[发明专利]一种锚固体相似材料试验加载系统

说明书

本发明涉及巷道锚固体支护性能测试技术领域，公开了一种锚固体相似材料试验加载系统，包括外部框架以及内部加载设备，内部加载设备设置于外部框架内；内部加载设备包括四个侧面加载装置和多个顶面加载装置；其中两个侧面加载装置组沿试件的长轴方向相对而设，另外两个侧面加载装置沿试件的短轴方向相对而设，多个顶面加载装置均设置于试件的高度方向的上方，且沿试件长轴方向依次设置，四个侧面加载装置和多个顶面加载装置围合形成容纳试件的腔体，四个侧面加载装置以及多个顶面加载装置分别通过采集终端与控制终端电连接。本发明具有适用于锚固体相似材料试件，能反映锚固体顶部载荷分区变化特征的技术效果。

技术领域

本发明涉及巷道锚固体支护性能测试技术领域，具体涉及一种锚固体相似材料试验加载系统。

背景技术

在采矿工程和岩土工程领域，相似材料模型试验是重要的研究方法，即按照一定的容重相似比、几何相似比和应力相似比，并根据原位模型的位移边界条件和应力边界条件，建立实验室可操作的相似材料试件和试验系统，还原巷道、隧道、采场等原位模型的变形和受力状态。相似材料模型试验过程如下：首先，计算原位模型和相似模型的相似比，包括反映模型尺寸比例关系的几何相似比、反映模型密度比例关系的容重相似比以及反映模型应力或强度比例关系的应力相似比；其次，在容重相似比计算结果基础上，采用胶结剂(水泥、石膏)、填料(黄砂、石英砂)和添加剂(油脂、石蜡)等试验材料，开展相似材料配比试验，即采用不同胶结剂、填料和添加剂的配比，将相似材料加工为标准岩石力学试件，进行单轴抗压、抗拉和抗剪强度试验，并将试验结果与岩石的实际力学参数进行比较，当满足应力相似比时的材料配比作为相似材料模拟试验的最优配比，以求准确反映巷道、隧道、采场等原位岩石的力学参数；再次，根据最优材料配比进行相似材料准备，并依据几何相似比构建实验室相似材料模型，待模型干燥成型后根据原位模型边界条件对相似材料模型施加边界条件；最后，开展巷道、隧道、采场等工程的相似材料模型实验室试验，即模拟采矿工程和岩土工程领域的地下结构的开挖步骤，并采用实时监测和数据记录设备，记录地下工程围岩的变形和应力变化状态，用于分析原位模型的稳定性。

采矿工程中的巷道开挖形成后，原岩三向应力状态产生显著变化，其围岩内形成典型的破碎区、塑性区和弹性区，并且沿巷道断面的切向成为最大主应力方向，切向应力成为最大主应力；沿巷道断面的径向成为最小主应力方向，径向应力成为最小主应力；沿巷道轴向方向成为中间主应力方向，轴向应力成为中间主应力；其中，在三区范围内切向应力出现减小-增大-减小-稳定的分布特征。巷道围岩采用锚杆或锚索支护后，锚杆与围岩通过锚固作用和外端预应力作用形成相应的锚固体结构，若将实际锚固体承载结构中成组锚杆与围岩形成的锚固体取出，那么锚固体原型顶部边界的切向应力随着与巷道表面的距离变化而变化。

当前锚固体相似材料模拟试验存在以下问题：目前此类试验系统适用的相似材料试件尺寸偏小，仅能反映锚固体原型中的少部分锚固体的变形和应力状态，无法全面测试锚杆全长作用范围内的岩体的力学特性，以及深部锚杆未作用区域的岩体的变形特性；若采用原有试验设备开展大尺寸锚固体的相似材料力学试验，试验设备整体刚性及加载设备刚性不足，无法准确反映大尺寸锚固体相似材料的加卸载力学性能。当前的试验系统顶部加卸载系统为一个加载油缸或多组加载油缸同步加卸，无法实现巷道开挖后锚固体模型顶部载荷随距离的变化，同时也无法反映模型顶部载荷的分区变化特征，导致锚固体模型应力边界条件与现场锚固体原型的应力边界条件差异较大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种锚固体相似材料试验加载系统，解决现有技术中锚固体相似材料试验加载系统无法适用锚固体相似材料试件，载荷不够且顶部载荷无法反应分区变化特征的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种锚固体相似材料试验加载系统，包括外部框架、内部加载设备、采集终端以及控制终端，所述内部加载设备设置于所述外部框架内；