CN113514184B - 一种锚固力检测装置及测量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种锚固力检测装置及测量计算方法，所述锚固力检测装置具有沿钢绞线轴线方向设置的锚具和部分嵌于锚具中的工作夹片；锚固力检测装置包括能够与锚具的端面相作用的外壳、以及设在外壳中的位移计，位移计的伸缩杆能够与工作夹片相作用且根据工作夹片的位置产生相应伸缩量；锚固力检测装置还包括控制器和显示装置，控制器根据位移计的伸缩杆的伸缩量获得锚固力并通过显示装置显示。本发明通过位移计对工作夹片的位移进行检测，控制器根据位移计的伸缩杆的伸缩量获得锚固力并通过显示装置显示，检测快速，可广泛应用于施工现场锚固点较多的场景；而且锚固力检测装置体积小，现场无需配置液压泵站，可广泛应用于施工现场空间受限的场景。

Description

一种锚固力检测装置及测量计算方法

技术领域

本发明属于预紧力技术领域，具体涉及一种锚固力检测装置及测量计算方法。

背景技术

在岩土锚固与支护工程领域，在深部岩土、软岩大变形、高地应力等复杂困难条件下的工程中，随着主动支护理念的发展，预应力锚索作为一种重要的围岩控制手段被予以广泛采用，并且起到了良好的支护加固作用。早期的预应力锚索主要采用1860级的1×7结构，直径15.2mm钢绞线，在破断荷载、延伸率及直径等参数方面因难以满足主动支护理念中“三高一低”的设计要求，使得大直径、高强度、高延伸率的预应力筋材的必然趋势。在国标（GB/T 31314-2014）中，将直径为17.8mm～28.6mm，由19根冷拉光圆钢丝捻制成的钢绞线定义为“多丝大直径高强度低松弛预应力钢绞线”，工程应用中简称为“大直径钢绞线”。

大直径钢绞线作为岩土锚固的新型材料，在一些特殊的工程中逐渐受到重视和应用，其配套的锚固体系也逐步完善，在工程施工中，要达到设计预期的锚固作用和目的，需要进行张拉锚固测试。虽然可将常规钢绞线锚固系统的测试装置借用过来进行测量，但现有钢绞线锚固系统测试装置在进行锚固力检测时，检测过程复杂，效率低，而且无法用于现场空间受限的场景。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的第一个目的是提供一种锚固力检测装置。本发明的第二个目的是提供一种前述一种锚固力检测装置的测量计算方法。

为达到上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：一种锚固力检测装置，用于测量钢绞线锚固点的锚固力，锚固点具有沿钢绞线轴线方向设置的锚具和部分嵌于锚具中的工作夹片，锚具具有锥形孔，锥形孔的小端靠近岩石层，工作夹片具有与锥形孔配合的外锥面，工作夹片的内孔上具有咬合钢绞线的齿牙；锚固力检测装置包括能够与锚具的端面相作用的外壳、以及设在外壳中的位移计，位移计的伸缩杆能够与工作夹片相作用且根据工作夹片的位置产生相应伸缩量；锚固力检测装置还包括控制器和显示装置，控制器根据位移计的伸缩杆的伸缩量获得锚固力并通过显示装置显示。

上述技术方案中，通过位移计对工作夹片的位移进行检测，控制器根据位移计的伸缩杆的伸缩量获得锚固力并通过显示装置显示，为无损检测。本发明的锚固力检测装置能够通过显示装置直接读出测得的锚固力，检测快速，可广泛应用于施工现场锚固点较多的场景；而且锚固力检测装置体积小，携带方便，现场无需配置液压泵站，可广泛应用于施工现场空间受限的场景。

在本发明的一种优选实施方式中，位移计的数量大于或等于工作夹片的片数，当位移计的数量为多个时，多个位移计周向间隔分布。

上述技术方案中，多个位移计同时对工作夹片的多点进行测量，控制器实时对采样数据进行处理、分析、计算后得到当前工作夹片的准确位移量，降低实际中工作夹片端面不平、错位等导致的影响，提高工作夹片的位移的准确性。

