锚杆应力损失的室内测试装置及方法与流程

本发明属于土木工程技术领域，特别涉及一种锚杆应力损失的室内测试装置及方法。

背景技术：

岩土工程中，锚杆的使用已有悠久历史，锚杆广泛运用于基坑、隧道等的支护中，由于锚杆-围岩受力的复杂性，研究锚杆张拉后在土体中应力损失问题对设计和施工都显得尤为重要。

研究锚杆张拉后应力损失问题，要从现场实验和室内模拟实验两个方面共同出发。基于现场实验，可以得到土体中锚杆张拉后大致的受力分布规律，但是由于现场条件极其复杂，不论在经济成本和人力成本上都较大，锚杆张拉机进行张拉过程中误差也较大，而且难以控制边界条件来研究不同因素的影响。相对于现场实验，室内模拟实验简单易行，对于验证理论分析的结论和指导现场施工和改进设计具有极重要的意义。因此，发展一种实验室内测试锚杆应力损失的方法显得尤为重要。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种锚杆应力损失的室内测试装置及方法。

本发明具体技术方案如下：

本发明一方面提供了一种锚杆应力损失的室内测试装置，包括模型箱，所述模型箱包括第一箱体，所述第一箱体包括底板以及设在所述底板上的依次首尾连接的第一侧板、第二侧板、第三侧板以及第四侧板；所述第一侧板内侧垂直设有第一自由钢板，所述第二侧板内侧垂直设有第二自由钢板，所述第一自由钢板、所述第二自由钢板、所述第一侧板、所述第二侧板以及所述底板围合成第二箱体，所述第二箱体内填充有土体，所述土体内插设有锚杆，所述锚杆外部套设有空心千斤顶；所述第一自由钢板与所述第四侧板之间设有第一千斤顶，所述第二自由钢板与所述第三侧板之间设有第二千斤顶。

进一步地，所述第一自由钢板与所述第二自由钢板相邻处通过柔性连接件连接，以保证两钢板挤压过程中土体不会从两钢板之间的缝隙中流出。

进一步地，所述空心千斤顶底部与所述土体顶部之间设有垫块。

实验所用模型箱设计为正方体钢质箱体，并采用现浇砂浆作为锚杆锚固体，以垫块代替锚索托盘，垫块采用混凝土制作并加入石膏增强其强度，实际工程中垫块均为方形，箱体上表面为正方形，为了更好地将锚杆提供的反力均匀的传递到土体上，故实验选择正方形垫块。使用时，也可以采用圆柱形的筒体和圆形的垫块，也能达到所需的效果。

第一自由钢板与第一侧板相连处、第二自由钢板与第二侧板相连处均不留缝隙，并可涂抹润滑材料，以减小第一自由钢板与第二自由钢板所受阻力，并保证在对自由钢板1与自由钢板2加压过程中土体不从缝隙中涌出。

进一步地，所述第一千斤顶两端分别通过螺栓固定在所述第一自由钢板中心以及所述第四侧板上；所述第二千斤顶两端分别通过螺栓固定在所述第二自由钢板中心以及所述第三侧板上，以保证每侧土体受力均匀。第一千斤顶和第二千斤顶优选为油压千斤顶，通过油压千斤顶施加压力，第一自由钢板与第二自由钢板在第一千斤顶与第二千斤顶作用下对土体产生侧向压力，以此改变土体围压。通过油压表显示压强值，可知第一自由钢板和第二自由钢板对土体施加的压力，由此可得到土体内围压。

本发明提供的锚杆应力损失的室内测试装置，结构简单、使用方便、成本低、误差小，应用灵活，实验结果准确率高、边界条件易于控制，可以应用于实践中。

本发明另一方面提供了一种锚杆应力损失的室内测试方法，包括如下步骤：

s1：进行土体重塑，原状土运抵实验室后，需将其捣碎、过筛、风干，在进行重塑，以便于配置符合实验要求状态的土体；

s2：向所述第二箱体中分多层填充土体，每填一层土后，均匀喷洒一定质量的水；每层填土完毕后，对土体进行夯实，再覆盖塑料薄膜进行第一次养护，养护时间为7d，让孔隙水压力完全消散；

s3：在填土过程中提前埋设pvc管，将pvc管埋于模型中央，以便后续锚杆锚固段注浆孔的制作；在填土高度达到所需锚固长度后，缓慢拔出pvc管，形成注浆孔；

s4：将所述锚杆插入所述注浆孔，通过锚杆对中器的上、下两个圆塞保证锚杆的垂直度；向所述注浆孔内注浆，同时用铁丝轻轻搅拌，注浆结束后覆盖塑料薄膜进行第二次养护，养护时间为28d，防止土体水分蒸发和确保锚杆锚固体强度达到试验要求；

