絲桿中套有彈簧、彈簧板及調節螺母，并根據圍巖變形規律及所做的錨桿試驗適當調整調節螺母及固定錨桿試件用的限位卡，即可做出符合圍巖變形規律的各類錨桿試驗。該裝置可做全長錨固錨桿試驗、局部錨固錨桿試驗、端錨固錨桿試驗、超塑限伸長錨桿試驗及其他類別的錨桿試驗，但無法進行錨桿、錨索拉伸剪切綜合試驗、大型裂隙巖體錨固性能試驗等。對地下工程來說，隨著開挖的進行，圍巖不僅承受水平地應力的作用還要受到垂直地應力的作用，作用在錨桿、錨索上的力既有拉伸力又有剪切力，而且圍巖當中也存在著發育程度不同的裂隙。(2)申請號為200810249631. I的中國專利公開了一種錨固體流變拉拔裝置及試驗方法。該試驗裝置是在流變試驗機的頂部安裝一個拉力傳感器，在主機受力柱底端和主機油缸頂端安裝兩個連接構建，通過上下兩個連接構件與錨固試驗件連接。該試驗裝置只能進行錨固體的拉拔試驗，不能進行不同組合方式受力變形耦合試驗。對于地下工程來講，不同的地質結構往往需要不同的支護組合方式。(3)申請號為200820060577. I的中國專利公開了一種微機控制靜載錨固試驗機，組成部分包括主機、沙墻車體、微機控制電液伺服系統。該試驗機只能進行靜載錨固性能的檢測，不能模擬真實地應力場的支護錨固性能。對于地下工程來講，圍巖周圍的地應力是隨著時間不斷變化著的。(4)申請號為200820232849. I的中國專利公開了一種錨固體流變拉拔試驗裝置，它是在流變試驗機的頂部設置一個拉力傳感器，中間部分為錨固體及其連接構件，底部油缸向下行程實施拉力，拉拔力大小及作用時間由油缸進回油系統控制，拉力傳感器記錄錨固體所受拉拔力的大小。該試驗裝置只能進行拉拔力試驗，不能進行其他試驗。隨著地下工程的發展，僅僅測試錨桿、錨索的拉拔力已經不能滿足實際工程的需要。(5)申請號為201020535350. 5的中國專利公開了一種靜載錨固性能測試裝置，該裝置包括主機架、千斤頂、力值檢測器、位移傳感器和控制顯示器。該試驗裝置只能進行簡單的靜載錨固性能試驗，不能進行錨桿、錨索聯合錨固性能試驗。實際的地下工程支護當中往往會采用錨桿、錨索的聯合支護。目前的錨固性能測試裝置均為單一的錨桿錨索實驗裝置，功能單一，沒有考慮圍巖的作用，特別是錨桿、錨索及支護構件與圍巖錨固體的耦合作用。本發明就是為了克服現有錨固性能實驗裝置的不足，研制的專門用于深部圍巖錨固實驗研究的多功能實驗系統。系統可以實現深部圍巖鋪固性能多功能試驗，王要包括鋪桿、錨索錨固性能的檢測試驗、支護組合構件受力性能試驗、圍巖與錨桿錨索耦合受力變形 試驗及和圍巖錨固體變形破壞耦合試驗，能給出荷載-位移試驗曲線，具有整體結構緊湊穩定、自動化程度和試驗精度高、試驗功能豐富、操作簡單方便等優點。
發明內容
本發明的目的就是為了解決現有技術的錨固性能實驗裝置存在的功能單一，沒有考慮圍巖的作用，特別是錨桿、錨索及支護構件與圍巖錨固體的耦合作用，只能進行簡單的靜載錨固性能試驗，不能進行錨桿、錨索聯合錨固性能試驗的問題；提供一種深部圍巖錨固性能多功能試驗機；能夠更真實地反映地下工程圍巖變形規律，并更有效地模擬地下洞室圍巖破裂變形條件下支護，實現錨桿、錨索等支護結構錨固性能測試的多功能試驗裝置。為實現上述目的，本發明采用下述技術方案一種深部圍巖錨固性能多功能試驗機，包括伺服液壓控制系統，錨固體垂直拉壓系統，水平剪切系統，錨桿錨索剪切系統，伺服液壓控制系統分別與錨固體垂直拉壓系統、水平剪切系統和錨桿錨索剪切系統的液壓油缸相連接。所述伺服液壓控制系統包括液壓站和電腦控制臺，伺服液壓加載控制系統設于基座的一側，通過高壓油管與垂直拉壓系統、水平剪切系統、錨桿橫向剪切系統的液壓油缸連接，電腦控制臺控制液壓站對其他系統中油缸的給油量和回油量進行控制。