在本发明的一种优选实施方式中，位移计的伸缩杆均连接有位移延长杆，位移延长杆远离位移计的一端固接有平衡球座，平衡球座能够与工作夹片抵接。

上述技术方案中，通过设置位移延长杆可避免位移计的伸缩杆直接与工作夹片端面接触，减少其磨损，延长其使用寿命；通过设置平衡球座后，有效解决了工作夹片端面不平或测试安装同轴度偏差导致位移延长杆弯曲损坏问题。

在本发明的一种优选实施方式中，外壳的端部还固接有能够与锚具抵触的对中限位块，对中限位块具有能够与工作夹片外部的定位凸起配合的内壁，平衡球座部分伸出至对中限位块外。

上述技术方案中，通过设置对中限位块，对中限位块的内壁与工作夹片外部的定位凸起接触配合，由此实现该检测装置与工作夹片的的对中，提高两者配合的同轴度。

在本发明的一种优选实施方式中，还包括预紧弹簧，预紧弹簧套设在位移计的伸缩杆和/或位移延长杆外，外壳内部具有第一限位台阶，位移延长杆上具有限位环台，在预紧弹簧的弹力作用下，限位环台能够与第一限位台阶抵紧。

上述技术方案中，通过设置预紧弹簧，有效改善了该检测装置的使用寿命。

在本发明的另一种优选实施方式中，位移计的伸缩杆的末端固接有对中挡块，预紧弹簧套设在位移计的伸缩杆外且由对中挡块压设，位移延长杆与对中挡块抵接。

上述技术方案中，通过设置对中挡块增大接触面积，减小了位移延长杆与位移计的伸缩杆同轴度偏差导致的径向受力。

在本发明的另一种优选实施方式中，外壳内部具有第二限位台阶，外壳内部固接有电子尺安装挡块，位移计的壳体的两端分别由第二限位台阶和电子尺安装挡块进行轴向限位。

上述技术方案中，当采用多个位移计进行测量时，设置电子尺安装挡块可解决实际中工作夹片不平、错位等导致的影响，提高测量的准确性。

在本发明的另一种优选实施方式中，还包括电源模块，电源模块给位移计、控制器和显示装置供电。

上述技术方案中，锚固力检测作为第三方检测，通过设置电源模块使得该检测装置自带电源，不用施工现场的电，独立性更好。

在本发明的另一种优选实施方式中，电源模块、控制器和显示装置固定安装在外壳上。

为达到上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：一种锚固力检测装置的测试计算方法，在钢绞线安装完成并施加预紧力后，将锚固力检测装置的外壳与锚具的端面抵触，位移计的伸缩杆与工作夹片的端面抵触，相对钢绞线旋转锚固力检测装置，锚固力检测装置的位移计检测工作夹片的位移值, 控制器根据工作夹片的位移值换算得到工作夹片的内陷深度，建立钢绞线锚固力与工作夹片的内陷深度的计算公式：

其中，F为钢绞线的锚固力，h为工作夹片内陷深度，α为锚具锥形孔的锥角，θ为工作夹片内孔的齿牙的齿顶夹角，[τ]为钢绞线材料的许用抗剪强度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是钢绞线完成锚固后，钢绞线、锚具和工作夹片连接的剖视结构示意图。

图2是本申请实施例中的工作夹片的剖视结构示意图。

图3是本申请实施例中的锚固力检测装置的侧视结构示意图。

图4是图3中的A-A剖视示意图。

图5是实施例中的锚固力检测装置的爆炸示意图。

图6是使用本申请实施例中的锚固力检测装置检测钢绞线锚固力的示意图。

说明书附图中的附图标记包括：电子尺安装挡块1、位移计2、位移计的伸缩杆21、电源模块3、位移延长杆4、对中挡块5、对中限位块6、采集显示模块7、预紧弹簧8、外壳9、第一限位台阶91、第二限位台阶92、平衡球座10、锚具200、锥形孔201、工作夹片300、齿牙301、定位凸起302、钢绞线400、钢绞线的锚固力F、锚具锥形孔的锥角α、工作夹片内孔的齿牙的齿顶夹角θ。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

