CN107621412B - 一种扩大头非金属抗浮锚杆快速拉拔试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于地基基础工程设备技术领域，涉及一种扩大头非金属抗浮锚杆快速拉拔试验装置，在非金属锚杆杆端和杆身安装多重定位抗拔扩大头，杆体放入钻孔灌浆形成锚杆之后，采用快速拉拔试验装置进行抗浮锚杆抗拔承载力和变形试验；其施工便捷，安装简单，安全可靠，可操作性强，测试精度高，装置不易损坏，可重复使用，成本低，锚杆的抗拔承载力高，耐久性好，可有效提高锚杆抗浮能力。

Description

一种扩大头非金属抗浮锚杆快速拉拔试验装置

技术领域：

本发明属于地基基础工程设备技术领域，涉及一种扩大头非金属抗浮锚杆快速拉拔试验装置，将锚杆在岩体中采用底部和中部布设多重定位扩大头以提高抗拔承载力，优化抗浮锚杆锚固体长度；同时拉拔试验装置进行改进，可实现快速安装，可操作性强，另外多个试验零部件可重复使用，降低成本。

背景技术：

金属材料抗浮锚杆，在岩土层中成锚后随着时间推移，容易遭受来自地下水中Na⁺、Ga²⁺、Mg²⁺、Cl^ˉ、SO^2- ₄等离子的化学腐蚀，严重影响抗浮锚杆承载性能和耐久性，这种影响在沿海地区工程抗浮应用中更为严重。而且特别是在城市轨道交通建设相关项目中由于直流电产生的杂散电流对金属材料极易产生较严重的电化学腐蚀。因此，抗浮锚杆在地层中的防腐问题变得尤为重要，但现如今的防腐手段并不能根本解决此问题。GFRP(GlassFiber Reinforced Polymer)筋是以玻璃纤维为增强材料，合成树脂为基体材料，采用纤维纱浸渍含有固化剂、促进剂等多种助剂的不饱和聚酯树脂等树脂胶液后，经过拉挤、缠绕螺纹、固化一次成型的一种新型材料。这种非金属抗浮锚杆具有抗拉强度高、质量轻、抗腐蚀、抗电磁干扰，且与其他纤维增强聚合物相比具有价格低，性价比高，应用广泛等优点。因GFRP筋抗剪性能不佳，不宜弯折，所以在有效的混凝土地板中增设扩大头可有效提高杆体承载力，同时，为验证杆体应用工程要求，一种合理、快速、有效的拉拔试验测试装置必不可少。中国专利201620388657.4公开了一种多段扩大头锚杆拉拔试验装置，包括地基箱、装于地基箱内的模拟地基、布设在模拟地基内的多段扩大头锚杆模型和位于模拟地基上方的锚杆拉拔系统，模拟地基为装入所述地基箱内的黄土或砂土经压实后形成的地基；多段扩大头锚杆模型呈竖直向布设且其包括锚杆体和多个由上至下安装在锚杆体上的扩大头，锚杆体为呈竖直向布设的圆柱形螺杆，扩大头为同轴套装在圆柱形螺杆上的圆柱形螺套；锚杆拉拔系统与圆柱形螺杆顶端连接；中国专利201310343292.4公开了一种锚杆室内拉拔试验装置，属岩土工程技术领域，试验装置由水平加载系统、竖向加载系统、锚杆拉拔系统、箱体、支撑柱、承托板组成，该试验装置可实现对试样两个水平方向和竖直方向的加载，解决了传统的锚杆室内拉拔试验装置无法进行加载条件下的拉拔试验问题，试验装置中设置的声发射传感器，可实现全程监测锚杆拉拔试验过程中试样内部发生的损伤破坏、裂隙萌生与扩展情况，克服了传统室内拉拔试验中不便监测锚固体力学响应的局限性。但是，现有的这些拉拔试验装置局限于室内拉拔试验装置，无法实现现场快速组装，试验条件受到限制；同时也未能解决在锚杆拉拔试验过程中由于锚具设置不合理造成的杆体抗剪强度不足以及优化地基中锚杆设置长度等问题。