所述錨桿錨索剪切系統包括兩個水平油缸、兩個反力框架、螺栓和剪切機具，其中水平油缸的一側安裝在反力框架上、并與剪切機具相連接，另一側與下垂直加載反力板連接、并與高壓油管連接，兩個反力框架連接，水平油缸通過高壓油管與伺服液壓控制試驗臺相連接，水平油缸的另一側通過螺栓與下垂直加載反力板連接，兩個反力框架通過四根長螺栓連接。所述水平剪切系統包括剪切油缸、反力塊、剪切反力板，底板，其中剪切油缸連接在剪切反力板的中上部，剪切油缸的活塞上設有剪切分力器、用于對錨固試件剪切時傳遞力，反力塊與剪切反力板的下部連接，兩塊剪切反力板通過四根長拉桿固定在一起，并與底板相連接，滑輪設在底板預留出的圓形孔內，滑輪的間排距可通過底板上的圓形孔調節，滑輪與模型軌道配合，沿著模型軌道將錨固試件移入移出。錨桿、錨索的錨固試件放置在水平剪切系統的底板上，剪切油缸通過螺栓與剪切反力板連接，反力塊通過螺栓與剪切反力板的下部連接。所述錨固體垂直拉壓系統包括兩個垂直加載油缸、四個移動固定絲杠、四個導向光杠、底座、限位板、限位傳感器、位移傳感器、上垂直加載反力板、下垂直加載反力板。其中移動固定絲杠、導向光杠上部分別與限位板連接， 下部分別與底座連接，底座與基座連接，移動固定絲杠、導向光杠分別通過移動固定絲杠安裝孔和導向光杠安裝孔與上垂直加載反力板和下垂直加載反力板連接，兩個垂直加載油缸的缸體與下垂直加載反力板連接。底座通過螺栓與基座連接，上垂直加載反力板、下垂直加載反力板通過螺母與移動固定絲杠連接，兩個垂直加載油缸通過螺栓與下垂直加載反力板連接。上垂直加載反力板和下垂直加載反力板的位置可以通過垂直加載油缸和螺母調節。所述上垂直加載反力板和下垂直加載反力板上設有位移傳感器，位移傳感器的一端與底座連接、用來測量上下垂直加載反力板的位移，另一端與電腦控制臺相連接，以給出荷載一位移曲線；限位傳感器設于限位板下面的上垂直加載反力板上，限位傳感器與電腦控制臺連接。所述上垂直加載反力板和下垂直加載反力板分別為整體鑄造縱橫肋板式結構，左右兩側設有突耳結構、設有垂直加載油缸安裝孔，其中一面為平面、并分別設有錨桿夾具安裝孔、錨索夾具安裝孔，錨桿夾具安裝孔通過安裝不同的錨桿索夾具調整錨桿的間排距。不同的錨桿夾具安裝孔和錨索夾具安裝孔與不同的錨桿夾具、錨索夾具對應，錨桿夾具安裝孔通過安裝不同的錨桿夾具調整錨桿的間排距。本發明的工作原理地下工程開挖后，由于地應力釋放，圍巖產生向洞內的徑向位移，圍巖內應力重新分布，產生拉應力和剪應力，形成新的裂隙。這時候錨桿和錨索支護結構會受到拉伸剪切作用。為模擬支護結構受到的拉伸剪切作用，該試驗機配備了錨固體垂直拉壓系統、水平剪切系統以及錨桿錨索剪切系統，通過伺服液壓控制系統來調節錨桿和錨索受到的拉伸剪切力。試驗機錨固體垂直拉壓系統可通過位移控制升降上下垂直加載反力板。具體操作如下當下垂直加載反力板通過上下螺母固定在移動固定絲杠上時，松開上垂直加載反力板的絲杠螺母，通過垂直油缸的升降調整其位置至試驗要求。同樣，當上垂直加載反力板通過上下螺母固定在移動固定絲杠上時，松開下垂直加載反力板的絲杠螺母，通過垂直油缸的升降調整其位置。試驗機單獨運行錨固體垂直拉壓系統時，錨固體試件由下垂直加載反力板壓緊固定，兩個垂直油缸推動上垂直加載反力板帶動表面圍巖試件向上移動，可以進行錨桿錨索拉伸性能試驗，錨桿錨索底部錨固在錨固試件內可以進行錨桿錨索錨固拉拔力試驗。當上垂直加載反力板螺母固定時，兩個垂直油缸推動下垂直加載反力板向下移動，可對錨固體試件或承壓結構進行大噸位壓縮試驗。當下垂直加載反力板壓緊固定錨固試件，上垂直加載反力板固定時，可通過扭矩扳手鎖緊錨桿螺母，施加錨固預應力。水平剪切系統可以模擬錨固體在剪應力作用下錨桿和錨索的加固效應，試驗時通過剪切油缸施加橫向剪切力作用在錨固體的前側面上部，反力塊施加反力作用在后側面下部。