CN103528950A - 一种锚杆锚固体与风化岩体间粘结强度测试方法 - Google Patents

一种锚杆锚固体与风化岩体间粘结强度测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于粘结强度测试技术领域，涉及一种锚杆锚固体与风化岩体间粘结强度测试方法，先根据锚杆杆体的尺寸在风化岩体上进行钻孔形成锚杆孔，然后将植入光纤传感器的锚固体放入锚杆孔，并在锚杆孔内注浆使锚固体与风化岩体紧密粘结，养护后进行测试，测试时先检验光纤传感器的成活率，在测试过程中记录测点处光纤传感器波长变化，根据光纤传感器的参数指标、读取的数据计算得到锚固体与风化岩体间的粘结强度；其测试简单，操作方便，测试精度高，抗电磁场干扰能力强，成活率高，可操作性强，能够实现自动化监测。

Description

一种锚杆锚固体与风化岩体间粘结强度测试方法
技术领域：
本发明属于粘结强度测试技术领域，涉及一种岩土工程中锚杆锚固体与岩体之间粘结强度的测试工艺，特别是一种锚杆锚固体与风化岩体间粘结强度测试方法。
背景技术：
锚杆作为地下工程和岩石边坡的主要支护形式之一，对土木工程稳定性的维护起着重要作用，特别是在节理裂隙岩体中，锚杆对岩体的加固作用十分明显，并在土木、建筑和水利工程中获得广泛应用，合理确定锚杆锚固体与岩土体间的粘结强度，对锚杆结构设计极为重要，从《建筑地基基础设计规范》（GB50007）、《建筑边坡工程技术规范》（GB50330）、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086）、《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120）和《岩土锚杆（索）技术规程》（CECS22：2005）等锚杆抗拔承载力R的表达式中，可以清楚看到，锚杆锚固体与岩土体间的粘结强度标准值frb则是影响锚杆极限抗拔力R的主要因素，即R=πDLfrb，其中，D为锚杆锚固段直径，L为锚杆锚固段长度，锚固于不同类型及不同风化程度岩土体中的锚杆，其frb的差异十分显著，frb值的大小，受到岩土抗剪强度、锚杆孔表面特征、注浆压力和锚固段上覆层厚度等多种因素制约。此外，由于锚杆受荷时，沿锚固段长度的粘结应力分布极不均匀，对粘结强度值也有不可忽视的影响，同时，以上这些规范规程中只给出不同岩石类别锚杆锚固体与岩体之间的粘结强度标准值（这些值不是定值，是在某一区间范围内），尚未给出锚杆锚固体与不同风化程度岩体之间的粘结强度标准值。因此，寻求一种锚杆锚固体与风化岩体之间粘结强度的测试方法，提出锚杆锚固设计的相关参数，对于准确确定锚杆极限抗拔承载力有重要意义，为完善锚杆设计的相关规范规程提供建议。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种锚杆锚固体与风化岩体间粘结强度测试方法，在锚杆锚固体外壁切浅槽植入准分布式FBG（Fiber Bragg Grating，光纤Bragg光栅）光纤传感器，当FBG传感器受到拉力作用时，传感器伸长使光纤光栅周期发生变化，从额而改变FBG传感器的有效折射率，计算出锚杆锚固体某一断面的轴向应变及轴力值，进而得出锚杆锚固体与风化岩体间的粘结强度。
为了实现上述目的，本发明在锚杆锚固体与风化岩体间粘结强度测试装置中实现，其具体测试过程为：
（1）、先将对中支架间隔安装在锚杆杆体下端外表面上，其间隔距离根据锚杆杆体长度确定；再将安装有对中支架的锚杆杆体插入PVC外膜内，人工送入直至锚杆杆体底端到达PVC外膜底部，安装过程中保持锚杆杆体的轴线与PVC外膜的轴线在同一直线，并使PVC外膜与锚杆杆体垂直；
（2）、将PVC外膜的外端与外部的注浆管连接好，并将注浆管伸至PVC外膜底端，用注浆泵将硅酸盐水泥浆液沿着注浆管注入，注浆液到达PVC外膜的顶端时将注浆管拔出并关闭注浆泵，完成整个注浆过程；
（3）、注浆完成后将PVC外膜的顶端人工抹平，养护28天，锚杆杆体与PVC外膜之间形成的水泥结石体即为锚固体；
