CN106525298B - 一种预应力锚杆锚固力松弛损失率的测定方法 - Google Patents

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    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges

Abstract

本发明涉及一种预应力锚杆锚固力松弛损失率的测定方法，属于岩土工程相关技术领域。主要步骤包括A、在预应力锚杆上安装电阻片与导线；B、确定锚杆锚固预应力Pi与电阻值Ri变化律曲线；C、确定锚杆锚固力降低值ΔPi与电阻变化值ΔRi变化关系曲线；D、根据步骤C所得曲线确定ΔPt以及ΔPt‑t松弛曲线；E、确定任一时间t对应的锚固力松弛率λt与平均松弛率参数F、确定预应力锚杆锚固力损失率ηt。本发明所提供的方法，基本可以测定自锚杆锚固后任一时间t时所对应的锚固力松弛率，进而为工程进展提供准确的依据，降低灾害发生的风险。

Description

一种预应力锚杆锚固力松弛损失率的测定方法
技术领域
本发明涉及岩土工程相关技术领域，具体的说，是涉及一种预应力锚杆锚固力松弛损失率的测定方法。
背景技术
边坡支护是现代许多大型工程中的重要稳定性有效加固措施与方法，而锚杆作为边坡的一种重要加固支护方式，具有成本低，支护效果好，操作简便的特点。
但是，由于其所处工程环境的复杂性及锚固材料与围岩强度以及施工工艺等局限，锚杆的锚固力常常会随着时间的推移发生一定的损失与降低，致使锚固力一定时间后达不到设计要求，而使加固工程失效，由此不仅带来巨大经济损失，还存在着严重的安全隐患，严重危害人身与建筑工程安全。
因此，根据锚杆锚固力松弛损失机理与规律及时确定其锚固力松弛损失率与松弛评价参数，对工程加固质量耐久性与稳定性的科学评价具有重要工程意义与实用价值。
锚杆的锚固力损失与多方面因素有关：锚杆工作环境变化、围岩强度、锚杆材料性质、水对围岩强度与锚杆材料性质的影响、固定螺母松弛、锚杆腐蚀等。在这些锚杆锚固力损失因素中，有些是可以通过技术手段避免的，而有些锚固力损失因素由于科技、施工成本的原因，不能较好的提前进行规避。
所以迫切需要建立和确定一种锚杆锚固力随时间松弛损失的测定方法，对锚杆的锚固力松弛损失率进行检测，从而为锚杆的加固施工工程与控制提供技术参数与依据。
目前锚杆锚固力松弛损失率的确定方法应用最广泛的是锚杆测力计监测法。
该方法主要是采用锚杆测力计来实时监测锚杆的工作状况，通过测出各支传感器的读数，并分别计算各支传感器的受力，再将各支传感器进行算数平均，计算出锚杆测力计的综合受力，从而直观地反映出当前锚固力的变化情况，进而根据锚固力的变化情况确定其锚固力损失率。
然而传统的锚杆测力计安装时，选择的安装位置是在锚杆的端部，因此无法测得锚杆杆体其余部位在受力时的应力分布情况；此外传统的锚杆测力计不仅安装比较复杂，成本也比较高，在安装时，锚杆测力计必须与锚杆连接紧密，并且锚杆从锚杆测力计中心穿过，测力计处于钢垫座和工作锚之间，这样才可用于测量锚杆锚固力；而且由于其布置位置和设备的局限性，对于锚杆锚固力变化很缓慢的情况其测量精度受到很大的影响。
同时在锚杆的张拉过程中由于各种条件的影响，不可避免的会产生偏心现象，即作用在锚垫板上的荷载不是均匀分布的，通常锚固力的计算公式中没有考虑偏心受力问题，因此该方法测量锚固力损失率就会造成测量误差。
此外，在监测运行过程中，若锚杆测力计的多只传感器中有一只或多只损坏后，就无法计算其锚固力变化及锚固力损失率。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种预应力锚杆锚固力松弛损失率的测定方法。
为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种预应力锚杆锚固力松弛损失率的测定方法，包括如下步骤：
A、在预应力锚杆上安装电阻片与导线；
B、确定锚杆锚固预应力Pi与电阻值Ri律定曲线；