本实施例提供了一种锚固力检测装置(以下简称检测装置)，针对钢绞线(包括锚索)安装完成并施加预紧力后，检测其锚固力。

如图1和图2所示，本发明的检测装置用于测量钢绞线锚固点的锚固力，锚固点具有沿钢绞线400轴线方向设置的锚具200和部分嵌于锚具200中的工作夹片300，锚具200具有锥形孔201，锥形孔201的小端靠近岩石层，工作夹片300具有与锥形孔201锥配合的外锥面，工作夹片300的内孔上具有咬合钢绞线400的齿牙301。

由于工作夹片300内孔的齿牙301咬合钢绞线400，施加预紧力时由钢绞线400带动工作夹片300不发生相对滑动地进入锚具200的锥形孔201内，由于锚具200与工作夹片300采用楔块原理将越楔越紧，使钢绞线400发生塑形变形。工作夹片300的硬度高于钢绞线400的硬度，在达到钢绞线400的许用抗剪强度后，钢绞线400发生塑形变形，工作夹片300内孔的齿牙301咬入钢绞线400，完成锚固。

如图3-图6所示，本发明的检测装置包括能够与锚具200的端面相作用的外壳9、以及设在外壳9中的位移计2。外壳9为防爆外壳，外壳9的中间具有中心孔，外壳9中心孔的直径大于钢绞线400的外径，位移计2安装在外壳9内部的安装腔中，位移计的伸缩杆21能够与工作夹片300的端面相作用且根据工作夹片300的位置产生相应伸缩量。

本发明的检测装置还包括控制器和显示装置，控制器根据位移计的伸缩杆21的伸缩量获得锚固力并通过显示装置显示。控制器和显示装置集成设置为采集显示模块7，优选采集显示模块7固定安装在外壳9上，比如与外壳9的右端卡接固定。进一步优选地，本发明的检测装置还包括可拆卸固定在外壳9上的电源模块3，电源模块3给位移计2、控制器和显示装置供电。

如图3和图4所示，在另一种优选的实施方式中，位移计2的数量大于或等于工作夹片300的片数，当位移计2的数量为多个时，多个位移计2周向间隔分布。比如工作夹片300的数量为三个，位移计2的数量也为三个，三个位移计2周向均匀分布。

如图4所示，在另一种优选的实施方式中，每个位移计的伸缩杆21均连接有位移延长杆4，位移延长杆4远离位移计2的一端固接有平衡球座10，平衡球座10能够与工作夹片300的端面抵接。进一步优选地，外壳9左侧的端部还固接有能够直接与锚具200端面抵触的对中限位块6，常态时，平衡球座10部分伸出至对中限位块6外。

如图4所示，在另一种优选的实施方式中，该检测装置还包括预紧弹簧8，预紧弹簧8套设在位移计的伸缩杆21或位移延长杆4外，当然预紧弹簧8也可同时套设在位移计的伸缩杆21和位移延长杆4外。外壳9内部具有第一限位台阶91，位移延长杆4上具有限位环台，在预紧弹簧8的弹力作用下，限位环台能够与第一限位台阶91抵紧。

进一步优选地，位移计的伸缩杆21的末端(图4中的左端)螺纹连接有对中挡块5，对中挡块5呈圆弧状，预紧弹簧8套设在位移计的伸缩杆21外且由对中挡块5压设，位移延长杆4的右端与对中挡块5的左端抵接。

图4所示，在另一种优选的实施方式中，外壳9内部具有第二限位台阶92，外壳9内部固接有电子尺安装挡块1，电子尺安装挡块1通过螺栓固定在外壳9内部，三个位移计2的壳体的两端分别由第二限位台阶92和电子尺安装挡块1进行轴向限位。