（4）、然后将PVC外膜切开，取出锚杆杆体和锚固体，在锚固体外壁沿轴线划一直线，然后沿着已定好的直线切浅槽，根据测试的位置在浅槽内确定光纤传感器的植入位置，靠近锚杆杆体自由端的锚固体孔口处的光纤传感器之间的间距比锚固体其他位置的间距小；
（5）、根据光纤传感器定好的位置，将光纤传感器与铠装光缆以熔接的方式按准分布式进行串联，在浅槽内植入串联好的光纤传感器，并用环氧树脂混合物封装保护2个小时后，检查光纤传感器的成活率，成活率不低于90%；
（6）、根据锚杆杆体的尺寸在风化岩体内进行钻孔形成锚杆孔，锚杆孔与风化岩体的岩层表面相垂直；
（7）、将植入光纤传感器的锚固体人工送入锚杆孔，直至锚固体底端到达锚杆孔底部，安装过程中保证锚固体位于锚杆孔的中心；
（8）、最后在锚杆孔内注浆使锚固体与风化岩体紧密粘结，养护28天后，准备进行测试；
（9）、测试开始前，先安装好对锚杆杆体提供拉拔力的外部拉拔装置，再将铠装光缆接入到数据采集系统，并检查设备连接是否完好；
（10）、在锚杆杆体拉拔过程中记录测点i（i=1,2,3,4,5……）处光纤传感器的波长变化，根据光纤传感器的参数指标、读取的数据及公式（1）、（2）和（3）计算得到锚固体与风化岩体间的粘结强度：
ΔλB=ΔλB ε+ΔλB t=λB（ΚεΔεx+ΚtΔt）        （1）
公式（1）中，ΔλB为应变和温度共同作用时光纤传感器中心波长变化量，单位为pm；ΔλB ε为光纤传感器受到拉力或者压力作用时，中心波长变化量，单位为pm；ΔλB t为温度发生变化时，光纤传感器中心波长变化量，单位为pm；λB为不受外力、温度为0时光栅的初始波长，单位为pm；Κε为光纤传感器应变灵敏系数；Δεx为轴向应变改变量；Κt为光纤传感器温度敏感系数；Δt为温度变化量；
N=ΔεEs              （2）
公式（2）中，N为测点i处锚杆杆体的轴力，单位为kN；Es为玻璃纤维增强塑料筋材弹性模量，单位为MPa；
fi=（Ni-Ni-1）/πDΔL       （3）
公式（3）中：fi为锚固体与风化岩体间粘结强度，单位为MPa；Ni为i测点处轴力，单位为kN；Ni-1为i-1测点处轴力，单位为kN；D为锚固体直径，单位为mm；ΔL为测点间距，单位为mm。
本发明涉及的锚杆锚固体与风化岩体间粘结强度测试装置的主体结构包括锚杆杆体、锚固体、PVC（聚氯乙烯树脂，Poly VinylChloride）外膜、对中支架、光纤传感器、铠装光缆和数据采集系统；锚杆杆体为普通螺纹钢筋或非金属螺纹实心结构，锚杆杆体下端外表面间隔安装制有PVC（聚氯乙烯树脂）材质的对中支架，间隔距离根据锚杆杆体的长度确定；锚杆杆体安装有对中支架的部分插入的PVC外膜内，横截面为圆形的PVC外膜的一端封闭，使用时，将PVC外膜切开取出或直接粉碎；锚杆杆体和PVC外膜之间制有锚固体，水泥结石体结构的锚固体直径与PVC外膜的内径相同，锚固体采用市售的硅酸盐水泥注浆，锚固体的强度大于32.5MPa；锚固体上切割制有浅槽，光纤传感器和铠装光缆按准分布式熔接串联后植入切割制有浅槽的锚固体内，并用环氧树脂混合液进行封装保护，光纤传感器采用准分布式光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感器，光纤传感器在锚固体内的位置根据需要测试的岩土层标高进行布设；铠装光缆和数据采集系统电信息连接，数据采集系统采用光纤光栅解调仪。
本发明与现有技术相比，其测试方法简单，操作方便，测试精度高，抗电磁场干扰能力强，成活率高，可操作性强，能够实现自动化监测。
附图说明：
图1为本发明涉及的锚杆锚固体与风化岩体间粘结强度测试装置的主体结构原理示意图。
图2为本发明涉及的锚杆杆体与PVC外膜连接结构原理示意图。
图3为本发明涉及的锚杆杆体与锚固体横剖面结构原理示意图。
