CN107621325A

CN107621325A - 一种非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试装置

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Publication number: CN107621325A
Application number: CN201710945936.5A
Authority: CN
Inventors: 白晓宇; 张明义; 陈小钰; 王永洪; 刘俊伟
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2017-09-30
Filing date: 2017-09-30
Publication date: 2018-01-23
Anticipated expiration: 2037-09-30
Also published as: CN107621325B

Abstract

本发明属于土木工程原位试验设备技术领域，涉及一种非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试装置，锁紧锚具安装在应力扩散托盘上并与锚杆杆体连接；应力扩散托盘下方依次安装第一穿心钢垫板、荷重传感器、第二穿心钢垫板、穿心千斤顶和第三穿心钢垫板，第三穿心钢垫板安装在穿心反力梁上，自制位移测试装置粘结在锚杆杆体上，穿心反力梁安放在放置于锚杆杆体两侧的工字钢支座梁上，自制位移测试装置和锚固体外露面上安装光纤光栅位移计，三个自补偿微型FBG应变传感器串采取上密下疏的布置形式；其结构简单，测试精度高，可操作性强，得出数值结果直接、准确，能获得非金属抗浮锚杆多界面剪应力，适用性和可行性强。

Description

一种非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试装置

技术领域：

本发明属于土木工程原位试验设备技术领域，涉及一种非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试装置，操作简单，测试准确，能同步得出非金属抗浮锚杆杆体、锚固体和第二界面(岩体和锚固体界面)的轴力、剪应力，为非金属锚杆的研究与应用提供依据。

背景技术：

玻璃纤维增强聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer，GFRP)锚杆具有抗拉强度高、抗腐蚀性好、松弛性低及抗电磁干扰能力强等优点，将其应用在抗浮工程领域不仅能解决传统金属锚杆在近海工程及不良地质环境中锈蚀老化严重的问题，还能打破地下轨道交通建设中不得使用传统金属锚杆进行抗浮的限制，由此可见，对非金属抗浮锚杆的应用研究有较强的适用性和先进性。

在抗浮锚杆结构中，杆体、锚固体和周围岩土体共同发挥结构抗浮作用，它们各自的承载力、相互之间的力学传递机制与粘结性能决定了结构的破坏形式和承载力大小。在现有的GFRP抗浮锚杆应力研究中，一般只通过应力测试装置获取锚杆拉拔过程中杆体轴应力和剪应力分布形式及大小，了解锚杆受荷机理，却未曾涉及锚固体内、粘结界面的力学性质研究。因此，寻求一种非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试装置，利用较先进的自补偿微型光纤光栅(Fiber Bragg Gating，FBG)应变传感器，在杆体、锚固体和第二界面同时布置自补偿微型FBG应变传感器串，在锚杆拉拔过程中获取其应变变化，从而得到相应的轴力和剪应力值，从而全面研究GFRP抗浮锚杆力学传递机制和锚固性能。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试装置，用于同步实时测量非金属抗浮锚杆杆体、锚固体和第二界面(岩体和锚固体界面)的轴力、剪应力，同时利用新型测试装置获得杆体和锚固体上拔量，进而研究抗浮锚杆力学传递机理和变形特性。

