一种基于荷载与腐蚀耦合作用下的锚杆加载-腐蚀试验装置和方法

摘要

本发明公开了一种基于荷载与腐蚀耦合作用下的锚杆加载‑腐蚀试验装置和方法，用于室内模拟煤矿巷道中支护锚杆长期承受锚固恒载和爆破动载及遭受矿井水腐蚀的复杂环境，同时通过相关监测对锚杆锚固结构破坏机理进行分析，并对锚杆耐久性进行评估。该装置包括底座、静载加载装置、动载加载装置、腐蚀槽及监测设备，所述底座用于固定待测试件、静载加载装置及动载加载装置，静载加载是通过高强螺母机械咬合提供锚杆恒定拉应力，动载加载是通过摆锤敲击频率及敲击幅度提供不同水平的震动荷载，腐蚀槽用于顶部矿井水溶液扩散渗透腐蚀，应用监测设备实时动态检验恒载数值稳定情况并监测锚固结构劣化情况；该装置提高了试验效率，且测试结果精准可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于荷载与腐蚀耦合作用下的锚杆加载-腐蚀试验装置和方法，属于加载与腐蚀耦合试验技术领域。

背景技术

锚杆支护是我国煤矿巷道主要支护形式，然而锚杆在工作过程中不仅受拉伸静载和爆破动载等作用，还会受到矿井水的侵蚀，长期耦合作用会使锚杆的工作性能严重劣化，一旦发生破坏，锚固结构将无法保持巷道的稳定，因此通过室内模拟试验进一步认识锚固体系劣化过程及机理，对防治锚固结构失效是十分有益的。

为了更加直观再现锚固系统复杂的工作环境，模拟锚杆所受动静载荷及矿井水腐蚀等多因素作用，有必要通过设计室内试验装置并对试验对象进行长期监测，对锚固体系长期服役提供借鉴指导。

目前，锚固系统主要集中在静载及爆破动载作用下锚杆力学性能研究或者锚固系统受腐蚀性离子的侵蚀作用下耐久性的研究，而在静载、动载及矿井水腐蚀三因素共同作用下的长期性能研究较少。

发明内容

本发明旨在提供一种基于荷载与腐蚀耦合作用下的锚杆加载-腐蚀试验装置和方法，模拟锚杆所处矿井中复杂环境，结构简单、可操作性强和测试结果精确可靠。

本发明提供了一种基于荷载与腐蚀耦合作用下的锚杆加载-腐蚀试验装置，其基本原理是通过本装置给予锚杆固定拉拔荷载与震动扰动荷载，并于此同时通过外部腐蚀溶液渗流侵入岩体内部腐蚀损伤锚固结构，从而实现荷载与腐蚀的共同作用。

本发明提供了一种基于荷载与腐蚀耦合作用下的锚杆加载-腐蚀试验装置，包括底座、静载加载装置、动载加载装置、腐蚀槽及监测设备五部分组成；

所述底座用于固定岩体试件静载加载装置及动载加载装置，其中岩体试件和静载加载装置固定在底座中部，动载加载装置固定于底座右端；

所述静载加载装置包括岩体加固支架和锚固荷载控制装置；岩体加固支架垂直方向由四根高强角钢围固岩体试件，四根高强角钢下端与底座通过螺栓固定连接，同时四根高强角钢通过水平方向两根高强螺杆和两条45#带状钢条加固，用于加固岩体；锚固荷载控制装置位于锚杆自由端处，锚杆自由端处由内及外依次是钢垫环、环状荷载传感器和高强法兰螺母，通过拧紧高强法兰螺母给锚杆施加拉拔力，同时应用环状荷载传感器对拉拔力大小实时监测，避免应力松弛引起荷载失恒；