如图4和图5所示，本发明的检测装置安装过程如下：

第一步：将位移延长杆4从防爆外壳9的右部装入，内嵌于外壳9，位移延长杆4的限位环台与外壳内部的第一限位台阶91接触，实现轴向位移量限制。

第二步：在三个位移计的伸缩杆21上均套上预紧弹簧8，同时将对中挡块5与位移计的伸缩杆21螺纹连接，将预紧弹簧8压设在位移计壳体与对中挡块5之间。本方案通过增加预紧弹簧有效改善了该检测装置的使用寿命，设置对中挡块5增大接触面积，解决了位移延长杆4与位移计的伸缩杆21同轴度偏差导致的径向受力。

第三步：将第二步连接的三个整体从外壳9的右部装入，内嵌于外壳9内部，对中挡块5的左端与位移延长杆4的右端端面接触，位移计2壳体的左端与外壳中的第二限位台阶92接触。

第四步：将电子尺安装挡块1从外壳9的右部装入，用螺栓将电子尺安装挡块1固定在外壳9内部，由第二限位台阶92和电子尺安装挡块1对三个位移计2的壳体进行轴向位置限制。

第五步：将采集显示模块7从右部装入外壳9的限位槽内，位移计2的线缆通过外壳9的内部槽与采集显示模块7连接。

第六步：将电源模块3从右部装在外壳9外，并通过卡簧将二者固定，此处为配合为过盈配合，电源模块3的线缆通过外壳9的内部槽与采集显示模块7连接。

第七步：将平衡球座10与位移延长杆4通过螺纹连接紧固。

第八步：将对中限位块6装在外壳9的左端，并通过卡簧将二者固定，此处配合为过盈配合，通过卡簧、过盈配合连接，减小了该检测装置安装间隙，使测量更加精准。

实施例二

本实施例提供了一种用于实施例一的检测装置的测量计算方法，如图1、图2和6所示，在钢绞线400安装完成并施加预紧力后,将检测装置套在钢绞线400外，使检测装置的向左移动，平衡球座10与工作夹片300的右端面接触。继续使检测装置的外壳9向左移动，与外壳9固接的对中限位块6的内壁与工作夹片300外部的定位凸起302接触，实现该检测装置的对中；继续使外壳9向左移动，直至对中限位块6的左端与锚具200的右端抵触而无法向左移动外壳9为止。

平衡球座10与工作夹片300的右端面接触后，向左移动外壳9的过程中，工作夹片300通过平衡球座10、位移延长杆4和对中挡块5，使位移计的伸缩杆21克服预紧弹簧8的弹力向右缩。相对钢绞线400旋转该检测装置(此过程中，对中限位块6的左端始终与锚具200的右端抵触)，位移计2检测工作夹片300的位移值。

假定在无外力作用下，已知锚具200与工作夹片300锥面配合时，工作夹片300伸出至锚具200外的长度为L，控制器根据L和位移计检测的工作夹片的位移值，便可换算得到工作夹片的内陷深度，建立钢绞线锚固力与工作夹片的内陷深度的计算公式：

其中，F为钢绞线的锚固力，h为工作夹片内陷深度，α为锚具锥形孔的锥角，θ为工作夹片内孔的齿牙的齿顶夹角，[τ]为钢绞线材料的许用抗剪强度。在选定锚具200和工作夹片300后，α、θ和[τ]均为已知，由此便可根据工作夹片的内陷深度h得出钢绞线的锚固力F。

本发明还对本申请中的锚固力检测装置通过上述测量计算方法得到的锚固力实测值进行数据验证，与钢绞线的锚固力参考值（锚固力参考值可采用现有技术获得，比如采用锚下埋设力传感器获得，或者采用行业通用的锚固力检测装置获得，后者为有损检测）进行比较，得到本发明获得的锚固力实测值与锚固力参考值的偏差，具体数据如下表1和表2所示：

