一种全长粘结钢筋锚杆杆体表面剪应力测试装置的制作方法

本实用新型属于剪应力测试设备
技术领域：
，涉及一种全长粘结钢筋锚杆杆体表面剪应力测试装置，能更准确、便捷的得到全长粘结钢筋锚杆杆体表面剪应力，为锚杆设计参数的合理选择和相关规范的修订提供依据。
背景技术：
：：目前，在土木工程施工过程中，由于地理位置的限制，在某些地方开挖基坑的时候，会遇到基坑面积过大、开挖深度过深、地质条件复杂、基坑外面作业面狭小等情况，为保证这种状况下的基坑支护能够满足强度和荷载要求，在基坑支护结构中，锚杆对基坑和边坡的加固作用十分明显。分析与研究锚杆的应力状态与分布规律是了解锚杆承载能力及工作特点的前提，而在锚杆应力分析中，对于锚杆杆体与灌浆体间的粘结剪应力分析是最为重要的环节，合理确定锚杆杆体与灌浆体间的剪应力，对锚杆加固作用的可靠性评价、锚杆设计参数的合理选择，特别是对锚杆有效长度的选择，均具有重大的工程意义和经济意义。现有的锚杆杆体应力测试方法主要包括电测和光纤测试，电测技术是将电阻应变片直接粘贴在锚杆杆体表面，应变片容易脱落，导致测试过程数据缺失，因此用普通电测方法不够合理，不能对钢筋锚杆工作性状进行全面监测；而光纤测试也包括分布式(布里渊法，BOTDA)和准分布式(布拉格光栅法，BraggGrating)两种方法，分布式(布里渊法)是用一根光纤进行连续测试，适合长距离测量，布里渊法名义上可以连续测试，但空间分辨率低，测点定位精确最多只能到20cm，不适合对全长粘结锚杆这样的短构件进行测试，尤其是接近孔口处的应力集中变化区不能准确定位。准分布式(布拉格光栅法)用光纤连接一串光栅传感器直接粘贴在锚杆表面对锚杆进行测试，由于钢筋表面存在凸起的螺纹，虽然经过打磨也会常常出现光栅传感器粘贴不牢的现象。目前，钢筋锚杆虽采用光纤测试，但大多采用分布式(布里渊法)的测试手段。因此，寻求一种全长粘结钢筋锚杆杆体表面剪应力测试装置，对于准确确定锚杆极限抗拔力和完善锚杆设计的相关规范规程有重要意义。技术实现要素：：本实用新型的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种全长粘结钢筋锚杆杆体表面剪应力测试装置，当光栅传感器受到拉力或者压力作用时，光栅传感器伸长或压缩使光栅周期或纤芯折射率发生变化，最终导致光纤光栅传感器波长漂移，求得钢筋锚杆杆体表面的剪应力。为了实现上述目的，本实用新型所述全长粘结钢筋锚杆杆体表面剪应力测试装置的主体结构包括锚杆杆体、锚具、荷重传感器、第一穿心钢垫板、油压式穿心千斤顶、第二穿心钢垫板、穿心反力梁、工字型支墩、角铁、光纤光栅位移传感器、钢垫板、低温敏型微型光纤光栅应变传感器、灌浆体、光纤、铠装光缆、光纤光栅数据采集仪、混凝土垫层、锚杆孔和岩土体；锚杆杆体采用普通螺纹钢筋，用于增强锚杆杆体与灌浆体之间的握裹力，提供足够的锚固力，岩土体内挖有锚杆孔，锚杆杆体下端插入锚杆孔，锚杆杆体与锚杆孔之间填充灌浆体；锚具采用穿心圆形钢板制成，厚度为3～5mm，锚具与锚杆杆体焊接相连；荷重传感器位于锚具下方，通过其配套的数字显示仪直观显示压力值；方形结构的钢垫板放置于混凝土垫层表面，并对称放置于锚杆杆体两侧；两个工字型支墩分别置于钢垫板上表面以支撑穿心反力梁，工字型支墩的面积小于钢垫的面积，锚杆杆位于两个工字型支墩的中心，保证锚杆杆的轴心受拉；穿心反力为四块3cm厚钢板焊接成的矩形截面，其跨度为1.8m、宽为30cm、高为60cm，穿心反力梁沿跨度设置三道加劲肋，确保反力梁有足够的刚度和稳定性，穿心反力梁中心处有预留孔洞，供锚杆杆体自由穿过，穿心反力梁的中心与锚