CN120084632B 复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性测试装置及方法 （中国矿业大学）

(19)国家知识产权局(12)发明专利孟波朱淳张元超公司11901复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性一种复杂荷载作用下锚固岩体拉剪/压剪特性测二加载模块通过第二传力模块与装夹组件传动21.一种复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性测试装置，其特征在于，包括：装夹组件，所述装夹组件可装夹用于进行试验的岩体试样(1),所述岩体试样(1)设计成工字型；第一加载组件，所述第一加载组件包括用于提供拉、压荷载的第一加载模块，所述第一加载模块通过第一传力模块与所述装夹组件传动连接，对岩体试样(1)的中部进行拉、压荷载的加载；第二加载组件，所述第二加载组件包括用于提供拉剪、压剪荷载的第二加载模块，所述第二加载模块通过第二传力模块与所述装夹组件传动连接，对岩体试样(1)的中部进行拉所述装夹组件包括分别与所述岩体试样(1)两端卡接设置的端部夹具(2),两所述端部夹具(2)分别与所述第一传力模块的输出端传动连接；所述装夹组件包括套设在所述岩体试样(1)的中部的剪切盒(3),所述剪切盒(3)的两侧分别与所述第二传力模块的输出端传动连接；所述第一传力模块的内圈传动连接有对称布置的第一传力杆(7)和第二传力杆(8),所述第一传力杆(7)和所述第二传力杆(8)分别与两所述端部夹具(2)传动连接；所述第一传力模块包括两个呈半环形设置的第一传力盘(9),两所述第一传力盘(9)分别与所述第一加载模块传动连接；所述第一传力杆(7)和第二传力杆(8)的两端分别与所述第一传力盘(9)的内圈传动连接；所述第二传力模块传动连接有对称布置的第三传力杆(15)和第四传力杆(16),所述第三传力杆(15)和所述第四传力杆(16)分别与所述剪切盒(3)的两侧传动连接；所述第二传力模块包括两个呈半环形设置的第二传力盘(17),两所述第二传力盘(17)分别与所述第二加载模块传动连接，所述第三传力杆(15)和所述第四传力杆(16)分别与所述第二传力盘(17)的内圈地传分配动连接。2.根据权利要求1所述的复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性测试装置，其特征在于：所述第一传力盘(9)上开设有若干对应设置的第一调节孔(10)和第二调节孔(11),所述第一加载模块通过所述第一调节孔(10)与所述第一传力盘(9)传动连接，所述第一传力杆(7)和所述第二传力杆(8)分别通过所述第二调节孔(11)与所述第一传力盘(9)传动连3.根据权利要求1所述的复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性测试装置，其特征在于：所述第二传力盘(17)上开设有若干对应设置的第三调节孔(18)和第四调节孔(19),所述第二加载模块通过所述第三调节孔(18)与所述第二传力盘(17)传动连接，所述第三传力杆(15)和所述第四传力杆(16)分别通过所述第四调节孔(19)与第二传力盘(17)传动连4.一种复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性测试方法，基于权利要求1-3任一项所述的复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性测试装置，其特征在于包括以下步骤：根据岩体结构参数制备用于进行试验的岩体试样(1);选择与岩体试样(1)相适配的装夹组件，并通过装夹组件对岩体试样(1)进行装夹固将测试装置的第一加载组件和第二加载组件的输出端分别与装夹组件连接，实现对岩3体试样(1)的定位和加载；启动第一加载组件，通过第一加载模块对装夹组件进行加载，实现对岩体试样(1)的启动第二加载组件，通过第二加载模块对装夹组件进行加载，实现对岩体试样(1)的拉同时启动第一加载模块和第二加载模块，同时对岩体试样(1)施加耦合的拉、压荷载和调节第一加载模块和第二加载模块的加载方向，实现不同形式的荷载的施加。4复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性测试装置及方法技术领域[0001]本发明涉及岩石材料剪切试验技术领域，尤其涉及一种复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性测试装置及方法。