图4为本发明涉及的对中支架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、锚固体2、PVC（聚氯乙烯树脂，Poly Vinyl Chloride）外膜3、对中支架4、光纤传感器5、铠装光缆6和数据采集系统7；锚杆杆体1为普通螺纹钢筋或其它非金属全螺纹实心结构，锚杆杆体1下端外表面间隔安装制有PVC（聚氯乙烯树脂）材质的对中支架4，间隔距离根据锚杆杆体1的长度确定；锚杆杆体1安装有对中支架4的部分插入的PVC外膜3内，横截面为圆形的PVC外膜3的一端封闭，使用时，将PVC外膜3切开取出或直接粉碎；锚杆杆体1和PVC外膜3之间制有锚固体2，水泥结石体结构的锚固体2直径与PVC外膜3的内径相同，锚固体2采用市售的硅酸盐水泥注浆，锚固体2的强度大于32.5MPa；锚固体2上切割制有浅槽，光纤传感器5和铠装光缆6按准分布式熔接串联后植入切割制有浅槽的锚固体2内，并用环氧树脂混合液进行封装保护，光纤传感器5采用准分布式光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感器，光纤传感器5在锚固体2内的位置根据需要测试的岩土层标高进行布设；铠装光缆6和数据采集系统7电信息连接，数据采集系统7采用光纤光栅解调仪。
本实施例的具体测试过程为：
（1）、先将对中支架4间隔安装在锚杆杆体1下端外表面上，其间隔距离根据锚杆杆体长度而定；再将安装有对中支架4的锚杆杆体1插入PVC外膜3内，人工送入直至锚杆杆体1底端到达PVC外膜3底部，安装过程中保持锚杆杆体1的轴线与PVC外膜3的轴线在同一直线，并使PVC外膜3与锚杆杆体1竖直；
（2）、将PVC外膜3的外端连接好外部的注浆管，并将注浆管伸至PVC外膜3底端，用注浆泵将硅酸盐水泥浆液沿着注浆管注入，注浆液到达PVC外膜3的顶端时将注浆管拔出并关闭注浆泵，完成整个注浆过程；
（3）、注浆完成后将PVC外膜3的顶端人工抹平，养护28天，锚杆杆体1与PVC外膜3之间形成的水泥结石体即为锚固体2；
（4）、然后将PVC外膜3切开，取出锚杆杆体1和锚固体2，在锚固体2外壁沿轴线划一直线，然后沿定好的直线切浅槽，根据测试的位置在浅槽内确定光纤传感器5的植入位置，靠近锚杆杆体1自由端的锚固体2孔口处的光纤传感器5之间的间距比锚固体2其他位置的间距小；
（5）、根据光纤传感器5定好的位置，将光纤传感器5与铠装光缆6以熔接的方式按准分布式进行串联，在浅槽内植入串联好的光纤传感器5，并用环氧树脂混合物封装保护2个小时后，检查光纤传感器5的成活率，成活率不低于90%；
（6）、根据锚杆杆体1的尺寸在风化岩体8内进行钻孔形成锚杆孔9，锚杆孔与风化岩体8的岩层表面相垂直；
（7）、将植入光纤传感器5的锚固体2人工送入锚杆孔9，直至锚固体2底端到达锚杆孔9底部，安装过程中保证锚固体2位于锚杆孔9的中心；
（8）、最后在锚杆孔9内注浆使锚固体2与风化岩体8紧密粘结，养护28天后，准备进行测试；
（9）、测试开始前，先安装好对锚杆杆体1提供拉拔力的外部拉拔装置，再将铠装光缆6接入到数据采集系统7，并检查设备连接是否完好；
（10）、在锚杆杆体1拉拔过程中记录测点i（i=1,2,3,4,5……）处光纤传感器5的波长变化，根据光纤传感器5的参数指标、读取的数据及公式（1）、（2）和（3）计算得到锚固体2与风化岩体8间的粘结强度：
ΔλB=ΔλB ε+ΔλB t=λB（ΚεΔεx+ΚtΔt）           （1）
公式（1）中，ΔλB为应变和温度共同作用时光纤传感器5中心波长变化量（pm）；ΔλB ε为光纤传感器5受到拉力或者压力作用时，中心波长变化量（pm）；ΔλB t为温度发生变化时，光纤传感器5中心波长变化量（pm）；λB为不受外力、温度为0时光栅的初始波长（pm）；Κε为光纤传感器5应变灵敏系数；Δεx为轴向应变改变量；Κt为光纤传感器5温度敏感系数；Δt为温度变化量；
N=ΔεEs             （2）
公式（2）中，N为测点i处锚杆杆体1的轴力（kN）；Es为玻璃纤维增强塑料（GFRP）筋材弹性模量（MPa）；
fi=（Ni-Ni-1）/πDΔL            （3）
公式（3）中：fi为锚固体2与风化岩体8间粘结强度（MPa）；Ni为i测点处轴力（kN）；Ni-1为i-1测点处轴力（kN）；D为锚固体2直径（mm）；ΔL为测点间距（mm）。

Claims (2)

1.一种锚杆锚固体与风化岩体间粘结强度测试方法，其特征在于在锚杆锚固体与风化岩体间粘结强度测试装置中实现，其具体测试过程为：