杆杆体中心重合；穿心反力梁上表面放置第二穿心钢垫板，方形结构的第二穿心钢垫板中间预留有孔洞，其可供锚杆杆体穿过；第二穿心钢垫板、油压式穿心千斤顶、第一穿心钢垫板、荷重传感器和锚具自下而上依次迭放于穿心反力梁的上表面并与锚杆杆体同轴心结构，确保加载过程锚杆杆体的轴心受拉；光纤外侧通长制有塑料保护套管，能够避免光纤被损坏；低温敏型微型光纤光栅应变传感器刻入光纤形成光纤光栅传感器串，每个低温敏型微型光纤光栅应变传感器两端都配有微型夹持块，低温敏型微型光纤光栅应变传感器通过微型夹持块与锚杆杆体连接，保证低温敏型微型光纤光栅应变传感器和锚杆杆体同步变形，由于低温敏型微型光纤光栅应变传感器对温度的变化不敏感，在测试过程中不需要考虑温度补偿；锚杆杆体端头部位的光纤用铠装光缆保护，光纤和光纤光栅数据采集仪连接；角铁焊接在锚杆杆体侧面，使其位于混凝土垫层表面以上0.5mm，角铁的一面与混凝土垫层平行；光纤光栅位移传感器安装在角铁上面，用于测试锚杆杆体的上拔量。本实用新型实现全长粘结钢筋锚杆杆体表面剪应力测试的具体过程为：(1)、根据锚杆杆体的剪应力测试断面确定低温敏型微型光纤光栅应变传感器位置，将低温敏型微型光纤光栅应变传感器刻入到光纤上形成光纤光栅传感器串，通常锚杆孔的顶部附近的传感器较密集，每个低温敏型微型光纤光栅应变传感器两端的微型夹持块分别焊接在锚杆杆体上，使低温敏型微型光纤光栅应变传感器与锚杆杆体成为一整体，确保受力后二者同步变形，锚杆杆体端头部位的光纤和低温敏型微型光纤光栅应变传感器之间的光纤均采用铠装光缆进行保护；(2)、将光纤与光纤光栅数据采集仪接通后检验低温敏型微型光纤光栅应变传感器的成活率，一般情况成活率不低于90％，如果成活率太低，需要重新布设低温敏型微型光纤光栅应变传感器；(3)、根据设计要求在被测岩土地基进行钻孔形成锚杆孔，锚杆孔与地面相垂直；并将带有低温敏型微型光纤光栅应变传感器的锚杆杆体放入锚杆孔内直至锚杆杆体底端到达锚杆孔底部，安装过程中要确保锚杆杆体位于锚杆孔中央；(4)、将锚杆孔的外端连接好注浆管，并将注浆管伸至锚杆孔底端，用注浆泵将浆液沿着注浆管注入，待注浆液到达注浆孔顶端时将注浆管拔出并关闭注浆泵，完成注浆过程；在注浆过程中，边灌浆液边提注浆管，保证注浆管管头插入浆液液面下50～80cm，严禁将导管拔出浆液面，以免锚杆断裂；(5)、施做混凝土垫层，在混凝土垫层和灌浆体养护28天后，将钢垫板以锚杆杆体为中心对称放置于混凝土垫层表面，在钢垫板上分别放置两个工字型支墩，使锚杆杆体位于两个工字型支墩的中心，保证锚杆轴心受拉；再将穿心反力梁穿过锚杆杆体安放在工字型支墩，确保穿心反力梁的形心与锚杆杆体重合；(6)、在穿心反力梁上依次安装第二穿心钢垫板、油压式穿心千斤顶、第一穿心钢垫板、荷重传感器和锚具，锚具与锚杆杆体焊接，保证各部件形心与锚杆同轴，确保加载过程中锚杆轴心受拉；(7)、在混凝土垫层顶面与锚杆杆体交界面处，将两个角铁对称焊接在锚杆杆体的侧面，再在两个角铁上分别安装光纤光栅位移传感器；然后将铠装光缆保护的光纤接入到光纤光栅数据采集仪，检查测试装置连接是否完好，并再次检查低温敏型微型光纤光栅应变传感器的成活率；(8)、按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)要求，采用分级加载，在锚杆杆体受拉过程中记录低温敏型微型光纤光栅应变传感器的波长变化和荷重传感器的压力值，利用公式(1)、(2)、(3)求得锚杆杆体表面剪应力，ji＝(Ti-Ti-1)/(πdΔl)(1)Ti＝ΔεxES(2)Δεx＝Δλε/Kε(3)其中，ji为锚杆杆体第i个测点的剪应力；Ti为锚杆杆体在第i个测点的轴力；Ti-1为锚杆杆体1在第i-1个测点的轴力；d为锚杆杆体1的直径；Δl为两个低温敏型微型光纤光栅应变传感器之间的距离；Δεx为锚杆杆体的轴向应变变化量；ES为锚杆杆体的弹性模量；Δλε为低温敏型微型光纤光栅应变传感器受到拉力或者压力作用时，中心波长变化量；Kε为光栅传感器应变灵敏度系数。