所述动载加载装置包括重力摆锤、机械齿轮及摆锤齿轮支架，其中重力摆锤敲击端粘贴高密度橡胶缓冲垫，避免应力集中引起敲击处局部受损，机械齿轮是通过电动机带动固定齿轮转轴转动运行的，重力摆锤杆端顶部通过激光切割出斜截面，由机械齿轮顺时针旋转带动重力摆锤摆动，重力摆锤和机械齿轮均固定于摆锤齿轮支架上，其中重力摆锤为固定转轴；

所述腐蚀槽是由钢化玻璃铸成的方槽，无底且无盖，其中底面由酸性玻璃胶固定于岩体试件上表面，腐蚀槽底边边缘距离试件边缘5mm，待粘结牢固后向腐蚀槽内加入矿井水溶液，液面高度不得高于腐蚀槽高度的2/3，通过矿井水不断从岩体上部向下部渗透腐蚀锚杆锚固结构；

所述监测设备包括声发射监测系统、荷载监测系统、超声波监测系统和数据信息处理系统；荷载传感器置于锚杆自由端，荷载传感器输出端与荷载显示器输入端相连，声发射传感器粘贴于岩体试件两侧用于接收信号，声发射传感器输出端与声发射信号处理器输入端连接，荷载显示器的输出端和声发射信号处理器的输出端与数据信息处理系统连接；超声波信号发射端与超声波信号接收端通过超声波信号处理器连接。

所述锚固荷载控制装置中高强法兰螺母法兰盘外径要与环状荷载传感器外径尺寸一致。

所述重力摆锤提供震动荷载，重力摆锤摆动的频率及幅值由机械齿轮控制，其中通过电机控制齿轮转速进而改变重力摆锤摆动频率，通过控制齿轮齿牙长度即可控制重力摆锤在摆动过程中的下落高度，从而控制摆动幅值。

所述腐蚀槽要每周更换溶液，以维持腐蚀性溶液中各离子浓度稳定。

所述监测设备务必要等动载加载装置停止工作时才能使用。

本发明提供了一种采用上述装置进行锚杆加载-腐蚀试验方法，包括以下步骤：

（1）制作待测试件

根据待研究的矿山地质条件，确定待测试件中水泥、砂石和水的配合比，浇筑并养护制作待测试件，试件尺寸可初步设定为200mm*200mm*600mm；浇筑时在所浇筑的待测试件中心预留孔洞，孔径根据试件尺寸初步设定为Φ40mm；用砂浆锚固剂将锚杆长度的3/4固定于试件孔洞中心，并养护。

（2）安装试验装置

将待测试件置于底座上，首先通过岩体加固支架固定试件，其次将待测锚杆自由端依次穿入钢垫环、环状荷载传感器和高强法兰螺母，然后将腐蚀槽用酸性玻璃胶固定于待测试件顶部，最后安装动载加载装置。

（3）施加静载

通过扭矩加载扳手拧动高强法兰螺母给锚杆逐渐施加拉力，直至待测锚杆达到预定荷载，并维持恒定。

（4）腐蚀槽注液

根据具体工况矿井水成分，配制相应腐蚀溶液加入至腐蚀槽中，液面高度不得高于腐蚀槽高度2/3，通过腐蚀溶液不断从岩体试件上部向下部渗流来模拟实际工程中矿井水在岩层渗流腐蚀锚固结构，以达到腐蚀溶液对锚杆锚固结构的损伤破坏。

（5）施加动载

预先更换齿轮并调节好电机转速，闭合电机工作开关使摆锤施加撞击荷载，根据实际情况控制动载加载时段，通过控制电机开关亦可实现持续性加载，亦可实现间断性加载。

（6）监测数据

记录荷载显示器数据，同时补加荷载，维持静载值恒定；将声发射传感器粘贴与试件两侧，记录数据信息处理系统中的能量值及试件内部破坏点；通过超声波对测法监测试件内部破坏情况，并记录超声波波速。