为了实现上述目的，本发明所述非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试装置的主体结构包括锚杆杆体、锁紧锚具、应力扩散托盘、第一穿心钢垫板、荷重传感器、第二穿心钢垫板、穿心千斤顶、第三穿心钢垫板、穿心反力梁、自制位移测试装置、光纤光栅位移计、磁性表座、基准梁、工字钢支座梁、锚杆托架、杆体内自补偿微型FBG应变传感器串、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串、第二界面自补偿微型FBG应变传感器串、商品砂浆、光纤光栅解调仪、扎丝、硬质钢丝和细石混凝土垫层；锚杆杆体为实心玻璃纤维增强聚合物锚杆；锁紧锚具、应力扩散托盘与锚杆杆体的尺寸配套，锁紧锚具嵌入式安装在应力扩散托盘上，锁紧锚具和应力扩散托盘均通过螺纹耦合的方式与锚杆杆体紧密连接用以提供反力；应力扩散托盘下方自上而下依次安装有第一穿心钢垫板、荷重传感器、第二穿心钢垫板、穿心千斤顶和第三穿心钢垫板，荷重传感器外接压力显示仪，实时显示千斤顶所提供拉拔力大小；第三穿心钢垫板安装在穿心反力梁上，自制位移测试装置由半圆钢管和角铁焊接而成，采用结构胶对称粘结在略高于锚固体表面的锚杆杆体上，自制位移测试装置与锚固体表面垂直；锚杆杆体两侧对称放置两根工字钢支座梁，工字钢支座梁位于细石混凝土垫层上，两根工字钢支座梁的间距为25～30cm；穿心反力梁穿过锚杆杆体安放在工字钢支座梁上，自制位移测试装置和锚固体外露面上垂直安装光纤光栅位移计，光纤光栅位移计的磁性表座上安装在基准梁上，锚杆托架由四个四分之一带脚圆环铁用螺母拼接而成，根据锚杆杆体的尺寸控制其孔径大小并均匀安装在锚杆杆体下部植入土体部分；杆体内自补偿微型FBG应变传感器串、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串和第二界面自补偿微型FBG应变传感器串根据试验要求进行制作，其中杆体内自补偿微型FBG应变传感器串植入待测试的锚杆杆体内，杆体内自补偿微型FBG应变传感器串、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串和第二界面自补偿微型FBG应变传感器串均采取上密下疏的原则布置，每一横断面的三个自补偿微型FBG应变传感器在相同的深度；商品砂浆灌入预先钻好的锚杆孔内，其强度根据试验要求的强度等级确定；硬质钢丝采用扎丝固定在锚杆托架，锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串、第二界面自补偿微型FBG应变传感器串用扎丝牢固绑扎在硬质钢丝上；光纤光栅解调仪分别与光纤光栅位移计、杆体内自补偿微型FBG应变传感器串、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串和第二界面自补偿微型FBG应变传感器串相连。

本发明所采用的自补偿微型FBG应变传感器外径为1.5mm，长度为10mm，利用光纤熔接技术实现准分布串联，能剔除试验拉拔过程中温度对测试数据的影响；由于锚杆杆体的轴力并不是均匀分布，在锚杆孔口附近最大，在孔口以下一定深度显著降低，最终减小为0(与岩土的物理力学参数有关)，因此，三个自补偿微型FBG应变传感器串采取上密下疏的布置形式，即距孔口处1.5m范围内，自补偿微型FBG应变传感器布置的较密集些，间距为0.1～0.3m，在距孔口1.5m下端，自补偿微型FBG应变传感器布置相对稀疏，间距控制为0.4～0.8m，自补偿微型FBG应变传感器的个数由锚杆的锚固长度确定；因锚杆的制作和施工过程对锚杆杆体、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器损伤风险较大，所以在自补偿微型FBG应变传感器串制作时，对每个自补偿微型FBG应变传感器用微型钢套筒封装保护，串联光纤进行铠装保护，且这些保护形式不会对自补偿微型FBG应变传感器自身的性质造成影响；为准确测试GFRP抗浮锚杆杆体、锚固体和第二界面处的应力值，本发明所用自补偿微型FBG应变传感器需提前在工厂进行串联、标定和核检，在锚杆生产车间将一串自补偿微型FBG应变传感器植入到杆体中心位置，在试验现场用配套的对中支架、硬钢丝和扎带将两串自补偿微型FBG应变传感器准确固定在锚固体中心位置和第二界面处。

本发明实现非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试的具体过程为：

(1)将植入自补偿微型FBG应变传感器串的锚杆杆体上每隔0.5m套入锚杆托架，并拧紧固定螺母，保证锚杆托架在杆体锚固段牢固稳定，确保不上下移动，杆体内的自补偿微型FBG应变传感器串在植入锚杆杆体之前和之后分别检验其成活率，成活率不得低于90％；