同時運行水平剪切系統和錨固體垂直拉壓系統可以對錨桿錨索進行拉伸剪切綜合試驗，底部錨固試件通過模擬現場圍巖裂隙可以進行大型裂隙巖體錨固性能試驗。為了檢測錨桿或錨索的抗剪能力，該試驗機配備了錨桿錨索剪切系統，通過伺服液壓控制試驗臺調節兩個水平油缸的行程，由水平油缸推動剪切機具的水平移動來控制剪切力的大小。該試驗機留有錨桿錨索夾具安裝孔，通過更換不同的錨桿錨索夾具可以進行錨桿錨索不同間排距耦合受力變形試驗，對錨桿、錨索聯合支護進行受力變形分析，主要研究不同型號的錨桿、錨索組合形式的受力變形耦合情況。試驗機具有錨固試件軌道推送裝置，制作好的錨固試件可方便的移動到試驗機內，試驗結束后方便拆卸。本發明的有益效果(I)本發明裝置可以實現錨桿、錨索錨固性能的多功能檢測試驗，主要包括錨桿錨 索拉伸性能試驗、錨桿錨索預緊力試驗、錨桿錨索錨固拉拔力試驗、錨桿錨索拉伸剪切綜合試驗、大型裂隙巖體錨固性能試驗等。(2)試驗裝置可以按位移加載也可以按力加載，位移加載的時候可以模擬圍巖不同變形速度條件下的錨固支護結構受力特征，力加載的時候可以模擬地應力和錨固預緊力作用，可給出拉伸、剪切及預緊試驗全過程力-位移時程曲線。(3)試驗裝置可以實現錨桿、錨索耦合受力變形試驗，對錨桿、錨索聯合支護進行受力變形分析，主要研究不同型號的錨桿、錨索組合形式的受力變形耦合情況。通過上述試驗可以比較真實地模擬實際地下工程當中支護結構的合理性和安全性。(4)試驗裝置可以實現支護組合構件受力性能試驗，分析各種鋼梁、鋼帶、托盤、讓力弧板、讓壓環、錨索鎖具、螺母、墊圈等支護構件的力學性能，為工程實踐提供一個科學的指導。(5)試驗裝置可以實現支護組合構件不同組合方式下錨固圍巖受力變形耦合試驗，在不同的支護構件配合關系下，通過加載過程中各構件的受力變形監測，分析其組合受力性能，調整配合參數，實現受力變形耦合，為地下工程的安全性和穩定性提供一個合理的支護方案。(6)試驗裝置具有錨固試件軌道推送裝置，制作好的錨固模型可方便的移動到試驗機內，試驗結束后方便拆卸；配備先進的液壓飼服加載系統和位移測量系統，實現計算機高精度自動控制試驗全過程。
圖I是本發明試驗機結構示意圖；圖2是圖I的主視圖；圖3是圖I的側視圖；圖4是圖I的俯視圖；圖5是錨桿剪切系統的結構示意圖；圖6是垂直加載反力板的結構示意圖。I.限位板，2.錨索，3.錨桿，4.導向光杠，5.移動固定絲杠，6.限位傳感器，7.位移傳感器，8.上垂直加載反力板，9.下垂直加載反力板，10.拉桿，11.剪切反力板，12.垂直加載油缸，13.液壓站，14.電腦控制臺，15.模型軌道，16.基座，17.底板，18.托盤，19.螺母，20.表面圍巖試件，21.滑輪，22.剪切油缸，23.錨固試件，24.反力塊，25.剪切分力器，26.水平油缸，27.螺栓，28.反力框架，29.剪切機具，30.錨桿夾具安裝孔，31.錨索夾具安裝孔，32.導向光杠安裝孔，33.移動固定絲杠安裝孔，34.垂直加載油缸安裝孔，35.底座。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