本发明的有益效果：

本发明真实模拟了矿山环境中锚杆锚固状态，既实现了对待测锚杆施加轴向荷载，又考虑了锚杆服役过程中所受震动荷载的影响，同时创造了锚杆锚固结构受矿井水腐蚀的环境，实现了三因素复杂叠加，更加直观再现锚固系统复杂的工作环境；静载荷大小和动载荷大小及频率均可人为控制，并能实时调节，同时矿井水腐蚀溶液可根据实际工况更换溶液成分；通过设计室内试验并对待测试件进行长期监测，分析锚杆锚固结构力学响应特征和破坏机理，为现场工程设计及评价提供可靠依据，为锚固体系长期服役提供借鉴指导，对于评价地下开挖空间的稳定性和设计地下岩石工程的永久支护有着重要的参考价值。本发明更符合现场情况，操作简单，提高试验效率，测试结果精准可靠。

附图说明

图1为本发明加载-腐蚀试验装置结构示意图；

图2为本发明底座结构示意图；

图3为本发明静载加载装置结构示意图；

图4为本发明岩体加固支架结构示意图；

图5为本发明锚固荷载控制装置结构示意图；

图6为本发明动载加载装置结构示意图；

图7为本发明腐蚀槽结构示意图；

图8为本发明监测装置结构示意图。

图中，1为底座、2为静载加载装置、3为动载加载装置、4为腐蚀槽、5为监测设备、6为岩体加固支架、7为锚固荷载控制装置、8为试件、9为高强角钢、10为高强螺杆、11为钢条、12为钢垫环、13为环状荷载传感器、14为高强法兰螺母、15为重力摆锤、16为机械齿轮、17为摆锤齿轮支架、18为缓冲垫、19为电动机、20为齿轮转轴、21为数据信息处理系统、22为声发射信号处理器、23为声发射传感器、24为荷载显示器、25为荷载传感器、26为超声波信号发射端、27为超声波信号接收端、28超声波信号处理器。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

一种基于荷载与腐蚀耦合作用下的锚杆加载-腐蚀试验装置，如图1所示，所述装置包括底座1、静载加载装置2、动载加载装置3、腐蚀槽4及监测设备5五部分组成；

如图1及图2所示，所述底座1用于固定岩体试件8、静载加载装置2及动载加载装置3，其中岩体试件8和静载加载装置2固定在底座1中部，动载加载装置3固定于底座1右端；

如图3~5所示，所述静载加载装置2包括岩体加固支架6和锚固荷载控制装置7；如图4所示，岩体加固支架6垂直方向由四根高强角钢9围固岩体试件8，四根高强角钢9下端与底座1通过螺栓固定连接，同时四根高强角钢9通过水平方向两根高强螺杆10和两条45#带状钢条11加固，用于加固岩体；锚固荷载控制装置7位于锚杆自由端处，锚杆自由端处由内及外依次是钢垫环12、环状荷载传感器13和高强法兰螺母14，通过拧紧高强法兰螺母14给锚杆施加拉拔力，同时应用环状荷载传感器13对拉拔力大小实时监测，避免应力松弛引起荷载失恒；

如图6所示，所述动载加载装置3包括重力摆锤15、机械齿轮16及摆锤齿轮支架17，其中重力摆锤15敲击端粘贴高密度橡胶缓冲垫18，避免应力集中引起敲击处局部受损，机械齿轮16是通过电动机19带动固定齿轮转轴20转动运行的，重力摆锤15杆端顶部通过激光切割成斜截面，由机械齿轮16顺时针旋转带动重力摆锤15摆动，重力摆锤15和机械齿轮16均固定于摆锤齿轮支架17上，其中重力摆锤15为固定转轴（不滑移）；

如图7所示，所述腐蚀槽4是由钢化玻璃铸成的方槽，无底且无盖，其中底面由酸性玻璃胶固定于岩体试件8上表面，腐蚀槽4底边边缘距离试件边缘5mm，待粘结牢固后向腐蚀槽4内加入矿井水溶液，液面高度不得高于腐蚀槽4高度的2/3；