本实用新型与现有测试装置相比，其结构简单，操作方便，测试精度高，可操作性强，抗电磁场干扰能力强、成活率高，能够实现自动化监测。附图说明：图1为本实用新型所述全长粘结钢筋锚杆杆体表面剪应力测试装置的主体结构原理示意图。图2为本实用新型所述锚具、荷重传感器和锚杆连接结构剖面图(A-A剖面)。图3为本实用新型所述光纤光栅位移传感器安装结构原理示意图。图4为本实用新型所述穿心反力梁结构侧面图。图5为本实用新型实施例所述钢筋锚杆轴力沿深度分布规律曲线。图6为本实用新型实施例所述钢筋锚杆剪应力沿深度分布规律曲线图。具体实施方式：下面通过实施例并结合附图对本实用新型做进一步说明。实施例：本实施例所述全长粘结钢筋锚杆杆体表面剪应力测试装置的主体结构包括锚杆杆体1、锚具2、荷重传感器3、第一穿心钢垫板4、油压式穿心千斤顶5、第二穿心钢垫板6、穿心反力梁7、工字型支墩8、角铁9、光纤光栅位移传感器10、钢垫板11、低温敏型微型光纤光栅应变传感器12、灌浆体13、光纤14、铠装光缆15、光纤光栅数据采集仪16、混凝土垫层17、锚杆孔18和岩土体19；锚杆杆体1采用普通螺纹钢筋，用于增强锚杆杆体1与灌浆体13之间的握裹力，提供足够的锚固力，岩土体19内挖有锚杆孔18，锚杆杆体1下端插入锚杆孔18，锚杆杆体1与锚杆孔18之间填充灌浆体13；锚具2采用穿心圆形钢板制成，厚度为3～5mm，锚具2与锚杆杆体1焊接相连；荷重传感器3位于锚具2下方，通过其配套的数字显示仪直观显示压力值；方形结构的钢垫板11放置于混凝土垫层17表面，并对称放置于锚杆杆体1两侧；两个工字型支墩8分别置于钢垫板11上表面以支撑穿心反力梁7，工字型支墩8的面积小于钢垫板11的面积，锚杆杆体1位于两个工字型支墩8的中心，保证锚杆杆体1的轴心受拉；穿心反力梁7为四块3cm厚钢板焊接成的矩形截面，其跨度为1.8m、宽为30cm、高为60cm，穿心反力梁7沿跨度设置3道加劲肋，确保反力梁有足够的刚度和稳定性，穿心反力梁7中心处有预留孔洞，供锚杆杆体1自由穿过，穿心反力梁7的中心与锚杆杆体1中心重合；穿心反力梁7上表面放置第二穿心钢垫板6，方形结构的第二穿心钢垫板中间预留有孔洞，其可供锚杆杆体1穿过；第二穿心钢垫板6、油压式穿心千斤顶5、第一穿心钢垫板4、荷重传感器3和锚具2自下而上依次迭放于穿心反力梁7的上表面并与锚杆杆体1同轴心结构，确保加载过程锚杆杆体1的轴心受拉；光纤14外侧通长制有塑料保护套管，在一定程度上能够避免光纤被损坏；低温敏型微型光纤光栅应变传感器12刻入光纤14形成光纤光栅传感器串，每个低温敏型微型光纤光栅应变传感器12两端都配有微型夹持块，低温敏型微型光纤光栅应变传感器12通过微型夹持块与锚杆杆体1连接，保证低温敏型微型光纤光栅应变传感器12和锚杆杆体1同步变形，由于低温敏型微型光纤光栅应变传感器对温度的变化不敏感，所以在测试过程中不需要考虑温度补偿；锚杆杆体1端头部位的光纤14用铠装光缆15保护，光纤14和光纤光栅数据采集仪16连接；角铁9焊接在锚杆杆体1侧面，使其位于混凝土垫层17表面以上0.5mm，角铁9的一面与混凝土垫层17平行；光纤光栅位移传感器10安装在角铁9上面，用于测试锚杆杆体1的上拔量。