CN114062248B - 一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统及测试方法，所述的测试系统包括钢绞线监测装置、反拉装置、以及用于检测锚索锚固力的检测单元；钢绞线监测装置包括磁弹仪和沿钢绞线长度方向间隔设置的至少一个磁通量传感器，磁通量传感器的信号输出端通过传感器导线与磁弹仪相连；反拉装置包括用于张拉钢绞线的反拉千斤顶和液压油泵，反拉千斤顶的进油口和回油口分别通过油管与液压油泵连接；反拉装置给钢绞线施加反拉力，磁通量传感器测得锚索自由段的摩擦损失。本发明的岩土锚索管道自由段摩阻损失试验系统成本低廉；而且本发明的岩土锚索管道自由段摩阻损失试验系统简单方便，便于在施工中进行。

Description

一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统及测试方法

技术领域

本发明属预应力锚索技术领域，具体涉及一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统及测试方法。

背景技术

预应力锚索在岩土锚固中的应用越来越多，而预应力锚索的预应力损失作为判断预应力锚索有效性的指标，在工程实践中十分重要。传统边坡施工时采用在锚口处安装振弦式或电阻应变式传感器来对拉力集中型预应力锚索的锚口预应力损失进行监测，这种方法可以对钢筋的松弛、岩土体蠕变等其他因素产生的预应力损失进行监测。此种监测方法假定预应力锚索自由段处是没有预应力损失的，即锚口处张拉的力与锚固段处的锚固力相一致，然而实际工程中，自由段处的锚索由于与岩壁之间的接触产生摩阻力，从而使锚索在自由段处产生预应力损失，从而导致实际锚固段处预应力要小于锚口处预应力。

传统对管道摩阻的检测方式分为三种：振弦式传感器检测、电阻应变片检测和磁通量传感器检测。

1)振弦式传感器原理是要受压才能进行检测，因此一般在对穿式锚索的管道摩阻检测中应用，并不具备普遍性；

2)电阻应变片检测方法要求粘贴的物体表面要绝对光滑，因此在使用前一般会对被测物体进行抛光处理，锚索中的每根钢绞线有大量的钢丝绞合而成，对其进行打磨并不能使其具有光滑的接触面，因此应变片检测方法也不适用；

3)磁通量传感器检测方式主要分为两种，一种是采用大口径的磁通量传感器可以检测整束锚索的应力值，此种方式检测精度较差；一种是对锚索的每根钢绞线单独进行检测从而得到整束的应力值，此种方式费用较高。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统及测试方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统，锚索包括至少一根钢绞线，自由段指锚索位于管道内未锚固的节段，测试系统包括钢绞线监测装置、反拉装置、以及用于检测锚索锚固力的检测单元；钢绞线监测装置包括磁弹仪和沿钢绞线长度方向间隔设置的至少一个磁通量传感器，磁通量传感器安装在钢绞线上，磁弹仪位于管道外，磁通量传感器的信号输出端通过传感器导线与磁弹仪相连；反拉装置包括用于张拉钢绞线的反拉千斤顶和液压油泵，反拉千斤顶的进油口和回油口分别通过油管与液压油泵连接。

上述技术方案中，本发明的岩土锚索管道自由段摩阻损失试验系统成本低廉；而且本发明的岩土锚索管道自由段摩阻损失试验系统简单方便，便于在施工中进行。

在本发明的一种优选实施方式中，反拉装置还包括微动侦测计，微动侦测计安装在管道外预留的钢绞线上，微动侦测计位于岩土与反拉千斤顶之间且与反拉千斤顶相互作用。

上述技术方案中，微动侦测计通过小变形来测得反拉力值，测试简单，结果准确。

在本发明的一种优选实施方式中，还包括监控装置，监控装置包括电脑，磁弹仪和检测单元的信号输出端与电脑连接，电脑通过无线传输方式全程记录监测数据。

上述技术方案中，通过设置监控装置便于全程记录监测数据。

在本发明的一种优选实施方式中，锚索自由段通过间隔设置的多个架线环安装于管道内。

上述技术方案中，通过设置架线环可减小锚索自由段的摩阻损失。

在本发明的一种优选实施方式中，锚索包括至少两根钢绞线，磁通量传感器的数量为两个，两个磁通量传感器分别安装在管道中上侧与下侧的两根钢绞线上，其中上侧的磁通量传感器安装在自由段端头处，下侧的磁通量传感器安装在自由段中间处。