(2)将硬质钢丝用扎丝按要求固定在锚杆托架，保证硬质钢丝分别位于砂浆锚固体径向的中间位置和第二界面位置，第二界面为锚固体外侧表面与周围岩土层接触面，然后将提前预制好的锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串、第二界面自补偿微型FBG应变传感器串用扎丝牢固绑扎在硬质钢丝上，此时接通光纤光栅解调仪，检验锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串、第二界面自补偿微型FBG应变传感器串的成活率，成活率不得低于90％；

(3)将上述预制好的锚杆下放到钻好的锚杆孔内，并灌入商品砂浆，养护28天并达到所需强度的75％后，将自制位移测试装置用结构胶对称粘结在高于锚固体表面0.5cm的锚杆上，确保其稳定、竖直；

(4)将两根工字钢支座梁对称放置在锚杆杆体两侧，使其位于细石混凝土垫层上，确保其中间距离为25～30cm，使锚杆杆体位于两根工字钢的中心，保证锚杆轴心受拉；将穿心反力梁穿过锚杆杆体安放在工字钢支座梁上，确保穿心反力梁的形心与锚杆体重合，并在穿心反力梁上由下到上依次安装第三穿心钢垫板、穿心千斤顶、第二穿心钢垫板、荷重传感器、第一穿心钢垫板，确保各部件与锚杆杆体垂直，形心与锚杆同轴，使在加载过程中锚杆轴心受拉；

(5)将应力扩散托盘通过螺纹固定在锚杆杆体上，然后套入锁紧锚具，为提供更大的反力，可根据实际需要将若干个锁紧锚具进行串联并在锁紧锚具与锚杆杆体的螺纹缝隙之间滴入流动性好的AB胶，从而保证锚具有足够的锁紧力，防止施加荷载时锁紧锚具与应力扩散托盘产生剪切破坏；

(6)在自制位移测试装置和锚固体外露面垂直安装光纤光栅位移计，光纤光栅位移计的磁性表座上安装在基准梁上，保证其不发生晃动；再将杆体内自补偿微型FBG应变传感器串、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串、第二界面自补偿微型FBG应变传感器串以及光纤光栅位移计的外接接头接入光纤光栅解调仪上，并调试设定相关参数，保证准确稳定采集相关数据，至此非金属抗浮锚杆多界面剪应力测试装置安装完成，并对穿心千斤顶和荷重传感器进行标定，保证试验过程中每级施加荷载量的准确性；

(7)用穿心千斤顶进行加载，并控制穿心千斤顶的上升量小于10cm，穿心千斤顶的反力作用引起锚杆杆体和锚固体的上拔量，并用光纤光栅位移计自动记录，将所测得各荷载作用下的锚杆杆体和锚固体上拔量S_杆、S_锚代入公式(1)，即得出锚杆和锚固体相对滑移量，

S＝(S_杆-S_杆弹)－(S_锚-S_锚弹) (1)

式中：S_杆为试验中测得杆体位移(mm)；S_杆弹为杆体锚固段弹性伸长量(mm)；S_锚为试验中测得锚固体位移(mm)；S_锚弹为锚固体弹性伸长量(mm)，因S_杆弹、S_锚弹计算值相对较小，在可忽略不计；

将光纤光栅解调仪所测得杆体、锚固体和第二界面各位置处应变变化值分别代入公式(2)，即得出杆体、锚固体和第二界面任一位置处轴力，

N_i＝πD²EΔε/4 (2)

式中：N_i为被测结构(杆体、锚固体内及第二界面处)任一截面i处的轴力(kN)；E为被测结构的弹性模量(GPa)；Δε为被测结构(杆体、锚固体内及第二界面处)应变的变化量，由公式(3)求得；D为被测结构的直径(mm)，关于D的取值：对于锚杆杆体取杆体的直径，对于第二界面处取锚固体的直径，对于锚固体内取杆体形心到锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串水平距离的2倍，

Δε＝Δλ/K (3)

式中：Δλ为中心波长变化量(nm)；K为自补偿微型FBG应变传感器应变灵敏系数。

将公式(2)求出的杆体、锚固体和第二界面各位置处的轴力值带入公式(4)，即得出杆体、锚固体和第二界面各位置处的剪应力，

τ_i＝(N_i-N_i-1)/πDΔL (4)