发明内容：

本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，在不提高成本，保证操作人员安全，提高工作效率的条件下，寻求设计提供一种扩大头非金属抗浮锚杆拉拔试验装置，优化设计非金属抗浮锚杆锚固长度，提高非金属抗浮锚杆极限抗拔承载力，即在非金属锚杆杆端和杆身安装多重定位抗拔扩大头，杆体放入钻孔灌浆形成锚杆之后，采用快速拉拔试验装置进行抗浮锚杆抗拔承载力和变形试验。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括非金属抗浮锚杆杆体、外套内全螺纹钢管、楔形内螺纹钢夹片、对开钢夹具、环箍、压力传感器垫、压力传感器、梁垫板、加载梁、梁凳、千斤顶、千斤顶垫板、自动位移采集计、非金属多孔杆身扩大头、杆身扩大头拧紧螺栓、喇叭型内螺纹杆端扩大头、成锚孔；非金属抗浮锚杆杆体为玻璃纤维增强聚合物(GFRP)全螺纹实心杆状结构，能增强锚杆杆体与锚固体之间的握裹力；外套内全螺纹钢管的内径根据非金属抗浮锚杆杆体直径确定，能与非金属抗浮锚杆杆体以螺纹耦合的方式相连，其长度根据锚杆抗拔极限承载力计算而得，并保证1.2倍的安全系数，保证提供足够的机械咬合力，其可提高非金属抗浮锚杆杆体在拉拔试验时的抗剪强度；对开钢夹具壁厚1.5cm，对开钢夹具与楔形内螺纹钢夹片协同作用以夹紧外套内全螺纹钢管；楔形内螺纹钢夹片的正面带有尺寸规则的齿肋；环箍内呈杯形，内径能够供锚杆自上而下穿过，上壁厚2cm，下壁厚4cm；环箍的下方安装压力传感器垫板，压力传感器垫板和梁垫板均由厚3cm、边长30cm的方形钢板制成，压力传感器垫板、压力传感器和梁垫板的中心预留孔洞，以便非金属抗浮锚杆杆体自由穿过；压力传感器为振铉式测力装置，安装在压力传感器垫板和梁垫板之间，使用前按规定进行标定确保读数准确；梁垫板放置在加载梁的上方，加载梁跨度为1.5m，均用厚3cm钢板焊接成宽30cm、高60cm的箱形结构，加载梁内沿跨度方向设置一定数量纵向加劲肋，确保其结构稳定性，纵向加劲肋的数量根据实际需要确定；在跨中加载梁的上下翼缘预留联通孔洞，以便非金属抗浮锚杆杆体和外套内全螺纹钢管自由穿过，梁的下翼缘千斤顶加载位置焊接钢板加强；梁凳为型钢焊接而成的长方体敞口格构形结构，长40cm宽30cm高50cm，梁凳的侧面千斤顶的油管能够自由穿过，梁凳对称放置在非金属抗浮锚杆杆体两侧的千斤顶垫板上，梁凳与非金属抗浮锚杆杆体的净距不小于40cm；梁凳内部安装有千斤顶，拉拔时在与千斤顶配套的高压油泵上安装分油阀来实现同步顶升加载梁；千斤顶的顶部与加载梁相连，下部与千斤顶垫板相连，千斤顶垫板为边长50cm的正方形，由30cm厚钢板制成，千斤顶垫板对称放置在非金属抗浮锚杆两侧的砂垫层上，用于分散千斤顶对地面的应力，保证千斤顶竖向平稳顶升加载梁；成锚孔中的灌浆体附近安装四个自动位移采集计，用于测量成锚孔中灌浆体的位移，自动位移采集计固定安装在配套的定位支架上；非金属多孔杆身扩大头安装在非金属抗浮锚杆杆体的下部，其材质与非金属抗浮锚杆杆体相同，直径小于钻孔直径，厚度为1cm，非金属多孔杆身扩大头的中央与周边预留有孔洞，中央孔径大于非金属抗浮锚杆杆体的直径，周边孔洞直径大于砂浆骨料直径，非金属多孔杆身扩大头采用扎丝绑扎在非金属抗浮锚杆杆体上，可多重提高非金属抗浮锚杆杆体的抗拔承载力，非金属多孔杆身扩大头的底部配套安装杆身扩大头拧紧螺栓；杆身扩大头拧紧螺栓的材质与非金属抗浮锚杆杆体相同，壁厚2cm，与非金属抗浮锚杆杆体以螺纹耦合的方式相连，以提供足够的机械咬合力；喇叭型内螺纹杆端扩大头安装在非金属抗浮锚杆杆体的底部，其材质与非金属抗浮锚杆杆体相同，喇叭型内螺纹杆端扩大头周边预留孔洞，孔洞直径稍大于砂浆骨料粒径，以便于砂浆进入喇叭型内螺纹杆端扩大头下部，使得锚杆钻孔内全部被灌浆材料填充；成锚孔的孔径和孔深按设计要求确定，孔深应大于锚杆锚固长度0.5m。