上述技术方案中，相比采用自由段两端每根钢绞线都安装磁通量传感器的方式，本方案通过管道内对上下两侧的钢绞线进行监测，锚口处采用反拉装置对安装磁通量传感器的钢绞线进行张拉，大大减少了资金的投入。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统的测试方法，包括如下步骤：

S1、在锚固锚索的注浆体达到规定强度后开始进行张拉，张拉分为多个阶段，每个阶段的张拉力呈阶梯式的逐级增大，每次张拉完成后持荷一段时间；

S2、当测试锚索张拉完成后，锁定锚索后利用反拉装置开始进行反拉检测，当反拉千斤顶达到了设定张拉应力时自动锁定，同时在电脑上记录相关的时间曲线图，并记录检测单元和磁弹仪的数据，张拉完成后，反拉千斤顶卸荷；

S3、按如下公式(1)计算锚索自由段由摩阻引起的预应力损失N_n

N_n＝N_f-N_c (1)

根据公式(2)

推导得出如下公式(3)

公式(3)中

公式(3)中

公式(1)-(3)中，N_n为由于摩阻引起的预应力损失；

N_f为检测单元检测的锚索锚固力值；

N_c为磁弹仪测得的磁通量传感器的力值；

N_con为锚下控制应力；

η为钢绞线与架线环间的摩擦系数；

λ为考虑每米管道对其设计位置的偏差系数；

ω₀为锚索自由段弯起角之和；

x为锚索自由段的长度；

n为锚索的钢绞线总根数；

n₂为贴着管道壁的钢绞线的总根数；

x_i表示从锚口处开始第i个磁通量传感器在自由段处到锚口处的长度；

ω_i表示从锚口处开始第i个架线环处对应的钢绞线的弯曲角度；

S4、将由公式(3)计算得出的钢绞线与架线环间的摩擦系数η和考虑每米管道对其设计位置的偏差系数λ带入公式(2)中，计算得出锚索自由段由摩阻引起的预应力损失N_n。

本发明的岩土锚索管道自由段摩阻损失计算方法更加准确，通过现场试验中对钢绞线与架线环间的摩擦系数η和每米管道对其设计位置的偏差系数λ两种系数的反算，可以更加精确的得到自由段处的摩阻损失值。

在本发明的另一种优选实施方式中，步骤S1中，张拉分为六个阶段，分别为加荷到设计锚固力的20％、40％、60％、80％、100％和120％，每次张拉完成后持荷5分钟。

在本发明的另一种优选实施方式中，锚索自由段弯起角之和ω₀采用如下方式获取：钢绞线的根数为五根，架线环间隔2米等间距设置，每个架线环产生的弧度为0.05rad，根据架线环的个数来测得锚索自由段弯起角之和ω₀。

在本发明的另一种优选实施方式中，还包括步骤S5，选择不同自由段长度的锚索，重复步骤S1-S4，计算不同自由段长度下的自由段摩阻值。

上述技术方案中，根据不同自由段长度下的自由段摩阻值便可拟合出自由段摩阻值与自由段长度的关系曲线，由此便可根据自由段长度便可获知自由段摩阻值。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1)本发明的岩土预应力锚索自由段摩阻损失试验方法成本低廉。现有对自由段预应力进行检测的试验中，一般采用自由段两端每根钢绞线都安装磁通量传感器，这种试验方法非常昂贵；而本发明通过孔道中对上下两侧的钢绞线进行监测，锚口处采用反拉装置对安装传感器的钢绞线进行张拉，大大减少了资金的投入。