一種深部圍巖錨固性能多功能試驗機，結合圖I至圖6，包括伺服液壓控制系統，錨固體垂直拉壓系統，水平剪切系統，錨桿錨索剪切系統，伺服液壓控制系統分別與錨固體垂直拉壓系統、水平剪切系統和錨桿錨索剪切系統的液壓油缸相連接。所述伺服液壓加載控制系統包括液壓站13和電腦控制臺14，伺服液壓加載控制系統設于基座16的一側，通過高壓油管與垂直拉壓系統、水平剪切系統、錨桿橫向剪切系統的液壓油缸連接，電腦控制臺14控制液壓站13對其他系統中油缸的給油量和回油量進行控制。所述錨桿錨索剪切系統包括兩個水平油缸26、兩個反力框架28、螺栓27和剪切機具29，其中水平油缸26的一側安裝在反力框架28上、并與剪切機具29相連接，另一側與下垂直加載反力板9連接、并與高壓油管連接，兩個反力框架28連接，水平油缸26通過高壓油管與伺服液壓控制試驗臺相連接。水平油缸26的另一側通過螺栓與下垂直加載反力板9連接，兩個反力框架28通過四根長螺栓27連接。所述水平剪切系統包括剪切油缸22、反力塊24、剪切反力板11，底板17，其中剪切油缸22連接在剪切反力板11的中上部，剪切油缸22的活塞上設有剪切分力器25，用于對錨固試件23剪切時傳遞力，反力塊24與剪切反力板11的下部連接，兩塊剪切反力板11通過四根長拉桿10固定在一起，并與底板17相連接，滑輪21設在底板17預留出的圓形孔內，滑輪21的間排距可通過底板17上的圓形孔調節，滑輪21與模型軌道15配合、沿著模型軌道15將錨固試件23移入移出。剪切油缸22通過螺栓與剪切反力板11連接，反力塊24通過螺栓與剪切反力板11的下部連接。錨桿3、錨索2的錨固試件23放置在橫向剪切系統的底板17上。所述錨固體垂直拉壓系統包括兩個垂直加載油缸12、四個移動固定絲杠5、四個導向光杠4、底座35、限位板I、限位傳感器6、位移傳感器7、上垂直加載反力板8、下垂直加載反力板9。其中移動固定絲杠5、導向光杠4上部分別與限位板I連接，下部分別與底座35連接，底座35與基座16連接，移動固定絲杠5、導向光杠4分別通過移動固定絲杠安裝孔33和導向光杠安裝孔32與上垂直加載反力板8和下垂直加載反力板9連接，兩個垂直加載油缸12的缸體與下垂直加載反力板9連接。底座35通過螺栓與基座16連接，上垂直加載反力板8、下垂直加載反力板9通過螺母19與移動固定絲杠5連接，兩個垂直加載油缸12通過螺栓與下垂直加載反力板9連接。上垂直加載反力板8和下垂直加載反力板9的位置可以通過垂直加載油缸12和螺母19調節。所述上垂直加載反力板8和下垂直加載反力板9上設有位移傳感器7，位移傳感器7的一端與底座35連接、用來測量上下垂直加載反力板的位移，另一端與電腦控制臺14相連接，以給出荷載一位移曲線；限位傳感器6設于限位板I下面的上垂直加載反力板8上，限位傳感器6與電腦控制臺14連接，限位傳感器6監測上垂直加載反力板8與限位板I的安全距離，當小于安全距離時停止垂直加載油缸12的運作。錨索2和錨桿3下部錨固在錨固試件23內，上部在圍巖試件20的出露端可以安裝托盤18，并通過螺母19來施加一個預緊力，并可增加網和鋼帶等支護構件。所述上垂直加載反力板8和下垂直加載反力板9分別為整體鑄造縱橫肋板式結構，左右兩側設有突耳結構、設有垂直加載油缸安裝孔34，其中一面為平面、并分別設有錨桿夾具安裝孔30、錨索夾具安裝孔31，錨桿夾具安裝孔30通過安裝不同的錨桿索夾具調整錨桿、錨索的間排距。不同的錨桿夾具安裝孔30和錨索夾具安裝孔31與不同的錨桿夾具、錨索夾具對應，錨桿間排距可以通 過更換不同的錨桿夾具進行調節。上述雖然結合附圖對發明的具體實施方式
進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
權利要求
1.一種深部圍巖錨固性能多功能試驗機，其特征是，包括伺服液壓控制系統，錨固體垂直拉壓系統，水平剪切系統，錨桿錨索剪切系統，伺服液壓控制系統分別與錨固體垂直拉壓系統、水平剪切系統和錨桿錨索剪切系統的液壓油缸相連接。
2.如權利要求I所述的深部圍巖錨固性能多功能試驗機，其特征是，所述伺服液壓控制系統包括液壓站和電腦控制臺，伺服液壓加載控制系統設于基座的一側，通過高壓油管與垂直拉壓系統、水平 剪切系統、錨桿橫向剪切系統的液壓油缸連接，電腦控制臺控制液壓站對其他系統中油缸的給油量和回油量進行控制。