本发明实现扩大头非金属抗浮锚杆快速拉拔试验的具体过程为：

(1)先将非金属多孔杆身扩大头沿非金属锚杆杆身用扎丝临时绑扎固定，再用多根扎丝固定其最终位置，然后在非金属多孔杆身扩大头的底部以耦合连接方式(在杆身缠绕适量生胶带)安装杆身扩大头拧紧螺栓，依照上述步骤安装其余非金属多孔杆身扩大头和杆身扩大头拧紧螺栓，最后在非金属抗浮锚杆杆体杆端以耦合方式安装喇叭型内螺纹杆端扩大头；

(2)下放扩大头非金属抗浮锚杆杆体，根据设计要求灌注相应标号水泥砂浆，养护28天；

(3)将千斤顶垫板底部混凝土进行找平，使其密实度和刚度满足试验要求，避免在加载过程中由于千斤顶的沉降影响试验结果，在平整位置依次放置千斤顶垫板、千斤顶和梁凳形成加载梁基座；

(4)将加载梁、梁垫板、压力传感器和压力传感器垫板及环箍依次穿过非金属抗浮锚杆杆体，并保证它们的圆孔中轴线与非金属抗浮锚杆杆体轴线共线；

(5)在非金属抗浮锚杆杆体杆顶以下5cm杆身上用活扳手旋拧安装外套内全螺纹钢管，并在安装位置缠绕适量生胶带；安装对开钢夹具并插入楔形内螺纹钢夹片，保证对开钢夹具夹紧外套内全螺纹钢管；

(6)连接压力传感器，并将高压油管、分油阀与千斤顶紧密连接，避免连接处漏油；安装自动位移采集计，开动高压油泵，调试整个试验装置，开始试验，记录荷载和上拔量，完成拉拔试验。

本发明使用前，为确保拉拔试验时锚杆轴心受拉，尽量保证非金属抗浮锚杆杆体轴线、压力传感器垫板圆孔中轴线、梁垫板圆孔中轴线、压力传感器中轴线、加载梁联通孔中轴线、对开钢夹具圆孔中轴线共线，加载梁尽量水平，保证千斤顶垫板下混凝土垫层的密实度和刚度。

本发明与现有技术相比，其施工便捷，安装简单，安全可靠，可操作性强，测试精度高，装置不易损坏，可重复使用，成本低，锚杆的抗拔承载力高，耐久性好，可有效提高锚杆抗浮能力。

