本发明涉及一种锚固体耦合力学性能测试装置及其试验方法，属锚固体力学特性测试。
背景技术：
1、目前煤矿巷道主要采用锚杆/索的支护形式，掌握锚杆/索的受力和变形规律对于维护巷道稳定尤为重要。然而，进入深部开采以后，由于深部地应力大，巷道围岩呈现显著的浅部张拉、深部剪切的破坏形态，且锚固体的剪切作用力与锚杆/索间往往具有一定的夹角，锚固围岩处于一种拉-压-剪耦合的复杂应力状态。目前对岩体或锚固体力学综合性能的研究主要通过室内拉压、拉剪或拉压剪的形式进行研究，例如专利号为201910515575.x的拉压剪切复合实验设备可实现岩石材料的拉、压、剪综合性能测试，但不能测试锚杆/索拉伸、锚固体压剪状态下的锚固体力学性能；专利号为202211420211.1的复合载荷下的全尺寸岩体锚杆锚固性能的试验系统及方法，可实现锚杆或锚固体的拉、剪、扭力学性能测试，但该设备结构较为复杂，且未考虑外部压缩作用和剪切角度对锚固体综合性能的影响。因此，为了在室内最大程度还原深部巷道锚固围岩真实受拉、压、剪耦合作用的状态并进行锚固体力学性能测试，有必要开发一种锚固体拉-压-剪耦合力学性能测试试验机和综合性能测试方法。
2、针对这一问题，本技术提供了一种锚固体耦合力学性能测试装置及其试验方法，用于解决现有技术中的技术问题。
技术实现思路
1、为了解决现有技术上的不足，本发明提供一种锚固体耦合力学性能测试装置及其试验方法，该发明设备结构集成化、模块化程度高，操作简单，使用灵活方便，可有效的满足多种结构类型的锚固体试样开展检测作业的需要，并可同时有效满足拉力、压力、剪切力单独检测测试作业的需要，另可有效满足拉力、压力、剪切力三种作用力中的任意两类或三类耦合状态下对锚固体试样综合力学性能检测作业的需要，且实验损耗低，检测结果全面可靠，从而实现了静载以及不同角度、强度载荷的施加下锚固体力学性能综合检测的需要，并为锚固体在实际使用负载载荷条件下破坏机理研究提供准确的理论依据。
2、一种锚固体耦合力学性能测试装置及其试验方法，包括承载台、测试架、定位夹具、弯曲立柱、升降驱动机构、驱动导轨、水平驱动机构、承载座、锥形锁紧套及驱动控制机构，测试架为轴线与水平面垂直分布、且轴向截面呈矩形的框架结构，其下端面与承载台连接并同轴分布，定位夹具位于测试架内，与测试架顶部连接并与测试架同轴分布，弯曲立柱为圆弧形柱状结构，共两个并位于检测架内，两弯曲立柱通过升降驱动机构与检测架内侧面滑动连接，且弯曲立柱对称分布在测试架轴线连接，并位于检测架上半部内，承载座位于定位夹具下方并与测试架同轴分布，承载座内设一个与其同轴分布的装配孔，并通过装配孔与锥形锁紧套连接，且锥形锁紧套上半部嵌于装配孔内并与装配孔间同轴分布，水平驱动机构共两条，对称分布在测试架轴线两侧并与测试架轴线相交，水平驱动机构后端面通过驱动导轨与弯曲立柱间滑动连接，驱动导轨嵌于弯曲立柱侧表面内并为与弯曲立柱同轴分布的圆弧状结构，驱动控制机构位于测试架外，并分别与定位夹具、升降驱动机构、驱动导轨、水平驱动机构、承载座、锥形锁紧套间电气连接。
3、进一步的，所述的测试架内设一个与其同轴分布的分割板，所述分隔板位于承载座上方，同时位于弯曲立柱下方，所述分割板与测试架侧壁连接，所述分割板为横断面呈矩形的板状结构，所述分割板设一个与测试架同轴分布的导向孔，且导向孔对应的测试架前端面位置设一个宽度为其直径的0.8—1.2倍的装配槽。