式中：N_i为被测结构某一截面i处的轴力(kN)；N_i-1为被测结构下一个截面i-1处的轴力(kN)；ΔL为截面i到下一截面i-1之间的距离(mm)；τ_i为两截面之间中点处的剪应力，近似认为平均剪应力(MPa)。

本发明利用新型的非金属锚杆配套的应力扩散托盘和锁紧锚具，通过螺纹耦合的方式直接与非金属锚杆紧密连接，提供试验所需反力，该方法便捷、可靠，克服了因非金属抗浮锚杆抗剪能力较差，在以往的锚杆拉拔装置中，需在锚杆加载端粘接金属套管，通过焊接铁板锚具来实施拉拔试验，试验方法、装置较复杂的缺点。

本发明在锚固体附近杆体位置粘贴位移测试装置记录杆体上拔量，同时在锚固体外露表面上粘贴自制位移测试装置(铁片)，在铁片上架设光纤光栅位移计记录锚固体上拔量，进而得到锚杆杆体相对于锚固体的上拔量，更好的研究非金属抗浮锚杆的界面粘结特性；在结构抗浮体系中，锚杆杆体和锚固体之间的粘结力对结构承载性能影响较大，在以往的锚杆位移测试时，一般记录锚头位移来反映锚杆变形特性，测量数据精确度低。

本发明于现有技术相比，在现有测试装置上，加入了抗浮锚杆锚固体和第二界面应力测试，取消了非金属锚杆粘结钢套管、焊接穿心铁板锚具的拉拔手段；改进了抗浮锚杆位移测试装置，提出了杆体与锚固体上拔量的测试方法；其结构简单，测试精度高，可操作性强，得出数值结果直接、准确，能获得非金属抗浮锚杆多界面剪应力，适用性和可行性强。

附图说明：

图1为本发明所述非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试装置的的主体结构原理图。

图2为本发明所述锚杆杆体和锚固体上拔量测试装置结构图。

图3为本发明所述锁紧锚具和应力扩散托盘组成的反力装置结构图。

图4为本发明所述自补偿微型FBG应变传感器串安装结构原理示意图。

图5为本发明所述自补偿微型FBG应变传感器串横断面示意图。

图6为本发明所述锚杆托架结构原理示意图。

图7为本发明实施例所述抗浮锚杆杆体与锚固体相对滑移量的关系曲线图。

图8为本发明实施例G8-28-1锚杆杆体轴力随深度变化曲线。

图9为本发明实施例G8-28-1锚杆杆体(第一界面)剪应力随深度变化曲线。

图10为本发明实施例G8-28-1锚固体内轴应力随深度变化曲线。

图11为本发明实施例G8-28-1锚固体内剪应力随深度变化曲线。

图12为本发明实施例G8-28-1第二界面轴应力随深度变化曲线。

图13为本发明实施例G8-28-1第二界面剪应力随深度变化曲线。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。

