CN103471747A - 一种非金属抗浮锚杆杆体应力测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于应力测试设备技术领域，涉及一种非金属抗浮锚杆杆体应力测试装置，锚杆杆体下端插入锚杆孔内；裸光纤内刻入光栅传感器形成光纤光栅串，锚杆中间埋设串有光纤光栅串；保护锚杆杆体端头部位的裸光纤的铠装光缆和数据采集系统连接；两个第一钢板安放于垫层的上表面并放置于锚杆杆体两侧，第一钢板中间放置有千斤顶；中间预留孔洞的反力梁放置在千斤顶上，反力梁和千斤顶之间增设第二钢板；反力梁的顶部制有第三钢板，第三钢板上固定制有锚具；锚杆杆体上端套制有钢套筒，钢套筒的内侧与锚杆杆体相连，外侧与锚具连接；其结构简单，安装方便，测量精度高，灵敏度高，抗电磁场干扰能力强、成活率高，能够自动化监测。

Description

一种非金属抗浮锚杆杆体应力测试装置

技术领域：

本发明属于应力测试设备技术领域，涉及一种岩土工程中非金属锚杆杆体应力测试设备，特别是一种非金属抗浮锚杆杆体应力测试装置。

背景技术：

随着城市地下空间的开发利用，建（构）筑物的基础埋深不断增加，抗浮问题变得越来越突出，与降排地下水、压重法和浮桩等抗浮技术措施相比，抗浮锚杆地层适应性强，布置形式灵活，成孔快，施工占用场地小，施工机械小型化，经济环保，在硬质岩土层中承载力大，玻璃纤维增强聚合物（GFRP）锚杆的出现，为岩土锚固增添了新的手段，特别是GFRP材料优异的耐腐蚀及抗电磁干扰的特性，解决了困扰岩土锚固界的难题。GFRP螺旋状筋表面不平，现有的锚杆杆体应力测试设备存在一定问题，粘贴应变片或杆体表层植入光纤时，打磨会造成表面纤维断损，造成锚杆的初始缺陷，而且应变片容易脱落，导致测试过程数据缺失，因此用普通电测方法不够合理，不能对GFRP锚杆工作性状进行全面监测，可采用光纤对其进行测试，光纤测试主要包括分布式（布里渊法）和准分布式（布拉格光栅法）两种方法，分布式（布里渊法）用一根光纤连续测试，适合长距离测量；准分布式（布拉格光栅法）用裸光纤连接一串光栅传感器对锚杆进行测试。目前，GFRP锚杆光纤测试大多采用分布式（布里渊法），该方法名义上可以连续测试，但空间分辨率低，测点定位精确最多只能到20cm，不适合对抗浮锚杆这样的短构件进行测试，尤其是接近孔口处的应力集中变化区不能准确定位。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种非金属抗浮锚杆杆体应力测试装置，当光栅传感器受到拉力或者压力作用时，光栅传感器伸长或压缩使光纤光栅周期发生变化，从而改变光栅传感器的有效折射率，求得玻璃纤维增强聚合物（GFRP）抗浮锚杆某一断面的轴向应变后得出锚杆杆体的应力。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括锚杆杆体、裸光纤、光栅传感器、铠装光缆、数据采集系统、千斤顶、反力梁、钢套筒、锚具、第一钢板、第二钢板、第三钢板、垫层和锚杆孔；玻璃纤维增强聚合物（GFRP）全螺纹实心结构的锚杆杆体下端插入锚杆孔内；裸光纤内刻入光栅传感器形成裸露的光纤光栅串，锚杆中间部位沿长度方向埋设串有光纤光栅串，裸光纤的外表面涂层为与锚杆杆体具有融合性的聚合物；锚杆杆体端头部位的裸光纤用铠装光缆保护，铠装光缆和数据采集系统连接；两个第一钢板安放于垫层的上表面并对称放置于锚杆杆体两侧，每个第一钢板中间放置有一个千斤顶，千斤顶为带有油压表的油压千斤顶；反力梁为两根工字钢焊接而成的箱型截面，反力梁中间预留孔洞，反力梁放置在两个并联的千斤顶上，反力梁和千斤顶之间增设第二钢板，用于提高反力梁的局部受压强度；反力梁的顶部制有第三钢板，第三钢板上固定制有锚具；锚杆杆体上端套制有钢套筒，钢套筒的内侧以充填环氧树脂的方式与锚杆杆体相连，外侧与锚具焊接式连接，防止测试过程中锚杆杆体材料的破坏；钢套筒的内径大于锚杆杆体的直径；千斤顶上升时，反力梁、钢套筒、锚具和第三钢板构成的整体共同提供加载反力。

