一种锚杆索-钢带组合结构的力学性能测试装置及实验方法

本发明涉及锚杆/索-钢带组合结构测试技术，具体涉及一种锚杆索-钢带组合结构的力学性能测试装置及实验方法，属于巷（隧）道围岩支护结构测试领域。

背景技术：

1、地下工程中岩体的开挖卸荷，使围岩在复杂地应力作用下开始向巷(隧)道空间产生扩容变形而形成破碎区，对巷(隧)道表面破碎围岩的支护是保证巷(隧)道使用安全的重要措施。随着开采深度和范围的不断增加，导致巷道围岩应力越来越大，围岩赋存条件越来越复杂，巷道支护难度显著增加。目前，锚固支护技术在巷(隧)道围岩支护领域使用非常广泛，成为解决深部巷(隧)道围岩支护困难的有效途径之一。

2、随着锚固支护技术的不断进步，使用钢带、钢托梁等组合构件配合高强度，高预紧力锚杆索形成高预紧力强力锚固支护系统，可显著提高巷(隧)道支护效果。钢带、钢托梁等组合构件与金属网和锚杆索支护结构相互配合，实现对巷(隧)道破碎围岩表面从“点”到“线”再到“面”的整体支护作用，是确保巷道围岩稳定的重要保障。其中钢带或钢托梁是系统中 “线”的重要组成，发挥着极其重要的作用。首先，钢带、钢托梁能够将锚杆索的高预应力沿围岩表面纵、横方向传递和扩散更至广泛范围，提升高预应力锚固支护系统主动支护范围；其次，钢带、钢托梁能够提高金属网护表强度和刚度，金属网属于柔性的被动护表组件，抗弯刚度低，钢带、钢托梁增加了钢筋网抗弯刚度，提升金属网护表能力，减小围岩表面变形量；同时，钢带在一定程度上能够降低锚杆尾部托盘受力区域应力集中，有利于锚杆索预应力的施加，降低预应力损失；最后，钢带、钢托梁能够串联多组锚固系统，并与护表金属网一起组成联合支护系统，对围岩形成“点-线-面”的整体支护，将围岩表面分割为数个较小支护区格，每个支护区格相互独立，即使其中某一区格失效，不会影响整个支护系统的完整。因此可知钢带、钢托梁等组合构件在巷道围岩锚固支护系统中起到关键作用，其力学性能对于巷道围岩支护设计至关重要。

3、钢带、钢托梁等组合构件力学性能的发挥依赖于锚杆索基本参数（预应力、托板类型、间排距等），将二者独立设计或不良组合将导致锚尾剪切破断、托板吸入钢带，钢带沿孔撕裂，钢带变形过大等破坏类型，对巷（隧）道安全运维产生极大威胁。现有测试技术中对锚杆索拉拔、剪切性能和钢带的力学参数等测试相对成熟，但是对于锚杆/索-钢带组合结构的力学性能试验分析和试验装置相对较少。现有的测试技术中无法真实反映钢带在巷（隧）道围岩支护中的受力状态，无法实现锚杆/索基本参数对钢带力学性能影响的敏感性实验。

技术实现思路

1、针对上述情况，为了给巷（隧）道围岩支护精细化设计提供参数依据，本发明提供一种锚杆/索-钢带组合结构力学性能测试装置和实验方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种锚杆索-钢带组合结构的力学性能测试装置，包括实验系统，所述实验系统包括两个平行间隔设置的矩形笼式钢架，两个钢架的上部之间通过定距杆连接，两个钢架的中部之间通过钢带连接，在钢架的中部设置有钢架横梁，横梁将钢架内部分成上、下两层空间，在上层空间内放置有混凝土块，在混凝土块的中心沿竖直方向设置有上下贯通的预制钻孔，在钻孔内穿设有锚杆索，锚杆索的上端露出钻孔，并在锚杆索上依次安装上托板、穿心式压力传感器和锁具，上托板与混凝土块的顶面接触；锚杆索的下端露出钻孔，并在锚杆索上依次安装所述钢带、下托板和锁具，钢带与混凝土块的底面接触。

4、进一步的，每个所述钢架包括四根钢架立柱，位于钢架内侧面的两根钢架立柱称为内侧立柱，内侧立柱的高度高于钢架的顶面；在所述定距杆上等距离开设有多个孔洞，孔洞的形状与内侧立柱的水平截面匹配，定距杆的两端分别通过孔洞套设在两个钢架的内侧立柱的顶端部，两个钢架的上部之间通过两根相互平行间隔的定距杆连接。

5、进一步的，所述测试装置还包括加载系统，所述加载系统包括反力架，在反力架的横梁上设置有千斤顶系统，千斤顶系统的输出轴端部竖直向下，在千斤顶系统的输出轴端部铰接弧形加载板，弧形加载板位于所述钢带的正上方。

6、进一步的，在所述钢架的底部还安装有转向轮。

7、进一步的，在所述钢架的中部横梁内侧固定设置有角钢，所述混凝土块放置在角钢上。

8、测试实验之前，需预制与笼式钢架上层空间相匹配的混凝土块，混凝土块中部预制锚固钻孔，达到实验强度后，吊放入笼式钢架上层空间内，混凝土块底部搁置在中部角钢内伸直角边形成的支托上。