实施例：

本实施例所述非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试装置的主体结构包括锚杆杆体1、锁紧锚具2、应力扩散托盘3、第一穿心钢垫板4、荷重传感器5、第二穿心钢垫板6、穿心千斤顶7、第三穿心钢垫板8、穿心反力梁9、自制位移测试装置10、光纤光栅位移计11、磁性表座12、基准梁13、工字钢支座梁14、锚杆托架15、杆体内自补偿微型FBG应变传感器串16、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串17、第二界面自补偿微型FBG应变传感器串18、商品砂浆19、光纤光栅解调仪20、扎丝21、硬质钢丝22和细石混凝土垫层23；锚杆杆体1为实心玻璃纤维增强聚合物锚杆；锁紧锚具2、应力扩散托盘3与锚杆杆体1的尺寸配套，锁紧锚具2嵌入式安装在应力扩散托盘3上，锁紧锚具2和应力扩散托盘3均通过螺纹耦合的方式与锚杆杆体1紧密连接用以提供反力；应力扩散托盘3下方自上而下依次安装有第一穿心钢垫板4、荷重传感器5、第二穿心钢垫板6、穿心千斤顶7和第三穿心钢垫板8，荷重传感器5外接压力显示仪，实时显示千斤顶所提供拉拔力大小；第三穿心钢垫板8安装在穿心反力梁9上，自制位移测试装置10由半圆钢管和角铁焊接而成，采用结构胶对称粘结在略高于锚固体表面的锚杆杆体1上，自制位移测试装置10与锚固体表面垂直；锚杆杆体1两侧对称放置两根工字钢支座梁14，工字钢支座梁14位于细石混凝土垫层23上，两根工字钢支座梁14的间距为25～30cm；穿心反力梁9穿过锚杆杆体1安放在工字钢支座梁14上，自制位移测试装置10和锚固体外露面上垂直安装光纤光栅位移计11，光纤光栅位移计11的磁性表座12上安装在基准梁13上，锚杆托架15由四个四分之一带脚圆环铁用螺母拼接而成，根据锚杆杆体1的尺寸控制其孔径大小并均匀安装在锚杆杆体1下部植入土体部分；杆体内自补偿微型FBG应变传感器串16、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串17和第二界面自补偿微型FBG应变传感器串18根据试验要求进行制作，其中杆体内自补偿微型FBG应变传感器串16植入待测试的锚杆杆体1内，杆体内自补偿微型FBG应变传感器串16、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串17和第二界面自补偿微型FBG应变传感器串18均采取上密下疏的原则布置，每一横断面的三个自补偿微型FBG应变传感器在相同的深度；商品砂浆19灌入预先钻好的锚杆孔内，其强度根据试验要求的强度等级确定；硬质钢丝22采用扎丝21固定在锚杆托架15，锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串17、第二界面自补偿微型FBG应变传感器串18用扎丝21牢固绑扎在硬质钢丝22上；光纤光栅解调仪20分别与光纤光栅位移计11、杆体内自补偿微型FBG应变传感器串16、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串17和第二界面自补偿微型FBG应变传感器串18相连。

本实施例实现非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试的具体过程为：

(1)将植入自补偿微型FBG应变传感器串16的锚杆杆体1上每隔0.5m套入锚杆托架15，并拧紧固定螺母，保证锚杆托架15在杆体锚固段牢固稳定，确保不上下移动(杆体内的自补偿微型FBG应变传感器串16在植入锚杆杆体1之前和之后分别检验其成活率(成活率不得低于90％))；

(2)将硬质钢丝22用扎丝21按要求固定在锚杆托架15，保证硬质钢丝22分别位于砂浆锚固体径向的中间位置和第二界面(锚固体外侧表面与周围岩土层接触面)位置，然后将提前预制好的锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串17、第二界面自补偿微型FBG应变传感器串18用扎丝21牢固绑扎在硬质钢丝22上，此时接通光纤光栅解调仪20，检验锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串17、第二界面自补偿微型FBG应变传感器串18的成活率(成活率不得低于90％)；

(3)将上述预制好的锚杆下放到钻好的锚杆孔内，并灌入商品砂浆19，养护28天并达到所需强度的75％后，将自制位移测试装置10用结构胶对称粘结在高于锚固体表面0.5cm的锚杆上，确保其稳定、竖直；

(4)将两根工字钢支座梁14对称放置在锚杆杆体1两侧，使其位于细石混凝土垫层23上，确保其中间距离为25～30cm，使锚杆杆体1位于两根工字钢的中心，保证锚杆轴心受拉；将穿心反力梁9穿过锚杆杆体1安放在工字钢支座梁14上，确保穿心反力梁9的形心与锚杆体1重合，并在穿心反力梁9上由下到上依次安装第三穿心钢垫板8、穿心千斤顶7、第二穿心钢垫板6、荷重传感器5、第一穿心钢垫板4，确保各部件与锚杆杆体1垂直，形心与锚杆同轴，使在加载过程中锚杆轴心受拉；

(5)将应力扩散托盘3通过螺纹固定在锚杆杆体1上，然后套入锁紧锚具2，为提供更大的反力，可根据实际需要将若干个锁紧锚具2进行串联并在锁紧锚具2与锚杆杆体1的螺纹缝隙之间滴入流动性好的AB胶，从而保证锚具有足够的锁紧力，防止施加荷载时锁紧锚具2与应力扩散托盘3产生剪切破坏；