本发明的具体测试过程为：

（1）、根据锚杆杆体的应力测试断面确定光栅传感器位置，将光栅传感器3刻入到裸光纤上形成裸露的光纤光栅串，在锚杆杆体加工成型的过程中，在锚杆中间部位沿长度方向埋设光纤光栅串并将光纤光栅串一起浇筑成型，锚杆端头部位的裸光纤采用铠装光缆保护；

（2）、根据锚杆杆体的尺寸在被测岩土地基进行钻孔形成锚杆孔，锚杆孔与地面相垂直；

（3）、将锚杆杆体插入锚杆孔内直至锚杆杆体底端到达锚杆孔底部，安装过程中保持锚杆体垂直，且锚杆杆体位于锚杆孔中央；

（4）、将锚杆孔的外端连接好注浆管，并将注浆管伸至锚杆孔底端，用注浆泵将浆液沿着注浆管注入，待注浆液到达注浆孔顶端时将注浆管拔出并关闭注浆泵，完成注浆过程；

（5）、注浆完成后将注浆孔顶端人工抹平，在锚杆杆体安装钢套筒，钢套筒通过环氧树脂与锚杆杆体紧密粘结，钢套筒的长度由设计锚固力控制；

（6）、在垫层上以锚杆体为中心对称放置第一钢板，在第一钢板中央放置带有油压表的千斤顶，千斤顶上对称放置第二钢板，然后在第二钢板上安放反力梁，反力梁上安放第三钢板，在第三钢板上安装锚具，锚具与钢套筒以焊接的方式紧密连接；

（7）、将铠装光缆接入到数据采集系统，检查测试装置连接是否完好，并检查光栅传感器的成活率，成活率不低于90%；

（8）、按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）要求，采用同步千斤顶分级加载，使每台千斤顶的负荷均衡，保证起升及下降速度的同步，防止拉拔荷载装置可能产生弯矩，导致锚杆提前破坏；在锚杆杆体受拉过程中记录光栅传感器的波长变化和千斤顶上的油压表读数，利用公式Δλ_B=Δλ_B ^ε+Δλ_B ^t=λ_B（Κ_εΔε_x+Κ_tΔt）反算测试过程中锚杆杆体应力变化，其中，Δλ_B为应变和温度共同作用时光栅传感器中心波长变化量；Δλ_B ^ε为光栅传感器受到拉力或者压力作用时，中心波长变化量；Δλ_B ^t为温度发生变化时，光栅传感器中心波长变化量；λ_B为不受外力、温度为0时光栅传感器的初始波长；Κ_ε为光栅传感器应变灵敏系数；Δ_εx为轴向应变改变量；Κ_t为光栅传感器温度敏感系数；Δ_t为温度变化量。

本发明与现有技术相比，其结构简单，安装方便，测量精度高，灵敏度高，抗电磁场干扰能力强、成活率高，能够自动化监测。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的锚杆杆体下端横剖面结构原理示意图。