4、进一步的，所述分割板上端面设一个与其同轴分布的定位座，所述定位座包括滑槽、定位板、夹紧块、调节螺栓、弹性衬板，所述定位板为等腰梯形板状结构，定位板下端面通过滑槽与分隔板上端面滑动连接，并与分隔板的导向孔同轴分布，所述定位板前端面位置设一个调节槽，调节槽位于定位板中线位置，同时调节槽轴线与导向孔轴线垂直并相交，且调节槽深度不小于定位板宽度的60%，所述夹紧块嵌于调节槽内，与调节槽侧壁间滑动连接，同时夹紧块通过两条调节螺栓与调节槽槽底连接，所述调节螺栓对称分布在调节槽轴线两侧，并与调节槽轴线平行分布，且调节螺栓前端面位于夹紧块前端面外，所述弹性衬板共两个，并分别包覆在调节槽槽底及夹紧块后端面外。进一步的，所述的承载座包括摆动机构、托板、升降驱动柱、拉压力传感器、倾角传感器，其中所述摆动机构共两个，对称分布在测试架轴线两侧并与测试架底部及内侧面连接，且两摆动机构的旋转轴间同轴分布并与测试架轴线垂直分布并相交，同时每个摆动机构均与一条升降驱动柱连接，且所述升降驱动柱轴线与摆动机构旋转轴垂直分布，并与测试架底部呈45°—90°夹角，所述托板为与测试架同轴分布的板状结构，托板通过升降驱动柱与摆动机构连接，且托板左侧面和右侧面均与测试架内侧面间相抵并滑动连接，且升降驱动柱轴线与测试架底部垂直分布时，托板板面与测试架底部平行分布，所述装配孔嵌于托板内并与托板同轴分布，所述装配孔内设拉压力传感器，且装配孔孔壁通过拉压力传感器与锥形锁紧套连接，所述倾角传感器与其中一条升降驱动柱外侧面连接，同时所述摆动机构、升降驱动柱、拉压力传感器、倾角传感器均与驱动控制机构电气连接。
5、进一步的，所述托板下端面另设一个卡盘，所述卡盘与托板同轴分布，同时所述托板下端面与卡盘间通过导向滑轨滑动连接，且导向滑轨至少两条，并环绕托板轴线均布，所述卡盘另包覆在锥形锁紧套下半部外。进一步的，所述水平驱动机构包括滑套、伸缩驱动柱、压力传感器、卡箍及棘轮机构，所述伸缩驱动柱后端面通过棘轮机构与滑套铰接，前端面通过棘轮机构与卡箍铰接，其中所述滑套为横断面呈“冂”字形槽状结构，包覆在弯曲立柱外并与弯曲立柱间滑动连接，同时滑套的槽底与驱动导轨间相互连接，同时所述卡箍轴线与测试架轴线平行分布，且卡箍内另设一个压力传感器，同时所述伸缩驱动柱、压力传感器均与驱动控制机构电气连接。
6、进一步的，所述驱动控制机构包括配电柜、装配背板、基于工业计算机的驱动控制机构、基于网络服务器的数据分析单元、操控界面及接线端子，装配背板位于配电柜内，并将配电柜分割为一个动力室和一个数据分析室，基于工业计算机的驱动控制机构位于动力室内，基于网络服务器的数据分析单元位于数据分析室内，基于工业计算机的驱动控制机构、基于网络服务器的数据分析单元分别与接线端子、操控界面电气连接，接线端子和操控界面均嵌于配电柜外侧面，且接线端子分别与定位夹具、升降驱动机构、驱动导轨、水平驱动机构、承载座、锥形锁紧套间电气连接。