2)本发明的岩土锚索管道自由段摩阻损失试验系统结构简单方便，便于在施工中进行。

3)本发明的岩土锚索管道自由段摩阻损失计算方法更加准确，通过现场试验中对钢绞线与架线环间的摩擦系数η和管考虑每米管道对其设计位置的偏差系数λ两种系数的反算，可以更加精确的得到自由段处的摩阻损失值。

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是本申请实施例的一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统的结构示意图。

说明书附图中的附图标记包括：架线环1、磁通量传感器2、传感器导线3、喉箍4、监控装置5、磁弹仪6、支撑垫板7、钢绞线8、微动侦测计9、传输导线10、反拉千斤顶11、油管12、液压油泵13。

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。

本发明提供了一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统及测试方法，简称测试系统及测试方法。如图1所示，在本发明中，锚索包括至少一根钢绞线8，自由段指锚索位于管道内未锚固的节段；锚索自由段通过间隔设置的多个架线环1安装于管道内，架线环1的结构为本领域常规技术，在此不详述。

如图1所示，在本发明的一种优选实施方式中，该测试系统包括钢绞线监测装置、反拉装置、用于检测锚索锚固力的检测单元(图中未示出)和监控装置5。

其中，钢绞线监测装置包括磁弹仪6和沿钢绞线8长度方向间隔设置的至少一个磁通量传感器2，磁通量传感器2安装在钢绞线8上，磁弹仪6位于管道外，磁通量传感器2的信号输出端通过传感器导线3与磁弹仪6相连。磁通量传感器2和磁弹仪6的原理和使用方法为现有技术，在此不详述。

本申请的锚索至少包括两根钢绞线8，本实施例以设置两个磁通量传感器2为例进行说明(条件允许，磁通量传感器的数量可以更多，试验结果更准确)，两个磁通量传感器2分别安装在管道中上侧与下侧的两根钢绞线8上，其中上侧的磁通量传感器2安装在上侧钢绞线8自由段端头处，下侧的磁通量传感器2安装在下侧钢绞线8自由段中间处。磁通量传感器2采用一字型10-16mm的喉箍4固定，并采用绝缘胶带包裹磁通量传感器2形成绝缘套。

反拉装置给钢绞线8施加反拉力，反拉装置包括用于张拉钢绞线8的反拉千斤顶11和便携式液压油泵13，反拉千斤顶11的进油口和回油口分别通过油管12与液压油泵13连接。

在本实施方式中，采用检测单元检测锚索锚固力的方式可采用现有技术，比如CN201610254557.7、CN201922213724.5中公开的方式来获取锚索锚固力。

监控装置5包括电脑，优选电脑为无线电脑，磁弹仪6和检测单元的信号输出端与电脑连接，电脑通过无线传输方式全程记录监测数据。

在另一实施方式中，反拉装置还包括微动侦测计9，微动侦测计9安装在管道外预留的钢绞线8上，微动侦测计9位于岩土与反拉千斤顶11之间且与反拉千斤顶11相互作用，微动侦测计9通过传输导线10与监控装置5相连，由此将微动侦测计9所测位移变化传输至电脑。微动侦测计9用于检测反拉千斤顶11对钢绞线进行张拉时的微小位移变化，以此判定锚固体系与支撑面之间是否发生空隙，无需人工用插片进行检测，降低人的劳动强度。

使用该测试系统测试锚索自由段摩阻时，应预先将磁通量传感器2与锚索一同下锚，并将与磁通量传感器2相连接的传感器导线3穿出至管道外，便于后续与磁弹仪6连接。

该测试系统的测试方法包括如下步骤：

S1、在锚固锚索的注浆体达到规定强度后开始进行张拉，张锚索为现有技术，在此不详述。在本发明中，张拉分为多个阶段，每个阶段的张拉力呈阶梯式的逐级增大，每次张拉完成后持荷一段时间；比如张拉分为六个阶段，分别为加荷到设计锚固力的20％、40％、60％、80％、100％和120％(120％为超张拉)，每次张拉完成后持荷5分钟。