图3为本发明涉及的锚具、钢套筒和锚杆杆体连接结构原理示意图。

图4为本发明涉及的反力梁横剖面结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

实施例：

本实施例的主体结构包括锚杆杆体1、裸光纤2、光栅传感器3、铠装光缆4、数据采集系统5、千斤顶6、反力梁7、钢套筒8、锚具9、第一钢板10、第二钢板11、第三钢板12、垫层13和锚杆孔14；玻璃纤维增强聚合物（GFRP）全螺纹实心结构的锚杆杆体1下端插入锚杆孔14内；裸光纤2内刻入光栅传感器3形成裸露的光纤光栅串，锚杆1中间部位沿长度方向埋设串有光纤光栅串，裸光纤2的外表面涂层为与锚杆杆体1具有融合性的聚合物；锚杆杆体1端头部位的裸光纤2用铠装光缆4保护，铠装光缆4和数据采集系统5连接；两个第一钢板10安放于垫层13的上表面并对称放置于锚杆杆体1两侧，每个第一钢板10中间放置有一个千斤顶6，千斤顶6为带有油压表的油压千斤顶；反力梁7为两根工字钢焊接而成的箱型截面，反力梁7中间预留孔洞，反力梁7放置在两个并联的千斤顶6上，反力梁7和千斤顶6之间增设第二钢板11，用于提高反力梁7的局部受压强度；反力梁7的顶部制有第三钢板12，第三钢板12上固定制有锚具9；锚杆杆体1上端套制有钢套筒8，钢套筒8的内侧以充填环氧树脂的方式与锚杆杆体1相连，外侧与锚具9焊接式连接，防止测试过程中锚杆杆体1材料的破坏；钢套筒8的内径大于锚杆杆体1的直径；千斤顶6上升时，反力梁7、钢套筒8、锚具9和第三钢板12构成的整体共同提供加载反力。

本实施例的具体测试过程为：

（1）、根据锚杆杆体1的应力测试断面确定光栅传感器3位置，将光栅传感器3刻入到裸光纤2上形成裸露的光纤光栅串，在锚杆杆体1加工成型的过程中，在锚杆1中间部位沿长度方向埋设光纤光栅串并将光纤光栅串一起浇筑成型，锚杆1端头部位的裸光纤2采用铠装光缆4保护；

（2）、根据锚杆杆体1的尺寸在被测岩土地基进行钻孔形成锚杆孔14，锚杆孔14与地面相垂直；

（3）、将锚杆杆体1插入锚杆孔14内直至锚杆杆体1底端到达锚杆孔14底部，安装过程中保持锚杆体1垂直，且锚杆杆体1位于锚杆孔14中央；

（4）、将锚杆孔14的外端连接好注浆管，并将注浆管伸至锚杆孔14底端，用注浆泵将浆液沿着注浆管注入，待注浆液到达注浆孔7顶端时将注浆管拔出并关闭注浆泵，完成注浆过程；

（5）、注浆完成后将注浆孔14顶端人工抹平，在锚杆杆体1安装钢套筒8，钢套筒8通过环氧树脂与锚杆杆体1紧密粘结，钢套筒的长度由设计锚固力控制；

（6）、在垫层13上以锚杆体1为中心对称放置第一钢板10，在第一钢板10中央放置油压千斤顶6，千斤顶6上对称放置第二钢板11，然后在第二钢板11上安放反力梁7，反力梁7上安放第三钢板12，在第三钢板12上安装锚具9，锚具9与钢套筒8以焊接的方式紧密连接；

（7）、将铠装光缆4接入到数据采集系统5，检查测试装置连接是否完好，并检查光栅传感器3的成活率，成活率不低于90%；

（8）、按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）要求，采用同步千斤顶分级加载，使每台千斤顶的负荷均衡，保证起升及下降速度的同步，防止拉拔荷载装置可能产生弯矩，导致锚杆提前破坏；在锚杆杆体受拉过程中记录光栅传感器3的波长变化和千斤顶6上的油压表读数，利用公式Δλ_B=Δλ_B ^ε+Δλ_B ^t=λ_B（Κ_εΔε_x+Κ_tΔt）反算测试过程中锚杆杆体应力变化，其中，Δλ_B为应变和温度共同作用时光栅传感器3中心波长变化量；Δλ_B ^ε为光栅传感器3受到拉力或者压力作用时，中心波长变化量；Δλ_B ^t为温度发生变化时，光栅传感器3中心波长变化量；λ_B为不受外力、温度为0时光栅传感器3的初始波长；Κ_ε为光栅传感器3应变灵敏系数；Δ_εx为轴向应变改变量；Κ_t为光栅传感器3温度敏感系数；Δ_t为温度变化量。

Claims (2)