7、一种锚固体耦合力学性能测试装置的测试方法，包括如下步骤：s1，系统装配，首先根据使用需要，对承载台、测试架、定位夹具、弯曲立柱、升降驱动机构、驱动导轨、水平驱动机构、承载座、锥形锁紧套及驱动控制机构进行组装装配，得到成品测试装置，并在测试装置处于待机状态时，一方面调节承载座处于最低位置，且锥形锁紧套轴线与测试架底部垂直分布；另一方面调节水平驱动机构处于收缩状态，同时两弯曲立柱均处于最低点位置，即可完成系统配置；
8、s2，试样装载，首先将待检测锚固体的混凝土基体与定位夹具连接并同轴分布，同时使待检测锚固体的金属锚杆通过锥形锁紧套进行连接定位，然后通过升降驱动柱调整承载座的高度，使锥形锁紧套包覆在锚固体试样的金属锚杆外，且锚固体试样下端面位于锥形锁紧套下端面外并与锥形锁紧套同轴分布；最后一方面由驱动导轨调整两水平驱动机构的工作位置；另一方面驱动水平驱动机构进行伸出调节，并使两水平驱动机构对称分布在锚固体试样轴线两侧，并对锚固体试样的混凝土基体的外侧面；s3，测试作业，完成s2步骤后，即可进行对待检测锚固体进行力学性能测试实验，力学性能测试包括抗压检测、抗拉检测、弯折检测及抗剪切检测，具体为：
9、抗压检测，通过s2步骤完成待检测锚固体安装定位后，由升降驱动柱驱动承载座沿测试架轴线方向向上运行，对待检测锚固体之间轴向压力，并直至混凝土基体与金属锚杆间连接关系受到破坏，在检测过程中由设置的拉压力传感器对压力值连续检测，并以待检测锚固体被压坏时的压力值为当前待检测锚固体的极限抗压值；
10、抗拉检测，通过s2步骤完成待检测锚固体安装定位后，由升降驱动柱驱动承载座沿测试架轴线方向向下运行，对待检测锚固体之间轴向拉力，并直至混凝土基体与金属锚杆间连接关系受到破坏，在检测过程中由设置的拉压力传感器对拉力值连续检测，并以待检测锚固体被压坏时的拉力值为当前待检测锚固体的极限抗拉值；
11、抗剪切检测，通过s2步骤完成待检测锚固体安装定位后，首先由升降驱动柱驱动承载座沿测试架轴线方向向下运行，对待检测的锚固体施加拉力，并在拉力达到预设值后，通过驱动导轨调整两水平驱动机构高度，并使两两水平驱动机构对称分布在待检测的锚固体的混凝土基体中点上下两侧位置，同时两水平驱动机构沿弯曲立柱轴线方向调整工作位置时，每条调整角度最小为10°，完成水平驱动机构调节后，同时驱动水平驱动机构进行伸出运行，并在伸出作业过程中，施加与待检测锚固体轴线垂直分布的驱动力并直至待检测锚固体的混凝土基体结构破损，并以待检测锚固体被压坏时的压力值为当前待检测锚固体的极限抗剪值；弯折检测，通过s2步骤完成待检测锚固体安装定位后，首先由升降驱动柱驱动承载座沿测试架轴线方向向下运行，对待检测的锚固体施加拉力，并在拉力达到预设值后，驱动摆动机构运行，利用摆动机构驱动托板及与托板连接的锥形锁紧套同步进行往复摆动，且最大摆动角度不大于25°，通过往复摆动实现对待检测锚固体的金属锚杆进行往复弯折运动，并通过连续往复弯折运动直至待检测锚固体的金属锚杆被折断，并在往复运动中对受力数据进行连续检测，同时以金属锚杆被折断时的数据为待检测锚固体抗弯极限值；
