教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置及系統的製作方法

2023-06-10 05:29:06

本發明涉及試驗設備領域，具體而言，涉及一種教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置及系統。

背景技術：

錨杆是當代煤礦當中巷道支護的最基本的組成部分，它將巷道的圍巖束縛在一起，使圍巖自身支護自身。現在錨杆不僅用於礦山，也用於工程技術中，對邊坡，隧道，壩體進行主動加固。錨杆作為深入地層的受拉構件，它一端與工程構築物連接，另一端深入地層中。

目前，用來評價錨杆錨固質量常用的辦法是通過錨杆拉拔試驗來檢測。由於錨杆應力分布規律的不均勻、錨杆破壞形式的複雜性導致對錨杆抗拔力的測量並不能完全的反應錨杆的錨固狀態。因此通過理論和試驗深入研究錨杆拉拔荷載的傳力機理，能為巖土錨杆的設計和施工提供可靠理論依據，具有重要的工程意義。

拉拔試驗是一種傳統的錨杆錨固質量檢測方法。目前常用的錨杆拉拔試驗為現場實測，現場實測可以得到準確的試驗數據，但是其高昂的費用和巨大的工作量決定了它不可能大量和反覆地進行，也難以用於實驗教學；相比較而言，室內模型試驗的優勢則顯而易見。但是，由於目前的大型模型試驗設備還存在一系列制約因素，導致其難以用於實驗教學。

技術實現要素：

在本發明的第一方面，提供了一種教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置，其具有便於使用的優點，且對試驗環境的要求相對較低，可滿足在非現場條件下的錨固評估。

在本發明的第二方面，提供了一種教學用簡易錨杆拉拔模型試驗系統，其可以實現對錨杆拉拔試驗的試驗周期的縮短、試驗的簡單化，適用於進行實驗時教學。

本發明是這樣實現的：

一種教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置，包括：

本體，本體具有相對的第一端和第二端，第一端和第二端之間限定工作空間，工作空間被配置為安置固定錨杆的部分的裝置，第一端設置有多個連接柱，多個連接柱以凸出於第一端且以沿第二端至第一端的方向延伸的方式布置。

調整架，調整架具有與多個連接柱一一配合可拆卸連接的多個連接部，調整架還具有被配置為固定錨杆的固定部，調整架被配置為沿第一端至第二端的方向受迫地運動，並可選地遠離或靠近第一端。

在較佳的一個示例中，連接部貫穿設置有連接孔，連接柱具有連接端，連接端與連接孔間隙配合。

在較佳的一個示例中，連接孔由側壁限定，側壁具有光滑表面。

在較佳的一個示例中，調整架包括縱向杆和橫向杆，縱向杆與橫向杆以縱橫交錯的方式布置且形成交叉部，固定部位於交叉部。

在較佳的一個示例中，連接部的數量為四個，且分別位於縱向杆的兩端、以及橫向杆的兩端。

在較佳的一個示例中，四個連接部以交叉部為對稱中心。

在較佳的一個示例中，固定部具有錨孔。

在較佳的一個示例中，教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置還包括被配置為驅動調整架運動的頂升機構，頂升機構設置於調整架與第一端之間。

在較佳的一個示例中，頂升機構為頂升螺母，連接柱設置有與螺母匹配的螺紋，頂升螺母被配置為接觸或鄰近連接部的方式套設置於連接柱。

一種教學用簡易錨杆拉拔模型試驗系統，包括上述的教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置。

上述方案的有益效果：本發明實施例提供的教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置具有造價低、易於操作的優點。利用該教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置進行錨杆拉拔試驗，可以縮短試驗周期，減小誤差，同時也適於試驗教學使用。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1示出了本發明實施例提供的教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置的結構示意圖；

圖2示出了圖1提供的教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置中本體的結構示意圖；

圖3示出了圖1提供的教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置中調整架的第一視角結構示意圖；

圖4示出了圖1提供的教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置中錨杆的結構示意圖；

圖5示出了圖1提供的教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置中調整架的第二視角結構示意圖；

圖標：101-錨杆；102-第一部分；103-第二部分；104-螺紋部；201-調整架；202-槽鋼；203-連接孔；301-調整架；302-固定板；306-連接部；401-本體；402-稜；403-工作空間；404-第一端；405-第二端；406-連接柱；500-教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置；501-巖體模擬材料；504-承壓板。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「設置」、「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵之「上」或之「下」可以包括第一和第二特徵直接接觸，也可以包括第一和第二特徵不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特徵接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」包括第一特徵在第二特徵正上方和斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」包括第一特徵在第二特徵正下方和斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。