s5：养护结束后，继续填土直至达到设定的填土高度，并对土体进行夯实，夯实结束后用塑料薄膜封闭、进行第三次养护，防止水分的散失并静置消散孔隙水压力；

s6：养护结束后，进行预应力的加载，均匀操作所述空心千斤顶，并且采集所述空心千斤顶施加的应力；

s7：采集数据，观测锚杆上的应力随时间的损失情况。

进一步地，所述步骤s2中，填充土体时，通过所述第一千斤顶限制所述第一自由钢板受到压力后的推进距离，同时通过所述第二千斤顶限制所述第二自由钢板受到压力后的推进距离，以防止第一自由钢板与第二自由钢板在对土体施加围压过程中推进距离过大，以至破坏土体结构使土体中出现裂纹或向上过度隆起。

进一步地，所述步骤s2中，填充土体时，通过设置沙井提高土体渗透速度，具体包括如下步骤：

s2.1：在土体内布置至少一个纵向沙井，作为浸水通道；

s2.2：在土体底端铺垫一层中砂，使土层进行双向浸水。

设置沙井的目的是为简化改变土体含水率的过程。当实验要求需要配置多种含水率的土体时，只需配置出所需最低含水率的土体，一次实验完成后，依照比例向模型箱中的土体进行喷水即可。沙井可以提高土体渗透速度，缩短试验时间，降低实验成本。

进一步地，所述步骤s2.1的具体方法如下：

在所述模型箱内埋设若干根塑料管，填土结束后慢慢拔出所述塑料管，填入中砂并用细钎攒实。

进一步地，所述步骤s6的具体方法如下：

s6.1通过所述第一千斤顶与所述第二千斤顶对土体施加围压；

s6.2由所述空心千斤顶对所述锚杆施加预应力，当所施加应力达到实验设计值后，空心千斤顶停止增加预应力并维持预应力的稳定。

锚杆预应力的施加是模型试验最重要的一部分，首先依照实验要求通过第一千斤顶与第二千斤顶对土体施加实验设计的围压值，再由空心千斤顶对锚杆施加预应力，空心千斤顶下端顶在垫块上，力通过垫块均匀的传导于土体上；当所施加应力达到实验设计值后，空心千斤顶停止加载并维持稳定。实验过程中千斤顶不卸载以保证锚杆中应力稳定，减小因空心千斤顶加载引起应力损失。

进一步地，所述步骤s7中，采用静态采集仪对实验数据进行记录。

本发明的有益效果如下：本发明提供的锚杆应力损失的室内测试装置及应用该装置的测试方法，结果简单、操作方便，测量误差小、精度高，并且边界条件及实验变量易于控制。该装置及方法可以应用于理论验证和实践操作中，对施工现场的指导和施工设计的改进均具有重要意义。

附图说明

图1为实施例1所述的一种锚杆应力损失的室内测试装置的俯视图；

图2为实施例1所述的一种锚杆应力损失的室内测试装置的纵向剖视图；

图3为实施例1所述的一种锚杆应力损失的室内测试装置的立体图；

图4为实验例中不同含水率情况下锚杆预应力值变化情况。

其中：1、底板；2、第一侧板；3、第二侧板；4、第三侧板；5、第四侧板；6、第一自由钢板；7、第二自由钢板；8、土体；9、锚杆；10、空心千斤顶；11、第一千斤顶；12、第二千斤顶；13、柔性连接件；14、垫块。

具体实施方式

下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1～3所示，本发明实施例1提供了一种锚杆应力损失的室内测试装置，包括模型箱，所述模型箱包括第一箱体，所述第一箱体包括底板1以及设在所述底板1上的依次首尾连接的第一侧板2、第二侧板3、第三侧板4以及第四侧板5；所述第一侧板2内侧垂直设有第一自由钢板6，所述第二侧板3内侧垂直设有第二自由钢板7，所述第一自由钢板6、所述第二自由钢板7、所述第一侧板2、所述第二侧板3以及所述底板1围合成第二箱体，所述第一自由钢板6与所述第二自由钢板7相邻处连接有柔性连接件13，所述柔性连接件13优选为帆布，所述第二箱体内填充有土体8，所述土体8内插设有锚杆9，所述锚杆9外部套设有空心千斤顶10；所述第一自由钢板6与所述第四侧板5之间设有第一千斤顶11，所述第二自由钢板7与所述第三侧板4之间设有第二千斤顶12。所述空心千斤顶10底部与所述土体8顶部之间设有垫块14。