12、力学耦合检测，通过s2步骤完成待检测锚固体安装定位后，首先由升降驱动柱驱动承载座沿测试架轴线方向向下运行，对待检测的锚固体施加拉力，并在拉力达到预设值后，然后驱动摆动机构运行，利用摆动机构驱动托板及与托板连接的锥形锁紧套同步在0°—25°范围内进行摆动，并在摆动至设定角度后对摆动机构及与摆动机构连接的金属锚杆摆动角度进行定位；最后再次驱动升降驱动柱运行，沿摆动后的角度方向对金属锚杆施加拉力，直至混凝土基体与金属锚杆间连接关系受到破坏，在检测过程中由设置的拉压力传感器对拉力值连续检测，并以待检测锚固体被破坏时的拉力作为待检测锚固体在拉力、弯折作用力及剪切作用力耦合作用下的综合力学性能值。进一步的，所述s2步骤中，待检测锚固体包括混凝土基体、金属锚杆，其中所述混凝土基体包覆在金属锚杆其中一端外，且位于混凝土基体内金属锚杆长度为金属锚杆总长度的至少1/4。
13、本发明设备结构集成化、模块化程度高，操作简单，使用灵活方便，可有效的满足多种结构类型的锚固体试样开展检测作业的需要，并可同时有效满足拉力、压力、剪切力单独检测测试作业的需要，另可有效满足拉力、压力、剪切力三种作用力中的任意两类或三类耦合状态下对锚固体试样综合力学性能检测作业的需要，且实验损耗低，检测结果全面可靠，从而实现了静载以及不同角度、强度载荷的施加下锚固体力学性能综合检测的需要，并为锚固体在实际使用负载载荷条件下破坏机理研究提供准确的理论依据。
1.一种锚固体耦合力学性能测试装置，其特征在于：所述的锚固体耦合力学性能测试装置包括承载台、测试架、定位夹具、弯曲立柱、升降驱动机构、驱动导轨、水平驱动机构、承载座、锥形锁紧套及驱动控制机构，所述测试架为轴线与水平面垂直分布、且轴向截面呈矩形的框架结构，其下端面与承载台连接并同轴分布，所述定位夹具位于测试架内，与测试架顶部连接并与测试架同轴分布，所述弯曲立柱为圆弧形柱状结构，共两个并位于检测架内，两弯曲立柱通过升降驱动机构与检测架内侧面滑动连接，且弯曲立柱对称分布在测试架轴线连接，并位于检测架上半部内，所述承载座位于定位夹具下方并与测试架同轴分布，所述承载座内设一个与其同轴分布的装配孔，并通过装配孔与锥形锁紧套连接，且所述锥形锁紧套上半部嵌于装配孔内并与装配孔间同轴分布，所述水平驱动机构共两条，对称分布在测试架轴线两侧并与测试架轴线相交，所述水平驱动机构后端面通过驱动导轨与弯曲立柱间滑动连接，所述驱动导轨嵌于弯曲立柱侧表面内并为与弯曲立柱同轴分布的圆弧状结构，所述驱动控制机构位于测试架外，并分别与定位夹具、升降驱动机构、驱动导轨、水平驱动机构、承载座、锥形锁紧套间电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种锚固体耦合力学性能测试装置，其特征在于：所述的测试架内设一个与其同轴分布的分割板，所述分隔板位于承载座上方，同时位于弯曲立柱下方，所述分割板与测试架侧壁连接，所述分割板为横断面呈矩形的板状结构，所述分割板设一个与测试架同轴分布的导向孔，且导向孔对应的测试架前端面位置设一个宽度为其直径的0.8—1.2倍的装配槽。
3.根据权利要求2所述的一种锚固体耦合力学性能测试装置，其特征在于：所述分割板上端面设一个与其同轴分布的定位座，所述定位座包括滑槽、定位板、夹紧块、调节螺栓、弹性衬板，所述定位板为等腰梯形板状结构，定位板下端面通过滑槽与分隔板上端面滑动连接，并与分隔板的导向孔同轴分布，所述定位板前端面位置设一个调节槽，调节槽位于定位板中线位置，同时调节槽轴线与导向孔轴线垂直并相交，且调节槽深度不小于定位板宽度的60%，所述夹紧块嵌于调节槽内，与调节槽侧壁间滑动连接，同时夹紧块通过两条调节螺栓与调节槽槽底连接，所述调节螺栓对称分布在调节槽轴线两侧，并与调节槽轴线平行分布，且调节螺栓前端面位于夹紧块前端面外，所述弹性衬板共两个，并分别包覆在调节槽槽底及夹紧块后端面外。