S2、当测试锚索张拉完成后，锁定锚索后开始进行反拉检测试验，首先将反拉千斤顶11与液压油泵13相连接，并将反拉千斤顶11与微动侦测计9连接到电脑上。具体地，在锚具外预留的钢绞线8上依次安装支撑垫板7、微动侦测计9和反拉千斤顶11，且三者抵紧，实现力的传递，准备工作完成。然后利用反拉装置开始对上下两根钢绞线8进行反拉检测，当反拉千斤顶11达到了设定张拉应力时自动锁定(为现有技术，在此不详述)，同时在电脑上记录相关的时间曲线图，并记录微动侦测计9和磁弹仪6的数据，张拉完成后，对反拉千斤顶11进行卸荷。

S3、按如下公式(1)计算锚索自由段由摩阻引起的预应力损失N_n

N_n＝N_f-N_c (1)

根据公式(2)

推导得出如下公式(3)

公式(3)中

公式(3)中

式(1)-(3)中，N_n为由于摩阻引起的预应力损失(单位MPa)，即本申请的测试系统需要测试的摩阻值；

N_con为锚下控制应力(单位MPa)，为通过反拉装置施加给钢绞线的实际张拉力值，为本领域常规技术，在此不详述；

N_f为检测单元检测的锚索锚固力值(单位MPa)，为现有技术，不在赘述；

N_c为磁弹仪测得的磁通量传感器的力值(单位MPa)，为现有技术，在此不详述；

η为钢绞线8与架线环1间的摩擦系数；

λ为考虑每米管道对其设计位置的偏差系数；

e为自然常数，通常取值2.71；

x_i表示从锚口处开始第i个(即图1的从右至左依次计数)磁通量传感器在自由段处到锚口处的长度(单位m)，具体可通过卷尺测量得到；

ω_i表示从锚口处开始第i个(即图1的从右至左依次计数)架线环处对应的钢绞线的弯曲角度(单位rad)，比如每个架线环产生的弧度为0.05rad；

ω₀为锚索自由段弯起角之和(单位rad)，具体地，锚索自由段弯起角之和ω₀可采用如下方式获取：比如设置的钢绞线的根数为五根，架线环间隔2米等间距设置，每个架线环产生的弧度为0.05rad，根据架线环1的个数来测得锚索自由段弯起角之和ω₀；

x为锚索自由段的长度(单位m)，即锚索位于管道内未锚固的节段的长度；

n为锚索的钢绞线总根数，本实施例为5根；

n₂为贴着管道壁的钢绞线的总根数，本实施例为2根。

S4、将由公式(3)计算得出的钢绞线与架线环间的摩擦系数η和考虑每米管道对其设计位置的偏差系数λ带入公式(2)中，计算得出锚索自由段由摩阻引起的预应力损失N_n。

S5、选择不同自由段长度的锚索，重复步骤S1-S4，计算不同自由段长度下的自由段摩阻值。根据不同自由段长度下的自由段摩阻值便可拟合出自由段摩阻值与自由段长度的关系曲线，由此便可根据自由段长度便可获知自由段摩阻值。

上述过程的步骤S3中，以公式(2)推导得出公式(3)的过程如下：

公式(2)中，令Y＝N_n/N_con，则公式变为：

由于在测试过程中存在误差，不同的测试值可以得到一系列方程式：

……

式中：ΔF_i(i＝1,2,…,n)为测量误差，则有:

为使

取得最小值，故有：

将

设为W_i、将

设为Y_i代入上式计算便可得到公式(3)：

在本发明中，假设管道中锚索由于架线环1的影响，预应力钢铰线8的受力形式分为上下两部分，其中下方钢绞线与孔壁接触，其他钢绞线覆盖在上面并向下半部分的钢绞线传递荷载。由于架线环1的扩张作用、以及架线环1与锚索绑扎的关系，在架线环1处钢绞线8会有弯曲，从弯曲处的钢绞线取微分段，通过分析其弯曲处的接触应力引起的摩阻力和非弯曲处锚孔的偏差引起的摩阻力，计算得出预应力钢铰线在自由段处的摩阻损失计算公式，即前述的公式(2)。

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 (8)