如图8所示，所述监测设备5包括声发射监测系统、荷载监测系统、超声波监测系统和数据信息处理系统21；荷载传感器25置于锚杆自由端，荷载传感器25输出端与荷载显示器24输入端相连，声发射传感器23粘贴于岩体试件8两侧用于接收信号，声发射传感器23输出端与声发射信号处理器22输入端连接，荷载显示器24的输出端和声发射信号处理器23的输出端与数据信息处理系统21连接；超声波信号发射端26与超声波信号接收端27通过超声波信号处理器28连接。

所述锚固荷载控制装置7中高强法兰螺母14法兰盘外径要与环状荷载传感器13外径尺寸一致。

所述重力摆锤15提供震动荷载，重力摆锤15摆动的频率及幅值由机械齿轮16控制，其中通过电机19控制齿轮20转速进而改变重力摆锤15摆动频率，通过控制齿轮20齿牙长度即可控制重力摆锤15在摆动过程中的下落高度，从而控制摆动幅值。

所述腐蚀槽4要每周更换溶液，以维持腐蚀性溶液中各离子浓度稳定。

所述监测设备5务必要等动载加载装置3停止工作时才能使用。

所述锚杆加载-腐蚀试验装置的试验操作方法如下：

（1）制作待测试件

根据带研究的矿山地质条件，确定待测试件8中水泥、砂石和水的配合比，浇筑并养护制作待测试件，试件尺寸设定为200mm*200mm*600mm；浇筑时在所浇筑的待测试件8中心预留孔洞，孔径根据试件尺寸初步设定为Φ40mm；用砂浆锚固剂将锚杆长度的3/4固定于试件孔洞中心，并养护。

（2）安装试验装置

将待测试件置于底座1上，首先通过岩体加固支架6固定试件，其次将待测锚杆自由端依次穿入钢垫环12、环状荷载传感器13和高强法兰螺母14，然后将腐蚀槽4用酸性玻璃胶固定于待测试件8顶部，最后安装动载加载装置3。

（3）施加静载

通过扭矩加载扳手拧动高强法兰螺母14给锚杆逐渐施加拉力，直至待测锚杆达到预定荷载，并维持恒定。

（4）腐蚀槽注液

根据具体工况，配制相应腐蚀溶液加入至腐蚀槽4中，液面高度不得高于腐蚀槽4高度2/3，通过腐蚀溶液不断从岩体试件8上部向下部渗流来模拟实际工程中矿井水在岩层渗流腐蚀锚固结构，以达到腐蚀溶液对锚杆锚固结构的腐蚀损伤破坏。

（5）施加动载

预先更换齿轮20并调节好电机19转速，闭合电机工作开关致使摆锤15施加撞击荷载，根据实际情况控制控制动载加载时段，通过控制电机开关亦可实现持续性加载，亦可实现间断性加载。

（6）监测数据

记录荷载显示器24数据，同时补加荷载，维持静载值恒定；将声发射传感器23粘贴与试件两侧，记录数据信息处理系统21中的能量值及试件内部破坏点；通过超声波信号发射端26与超声波信号接收端27对测监测试件内部破坏情况，记录超声波波速。

本发明的整体结构如图1所示，有益效果如下：本发明更真实模拟了矿山环境中锚杆锚固状态，既实现了对待测锚杆施加轴向荷载，又考虑了锚杆服役过程中所受震动荷载的影响，同时创造了锚杆锚固结构受矿井水腐蚀的环境，实现了三因素复杂叠加，更加直观再现锚固系统复杂的工作环境；静载荷大小和动载荷大小及频率均可人为控制，并能实时调节，同时矿井水腐蚀溶液可根据实际工况更换溶液成分；通过设计室内试验并对待测试件进行长期监测，分析锚杆锚固结构力学响应特征和破坏机理，为现场工程设计及评价提供可靠依据，为锚固体系长期服役提供借鉴指导，对于评价地下开挖空间的稳定性和设计地下岩石工程的永久支护有着重要的参考价值。本发明更符合现场情况，操作简单，提高试验效率，测试结果精准可靠。