(6)在自制位移测试装置10和锚固体外露面垂直安装光纤光栅位移计11，光纤光栅位移计11的磁性表座12上安装在基准梁13上，保证其不发生晃动；再将杆体内自补偿微型FBG应变传感器串16、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串17、第二界面自补偿微型FBG应变传感器串18以及光纤光栅位移计11的外接接头接入光纤光栅解调仪20上，并调试设定相关参数，保证准确稳定采集相关数据，至此非金属抗浮锚杆多界面剪应力测试装置安装完成，并对穿心千斤顶7和荷重传感器5进行标定，保证试验过程中每级施加荷载量的准确性；

(7)用穿心千斤顶7进行加载，并控制穿心千斤顶7的上升量小于10cm，穿心千斤顶7的反力作用引起锚杆杆体1和锚固体的上拔量，并用光纤光栅位移计11自动记录，将所测得各荷载作用下的锚杆杆体1和锚固体上拔量S_杆、S_锚代入公式(1)，即得出锚杆和锚固体相对滑移量，

S＝(S_杆-S_杆弹)－(S_锚-S_锚弹) (1)

将光纤光栅解调仪20所测得杆体、锚固体和第二界面各位置处应变变化值分别代入公式(2)，即得出杆体、锚固体和第二界面任一位置处轴力，

N_i＝πD²EΔε/4 (2)

式中：N_i为被测结构(杆体、锚固体内及第二界面处)任一截面i处的轴力(kN)；E为被测结构的弹性模量(GPa)；Δε为被测结构(杆体、锚固体内及第二界面处)应变的变化量，由公式(3)求得；D为被测结构的直径(mm)，关于D的取值：对于锚杆杆体取杆体的直径，对于第二界面处取锚固体的直径，对于锚固体内取杆体形心到锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串17水平距离的2倍，

Δε＝Δλ/K (3)

τ_i＝(N_i-N_i-1)/πDΔL (4)

本实施例对不同锚杆进行测试，其具体测试结果如表1所示：

表1：

锚杆编号	锚固长度	破坏荷载	锚杆极限上拔量	锚固体极限上拔量	破坏形式
						G8-28-1	6.5m	395kN	14.02mm	12.63mm	拔断破坏
G8-28-2	6.5m	378kN	16.47mm	12.64mm	剪切滑移破坏
						G8-28-3	6.5m	412kN	14.89mm	12.25mm	拔断破坏
G8-28-4	6.5m	387kN	18.26mm	13.27mm	剪切滑移破坏
						G8-28-5	6.5m	398kN	15.16mm	12.445mm	拔断破坏
G6-28-1	4.5m	407kN	15.86mm	12.035mm	拔断破坏
						G6-28-2	4.5m	381kN	17.03mm	12.67mm	剪切滑移破坏
G6-28-3	4.5m	394kN	15.21mm	11.47mm	拔断破坏
						G6-28-4	4.5m	375kN	16.74mm	11.35mm	剪切滑移破坏
G6-32-1	4.5m	467kN	15.87mm	12.31mm	剪切滑移破坏
						G6-32-2	4.5m	453kN	17.69mm	12.64mm	拔出破坏

其中G8-28-1中G表示GFRP抗浮锚杆；8表示锚杆总长为8m；28表示锚杆直径为28mm，G8-28-1……G8-28-5表示5个平行试验；以此类推；抗浮锚杆杆体与锚固体相对滑移量的测试结果如图7所示，其中G8-28表示表1中G8-28-1……G8-28-5五个平行试验取平均值G6-28表示表1中G6-28-1……G6-28-4四个平行试验取平均值，G6-32表示表1中G6-32-1、G6-32-2两个平行试验取平均值；G8-28-1所述锚杆的多界面剪应力结果如图8-13所示。