附图说明：

图1为本发明所述扩大头非金属抗浮锚杆拉拔试验装置的主体结构俯视原理示意图。

图2为为本发明所述扩大头非金属抗浮锚杆拉拔试验装置的主体结构原理示意图。

图3为本发明所述外套内全螺纹钢管2的俯视图。

图4为本发明所述楔形内螺纹钢夹片3的俯视图。

图5为本发明所述对开钢夹具4的俯视图。

图6为本发明所述环箍5的俯视图。

图7为本发明所述加载梁9的剖面图。

图8为本发明所述非金属多孔杆身扩大头14的俯视图。

图9为本发明所述杆身扩大头拧紧螺栓15的俯视图。

图10为本发明所述喇叭型内螺纹杆端扩大头16的俯视图。

图11为本发明实施例所述锚杆荷载-位移曲线图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例的主体结构包括非金属抗浮锚杆杆体1、外套内全螺纹钢管2、楔形内螺纹钢夹片3、对开钢夹具4、环箍5、压力传感器垫6、压力传感器7、梁垫板8、加载梁9、梁凳10、千斤顶11、千斤顶垫板12、自动位移采集计13、非金属多孔杆身扩大头14、杆身扩大头拧紧螺栓15、喇叭型内螺纹杆端扩大头16、成锚孔17；非金属抗浮锚杆杆体1为玻璃纤维增强聚合物(GFRP)全螺纹实心杆状结构，能增强锚杆杆体与锚固体之间的握裹力；外套内全螺纹钢管2的内径根据非金属抗浮锚杆杆体1直径确定，能与非金属抗浮锚杆杆体1以螺纹耦合的方式相连，其长度根据锚杆抗拔极限承载力计算而得，并保证1.2倍的安全系数，保证提供足够的机械咬合力，其可提高非金属抗浮锚杆杆体1在拉拔试验时的抗剪强度；对开钢夹具4壁厚1.5cm，对开钢夹具4与楔形内螺纹钢夹片3协同作用以夹紧外套内全螺纹钢管2；楔形内螺纹钢夹片3的正面带有尺寸规则的齿肋；环箍5内呈杯形，内径能够供锚杆自上而下穿过，上壁厚2cm，下壁厚4cm；环箍5的下方安装压力传感器垫板6，压力传感器垫板6和梁垫板8均由厚3cm、边长30cm的方形钢板制成，压力传感器垫板6、压力传感器7和梁垫板8的中心预留孔洞，以便非金属抗浮锚杆杆体1自由穿过；压力传感器7为振铉式测力装置，安装在压力传感器垫板6和梁垫板8之间，使用前按规定进行标定确保读数准确；梁垫板8放置在加载梁9的上方，加载梁9跨度为1.5m，均用厚3cm钢板焊接成宽30cm、高60cm的箱形结构，加载梁9内沿跨度方向设置一定数量纵向加劲肋，确保其结构稳定性，在跨中加载梁9的上下翼缘预留联通孔洞，以便非金属抗浮锚杆杆体1和外套内全螺纹钢管2自由穿过，梁的下翼缘千斤顶加载位置焊接钢板加强；梁凳10为型钢焊接而成的长方体敞口格构形结构，长40cm宽30cm高50cm，梁凳10的侧面千斤顶11的油管能够自由穿过，梁凳10对称放置在非金属抗浮锚杆杆体1两侧的千斤顶垫板12上，梁凳10与非金属抗浮锚杆杆体1的净距不小于40cm；梁凳10内部安装有千斤顶11，拉拔时在与千斤顶配套的高压油泵上安装分油阀来实现同步顶升加载梁9；千斤顶11的顶部与加载梁9相连，下部与千斤顶垫板12相连，千斤顶垫板12为边长50cm的正方形，由30cm厚钢板制成，千斤顶垫板12对称放置在非金属抗浮锚杆1两侧的砂垫层上，用于分散千斤顶11对地面的应力，保证千斤顶11竖向平稳顶升加载梁9；成锚孔17中的灌浆体附近安装四个自动位移采集计13，用于测量成锚孔17中灌浆体的位移，自动位移采集计13固定安装在配套的定位支架上；非金属多孔杆身扩大头14安装在非金属抗浮锚杆杆体1的下部，其材质与非金属抗浮锚杆杆体1相同，直径小于钻孔直径，厚度为1cm，非金属多孔杆身扩大头14的中央与周边预留有孔洞，中央孔径大于非金属抗浮锚杆杆体1的直径，周边孔洞直径大于砂浆骨料直径，非金属多孔杆身扩大头14采用扎丝绑扎在非金属抗浮锚杆杆体1上，可多重提高非金属抗浮锚杆杆体1的抗拔承载力，非金属多孔杆身扩大头14的底部配套安装杆身扩大头拧紧螺栓15；杆身扩大头拧紧螺栓15的材质与非金属抗浮锚杆杆体1相同，壁厚2cm，与非金属抗浮锚杆杆体1以螺纹耦合的方式相连，以提供足够的机械咬合力；喇叭型内螺纹杆端扩大头16安装在非金属抗浮锚杆杆体1的底部，其材质与非金属抗浮锚杆杆体1相同，喇叭型内螺纹杆端扩大头16周边预留孔洞，空洞直径稍大于砂浆骨料粒径，以便于砂浆进入喇叭型内螺纹杆端扩大头16下部，使得锚杆钻孔内全部被灌浆材料填充；成锚孔17的孔径和孔深按设计要求确定，孔深应大于锚杆锚固长度0.5m。