在本發明中，在不矛盾或衝突的情況下，本發明的所有實施例、實施方式以及特徵可以相互組合。在本發明中，常規的設備、裝置、部件等，既可以商購，也可以根據本發明公開的內容自製。在本發明中，為了突出本發明的重點，對一些常規的操作和設備、裝置、部件進行的省略，或僅作簡單描述。

目前常用的錨杆拉拔試驗為現場實測，現場實測可以得到準確的試驗數據，但是其高昂的費用和巨大的工作量決定了它不可能大量和反覆地進行，也難以用於實驗教學；相比較而言，室內模型試驗的優勢則顯而易見。但是，由於目前的大型模型試驗設備還存在一系列制約因素，導致其難以用於實驗教學。基於此，本發明提出一種新穎的錨杆拉拔試驗設備。

參閱圖1、圖2以及圖3，本實施例提供了一種教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置500，其包括：本體401和調整架301。

其中，如圖1所示的本體401是作為教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置500的主體結構被提供。本體401具有適當的結構強度，以能夠承受拉拔錨杆101試驗中為限。即，在進行拉拔實驗時，本體401受到作用力時不會發生較大的或裸視可見的形變。

鑑於上述內容，本體401優選採用強度相對較大的材料製作而成，具體可以根據錨杆101材質以及拉伸過程中施加的作用力進行擇優選擇使用。

在本發明的一些示例中，本體401由鋼材製作而成，更具體而言，本體401是採用槽鋼製作而成。圖1中，槽鋼以實心柱形的長方體杆作為表示。為保持本體401的整體結構穩定性，提供穩定的支撐作用力，本體401由槽鋼通過焊接固定制成，呈框架結構，以減輕其重量，從而更易於搬運和使用，減少鋼材的使用，降低成本。

參閱圖2，本體401大體上呈長方體形的鏤空式框架結構。作為一種實現方式，本體401由十二根槽鋼202焊接而成。所述的十二根槽鋼202形成長方體的稜402。本體401具有相對的第一端404和第二端405。其中，第一端404由構成長方體的上底的四根槽鋼202限定；第二端405由構成長方體的下底的四根槽鋼202限定。第一端404和第二端405之間限定工作空間403。

在進行錨杆101拉拔試驗時，錨杆101的一部分被通過適當的方式固定於工作空間403內，即，工作空間403主要用於安置固定錨杆101的部分的裝置。錨杆101的另一部分被通過適當的方式施加載荷。

在實際對錨杆101進行拉拔的過程中，基於需要可以在工作空間403內設置適當的機構和結構，以便對錨杆101施加載荷。例如，通過在工作空間403內加裝支撐杆和施力杆以限制錨杆101的自由移動，同時確保錨杆101可以在外部施加的作用力下進行受迫的拉伸運動。

本體401的第一端404設置有多個連接柱406。多個連接柱406以凸出於第一端404且遠離第二端405的方式布置。即，連接柱406沿第二端405向第一端404的方向延伸。作為一種示例，連接柱406的數量為兩個。作為另一種示例，連接柱406的數量為三個。本實施例中，連接柱406的數量為四個。本發明不對連接柱406的具體數量作具體限定，以能夠提供穩定的支撐為限。本發明實施例中，連接柱406的數量為四個。

連接柱406的分布可以有多種選擇，可以根據具體的情況進行選擇使用。較佳地，當連接柱406的數量為四個時，四個連接柱406在同一水平面的軸線的連線形成均勻的四邊形，例如正方形。或者，當連接柱406的數量為三個時，三個連接柱406在同一水平面的軸線的連線形成均勻的三角形，例如正三角形。當連接柱406的數量為其他數量時，連接柱406的布置方式也可以根據需要進行調整。

此外，連接柱406的形狀也可以存在多種選擇，例如，圓柱形、稜柱形。其中，稜柱形可以是三稜柱、四稜柱、五稜柱或六稜柱。

其中，參閱圖3，調整架301是作為向錨杆101施加拉拔作用力的機構被提供。由於對錨杆101進行拉拔時，錨杆101存在一定形變和位移，因此，作為提供拉拔作用力的調整架301也是以具有位移空間的方式布置。換言之，調整架301與本體401相互配合，以使調整架301可以在有目的的人為作用下進行移動。通過調整架301的移動而帶動錨杆101移動，從而可以對錨杆101的錨固效果進行檢驗和實驗。