9、根据实验参数设计需要，利用两个定距杆，并选择定距杆上不同间距的孔洞，分别将其穿入突出于顶层横梁的立柱，采取这种方式分别沿纵向连接两个笼式钢架。

10、将与被测钢带相匹配的锚杆或锚索分别穿入混凝土块的锚固钻孔中，将被测钢带上开设的槽口从笼式钢架下部空间穿入锚杆或锚索杆体，并逐一安设托板和螺母或锁具。在混凝土块上部逐一安装托板、穿心式压力传感器和螺母或锁具，并锁死。根据实验参数需要，可利用扭矩扳手或者锚索张拉机具提前对锚杆或锚索施压预应力后再锁死。将安装完毕的实验系统推入加载系统内，通过计算机控制系统启动千斤顶，通过弧形加载板对钢带进行加压并实时采集相关数据，即可对锚杆/索-钢带组合结构承载力进行测试实验。

11、测试过程中可以通过穿心式压力传感器获取锚杆索轴向受力的实时数据，利用千斤顶系统自带的传感器获取的反馈信息，获得钢带承载力、位移等信息，获得锚杆/索和钢带破坏类型及力学参数耦合关系。通过该试验装置还可以测试锚杆/索-钢带组合结构在不同的跨距、偏心距、钢带类型、锚杆/索预应力等因素条件下的力学性能和破坏形态，可为巷（隧）道围岩支护精细化设计提供参数依据，有利于保障巷（隧）道安全运维。

12、有益效果：该测试装置能够准确模拟钢带在巷（隧）道支护中的受力状态，能够实现调控锚杆索基本参数（预应力、托板类型、间排距等）下获得钢带的力学性能，实现锚杆索与钢带参数匹配，达到相互协同工作的效果，发挥各自力学性能。

技术特征：

1.一种锚杆索-钢带组合结构的力学性能测试装置，其特征在于，包括实验系统，所述实验系统包括两个平行间隔设置的矩形笼式钢架，两个钢架的上部之间通过定距杆连接，两个钢架的中部之间通过钢带连接，在钢架的中部设置有钢架横梁，横梁将钢架内部分成上、下两层空间，在上层空间内放置有混凝土块，在混凝土块的中心沿竖直方向设置有上下贯通的预制钻孔，在钻孔内穿设有锚杆索，锚杆索的上端露出钻孔，并在锚杆索上依次安装上托板、穿心式压力传感器和锁具，上托板与混凝土块的顶面接触；锚杆索的下端露出钻孔，并在锚杆索上依次安装所述钢带、下托板和锁具，钢带与混凝土块的底面接触。

2.根据权利要求1所述的一种锚杆索-钢带组合结构的力学性能测试装置，其特征在于，每个所述钢架包括四根钢架立柱，位于钢架内侧面的两根钢架立柱称为内侧立柱，内侧立柱的高度高于钢架的顶面；在所述定距杆上等距离开设有多个孔洞，孔洞的形状与内侧立柱的水平截面匹配，定距杆的两端分别通过孔洞套设在两个钢架的内侧立柱的顶端部，两个钢架的上部之间通过两根相互平行间隔的定距杆连接。

3.根据权利要求1所述的一种锚杆索-钢带组合结构的力学性能测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括加载系统，所述加载系统包括反力架，在反力架的横梁上设置有千斤顶系统，千斤顶系统的输出轴端部竖直向下，在千斤顶系统输出轴端部铰接弧形加载板，弧形加载板位于所述钢带的正上方。

4.根据权利要求1所述的一种锚杆索-钢带组合结构的力学性能测试装置，其特征在于，在所述钢架的底部还安装有转向轮。

5.根据权利要求1所述的一种锚杆索-钢带组合结构的力学性能测试装置，其特征在于，在所述钢架的中部横梁内侧固定设置有角钢，所述混凝土块放置在角钢上。

技术总结本发明公开了一种锚杆索‑钢带组合结构的力学性能测试装置及实验方法，测试装置包括两个平行间隔设置的矩形笼式钢架，两个钢架的上部之间通过定距杆连接，两个钢架的中部之间通过钢带连接，在钢架的中部设置有架横梁，在上层空间内放置有混凝土块，在混凝土块的中心设置有预制钻孔，在钻孔内穿设有锚杆索，锚杆索的上端露出钻孔，并在锚杆索上依次安装上托板、穿心式压力传感器和锁具，锚杆索的下端露出钻孔，并在锚杆索上依次安装所述钢带、下托板和锁具。该测试装置能够准确模拟钢带在巷（隧）道支护中的受力状态，能够实现调控锚杆索基本参数下获得钢带的力学性能，实现锚杆索与钢带参数匹配，达到相互协同工作的效果，发挥各自力学性能。技术研发人员：冯超,吕谦,杨媛媛,屈新,拓万永,赵军,闫春岭,崔智程,杨道通,智鼎政,王浩文受保护的技术使用者：安阳工学院技术研发日：技术公布日：2024/12/12