1.一种非金属抗浮锚杆杆体应力测试装置，其特征在于主体结构包括锚杆杆体、裸光纤、光栅传感器、铠装光缆、数据采集系统、千斤顶、反力梁、钢套筒、锚具、第一钢板、第二钢板、第三钢板、垫层和锚杆孔；玻璃纤维增强聚合物全螺纹实心结构的锚杆杆体下端插入锚杆孔内；裸光纤内刻入光栅传感器形成裸露的光纤光栅串，锚杆中间部位沿长度方向埋设串有光纤光栅串，裸光纤的外表面涂层为与锚杆杆体具有融合性的聚合物；锚杆杆体端头部位的裸光纤用铠装光缆保护，铠装光缆和数据采集系统连接；两个第一钢板安放于垫层的上表面并对称放置于锚杆杆体两侧，每个第一钢板中间放置有一个千斤顶，千斤顶为带有油压表的油压千斤顶；反力梁为两根工字钢焊接而成的箱型截面，反力梁中间预留孔洞，反力梁放置在两个并联的千斤顶上，反力梁和千斤顶之间增设第二钢板，用于提高反力梁的局部受压强度；反力梁的顶部制有第三钢板，第三钢板上固定制有锚具；锚杆杆体上端套制有钢套筒，钢套筒的内侧以充填环氧树脂的方式与锚杆杆体相连，外侧与锚具焊接式连接，防止测试过程中锚杆杆体材料的破坏；钢套筒的内径大于锚杆杆体的直径；千斤顶上升时，反力梁、钢套筒、锚具和第三钢板构成的整体共同提供加载反力。

2.根据权利要求1所述的非金属抗浮锚杆杆体应力测试装置，其特征在于具体测试过程为：

（1）、根据锚杆杆体的应力测试断面确定光栅传感器位置，将光栅传感器3刻入到裸光纤上形成裸露的光纤光栅串，在锚杆杆体加工成型的过程中，在锚杆中间部位沿长度方向埋设光纤光栅串并将光纤光栅串一起浇筑成型，锚杆端头部位的裸光纤采用铠装光缆保护；

（2）、根据锚杆杆体的尺寸在被测岩土地基进行钻孔形成锚杆孔，锚杆孔与地面相垂直；

（3）、将锚杆杆体插入锚杆孔内直至锚杆杆体底端到达锚杆孔底部，安装过程中保持锚杆体垂直，且锚杆杆体位于锚杆孔中央；

（4）、将锚杆孔的外端连接好注浆管，并将注浆管伸至锚杆孔底端，用注浆泵将浆液沿着注浆管注入，待注浆液到达注浆孔顶端时将注浆管拔出并关闭注浆泵，完成注浆过程；

（5）、注浆完成后将注浆孔顶端人工抹平，在锚杆杆体安装钢套筒，钢套筒通过环氧树脂与锚杆杆体紧密粘结，钢套筒的长度由设计锚固力控制；

（6）、在垫层上以锚杆体为中心对称放置第一钢板，在第一钢板中央放置带有油压表的千斤顶，千斤顶上对称放置第二钢板，然后在第二钢板上安放反力梁，反力梁上安放第三钢板，在第三钢板上安装锚具，锚具与钢套筒以焊接的方式紧密连接；

（7）、将铠装光缆接入到数据采集系统，检查测试装置连接是否完好，并检查光栅传感器的成活率，成活率不低于90%；

（8）、按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）要求，采用同步千斤顶分级加载，使每台千斤顶的负荷均衡，保证起升及下降速度的同步，防止拉拔荷载装置可能产生弯矩，导致锚杆提前破坏；在锚杆杆体受拉过程中记录光栅传感器的波长变化和千斤顶上的油压表读数，利用公式Δλ_B=Δλ_B ^ε+Δλ_B ^t=λ_B（Κ_εΔε_x+Κ_tΔt）反算测试过程中锚杆杆体应力变化，其中，Δλ_B为应变和温度共同作用时光栅传感器中心波长变化量；Δλ_B ^ε为光栅传感器受到拉力或者压力作用时，中心波长变化量；Δλ_B ^t为温度发生变化时，光栅传感器中心波长变化量；λ_B为不受外力、温度为0时光栅传感器的初始波长；Κ_ε为光栅传感器应变灵敏系数；Δ_εx为轴向应变改变量；Κ_t为光栅传感器温度敏感系数；Δ_t为温度变化量。

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