3.如權利要求I所述的深部圍巖錨固性能多功能試驗機，其特征是，所述錨桿錨索剪切系統包括兩個水平油缸、兩個反力框架、螺栓和剪切機具，其中水平油缸的一側安裝在反力框架上、并與剪切機具相連接，另一側與下垂直加載反力板連接、并與高壓油管連接，兩個反力框架連接，水平油缸通過高壓油管與伺服液壓控制試驗臺相連接，水平油缸的另一側通過螺栓與下垂直加載反力板連接，兩個反力框架通過四根長螺栓連接。
4.如權利要求I所述的深部圍巖錨固性能多功能試驗機，其特征是，所述水平剪切系統包括剪切油缸、反力塊、剪切反力板、底板，其中剪切油缸連接在剪切反力板的中上部，剪切油缸的活塞上設有剪切分力器、用于對錨固試件剪切時傳遞力，反力塊與剪切反力板的下部連接，兩塊剪切反力板通過四根長拉桿固定在一起，并與底板相連接，滑輪設在底板預留出的圓形孔內，滑輪的間排距可通過底板上的圓形孔調節，滑輪與模型軌道配合，沿著模型軌道將錨固試件移入移出，剪切油缸通過螺栓與剪切反力板連接，反力塊通過螺栓與剪切反力板的下部連接。
5.如權利要求I所述的深部圍巖錨固性能多功能試驗機，其特征是，所述錨固體垂直拉壓系統包括兩個垂直加載油缸、四個移動固定絲杠、四個導向光杠、底座、限位板、限位傳感器、位移傳感器、上垂直加載反力板、下垂直加載反力板，其中移動固定絲杠、導向光杠上部分別與限位板連接，下部分別與底座連接，底座與基座連接，移動固定絲杠、導向光杠分別通過移動固定絲杠安裝孔和導向光杠安裝孔與上垂直加載反力板和下垂直加載反力板連接，兩個垂直加載油缸的缸體與下垂直加載反力板連接。
6.如權利要求5所述的深部圍巖錨固性能多功能試驗機，其特征是，底座通過螺栓與基座連接，上垂直加載反力板、下垂直加載反力板通過螺母與移動固定絲杠連接，兩個垂直加載油缸通過螺栓與下垂直加載反力板連接，上垂直加載反力板和下垂直加載反力板的位置通過垂直加載油缸和螺母調節。
7.如權利要求5或者6所述的深部圍巖錨固性能多功能試驗機，其特征是，所述上垂直加載反力板和下垂直加載反力板上設有位移傳感器，位移傳感器的一端與底座連接、用來測量上下垂直加載反力板的位移，另一端與電腦控制臺相連接、以給出荷載一位移曲線；限位傳感器設于限位板下面的上垂直加載反力板上，限位傳感器與電腦控制臺連接。
8.如權利要求5或者6所述的深部圍巖錨固性能多功能試驗機，其特征是，所述上垂直加載反力板和下垂直加載反力板分別為整體鑄造縱橫肋板式結構，左右兩側設有突耳結構、設有垂直加載油缸安裝孔，其中一面為平面、并分別設有錨桿夾具安裝孔、錨索夾具安裝孔，錨桿夾具安裝孔通過安裝不同的錨桿索夾具調整錨桿的間排距。
全文摘要
本發明公開了一種深部圍巖錨固性能多功能試驗機，包括伺服液壓控制系統，錨固體垂直拉壓系統，水平剪切系統，錨桿錨索剪切系統，伺服液壓控制系統分別與錨固體垂直拉壓系統、水平剪切系統和錨桿錨索剪切系統的液壓油缸相連接，所述伺服液壓控制系統包括液壓站和電腦控制臺，伺服液壓加載控制系統設于基座的一側，通過高壓油管與垂直拉壓系統、水平剪切系統、錨桿橫向剪切系統的液壓油缸連接，電腦控制臺控制液壓站對其他系統中油缸的給油量和回油量進行控制；能夠更真實地反映地下工程圍巖變形規律，并更有效地模擬地下洞室圍巖破裂變形條件下支護，實現錨桿、錨索等支護結構錨固性能測試的多功能試驗裝置。
文檔編號G01N3/10GK102621010SQ20121010885
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月13日 優先權日2012年4月13日
發明者張慶松, 李為騰, 李建明, 李術才, 李海燕, 王漢鵬 申請人:山東大學