本实施例实现扩大头非金属抗浮锚杆快速拉拔试验的具体过程为：

(1)先将非金属多孔杆身扩大头14沿非金属锚杆杆身用扎丝临时绑扎固定，再用多根扎丝固定其最终位置，然后在非金属多孔杆身扩大头14的底部以耦合连接方式(在杆身缠绕适量生胶带)安装杆身扩大头拧紧螺栓15，依照上述步骤安装其余非金属多孔杆身扩大头14和杆身扩大头拧紧螺栓15，最后在非金属抗浮锚杆杆体1杆端以耦合方式安装喇叭型内螺纹杆端扩大头16；

(2)下放扩大头非金属抗浮锚杆杆体1，根据设计要求灌注相应标号水泥砂浆，养护28天；

(3)将千斤顶垫板12底部混凝土进行找平，使其密实度和刚度满足试验要求，避免在加载过程中由于千斤顶的沉降影响试验结果，在平整位置依次放置千斤顶垫板12、千斤顶11和梁凳10形成加载梁9基座；

(4)将加载梁9、梁垫板8、压力传感器7和压力传感器垫板6及环箍5依次穿过非金属抗浮锚杆杆体1，并保证它们的圆孔中轴线与非金属抗浮锚杆杆体1轴线共线；

(5)在非金属抗浮锚杆杆体1杆顶以下5cm杆身上用活扳手旋拧安装外套内全螺纹钢管2，并在安装位置缠绕适量生胶带；安装对开钢夹具4并插入楔形内螺纹钢夹片3，保证对开钢夹具4夹紧外套内全螺纹钢管2；

(6)连接压力传感器7，并将高压油管、分油阀与千斤顶11紧密连接，避免连接处漏油；安装自动位移采集计13，开动高压油泵，调试设备，开始试验，记录荷载和上拔量，锚杆荷载-位移曲线如图11所示，具体试验结果如表1所示：

表1：

其中，G28－01中G表示玻璃纤维复合材料抗浮锚杆，28表示锚杆直径为28mm，01表示第一根锚杆，以此类推。

Claims (1)