請一併參閱圖2和圖3，具體地，調整架301具有與多個連接柱406一一配合可拆卸連接的多個連接部306。

連接部306與連接柱406的連接方式可以有多種，可以根據需要進行選擇使用。作為一種實現方式，連接柱406為伸縮柱，即其長度可選地伸長或縮短，連接柱406與連接部306固定連接。當連接柱406和連接部306均為金屬材質時，可以通過焊接的方式進行固定連接。具體地，連接柱406可以是汽缸或千斤頂。當連接主為汽缸時，汽缸的活塞杆與連接部306固定連接，從而實現連接柱406與連接部306的連接。

在本發明實施例中，調整架301採用槽鋼202焊接而成。連接部306位於槽鋼202的端部區域。槽鋼202為u型結構，具有腰部和兩個腿部。兩個腿部分別連接至腰部的相對兩側。調整架301的連接部306位於腰部，且連接部306貫穿設置有連接孔203，連接孔203由側壁圍設而成。對應地，如圖1和圖2所示的連接柱406具有連接端(圖未標)，連接端遠離本體401的第一端404。連接端可沿連接孔203的軸向自由地活動。具體地，連接端與連接孔203間隙配合。連接端的外壁與前述的側壁之間具有適當距離的縫隙。縫隙的距離以連接端可以自由通過連接孔203，而不會以較大幅度晃動為限。

更優地，限定連接孔203的側壁具有光滑表面。光滑表面可以通過打磨或形成光滑鍍層的方式得到。進一步地，還可以塗抹潤滑油。

如前所述，調整架301可通過槽鋼202焊機而成。作為優選的方案，請再次參閱圖3，調整架301包括縱向杆和橫向杆，縱向杆、橫向杆可以是槽鋼202。其中，縱向杆與橫向杆以縱橫交錯的方式布置且形成交叉部，固定部位於交叉部。作為一種可選的方案，固定部具有錨孔。錨杆101連接至固定部，例如，錨杆101與固定部固接，或者錨杆101設置如圖4所示的螺紋部104，螺紋部104穿過錨孔並通過螺母的方式固定於調整架301。較佳地，調整架301的受力部位可以通過焊接肋板以增強和提高整體的受力平衡。

縱向杆與橫向杆的縱橫交錯方式連接，優選為，呈十字交叉的方式焊接而固定連接為一體。被用於進行拉拔實驗的錨杆101以連接至交叉部的方式被固定。

基於前述十字交叉結構的調整架301為例，連接部306的數量優選為四個，且分別位於縱向杆的兩端、以及橫向杆的兩端。相應地，調整架301具有四個連接孔203，四個連接孔203分別位於四個連接部306。作為一種可選的方案，四個連接部306以交叉部為對稱中心。更佳地，四個連接部306，或四個連接孔203以正方形的方式布局，且交叉部位於正方形的兩個對角線的交叉點處。

本實施例中，多個連接柱406與多個連接部306一一配合。具體地，作為一種實現方式，連接部306與連接柱406的數量相等，一個連接柱406對應與一個連接部306。連接部306與連接柱406配合，可以相互運動。例如，在錨杆101拉拔實驗過程中，連接柱406靜止，連接部306相對於連接柱406運動。連接部306相對於連接柱406的運動速度，可以根據實驗過程中的檢測到的錨杆101情況進行調整和選擇。

需要說明的是，連接部306相對於連接柱406的運動可以是通過機械設備傳動而產生，或者通過人工手動驅動而產生。

由於錨杆101被實施載荷以進行拉拔實驗，因此，在實際實驗過程中，錨杆101至少具有延長度方向設置的兩個作用點。針對本發明提出的教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置500，錨杆101具有被固定於工作空間403的部分(第一部分102)，以及被固定在調整架301的部分(第二部分103)。錨杆101優選採用硬質、剛性的擦料製作而成，並且其具有相對一致的垂直度，避免在拉拔過程中發生彎曲。

其中，第一部分102可以是通過各種方式被固定在工作空間403內，例如，鋼架、纜繩等。在本發明實施例中，第一部分102被埋設在巖體模擬材料501內，巖體模擬材料501被固定在工作空間403內。