C、确定锚杆锚固力降低值ΔPi与电阻变化值ΔRi变化关系曲线；
D、根据步骤C所得曲线确定ΔPt以及ΔPt-t松弛曲线；
其中，t为时间；
E、确定任一时间t对应的锚固力松弛率λt与平均松弛率参数；
F、确定预应力锚杆锚固力损失率ηt。
上述的方法中，优选的是，步骤A中：
所述电阻片为箔式电阻应变片；
箔式电阻应变片粘接于测试锚杆自由段中部，箔式电阻应变片的测试端引至锚杆锚头处，且箔式电阻应变片与导线连接，最后将锚固段置于岩体中并进行注浆。
上述的方法中，优选的是，步骤B中：
先确定锚杆每级预应力拉力值Pi(i＝1，2.....n)；
然后分级施加预应力拉力Pi并分别测定对应的电阻值Ri与锚杆轴向应变值εi；
直至加载至锚杆的极限预应力锚固值1.5P0，确定出Pi-Ri变化率曲线。
上述的方法中，优选的是，步骤C中：
以Pn为起点，选择和确定轴向锚固力降低变化增量值ΔP，进而确定锚杆的轴向锚固力降低值P1、P2，……，Pn；
则对应的锚杆轴向锚固力降低变化值为ΔPi＝Pn-Pi，锚杆的轴向电阻变化值为ΔRi＝Rn-Ri；
确定出锚杆锚固力降低值ΔPi与电阻变化值ΔRi变化关系曲线。
上述的方法中，优选的是，步骤D中：
待预应力锚杆加载至锚固力设计值并固定后，确定预应力锚杆锚固力蠕变松弛监测时间间隔Δt，随后以Δt为间隔测定电阻值Rt，以电阻值Rt与电阻极限值Rn确定出轴向电阻变化值ΔRt；
令ΔRt对应的锚固力松弛值ΔPt与步骤C中ΔPi-ΔRi降低变化关系曲线中相等电阻降低变化值ΔRi对应的锚固力降低变化值ΔPi相等，确定出ΔPt以及ΔPt-t松弛曲线。
上述的方法中，优选的是，步骤E中，锚固力松弛率λt的计算方法为：
公式(1)：Δt为相邻两时刻时间差。
上述的方法中，优选的是，步骤E中，平均松弛率参数的计算方法为：
其中，ΔPn为锚杆在tn时刻锚固力损失趋于稳定值时对应的锚固力损失值。
上述的方法中，优选的是，步骤F中，依据锚杆不同t时刻的锚固力松弛损失值ΔPt及锚固力极限值Pn，得出任一时刻预应力锚杆锚固力损失率ηt为：
本发明的基本原理为:
一、电阻应变片的构造及工作原理：
金属丝的电阻值随机械变形而发生变化的现象称为应变一电效应。电阻式敏感元件称作电阻应变片。电阻应变片分丝式电阻片和箔式电阻片两大类。丝绕式应变片是用直径为0.003～0.01mm的合金丝绕成栅状而制；箔式应变片则是用0.003～0.01mm厚的箔材经化学腐蚀成栅状。主体敏感栅是一个电阻，在感受被测物体的应变时，其电阻也同时发生变化。实验表明被测物体测量部位的应变片与电阻变化率ΔR/R成正比关系。即：
公式(4)中：Ks称为金属丝的电阻应变灵敏系数
公式(4)也可由物理学基本公式导出：电阻值R与电阻丝长度L及截面积A之间的关系为：
ρ为金属丝的电阻率，上式等号两边取对数再微分得：
根据金属物理和材料力学理论得知ΔA/A，Δρ/ρ也与ΔL/L成线性关系，由此得到：
公式(7)中：μ——金属丝材料的泊桑系数。
m——常数与材料的种类有关。
公式(7)说明粘贴在构件上的电阻片，其电阻变化率ΔR/R与其感受的应变值ΔL/L成正比，比例系数为Ks。由于电阻片的敏感栅并不是一根直丝，所以比例系数一般在标准应变梁上由抽样标定测得，标定梁为纯弯梁或等强度钢梁。对电阻片来说，公式(7)可表达为：
根据材料力学基本原理，锚杆材料应力与应变关系以及应力与锚杆抗拔拉力之间关系可由公式(9)和公式(10)确定出：
将公式(9)和公式(10)代入公式(7)可得
其中：A为锚杆截面积；E为锚杆的弹性模量。
公式(11)表明锚杆应变片电阻变化值和锚杆锚固力之间具有线性关系。
本发明的有益效果是：
提供了精确测定任一时刻锚杆自加固后锚固力松弛率，为工程进展提供精确的依据，进而降低潜在的安全隐患，保障工程顺利进行。
附图说明：
图1为本发明的主要步骤流程图；
图2为本发明中Pi-Ri变化曲线图；
图3为本发明中ΔPi-ΔRi变化曲线图；
图4为本发明中ΔPt-t变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行详细说明。