实施例2

本实施例2在实施例1的基础上提供了一种锚杆应力损失的室内测试装置，该实施例2进一步限定了所述第一千斤顶11两端分别通过螺栓固定在所述第一自由钢板6中心以及所述第四侧板5上；所述第二千斤顶12两端分别通过螺栓固定在所述第二自由钢板7中心以及所述第三侧板4上。

实施例3

本实施例3提供了应用实施例1或2所述装置的锚杆应力损失的室内测试方法，包括如下步骤：

s1：进行土体8重塑；

s2：向所述第二箱体中分多层填充土体8，每填一层土后，均匀喷洒一定质量的水；每层填土完毕后，对土体8进行夯实，再覆盖塑料薄膜进行第一次养护，养护时间为7d；

s3：在填土过程中提前埋设pvc管，在填土高度达到所需锚固长度后，缓慢拔出pvc管，形成注浆孔；

s4：将所述锚杆9插入所述注浆孔，向所述注浆孔内注浆，同时轻轻搅拌，注浆结束后覆盖塑料薄膜进行第二次养护，养护时间为28d；

s5：养护结束后，继续填土直至达到设定的填土高度，并对土体8进行夯实，夯实结束后用塑料薄膜封闭、进行第三次养护；

s6：养护结束后，进行预应力的加载，均匀操作所述空心千斤顶10，并且采集所述空心千斤顶10施加的应力；

s7：采集数据，观测锚杆9上的应力随时间的损失情况。

实施例4

本实施例4在实施例3的基础上提供了一种锚杆应力损失的室内测试方法，该实施例4进一步限定了所述步骤s2中，填充土体8时，通过所述第一千斤顶11限制所述第一自由钢板6受到压力后的推进距离，同时通过所述第二千斤顶12限制所述第二自由钢板7受到压力后的推进距离。同时通过设置沙井提高土体8渗透速度，沙井的设置具体包括如下步骤：

s2.1：在所述模型箱内埋设若干根塑料管，填土结束后慢慢拔出所述塑料管，填入中砂并用细钎攒实，从而在土体8内布置至少一个纵向沙井；

s2.2：在土体8底端铺垫一层中砂。

实施例5

本实施例5在实施例3的基础上提供了一种锚杆应力损失的室内测试方法，该实施例5进一步限定了所述步骤s6的具体方法如下：

s6.1通过所述第一千斤顶11与所述第二千斤顶12对土体8施加围压；

s6.2由所述空心千斤顶10对所述锚杆9施加预应力，当所施加应力达到实验设计值后，空心千斤顶10停止增加预应力并维持预应力的稳定。

所述步骤s7中，采用静态采集仪对实验数据进行记录，观测锚杆9上的应力随时间的损失情况。

实验例

试样用土取自成都市龙泉驿城区，土体主要特征，灰黄色、褐黄色、稍湿、可塑，含少量铁、锰质结核，土体切面光滑，稍有光泽，土体干燥状态下强度、韧性较高，表面发育有较为密集的网状裂隙，裂隙被少量灰白色高岭土充填，裂隙间可见光滑镜面，遇水后裂隙收缩，土体迅速软化，具有典型膨胀土的特征。根据《室内土工试验报告》对粘土、粉质粘土所作的物理力学试验，对其各指标统计分析如下：

1.前期准备

当土运过来的时已经严重失水结块，为了后续更好地配置相应含水率的膨胀土，所以需要将土捣碎、过1mm筛。

2.装填模型箱

模型箱中的土高600mm，分6层填入。每层每次填入大约4kg的膨胀土，高度约为2cm，并用小喷壶均匀的喷洒计算好重量的水，配制16％含水率的膨胀土(膨胀土自然状态下含水率为16％)，每层填土完毕后采用人工击实的方法进行击实，利用质量控制法控制土体干密度为1.6(土的干密度一般常在1.4-1.7，但是膨胀土的干密度一般为1.6)夯实结束后，在土体表面覆盖塑料薄膜，防止水分的蒸发。土样放置7d，目的是让孔隙水压力完全消散。

在填土过程中提前埋设直径50mm，长度为300mm的pvc管，以便后续锚杆9锚固段注浆孔的制作。在填土高度达到300mm时，缓慢的拔出pvc管形成孔洞，并用铁丝将孔壁刮毛，以便后续注浆体和土体更好地粘结在一起。