1.一种扩大头非金属抗浮锚杆快速拉拔试验装置，其特征在于主体结构包括非金属抗浮锚杆杆体、外套内全螺纹钢管、楔形内螺纹钢夹片、对开钢夹具、环箍、压力传感器垫、压力传感器、梁垫板、加载梁、梁凳、千斤顶、千斤顶垫板、自动位移采集计、非金属多孔杆身扩大头、杆身扩大头拧紧螺栓、喇叭型内螺纹杆端扩大头、成锚孔；非金属抗浮锚杆杆体为玻璃纤维增强聚合物全螺纹实心杆状结构，能增强锚杆杆体与锚固体之间的握裹力；外套内全螺纹钢管的内径根据非金属抗浮锚杆杆体直径确定，能与非金属抗浮锚杆杆体以螺纹耦合的方式相连，其长度根据锚杆抗拔极限承载力计算而得，并保证1.2倍的安全系数，保证提供足够的机械咬合力，其可提高非金属抗浮锚杆杆体在拉拔试验时的抗剪强度；对开钢夹具壁厚1.5cm，对开钢夹具与楔形内螺纹钢夹片协同作用以夹紧外套内全螺纹钢管；楔形内螺纹钢夹片的正面带有尺寸规则的齿肋；环箍内呈杯形，内径能够供锚杆自上而下穿过，上壁厚2cm，下壁厚4cm；环箍的下方安装压力传感器垫板，压力传感器垫板和梁垫板均由厚3cm、边长30cm的方形钢板制成，压力传感器垫板、压力传感器和梁垫板的中心预留孔洞，以便非金属抗浮锚杆杆体自由穿过；压力传感器为振铉式测力装置，安装在压力传感器垫板和梁垫板之间，使用前按规定进行标定确保读数准确；梁垫板放置在加载梁的上方，加载梁跨度为1.5m，均用厚3cm钢板焊接成宽30cm、高60cm的箱形结构，加载梁内沿跨度方向设置一定数量纵向加劲肋，确保其结构稳定性，纵向加劲肋的数量根据实际需要确定；在跨中加载梁的上下翼缘预留联通孔洞，以便非金属抗浮锚杆杆体和外套内全螺纹钢管自由穿过，梁的下翼缘千斤顶加载位置焊接钢板加强；梁凳为型钢焊接而成的长方体敞口格构形结构，长40cm宽30cm高50cm，梁凳的侧面千斤顶的油管能够自由穿过，梁凳对称放置在非金属抗浮锚杆杆体两侧的千斤顶垫板上，梁凳与非金属抗浮锚杆杆体的净距不小于40cm；梁凳内部安装有千斤顶，拉拔时在与千斤顶配套的高压油泵上安装分油阀来实现同步顶升加载梁；千斤顶的顶部与加载梁相连，下部与千斤顶垫板相连，千斤顶垫板为边长50cm的正方形，由30cm厚钢板制成，千斤顶垫板对称放置在非金属抗浮锚杆两侧的砂垫层上，用于分散千斤顶对地面的应力，保证千斤顶竖向平稳顶升加载梁；成锚孔中的灌浆体附近安装四个自动位移采集计，用于测量成锚孔中灌浆体的位移，自动位移采集计固定安装在配套的定位支架上；非金属多孔杆身扩大头安装在非金属抗浮锚杆杆体的下部，其材质与非金属抗浮锚杆杆体相同，直径小于钻孔直径，厚度为1cm，非金属多孔杆身扩大头的中央与周边预留有孔洞，中央孔径大于非金属抗浮锚杆杆体的直径，周边孔洞直径大于砂浆骨料直径，非金属多孔杆身扩大头采用扎丝绑扎在非金属抗浮锚杆杆体上，可多重提高非金属抗浮锚杆杆体的抗拔承载力，非金属多孔杆身扩大头的底部配套安装杆身扩大头拧紧螺栓；杆身扩大头拧紧螺栓的材质与非金属抗浮锚杆杆体相同，壁厚2cm，与非金属抗浮锚杆杆体以螺纹耦合的方式相连，以提供足够的机械咬合力；喇叭型内螺纹杆端扩大头安装在非金属抗浮锚杆杆体的底部，其材质与非金属抗浮锚杆杆体相同，喇叭型内螺纹杆端扩大头周边预留孔洞，孔洞直径大于砂浆骨料粒径，以便于砂浆进入喇叭型内螺纹杆端扩大头下部，使得锚杆钻孔内全部被灌浆材料填充；成锚孔的孔径和孔深按设计要求确定，孔深应大于锚杆锚固长度0.5m；

采用该装置实现扩大头非金属抗浮锚杆快速拉拔试验的具体过程为：

(1)先将非金属多孔杆身扩大头沿非金属锚杆杆身用扎丝临时绑扎固定，再用多根扎丝固定其最终位置，然后在非金属多孔杆身扩大头的底部以耦合连接方式安装杆身扩大头拧紧螺栓，依照上述步骤安装其余非金属多孔杆身扩大头和杆身扩大头拧紧螺栓，最后在非金属抗浮锚杆杆体杆端以耦合方式安装喇叭型内螺纹杆端扩大头；

(2)下放扩大头非金属抗浮锚杆杆体，根据设计要求灌注相应标号水泥砂浆，养护28天；

(3)将千斤顶垫板底部混凝土进行找平，使其密实度和刚度满足试验要求，避免在加载过程中由于千斤顶的沉降影响试验结果，在平整位置依次放置千斤顶垫板、千斤顶和梁凳形成加载梁基座；

(4)将加载梁、梁垫板、压力传感器和压力传感器垫板及环箍依次穿过非金属抗浮锚杆杆体，并保证它们的圆孔中轴线与非金属抗浮锚杆杆体轴线共线；

(5)在非金属抗浮锚杆杆体杆顶以下5cm杆身上用活扳手旋拧安装外套内全螺纹钢管，并在安装位置缠绕适量生胶带；安装对开钢夹具并插入楔形内螺纹钢夹片，保证对开钢夹具夹紧外套内全螺纹钢管；

(6)连接压力传感器，并将高压油管、分油阀与千斤顶紧密连接，避免连接处漏油；安装自动位移采集计，开动高压油泵，调试整个试验装置，开始试验，记录荷载和上拔量，完成拉拔试验。

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