实施例：一种预应力锚杆锚固力松弛损失率的测定方法，以某岩体边坡上的锚杆为检测对象，详细步骤包括：
步骤A：电阻应变片式预应力锚杆的制作与安装。
根据“电阻应变片”测试规程(GB/T 13992-1992)，将箔式电阻应变片(阻值为1000Ω)贴在测试锚杆自由段中部，并将应变片测试端引至锚杆锚头处，其应变片粘贴操作过程与安装如下：
(1)锚杆粘贴表面的准备：
首先除去锚杆粘贴表面的油污、漆、锈斑、电镀层等，用砂布交叉打磨出细纹以增加粘结力，接着用浸有酒精(或丙酮)的脱脂棉球擦洗，并用钢划针划出贴片定位线，再用细砂布轻轻磨去划线毛刺，然后再进行擦洗。
(2)锚杆应变片的贴片：
在应变片基底底面涂上502胶，立即将应变片底面向下放在被测位置上，并使应变片轴线对准定位线，然后将氟塑料薄膜盖在应变片上，用手指柔和滚压挤出多余的胶，然后手指静压一分钟，使应变片与被测件完全粘合后再放开，从应变片无引线的一端向有引线的一端揭掉氟塑料薄膜。
(3)锚杆应变片的固化：
用氰基丙稀酸酯粘结剂贴片，然后在室温下放置数小时即可充分固化，而具有较强的粘结能力。
(4)锚杆应变片测量导线的焊接与固定：
待粘结剂初步固化以后，即可焊接导线。常温静态应变测量时，导线可采用φ0.1～0.3毫米的单丝包铜线或多股铜芯塑料软线。
(5)将电阻应变片式预应力锚杆锚固段放入待加固岩体工程，并进行注浆加固。
步骤B：锚杆锚固预应力电阻应变律定曲线的确定
该工程中，预应力锚杆的设计预应力锚固值为500KN，锚固剂为C25混凝土。根据锚杆预应力设计值对其进行抗拉试验，确定锚杆电阻应变律定曲线:
(1)根据锚杆预应力设计值(500KN)与锚杆抗拉试验规程(CECS 22-2005)，锚杆抗拉试验起始荷载宜为锚杆拉力设计值的30％，即150KN，分级加荷值为拉力设计值的0.5、0.75、1.0、1.2、1.33和1.5倍，即每级Pi分别为250KN、375KN、500KN、600KN、665KN和750KN，分别测定每级Pi对应的电阻应变电阻值Ri及锚杆轴向应变值εi，如表1，一直加载至锚杆的极限预应力锚固值1.5P0。
表1
其中Pi与Ri、εi的相互定量关系见发明基本原理部分。根据锚杆与抗拉测试数据，可确定如图2所示的锚杆锚固预应力与电阻变化(Pi-Ri)律定曲线。
步骤C：电阻应变片式预应力锚杆锚固力与应变降低变化曲线的确定
根据锚杆抗拔Pi-Ri测试数值与锚固力极限值Pn＝750KN及对应的锚杆轴向电阻值Rn＝129.05Ω，以及轴向锚固力Pi(i＝1，2.....n)监测精度要求，运用内插法，并以Pn为起点，选择和确定轴向锚固力降低值ΔP＝135KN，由此确定锚杆的轴向锚固力降低变化值P1、P2，……，Pn，即Pn-ΔP，Pn-2ΔP，.....，Pn-nΔP，以及对应锚杆的轴向电阻值R1、R2，……，Rn，则对应的锚杆轴向锚固力降低变化值为ΔPi＝Pn-Pi，锚杆的轴向电阻变化值为ΔRi＝Rn-Ri，如表2；并依据上述参数变化值确定锚固力、电阻降低变化数据与曲线，即ΔPi-ΔRi降低变化关系曲线，如图3所示。
轴向锚固力降低变化值(KN) 轴向电阻变化值(Ω)
0 0
135 1.63
270 3.26
405 4.89
540 6.53
675 8.16
750 9.05
表2
步骤D：电阻应变片式预应力锚杆锚固力松弛曲线的测定
本工程施工期为6个月，待预应力锚杆加载至锚固力设计值并固定后，确定预应力锚杆锚固力蠕变松弛监测时间间隔Δt＝30天；以Δt＝30天为时间间隔对待测定锚杆进行其电阻Rt的测定，如表3。并依据测定的电阻值Rt与电阻极限值Rn，确定轴向电阻变化值ΔRt，设轴向电阻变化值ΔRt对应的锚固力松弛值ΔPt与步骤三ΔPi-ΔRi降低变化关系曲线中相等电阻降低变化值ΔRi对应的锚固力降低变化值ΔPi相等，根据ΔPi-ΔRi关系曲线可以确定ΔPt以及ΔPt-t松弛曲线，如图4。
监测时间点(天) ΔR<sub>t</sub>(Ω) ΔP<sub>t</sub>(KN)
0 0 0