（1）、先将对中支架间隔安装在锚杆杆体下端外表面上，其间隔距离根据锚杆杆体长度确定；再将安装有对中支架的锚杆杆体插入PVC外膜内，人工送入直至锚杆杆体底端到达PVC外膜底部，安装过程中保持锚杆杆体的轴线与PVC外膜的轴线在同一直线，并使PVC外膜与锚杆杆体垂直；
（2）、将PVC外膜的外端与外部的注浆管连接好，并将注浆管伸至PVC外膜底端，用注浆泵将硅酸盐水泥浆液沿着注浆管注入，注浆液到达PVC外膜的顶端时将注浆管拔出并关闭注浆泵，完成整个注浆过程；
（3）、注浆完成后将PVC外膜的顶端人工抹平，养护28天，锚杆杆体与PVC外膜之间形成的水泥结石体即为锚固体；
（4）、然后将PVC外膜切开，取出锚杆杆体和锚固体，在锚固体外壁沿轴线划一直线，然后沿着已定好的直线切浅槽，根据测试的位置在浅槽内确定光纤传感器的植入位置，靠近锚杆杆体自由端的锚固体孔口处的光纤传感器之间的间距比锚固体其他位置的间距小；
（5）、根据光纤传感器定好的位置，将光纤传感器与铠装光缆以熔接的方式按准分布式进行串联，在浅槽内植入串联好的光纤传感器，并用环氧树脂混合物封装保护2个小时后，检查光纤传感器的成活率，成活率不低于90%；
（6）、根据锚杆杆体的尺寸在风化岩体内进行钻孔形成锚杆孔，锚杆孔与风化岩体的岩层表面相垂直；
（7）、将植入光纤传感器的锚固体人工送入锚杆孔，直至锚固体底端到达锚杆孔底部，安装过程中保证锚固体位于锚杆孔的中心；
（8）、最后在锚杆孔内注浆使锚固体与风化岩体紧密粘结，养护28天后，准备进行测试；
（9）、测试开始前，先安装好对锚杆杆体提供拉拔力的外部拉拔装置，再将铠装光缆接入到数据采集系统，并检查设备连接是否完好；
（10）、在锚杆杆体拉拔过程中记录测点i（i=1,2,3,4,5……）处光纤传感器的波长变化，根据光纤传感器的参数指标、读取的数据及公式（1）、（2）和（3）计算得到锚固体与风化岩体间的粘结强度：
ΔλB=ΔλB ε+ΔλB t=λB（ΚεΔεx+ΚtΔt）        （1）
公式（1）中，ΔλB为应变和温度共同作用时光纤传感器中心波长变化量，单位为pm；ΔλB ε为光纤传感器受到拉力或者压力作用时，中心波长变化量，单位为pm；ΔλB t为温度发生变化时，光纤传感器中心波长变化量，单位为pm；λB为不受外力、温度为0时光栅的初始波长，单位为pm；Κε为光纤传感器应变灵敏系数；Δεx为轴向应变改变量；Κt为光纤传感器温度敏感系数；Δt为温度变化量；
N=ΔεEs           （2）
公式（2）中，N为测点i处锚杆杆体的轴力，单位为kN；Es为玻璃纤维增强塑料筋材弹性模量，单位为MPa；
fi=（Ni-Ni-1）/πDΔL          （3）
公式（3）中：fi为锚固体与风化岩体间粘结强度，单位为MPa；Ni为i测点处轴力，单位为kN；Ni-1为i-1测点处轴力，单位为kN；D为锚固体直径，单位为mm；ΔL为测点间距，单位为mm。
2.根据权利要求1所述的锚杆锚固体与风化岩体间粘结强度测试方法，其特征在于涉及的锚杆锚固体与风化岩体间粘结强度测试装置的主体结构包括锚杆杆体、锚固体、PVC外膜、对中支架、光纤传感器、铠装光缆和数据采集系统；锚杆杆体为普通螺纹钢筋或非金属螺纹实心结构，锚杆杆体下端外表面间隔安装制有PVC材质的对中支架，间隔距离根据锚杆杆体的长度确定；锚杆杆体安装有对中支架的部分插入的PVC外膜内，横截面为圆形的PVC外膜的一端封闭，使用时，将PVC外膜切开取出或直接粉碎；锚杆杆体和PVC外膜之间制有锚固体，水泥结石体结构的锚固体直径与PVC外膜的内径相同，锚固体采用市售的硅酸盐水泥注浆，锚固体的强度大于32.5MPa；锚固体上切割制有浅槽，光纤传感器和铠装光缆按准分布式熔接串联后植入切割制有浅槽的锚固体内，并用环氧树脂混合液进行封装保护，光纤传感器采用准分布式光纤Bragg光栅传感器，光纤传感器在锚固体内的位置根据需要测试的岩土层标高进行布设；铠装光缆和数据采集系统电信息连接，数据采集系统采用光纤光栅解调仪。
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