其中，第二部分103也可以是通過各種方式被固定在調整架301，例如，焊接、栓接、卡接等。在本發明實施例中，調整架301具有固定部。第二部分103與固定部連接，具體可以是固定連接或可拆卸連接。第二部分103與固定部以可拆卸連接的方式，並且可以承受在拉拔實驗過程中的作用力，以便能夠對錨杆101進行拉拔測試。

進一步，為避免拉拔過程中錨杆101對調整架301的破壞。本實施例中，如圖5所示，調整架301還連接有固定板302，以分散應力。通過設置固定板302，分散錨杆101的固定作用力。

參閱圖2，如前所述，本體401具有相對的第一端404和第二端405。設置於調整架301的連接部306可以相對於設置在本體401的第一端404的連接柱406運動。同樣地，調整架301也可以相對於設置在本體401的第一端404的連接柱406運動。換言之，調整架301可相對於本體401運動。

具體地，調整架301能夠在第一端404至第二端405的方向運動，或者，調整架301可以在第二端405至第一端404的方向運動。相對於第一端404而言，調整架301是以靠近或遠離第一端404的方式運動。其中，調整架301的運動是在受迫運動，即在外力驅動下運動。例如，拉拔錨杆101時，調整架301被外力驅動遠離第一端404；當拉拔錨杆101結束後，調整架301在被外力(機械力，如汽缸)或重力驅動下靠近第一端404。

本發明實施例中，調整架301可相對本體401運動。調整架301可以被以各種適合的方式驅動而發生運動。如前所示，驅動裝置可以是汽缸，或氣囊，作為一種可選的方案，教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置500包括被配置為驅動調整架301運動的頂升機構。頂升機構設置於調整架301與第一端404之間，以驅動調整架301遠離本體401運動，或者驅動調整架301靠近本體401運動。

較佳地，頂升機構為頂升螺母(圖未示)。設置於本體401的連接柱406設置有螺紋。連接柱406與螺母相互配合形成螺紋連接。匹配的頂升螺母被配置為接觸或鄰近連接部306的方式套設置於連接柱406。當相對於連接柱406旋轉螺母時，螺母沿連接柱406運動，例如，螺母遠離本體401運動時，螺母可接觸並頂壓調整架301的連接部306，從而驅動調整架301遠離本體401運動。在其他一些示例中，螺母和連接部306之間具有承壓板504，即螺母鄰近連接部306。通過旋轉螺母頂壓承壓板504，進而推動連接部306(或調整架301)沿遠離本體401方向運動。

需要說明的是，本發明中，本體401以鋼框架結構進行示例性的說明，但是，本體401也可以由金屬材料製作而成的殼體結構，其具有一個容納巖體模擬材料501的腔體，以及用於固定調整架301的平整端面。

本實施例還提供了一種教學用簡易錨杆拉拔模型試驗系統。教學用簡易錨杆拉拔模型試驗系統包括錨杆101、錨固材料(如巖體模擬材料501)、檢測儀以及如前述的教學用簡易錨杆拉拔模型試驗裝置500。其中，錨杆101可以選用鋼筋。錨固材料可以是模擬巖體的材料製作而成，例如黃土。檢測儀可以是應變片和百分表。

其中，巖體模擬材料501(錨固材料)被固定在本體401的工作空間403內，錨杆101的一端被埋設在錨固材料內，錨杆101的另一端固定在調整架301。錨杆101的拉拔位移通過百分表測量。錨杆101受到的應力通過應變片測量。較佳地，百分表具有兩個，且以錨杆101對稱地布置。具體地，百分表的主體連接在調整架301，百分表的測量探針通過鋼絲固定在錨固材料。較佳地，應變片也具有兩個，且位於錨杆101的同一水平面的相對兩側，並以錨杆101的軸線對稱地布置。通過設置對稱布置的百分表、應變片可以提高檢測的準確性，減小誤差。

拉板錨杆101實驗時，通過調整頂升機構(如頂升螺母)調整架301整體同步地以遠離本體401的方式在豎直方向上運動。通過記錄百分表和應變片的反饋數據，當壓力或者位移讀數達到預定值時，或者當壓力計讀數下降而位移計讀數增大時，停止施加載荷。測試後，可整理出錨杆的位移荷載曲線，從而分析錨杆的受力狀況和錨固質量。通過採用頂升螺母施加載荷驅動調整架301，錨杆101可以收到持續的豎直方向的作用力，可避免錨杆101在拉拔過程中發生扭轉而導致的破壞以及產生的扭矩對實驗結果的不利影響。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。