背景技术[0002]在岩石力学领域中，锚固岩体的力学性能研究一直是工程界关注的重点。特别是剪、压剪特性直接关系到工程的稳定性和安全性。[0003]现有的锚固岩体测试方法大多局限于单一的静力或动力荷载条件，无法全面模拟工程实际中的复杂受力状态。在不同荷载条件下，锚固岩体呈现出各异的力学特性。在较为单一的荷载作用下，其主要表现出拉伸、压缩及剪切等基本力学特性；而在复杂荷载作用下，锚固岩体的力学行为表现出高度的复杂性和不确定性，其内部结构和力学响应发生显著变化，导致整体力学性能难以准确预测。然而，现有的测试方法和装置大多存在局限性，无法准确测量锚固岩体在复杂应力状态下的拉剪、压剪特性；部分测试装置仅能实现单一方向的加载，无法模拟多向应力状态，导致测试结果与实际工程情况存在较大偏差。[0004]因此，亟需设计一种复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性测试装置及方法来解决上述的技术问题。发明内容[0005]本发明的目的是提供一种复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性测试装置及方法，以解决现有技术存在的问题。[0006]为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种复杂荷载作用下锚固[0007]装夹组件，所述装夹组件可装夹用于进行试验的岩体试样，所述岩体试样设计成工字型；[0008]第一加载组件，所述第一加载组件包括用于提供拉、压荷载的第一加载模块，所述第一加载模块通过第一传力模块与所述装夹组件传动连接，对岩体试样的中部进行拉、压荷载的加载；[0009]第二加载组件，所述第二加载组件包括用于提供拉剪、压剪荷载的第二加载模块，所述第二加载模块通过第二传力模块与所述装夹组件传动连接，对岩体试样的中部进行拉[0010]优选的，所述装夹组件包括分别与所述岩体试样两端卡接设置的端部夹具，两所述端部夹具分别与所述第一传力模块的输出端传动连接。[0011]优选的，所述装夹组件包括套设在所述岩体试样的中部的剪切盒，所述剪切盒的两侧分别与所述第二传力模块的输出端传动连接。[0012]优选的，所述第一传力模块的内圈传动连接有对称布置的第一传力杆和第二传力5杆，所述第一传力杆和所述第二传力杆分别与两所述端部夹具传动连接。[0013]优选的，所述第一传力模块包括两个呈半环形设置的第一传力盘，两所述第一传力盘分别与所述第一加载模块传动连接；所述第一传力杆和第二传力杆的两端分别与所述第一传力盘的内圈传动连接。[0014]优选的，所述第一传力盘上开设有若干对应设置的第一调节孔和第二调节孔，所述第一加载模块通过所述第一调节孔与所述第一传力盘传动连接，所述第一传力杆和所述第二传力杆分别通过所述第二调节孔与所述第一传力盘传动连接。[0015]优选的，所述第二传力模块传动连接有对称布置的第三传力杆和第四传力杆，所述第三传力杆和所述第四传力杆分别与所述剪切盒的两侧传动连接。[0016]优选的，所述第二传力模块包括两个呈半环形设置的第二传力盘，两所述第二传力盘分别与所述第二加载模块传动连接，所述第三传力杆和所述第四传力杆分别与所述第二传力盘的内圈传动连接。[0017]优选的，所述第二传力盘上开设有若干对应设置的第三调节孔和第四调节孔，所述第二加载模块通过所述第三调节孔与所述第二传力盘传动连接，所述第三传力杆和所述第四传力杆分别通过所述第四调节孔与第二传力盘传动连接。[0018]本发明还公开了一种基于复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性测试装置的[0019]根据岩体结构参数制备用于进行试验的岩体试样；[0020]选择与岩体试样相适配的装夹组件，并通过装夹组件对岩体试样进行装夹固定；[0021]将测试装置的第一加载组件和第二加载组件的输出端分别与装夹组件连接，实现对岩体试样的定位和加载；[0022]启动第一加载组件，通过第一加载模块对装夹组件进行加载，实现对岩体试样的[0023]启动第二加载组件，通过第二加载模块对装夹组件进行加载，实现对岩体试样的[0024]同时启动第一加载模块和第二加载模块，同时对岩体试样施加耦合的拉、压荷载[0025]调节第一加载模块和第二加载模块的加载方向，实现不同形式的荷载的施加。