锚固体浇筑选用c30水泥，砂浆配比水:水泥:砂为0.45:1:1。通过锚杆对中器的上、下两个圆塞保证锚杆9的垂直度。注浆时采用铁丝轻微搅拌，保证浇筑锚杆9锚固体的完整性。注浆结束后覆盖薄膜养护28d，防止土体8水分蒸发和确保锚杆9锚固体强度达到试验要求。

待到养护阶段结束后，继续填土直至填土高度到达标定的高度600mm，夯实过程同前期一样，夯实结束后用塑料薄膜进行封闭并盖上盖子，防止水分的散失并静置消散孔隙水压力。

3.应力加载及收集数据

养护结束后，先将应变片连接到数据采集仪上并打开相应的采集软件进入到采集界面，设置应变片的参数并输入锚杆9的弹性模量为2×10⁵mpa。然后进行预应力的加载，均匀的操作空心千斤顶10，使得锚杆9上的四个应变片示数均匀的增加直至平均值为300kpa(数据采集仪可以通过软件直接将采集的应变转化为应力)并迅速的将锚头锁死。

使用应变片粘贴在锚杆9上，通过测量锚杆9应变计算应力的变化，锚杆9自由端长度为300mm，在自由段每隔100mm处粘贴应变片，每处粘贴两个应变片共计四个应变片。数据采集仪可以直接将测得的应变转化为应力，取四个应力的平均值作为锚杆9自由段的应力值。

应变片采用be120-3aa型号的电阻应变片，电阻值为120.2±0.1ω，灵敏系数为2.22±1％；数据采集仪采用hj3816型号的数显式静态应变仪。

设置自动采集数据，观测锚杆9上的预应力随时间的损失情况。锚头锁固后，每隔5min观测1次；0.5h以后，改为10min观测1次；1h以后改为0.5h观测1次；如此，每隔0.5h观测1次，2h以后改为1h观测一次。若相邻两次观测结果的差值在3kpa以下,就认为锚杆的预应力瞬时损失已经结束，数据采集结束。

第二组试验是在19％含水率的情况下进行，首先打开锚头，卸载空心千斤顶10。算出需要添加的水量并均匀的加入到模型箱中，塑料膜密封静置养护7天，在防止水分蒸发的同时也使得水能均匀的渗透到土体中，土体充分发生反应，重复上述的加载过程，加载的预应力为300kpa并重复上述的数据采集过程。

第三组和第四组试验分别是在22％和25％含水率情况下进行，预应力加载以及数据的采集与前两组相同。

4.试验结果与分析

以时间为x轴，以锚杆9的预应力为y轴建立坐标系得到的结果如图4所示。从图中可以得到如下信息：

(1)预应力的减小可以分为3个阶段：

a.第一个阶段为预应力快速减小阶段，时间为0-20min：这是因为随着土体8含水率的增加，土体8孔隙比增大，土体8粘粒含量增多，土体8的蠕变性也越加明显，同时在水的作用下土体8内部发生化学变化和物理变化从而导致内部联结力和结构强度的降低，造成在前20分钟内土体8在外力作用下急剧变形，以致于锚,9中的应力迅速减小(在实际工程中在加载结束后千斤顶回油的瞬间锚索不可避免的回缩，使得预应力瞬时损失，但在本文中更主要的是倾向于研究水对于膨胀土的膨胀作用对于锚杆9的影响，所以在实验过程中锚固好锁头的同时并没有卸载空心千斤顶10)；

b.第二个阶段为预应力缓慢减小阶段，时间为20-60min：在第一阶段过程中，持续的外力以及自身的蠕变使得土体8的孔隙比减小密实度增加，并且外力的减小等因素都会使得土体8的变形不再那么急剧，所以第二阶段预应力进入相对缓慢的减小阶段；

c.第三个阶段为预应力相对稳定阶段，时间为1-5h:在这一阶段中预应力减小非常缓慢，每个小时的损失量均在10kpa以下，系统相对达到一个比较稳定的状态。

(2)含水率为16％，19％，22％，25％的情况时预应力损失百分比分别为52.67％，65.33％，74.67％，87.33％，随着含水率的增加损失比率也随之增加，这也说明了含水率的增加使得膨胀土土体的膨胀作用越发显著。60min预应力损失占总损失百分比分别为82.27％，82.65％，84.38％，85.11％，但实际上超过80％的损失都是在前一小时发生的，所以在实际工程中遭遇雨水天气必须迅速做好排水工作，否则在很短的时间内由于水的作用便会使得锚杆中的预应力迅速降低，对工程造成隐患。预应力损失规律可以参见表1。

表1预应力损失规律表

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。