1.一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统，所述锚索包括至少一根钢绞线，所述自由段指锚索位于管道内未锚固的节段，其特征在于，所述测试系统包括钢绞线监测装置、反拉装置、以及用于检测锚索锚固力的检测单元；

所述钢绞线监测装置包括磁弹仪和沿钢绞线长度方向间隔设置的至少一个磁通量传感器，所述磁通量传感器安装在钢绞线上，所述磁弹仪位于管道外，所述磁通量传感器的信号输出端通过传感器导线与磁弹仪相连；

所述反拉装置包括用于张拉钢绞线的反拉千斤顶和液压油泵，所述反拉千斤顶的进油口和回油口分别通过油管与液压油泵连接；

所述测试系统的测试方法，包括如下步骤：

S1、在锚固锚索的注浆体达到规定强度后开始进行张拉，张拉分为多个阶段，每个阶段的张拉力呈阶梯式的逐级增大，每次张拉完成后持荷一段时间；

S2、当测试锚索张拉完成后，锁定锚索后利用反拉装置开始进行反拉检测，当反拉千斤顶达到了设定张拉应力时自动锁定，同时在电脑上记录相关的时间曲线图，并记录检测单元和磁弹仪的数据，张拉完成后，反拉千斤顶卸荷；

S3、按如下公式(1)计算锚索自由段由摩阻引起的预应力损失N_n

N_n＝N_f-N_c (1)

根据公式(2)

推导得出如下公式(3)

公式(3)中

公式(3)中

公式(1)-(3)中，N_n为由于摩阻引起的预应力损失；

N_f为检测单元检测的锚索锚固力值；

N_c为磁弹仪测得的磁通量传感器的力值；

N_con为锚下控制应力；

η为钢绞线与架线环间的摩擦系数；

λ为考虑每米管道对其设计位置的偏差系数；

ω₀为锚索自由段弯起角之和；

x为锚索自由段的长度；

n为锚索的钢绞线总根数；

n₂为贴着管道壁的钢绞线的总根数；

x_i表示从锚口处开始第i个磁通量传感器在自由段处到锚口处的长度；

ω_i表示从锚口处开始第i个架线环处对应的钢绞线的弯曲角度；

S4、将由公式(3)计算得出的钢绞线与架线环间的摩擦系数η和考虑每米管道对其设计位置的偏差系数λ带入公式(2)中，计算得出锚索自由段由摩阻引起的预应力损失N_n。

2.根据权利要求1所述的一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统，其特征在于，所述反拉装置还包括微动侦测计，所述微动侦测计安装在管道外预留的钢绞线上，所述微动侦测计位于岩土与反拉千斤顶之间且与所述反拉千斤顶相互作用。

3.根据权利要求1或2所述的一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统，其特征在于，还包括监控装置，所述监控装置包括电脑，所述磁弹仪和检测单元的信号输出端与电脑连接，电脑通过无线传输方式全程记录监测数据。

4.根据权利要求1所述的一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统，其特征在于，所述锚索自由段通过间隔设置的多个架线环安装于所述管道内。

5.根据权利要求1所述的一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统，其特征在于，所述锚索包括至少两根钢绞线，磁通量传感器的数量为两个，两个磁通量传感器分别安装在管道中上侧与下侧的两根钢绞线上，其中上侧的磁通量传感器安装在自由段端头处，下侧的磁通量传感器安装在自由段中间处。

6.根据权利要求1所述的一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统，其特征在于，所述步骤S1中，张拉分为六个阶段，分别为加荷到设计锚固力的20％、40％、60％、80％、100％和120％，每次张拉完成后持荷5分钟。

7.根据权利要求1所述的一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统，其特征在于，所述锚索自由段弯起角之和ω₀采用如下方式获取：所述钢绞线的根数为五根，架线环间隔2米等间距设置，每个架线环产生的弧度为0.05rad，根据架线环的个数来测得锚索自由段弯起角之和ω₀。

8.根据权利要求1所述的一种岩土锚索管道自由段摩阻值测试系统，其特征在于，还包括步骤S5，选择不同自由段长度的锚索，重复步骤S1-S4，计算不同自由段长度下的自由段摩阻值。

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