[0026]与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明公开了一种复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性测试装置及方法，实现对岩体试样多种荷载加载测试，评估岩体在不同荷载条件下的力学特性；主要由装夹岩体试样的装夹组件、第一加载组件和第二加载组件组成，装夹组件的主要作用是固定用于试验的工字型的岩体试样，工字型的岩体试样设计，相较于常规形状，可能在受力分布上更符合实际锚固岩体的特点，能够更有效地传递和分散荷载，减少因试样形状不合理导致的试验误差，提高试验结果的准确性和可靠性；同时，这种形状也便于装夹和加载操作，提高试验效率，可深入研究目标位置在复杂荷载作用下的承载能力、变形特征和破坏模式，有助于优化锚固设计和提高工程安全性；通过第一加载组件和第二加载组件分别对岩体试样中部施加不同类型的荷载，能够精准模拟锚固岩体在实际工程中可能遇到的拉、压、拉剪、压剪等复杂荷载工况，与传统单一荷载测试相比，该装置可以更真实地反映岩体在复杂环境下的力学行为，为锚固岩体工程的设6计和施工提供更准确的数据支持。第一加载组件包含第一加载模块，该模块能够提供拉、压荷载，荷载通过第一传力模块与装夹组件传动连接，将荷载准确地传递到岩体试样上，可以对岩体试样中部单独施加拉、压荷载，用于研究岩体在单一拉、压受力情况下的力学特性；而第二加载组件由第二加载模块构成，可提供拉剪、压剪荷载，并通过第二传力模块与装夹组件相连，同样对岩体试样的中部加载，能够模拟岩体在实际工程中受到拉剪或压剪复杂荷载作用的情况，从而获取岩体在复杂受力状态下的特性数据；同时本申请还能将拉、压、拉剪、压剪等多种荷载测试集成在同一装置中，无需更换不同的试验设备即可实现对岩体试样上复杂的荷载的耦合加载，在同一装置上完成多种类型的试验，全面研究锚固岩体的力学性能，降低试验成本和时间成本，提高试验的便利性和效率。[0027]本发明操作简便、适用范围广，能够模拟实际工程中的复杂荷载条件，提供高精度的试验数据，全面评估岩体力学特性，为岩体工程的设计和稳定性分析提供重要依据，具有较高的实用价值。附图说明[0028]构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：[0029]图1为本发明加载装置轴视图；[0030]图2为本发明岩体试样轴视图；[0031]图3为本发明第一加载组件主视图；[0032]图4为本发明第二加载组件主视图；[0033]图5为本发明装夹组件结构示意图；具体实施方式[0035]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他[0036]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。[0037]参照图1-图5所示，本实施例提供一种复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性[0038]装夹组件，装夹组件可装夹用于进行试验的岩体试样1,岩体试样1设计成工字型；[0039]第一加载组件，第一加载组件包括用于提供拉、压荷载的第一加载模块，第一加载模块通过第一传力模块与装夹组件传动连接，对岩体试样1的中部进行拉、压荷载的加载；7[0040]第二加载组件，第二加载组件包括用于提供拉剪、压剪荷载的第二加载模块，第二加载模块通过第二传力模块与装夹组件传动连接，对岩体试样1的中部进行拉剪、压剪荷载的加载。[0041]本发明公开了一种复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性测试装置及方法，实现对岩体试样1多种荷载加载测试，评估岩体在不同荷载条件下的力学特性；主要由装夹岩体试样1的装夹组件、第一加载组件和第二加载组件组成，装夹组件的主要作用是固定用于试验的工字型的岩体试样1,工字型的岩体试样1设计，相较于常规形状，可能在受力分布上更符合实际锚固岩体的特点，能够更有效地传递和分散荷载，减少因试样形状不合理导致的试验误差，提高试验结果的准确性和可靠性；同时，这种形状也便于装夹和加载操作，提高试验效率，可深入研究目标位置在复杂荷载作用下的承载能力、变形特征和破坏模式，有助于优化锚固设计和提高工程安全性；通过第一加载组件和第二加载组件分别对岩体试样1中部施加不同类型的荷载，能够精准模拟锚固岩体在实际工程中可能遇到的拉、压、拉剪、压剪等复杂荷载工况，与传统单一荷载测试相比，该装置可以更真实地反映岩体在复杂环境下的力学行为，为锚固岩体工程的设计和施工提供更准确的数据支持。