30 0.59 49
60 1.05 88
90 1.45 120
120 1.71 142
150 1.82 151
180 1.89 155
表3张拉强度为750KN时ΔRt及对应ΔPt监测值
步骤E：预应力锚杆锚固力松弛率与平均松弛率参数的确定
根据锚杆ΔPt-t松弛曲线，可确定锚杆不同t(以t＝90天为例)时刻的锚固力松弛损失值ΔPt(ΔPt＝90＝120KN)，同时根据公式(1)和公式(2)可分别确定t＝90天时对应的锚固力松弛率、平均松弛率参数λ90与
公式(1)中：Δt可取相邻两时刻时间差。
公式(2)中：ΔPn为锚杆在tn时刻锚固力损失趋于稳定值时对应的锚固力损失值。
步骤F：预应力锚杆锚固力损失率参数的确定
根据锚杆不同t时刻的锚固力松弛损失值ΔPt及锚固力极限值Pn，根据公式(3)可确定任一时刻预应力锚杆锚固力损失率参数：
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明和局部放大呈现的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种预应力锚杆锚固力松弛损失率的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、在预应力锚杆上安装电阻片与导线；
B、确定锚杆锚固预应力Pi与电阻值Ri律定曲线；
C、确定锚杆锚固力降低值ΔPi与电阻变化值ΔRi变化关系曲线；
D、根据步骤C所得曲线确定ΔPt以及ΔPt-t松弛曲线；
其中，t为时间；
E、确定任一时间t对应的锚固力松弛率λt与平均松弛率参数λ；
F、确定预应力锚杆锚固力损失率ηt；
其中，步骤A中，所述电阻片为箔式电阻应变片，箔式电阻应变片粘接于测试锚杆自由段中部，箔式电阻应变片的测试端引至锚杆锚头处，且箔式电阻应变片与导线连接，最后将锚固段置于岩体中并进行注浆；
所述步骤D中，待预应力锚杆加载至锚固力设计值并固定后，确定预应力锚杆锚固力蠕变松弛监测时间间隔Δt，随后以Δt为间隔测定电阻值Rt，以电阻值Rt与电阻极限值Rn确定出轴向电阻变化值ΔRt；
令ΔRt对应的锚固力松弛值ΔPt与步骤C中ΔPi-ΔRi降低变化关系曲线中相等电阻降低变化值ΔRi对应的锚固力降低变化值ΔPi相等，确定出ΔPt以及ΔPt-t松弛曲线。
2.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，步骤B中：
先确定锚杆每级预应力拉力值Pi，其中i＝1，2.....n；
然后分级施加预应力拉力Pi并分别测定对应的电阻值Ri与锚杆轴向应变值εi；
直至加载至锚杆的极限预应力锚固值1.5P0，确定出Pi-Ri变化率曲线。
3.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，步骤C中：
以Pn为起点，选择和确定轴向锚固力降低变化增量值ΔP，进而确定锚杆的轴向锚固力降低值P1、P2，……，Pn；
则对应的锚杆轴向锚固力降低变化值为ΔPi＝Pn-Pi，锚杆的轴向电阻变化值为ΔRi＝Rn-Ri；
确定出锚杆锚固力降低值ΔPi与电阻变化值ΔRi变化关系曲线。
4.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，步骤E中，锚固力松弛率λt的计算方法为：
公式(1)：Δt为相邻两时刻时间差，ΔPt为锚杆在t时刻的锚固力松弛损失值，ΔPt-Δt为锚杆在t-Δt时刻的锚固力松弛损失值。
5.根据权利要求4所述的测定方法，其特征在于，步骤E中，平均松弛率参数的计算方法为：
其中，ΔPn为锚杆在tn时刻锚固力损失趋于稳定值时对应的锚固力损失值。
6.根据权利要求1所述的测定方法，其特征在于，步骤F中：
依据锚杆不同t时刻的锚固力松弛损失值ΔPt及锚固力极限值Pn，得出任一时刻预应力锚杆锚固力损失率ηt为：
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