本实施例实现全长粘结钢筋锚杆杆体表面剪应力测试的具体过程为：(1)、根据锚杆杆体1的剪应力测试断面确定低温敏型微型光纤光栅应变传感器12位置，将低温敏型微型光纤光栅应变传感器12刻入到光纤14上形成光纤光栅传感器串，通常锚杆孔的顶部附近的传感器较密集)，每个低温敏型微型光纤光栅应变传感器12两端的微型夹持块分别焊接在锚杆杆体1上，使得低温敏型微型光纤光栅应变传感器12与锚杆杆体1成为一整体，确保受力后二者同步变形，锚杆杆体1端头部位的光纤14和低温敏型微型光纤光栅应变传感器12之间的光纤14均采用铠装光缆15进行保护；(2)、将光纤14与光纤光栅数据采集仪16接通后检验低温敏型微型光纤光栅应变传感器12的成活率，一般情况成活率不低于90％，如果成活率太低，需要重新布设低温敏型微型光纤光栅应变传感器12；(3)、根据设计要求在被测岩土地基进行钻孔形成锚杆孔18，锚杆孔18与地面相垂直；并将带有低温敏型微型光纤光栅应变传感器12的锚杆杆体1放入锚杆孔18内直至锚杆杆体1底端到达锚杆孔18底部，安装过程中要确保锚杆杆体1位于锚杆孔18中央；(4)、将锚杆孔18的外端连接好注浆管，并将注浆管伸至锚杆孔18底端，用注浆泵将浆液沿着注浆管注入，待注浆液到达注浆孔顶端时将注浆管拔出并关闭注浆泵，完成注浆过程；在注浆过程中，边灌浆液边提注浆管，保证注浆管管头插入浆液液面下50～80cm，严禁将导管拔出浆液面，以免锚杆断裂；(5)、施做混凝土垫层17，在混凝土垫层17和灌浆体13养护28天后，将钢垫板11以锚杆杆体1为中心对称放置于混凝土垫层17表面，在钢垫板11上分别放置两个工字型支墩8，使锚杆杆体1位于两个工字型支墩8的中心，保证锚杆轴心受拉；再将穿心反力梁7穿过锚杆杆体1安放在工字型支墩8，确保穿心反力梁7的形心与锚杆杆体1重合；(6)、在穿心反力梁7上依次安装第二穿心钢垫板6、油压式穿心千斤顶5、第一穿心钢垫板4、荷重传感器3和锚具2，锚具2与锚杆杆体1焊接，保证各部件形心与锚杆同轴，确保加载过程中锚杆轴心受拉；(7)、在混凝土垫层17顶面与锚杆杆体1交界面处，将两个角铁9对称焊接在锚杆杆体1的侧面，再在两个角铁上分别安装光纤光栅位移传感器10；然后将铠装光缆15保护的光纤14接入到光纤光栅数据采集仪16，检查测试装置连接是否完好，并再次检查低温敏型微型光纤光栅应变传感器12的成活率；(8)、按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)要求，采用分级加载，在锚杆杆体1受拉过程中记录低温敏型微型光纤光栅应变传感器12的波长变化和荷重传感器3的压力值，利用公式(1)、(2)、(3)可求得锚杆杆体表面剪应力，ji＝(Ti-Ti-1)/(πdΔl)(1)Ti＝ΔεxES(2)Δεx＝Δλε/Kε(3)其中，ji为锚杆杆体1第i个测点的剪应力；Ti为锚杆杆体1在第i个测点的轴力；Ti-1为锚杆杆体1在第i-1个测点的轴力；d为锚杆杆体1的直径；Δl为两个低温敏型微型光纤光栅应变传感器12之间的距离；Δεx为锚杆杆体1的轴向应变变化量；ES为锚杆杆体1的弹性模量；Δλε为低温敏型微型光纤光栅应变传感器12受到拉力或者压力作用时，中心波长变化量；Kε为光栅传感器12应变灵敏度系数。本实施例采用表1所述锚杆进行测试，其钢筋锚杆轴力沿深度分布规律以及钢筋锚杆剪应力沿深度分布规律分别如图5、图6所示。表1：全长粘结钢筋锚杆参数锚杆编号锚杆直径(mm)锚杆总长(mm)锚固段长度(mm)S28-0i2845003000S28-022845003000当前第1页1 2 3