第一加载组件包含第一加载模块，该模块能够提供拉、压荷载，荷载通过第一传力模块与装夹组件传动连接，将荷载准确地传递到岩体试样1上，可以对岩体试样1中部单独施加拉、压荷载，用于研究岩体在单一拉、压受力情况下的力学特性；而第二加载组件由第二加载模块构成，可提供模拟岩体在实际工程中受到拉剪或压剪复杂荷载作用的情况，从而获取岩体在复杂受力状无需更换不同的试验设备即可实现对岩体试样1上复杂的荷载的耦合加载，在同一装置上完成多种类型的试验，全面研究锚固岩体的力学性能，降低试验成本和时间成本，提高试验的便利性和效率。本发明操作简便、适用范围广，能够模拟实际工程中的复杂荷载条件，提供高精度的试验数据，全面评估岩体力学特性，为岩体工程的设计和稳定性分析提供重要[0042]在本发明的一个实施例中，岩体试样1设计成工字型结构，装夹组件分别与岩体试样1的两端和中部装夹设置。岩体试样1设置成工字型，增强了岩体试样1的受力性能，便于测试其抗剪、抗拉性能，同时可方便装夹组件对岩体试样1的装夹，并且方便第一加载模块和第二加载模块对工字型的岩体试样1进行荷载加载，装置确保了测试的准确性和可靠性。[0043]在本申请的一个扩展实施方式中，岩体试样1内可设置有锚杆20,方便对岩体试样1进行加固，模拟锚杆20加固后的岩体结构。[0044]进一步优化方案，装夹组件包括分别与岩体试样1两端卡接设置的端部夹具2,端部夹具2分别与第一传力模块的加载端传动连接。端部夹具2设计成框型结构，岩体试样1两端的横梁卡入端部夹具2内，方便对岩体试样1的两端进行装夹，便于施加拉、压荷载，确保了荷载的准确传递，提高了加载荷载测试的准确性。[0045]在本申请的一个实施例中，当岩体试样1中设置有锚杆20时，端部夹具2内设置有让位孔21,让位孔21与锚杆20对应设置，当对内置有锚杆20的岩体试样1装夹时，锚杆20的端头卡入让位孔21内，方便安装。[0046]进一步优化方案，装夹组件包括套设在岩体试样1的中部的剪切盒3,剪切盒3的两8侧分别与第二传力模块的输出端传动连接。剪切盒3套设在工字型的岩体试样1中部区域，将剪切盒3的两侧与第二传力模块的输出端传动连接，便于施加拉剪、压剪荷载，确保了荷载的准确传递，有助于测试岩体试样1的剪切性能。[0047]进一步优化方案，第一传力模块的内圈传动连接有对称布置的第一传力杆7和第二传力杆8,第一传力杆7和第二传力杆8分别与两端部夹具2传动连接。第一加载模块的输出端与第一传力模块输入端传动连接，第一传力模块上传动连接的第一传力杆7和第二传力杆8对称布置在岩体试样1的两侧，进而分别连接到上下两端的端部夹具2上，方便对岩体试样1进行拉、压荷载的加载，同时保证了加载的稳定性以及确保了荷载的均匀传递，提高了测试的准确性。[0048]在本发明的一个实施例中，第一加载组件还包括框架形的第一加载架4,作为第一加载模块的安装基础，保证了加载过程的稳定性，便于施加拉、压荷载；第一加载模块安装在第一加载架4的内圈进行固定，其输出端与第一传力模块传动连接。[0049]进一步优化方案，第一传力模块包括两个呈半环形设置的第一传力盘9,两第一传力盘9分别与第一加载模块传动连接；第一传力杆7和第二传力杆8的两端分别与第一传力盘9的内圈传动连接。第一传力模块包括两个对称布置的第一传力盘9,第一传力盘9设计成半环形结构，方便将第一加载模块的荷载均匀地分配，再将荷载通过第一传力杆7和第二传力杆8加载到岩体试样1上，便于荷载的均匀分布和传递，提高了测试的准确性和稳定性，且两个第一传力盘9之间设计有间隙，作为加载过程中两个第一传力盘9之间的移动间隙，避免相互影响；同时第二加载模块与该间隙对应，第二传力模块穿过该间隙与剪切盒3的侧壁传动连接，方便第二加载模块的荷载传递给岩体试样1。[0050]进一步优化方案，第一传力盘9上开设有若干对应设置的第一调节孔10和第二调节孔11,第一加载模块通过第一调节孔10与第一传力盘9传动连接，第一传力杆7和第二传力杆8分别通过第二调节孔11与第一传力盘9传动连接。第一调节孔10呈弧形等间距设置在第一传力盘9的外圈，方便第一加载模块与第一传力盘9进行连接；同时可通过第一加载模块与第一传力盘9的不同位置的第一调节孔10连接，可实现不同角度的拉、压荷载加载；而第二调节孔11两个一组与第一调节孔10对应设置，第一传力杆7和第二传力杆8的端部通过第二调节孔11与第一传力盘9连接，方便进行荷载传递，便于调整第一加载模块与第一传力杆7、第二传力杆8的连接位置，实现不同角度的荷载加载，提高了测试的灵活性和准确性。