Claims

1.一种非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试装置，其特征在于主体结构包括锚杆杆体、锁紧锚具、应力扩散托盘、第一穿心钢垫板、荷重传感器、第二穿心钢垫板、穿心千斤顶、第三穿心钢垫板、穿心反力梁、自制位移测试装置、光纤光栅位移计、磁性表座、基准梁、工字钢支座梁、锚杆托架、杆体内自补偿微型FBG应变传感器串、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串、第二界面自补偿微型FBG应变传感器串、商品砂浆、光纤光栅解调仪、扎丝、硬质钢丝和细石混凝土垫层；锚杆杆体为实心玻璃纤维增强聚合物锚杆；锁紧锚具、应力扩散托盘与锚杆杆体的尺寸配套，锁紧锚具嵌入式安装在应力扩散托盘上，锁紧锚具和应力扩散托盘均通过螺纹耦合的方式与锚杆杆体紧密连接用以提供反力；应力扩散托盘下方自上而下依次安装有第一穿心钢垫板、荷重传感器、第二穿心钢垫板、穿心千斤顶和第三穿心钢垫板，荷重传感器外接压力显示仪，实时显示千斤顶所提供拉拔力大小；第三穿心钢垫板安装在穿心反力梁上，自制位移测试装置由半圆钢管和角铁焊接而成，采用结构胶对称粘结在高于锚固体表面的锚杆杆体上，自制位移测试装置与锚固体表面垂直；锚杆杆体两侧对称放置两根工字钢支座梁，工字钢支座梁位于细石混凝土垫层上，两根工字钢支座梁的间距为25～30cm；穿心反力梁穿过锚杆杆体安放在工字钢支座梁上，自制位移测试装置和锚固体外露面上垂直安装光纤光栅位移计，光纤光栅位移计的磁性表座上安装在基准梁上，锚杆托架由四个四分之一带脚圆环铁用螺母拼接而成，根据锚杆杆体的尺寸控制其孔径大小并均匀安装在锚杆杆体下部植入土体部分；杆体内自补偿微型FBG应变传感器串、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串和第二界面自补偿微型FBG应变传感器串根据试验要求进行制作，其中杆体内自补偿微型FBG应变传感器串植入待测试的锚杆杆体内，杆体内自补偿微型FBG应变传感器串、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串和第二界面自补偿微型FBG应变传感器串均采取上密下疏的原则布置，每一横断面的三个自补偿微型FBG应变传感器在相同的深度；商品砂浆灌入预先钻好的锚杆孔内，其强度根据试验要求的强度等级确定；硬质钢丝采用扎丝固定在锚杆托架，锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串、第二界面自补偿微型FBG应变传感器串用扎丝牢固绑扎在硬质钢丝上；光纤光栅解调仪分别与光纤光栅位移计、杆体内自补偿微型FBG应变传感器串、锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串和第二界面自补偿微型FBG应变传感器串相连。

2.根据权利要求1所述非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试装置，其特征在于采用该装置实现非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试的具体过程为：

S＝(S_杆-S_杆弹)－(S_锚-S_锚弹) (1)

式中：S_杆为试验中测得杆体位移(mm)；S_杆弹为杆体锚固段弹性伸长量(mm)；S_锚为试验中测得锚固体位移(mm)；S_锚弹为锚固体弹性伸长量(mm)，因S_杆弹、S_锚弹计算值相对较小，忽略不计；

N_i＝πD²EΔε/4 (2)

式中：N_i为杆体、锚固体内及第二界面处被测结构中任一截面i处的轴力，单位为kN；E为被测结构的弹性模量，单位为GPa；Δε为杆体、锚固体内及第二界面处被测结构应变的变化量，由公式(3)求得；D为被测结构的直径，单位为mm，关于D的取值：对于锚杆杆体取杆体的直径，对于第二界面处取锚固体的直径，对于锚固体内取杆体形心到锚固体内自补偿微型FBG应变传感器串水平距离的2倍，

Δε＝Δλ/K (3)

式中：Δλ为中心波长变化量(nm)；K为自补偿微型FBG应变传感器应变灵敏系数；

τ_i＝(N_i-N_i-1)/πDΔL (4)

式中：N_i为被测结构某一截面i处的轴力，单位为kN；N_i-1为被测结构下一个截面i-1处的轴力，单位为kN；ΔL为截面i到下一截面i-1之间的距离，单位为mm；τ_i为两截面之间中点处的剪应力，近似认为平均剪应力，单位为MPa。