4.根据权利要求1所述的一种锚固体耦合力学性能测试装置，其特征在于：所述的承载座包括摆动机构、托板、升降驱动柱、拉压力传感器、倾角传感器，其中所述摆动机构共两个，对称分布在测试架轴线两侧并与测试架底部及内侧面连接，且两摆动机构的旋转轴间同轴分布并与测试架轴线垂直分布并相交，同时每个摆动机构均与一条升降驱动柱连接，且所述升降驱动柱轴线与摆动机构旋转轴垂直分布，并与测试架底部呈45°—90°夹角，所述托板为与测试架同轴分布的板状结构，托板通过升降驱动柱与摆动机构连接，且托板左侧面和右侧面均与测试架内侧面间相抵并滑动连接，且升降驱动柱轴线与测试架底部垂直分布时，托板板面与测试架底部平行分布，所述装配孔嵌于托板内并与托板同轴分布，所述装配孔内设拉压力传感器，且装配孔孔壁通过拉压力传感器与锥形锁紧套连接，所述倾角传感器与其中一条升降驱动柱外侧面连接，同时所述摆动机构、升降驱动柱、拉压力传感器、倾角传感器均与驱动控制机构电气连接。
5.根据权利要求4所述的一种锚固体耦合力学性能测试装置，其特征在于：所述托板下端面另设一个卡盘，所述卡盘与托板同轴分布，同时所述托板下端面与卡盘间通过导向滑轨滑动连接，且导向滑轨至少两条，并环绕托板轴线均布，所述卡盘另包覆在锥形锁紧套下半部外。
6.根据权利要求1所述的一种锚固体耦合力学性能测试装置，其特征在于：所述水平驱动机构包括滑套、伸缩驱动柱、压力传感器、卡箍及棘轮机构，所述伸缩驱动柱后端面通过棘轮机构与滑套铰接，前端面通过棘轮机构与卡箍铰接，其中所述滑套为横断面呈“冂”字形槽状结构，包覆在弯曲立柱外并与弯曲立柱间滑动连接，同时滑套的槽底与驱动导轨间相互连接，同时所述卡箍轴线与测试架轴线平行分布，且卡箍内另设一个压力传感器，同时所述伸缩驱动柱、压力传感器均与驱动控制机构电气连接。
7.根据权利要求1所述的一种锚固体耦合力学性能测试装置，其特征在于：所述驱动控制机构包括配电柜、装配背板、基于工业计算机的驱动控制机构、基于网络服务器的数据分析单元、操控界面及接线端子，装配背板位于配电柜内，并将配电柜分割为一个动力室和一个数据分析室，基于工业计算机的驱动控制机构位于动力室内，基于网络服务器的数据分析单元位于数据分析室内，基于工业计算机的驱动控制机构、基于网络服务器的数据分析单元分别与接线端子、操控界面电气连接，接线端子和操控界面均嵌于配电柜外侧面，且接线端子分别与定位夹具、升降驱动机构、驱动导轨、水平驱动机构、承载座、锥形锁紧套间电气连接。
8.基于权利要求1所述的一种锚固体耦合力学性能测试装置，其特征在于，所述锚固体耦合力学性能测试装置的测试方法包括如下步骤：
9.基于权利要求1所述的一种锚固体耦合力学性能测试装置，其特征在于，所述s2步骤中，待检测锚固体包括混凝土基体、金属锚杆，其中所述混凝土基体包覆在金属锚杆其中一端外，且位于混凝土基体内金属锚杆长度为金属锚杆总长度的至少1/4。