[0051]在本申请的一个实施例中，第一加载模块包括上下对应设置的第一加载设备5和第二加载设备6,第一加载设备5和第二加载设备6分别安装在第一加载架4上，并通过相适配的第一连接块22和第一调节孔10实现对第一传力盘9的荷载加载。[0052]在本申请的一个实施例中，第一传力杆7和第二传力杆8分别通过相适配的第二连接块23和第二调节孔11连接到第一传力盘9上。[0053]进一步优化方案，第二传力模块传动连接有对称布置的第三传力杆15和第四传力杆16,第三传力杆15和第四传力杆16分别与剪切盒3的两侧传动连接。第二加载模块的输出端与第二传力模块的左右两侧传动连接，第二传力模块上传动连接的第三传力杆15和第四传力杆16对称布置在岩体试样1的两侧，进而连接到剪切盒3上，方便对岩体试样1进行拉剪、压剪荷载的加载，同时保证了加载的稳定性以及确保了荷载的均匀传递，提高了测试的准确性。9[0054]在本发明的一个实施例中，第二加载组件还包括框架形的第二加载架12,作为第二加载模块的安装基础，保证了加载过程的稳定性，便于施加拉剪、压剪荷载；第二加载模块安装在第二加载架12的内圈进行固定，其输出端与第二传力模块传动连接。[0055]进一步优化方案，第二传力模块包括两个呈半环形设置的第二传力盘17,两第二传力盘17分别与第二加载模块传动连接，第三传力杆15和第四传力杆16分别与第二传力盘17的内圈传动连接。第二传力模块包括两个对称布置的第二传力盘17,第二传力盘17设计成半环形结构，方便将第二加载模块的荷载均匀地分配，再将荷载通过第三传力杆15和第四传力杆16加载到岩体试样1上，便于荷载的均匀分布和传递，提高了测试的准确性和稳定性，且两个第二传力盘17之间设计有间隙，第一传力杆7和第二传力杆8与该间隙对应，既能作为加载过程中两个第二传力盘17之间的移动间隙，还能方便第一传力杆7和第二传力杆8的荷载传递。[0056]进一步优化方案，第二传力盘17上开设有若干对应设置的第三调节孔18和第四调节孔19,第二加载模块通过第三调节孔18与第二传力盘17传动连接，第三传力杆15和第四传力杆16分别通过第四调节孔19与第二传力盘17传动连接。第三调节孔18呈弧形等间距设置在第二传力盘17的外圈，方便第二加载模块与第二传力盘17进行连接；同时可通过第二加载模块与第二传力盘17的不同位置的第三调节孔18连接，可实现不同角度的拉剪、压剪荷载加载；而第四调节孔19两个一组与第三调节孔18对应设置，第三传力杆15和第四传力杆16的端部通过第四调节孔19与第二传力盘17连接，方便进行荷载传递，便于调整第二加载模块与第三传力杆15、第四传力杆16的连接位置，实现不同角度的荷载加载，提高了测试的灵活性和准确性。[0057]在本申请的一个实施例中，第二加载模块包括左右对应设置的第三加载设备13和第四加载设备14,第三加载设备13和第四加载设备14分别安装在第二加载架12上，通过相适配的第三连接块24和第三调节孔18实现对第二传力盘17的荷载加载。[0058]在本申请的一个实施例中，第三传力杆15和第四传力杆16分别通过相适配的第四连接块25和第四调节孔19连接到第二传力盘17上。[0059]综上所述，该设备可对有锚杆20或无锚杆20的工字型岩体试样1施加多种荷载：既可施加轴向或偏心的拉、压荷载，也可施加侧向垂直于试样轴线的荷载，包括轴向或偏心的[0060]本发明还公开了一种基于复杂荷载作用下锚固岩体拉剪和压剪特性测试装置的[0061]根据岩体结构参数制备用于进行试验的岩体试样1;岩体试样1制备需要根据实际岩体结构参数制备，确保岩体试样1能够反映实际岩体的力学特性，提高测试的参数精准[0062]选择与岩体试样1相适配的装夹组件，并通过装夹组件对岩体试样1进行装夹固定；保证岩体试样1在加载过程中的稳定性，确保试样在加载过程中不会发生滑动或脱落，同时通过装夹组件对岩体试样1施加荷载；[0063]将测试装置的第一加载组件和第二加载组件的输出端分别与装夹组件连接，实现对岩体试样1的定位和加载；[0064]启动第一加载组件，通过第一加载模块对装夹组件进行加载，实现对岩体试样1的拉、压荷载的施加，测量拉、压荷载的值以及岩体试样的变形量；第一加载设备5和第二加载设备6通过第一传力盘9施加荷载，可对岩体试样1施加轴向的和偏心的拉力和压力；其中，偏心的荷载通过旋转第一传力盘9实现；旋转第一传力盘9时，第一传力杆7和第二传力杆8与剪切盒3之间的连接设置为可旋转