表1 为锚固力实测值与锚固力参考值对照表（一）

表2 为锚固力实测值与锚固力参考值对照表（二）

由上表1和表2可知，本发明的锚固力检测装置根据工作夹片的内陷深度转换得到的锚固力实测值与锚固力参考值之间存在一定的偏差，锚固力的偏差在±10%以内，即该锚固力检测装置的精度为±10%，满足无损检测的精度要求。因此可以通过本发明的锚固力检测装置检测钢绞线锚固力并判定钢绞线的锚固力是否合适；而且本发明的锚固力检测装置体积小，使用简单，能够快速检测钢绞线的锚固力，可广泛应用于施工现场锚固点较多，空间受限的场景。

在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种锚固力检测装置，用于测量钢绞线锚固点的锚固力，所述锚固点具有沿钢绞线轴线方向设置的锚具和部分嵌于所述锚具中的工作夹片，所述锚具具有锥形孔，锥形孔的小端靠近岩石层，所述工作夹片具有与所述锥形孔配合的外锥面，所述工作夹片的内孔上具有咬合所述钢绞线的齿牙；其特征在于，所述锚固力检测装置包括能够与锚具的端面相作用的外壳、以及设在所述外壳中的位移计，所述位移计的伸缩杆能够与工作夹片相作用且根据工作夹片的位置产生相应伸缩量；

所述锚固力检测装置还包括控制器和显示装置，所述控制器根据位移计的伸缩杆的伸缩量获得锚固力并通过显示装置显示；

所述锚固力检测装置的测量计算方法为：在所述钢绞线安装完成并施加预紧力后，将所述锚固力检测装置的外壳与所述锚具的端面抵触，位移计的伸缩杆与工作夹片的端面抵触，相对所述钢绞线旋转所述锚固力检测装置，所述锚固力检测装置的位移计检测所述工作夹片的位移值,控制器根据工作夹片的位移值换算得到工作夹片的内陷深度，建立钢绞线锚固力与工作夹片的内陷深度的计算公式：

其中，F为钢绞线的锚固力，h为工作夹片内陷深度，α为锚具锥形孔的锥角，θ为工作夹片内孔的齿牙的齿顶夹角，[τ]为钢绞线材料的许用抗剪强度。

2.根据权利要求1所述的一种锚固力检测装置，其特征在于，所述位移计的数量大于或等于所述工作夹片的片数，当位移计的数量为多个时，多个位移计周向间隔分布。

3.根据权利要求1所述的一种锚固力检测装置，其特征在于，所述位移计的伸缩杆均连接有位移延长杆，所述位移延长杆远离位移计的一端固接有平衡球座，所述平衡球座能够与所述工作夹片抵接。

4.根据权利要求3所述的一种锚固力检测装置，其特征在于，所述外壳的端部还固接有能够与所述锚具抵触的对中限位块，所述对中限位块具有能够与工作夹片外部的定位凸起配合的内壁，所述平衡球座部分伸出至所述对中限位块外。

5.根据权利要求3所述的一种锚固力检测装置，其特征在于，还包括预紧弹簧，所述预紧弹簧套设在所述位移计的伸缩杆和/或位移延长杆外，所述外壳内部具有第一限位台阶，所述位移延长杆上具有限位环台，在所述预紧弹簧的弹力作用下，所述限位环台能够与所述第一限位台阶抵紧。

6.根据权利要求5所述的一种锚固力检测装置，其特征在于，所述位移计的伸缩杆的末端固接有对中挡块，所述预紧弹簧套设在所述位移计的伸缩杆外且由所述对中挡块压设，所述位移延长杆与对中挡块抵接。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种锚固力检测装置，其特征在于，所述外壳内部具有第二限位台阶，所述外壳内部固接有电子尺安装挡块，所述位移计的壳体的两端分别由所述第二限位台阶和电子尺安装挡块进行轴向限位。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的一种锚固力检测装置，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块给所述位移计、控制器和显示装置供电。

9.根据权利要求8所述的一种锚固力检测装置，其特征在于，所述电源模块、控制器和显示装置固定安装在所述外壳上。

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