本发明属于地基基础工程试验技术领域，涉及一种纤维筋抗浮锚杆受力特性室内模拟试验方法，将现有拉拔试验设备及方法进行了改进，解决了锚具的问题，能够精准、快速测试纤维筋抗浮锚杆的抗拔承载力、杆身应力变化以及锚固体变形，用于模拟纤维筋抗浮锚杆处于基础底板和基岩环境中的受力特性。
背景技术：
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纤维筋是以纤维材料(碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等)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。这种纤维筋抗浮锚杆具有抗拉强度高、质量轻、抗腐蚀、抗电磁干扰，性价比高等优点。在抗浮工程中，使用纤维筋抗浮锚杆能够克服金属材料抗浮锚杆在服役过程中遭受地下水中氯离子、硫酸根等离子的化学腐蚀，以及在沿海地区城市轨道交通建设项目中直流电产生的杂散电流对金属材料产生的电化学腐蚀，使抗浮锚杆承载力和耐久性得到保证。同时，由于纤维筋属各向异性材料，用作抗浮锚杆时，抗剪性能较差，且不宜弯折，又拉拔试验工作量大、耗时长，会给工程造成不必要的麻烦。中国专利201720304289.5公开了一种锚杆受力特性研究用拉拔试验装置，包括锚杆制备系统和加载系统；锚杆制备系统包括系统框架、垫板、一个第一壳体和多个第二壳体，加载系统包括轴向力加载装置和法向力加载装置，本装置首次实现集锚杆制作与受力试验为一体，可以先制作锚杆再对锚杆进行施加轴向拉力，分析锚杆的受力情况，在锚杆拉拔试验的过程中，可以实现对锚杆砂浆体施加可控法向应力作用，近似模拟锚杆实际轴向受力情况，使得相关的锚杆轴向受力特性研究结果显得更加合理、适用，更好地服务于锚杆的设计及施工，但是该装置仅能模拟锚杆轴向和法向受力情况，不能同时测量锚杆的抗拔承载力和杆身应力变化规律；201710052406.8公开了测试在不同工况下的锚杆应力计的试验装置及方法，本试验装置包括试验平台，试验平台上表面开设有两个相互垂直的支座轨道，每个支座轨道中均设置有滚动支座，滚动支座的上部中心设置有转动轴，转动轴的顶部设置有夹持装置，两个滚动支座之间夹持有锚杆，锚杆中间安装有锚杆应力计、两个应变计和两个千斤顶，锚杆应力计和应变计通过数据线与数据采集器连接；本方法包括如下步骤：(1)安装试验装置；(2)安装锚杆；(3)固定滚动支座；(4)安装数据采集器；(5)对锚杆进行试验；(6)数据处理，本发明的原理比较简单，且模拟锚杆受力的状态真实，但在实际试验中其测量数据精确度不高，而且成本高；201420358169.X公开了一种用于测试锚杆综合力学性能的试验台，该试验台包括设置在所述安装测试台上的推进与搅拌测试机构、安装预紧测试机构及设置在工作测试台上的弯曲载荷测试机构、轴向载荷测试机构、剪切载荷测试机构和冲击载荷测试机构；通过该试验台可实现在实验室内模拟锚杆安装与工作过程，并对锚杆施加扭转、拉伸、弯曲、剪切与冲击等单项或多项组合外力；采用相互独立的加载系统对锚杆施加相应载荷，可分别进行锚杆安装与工作过程中各种载荷的独立试验，也可以进行安装受力与围岩变形引起的拉伸、剪切与冲击等几种任意工作受力的组合加载试验，从而有效测试锚杆在各种不同外力组合作用下的综合力学性能，但是该试验台主要用于矿山支护，而且结构复杂，操作不便。因此，为验证纤维筋抗浮锚杆在工程应用的可行性，迫切设计一种合理、快速、有效的拉拔试验测试装置迫在眉睫，具有非常重要的现实意义和理论价值。
技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，在降低试验成本和提高试验效率的前提下，设计提供一种纤维筋抗浮锚杆受力特性室内模拟试验方法，使其更加贴近实际工程，能够快速、精准测试纤维筋抗浮锚杆的抗拔承载力和杆身应力变化规律，最重要的是能够模拟真实抗浮锚杆体系(同时模拟与基岩的锚固以及与基础底板的锚固)的工作机理，即在纤维筋抗浮锚杆杆身安装自补偿光纤光栅传感器，杆体放入基岩预留灌浆孔中成锚后，另一端与基础底板相连，采用室内模拟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，本发明在纤维筋抗浮锚杆受力特性进行室内模拟试验装置中实现，其具体过程为：
(1)制作基岩：首先竖向搭建基岩的模板，将外侧涂有脱模剂的PVC管固定在基岩模板内的中轴线位置上，采用现有技术浇筑混凝土并在相同条件下制作混凝土标准试块，待其终凝前将PVC管取出形成注浆孔，在注浆孔内插入植有锚杆杆身应力计的纤维筋抗浮锚杆杆体，并在纤维筋抗浮锚杆杆体的预标记位置安装对中器，浇筑M30水泥砂浆，同时制作砂浆试块，养护至龄期形成砂浆锚固体，检测其强度；在此过程中保护好锚杆杆身应力计，确保其成活率达到95％；
(2)制作基础底板：在光滑基座的支撑平台上水平放置强度已达100％的基岩，然后将第二恒刚度板、千斤顶和荷重传感器依次穿过纤维筋抗浮锚杆杆体并安装在承台的上表面，保证第二恒刚度板、千斤顶、荷重传感器以及纤维筋抗浮锚杆杆体的形心在同一直线，再在支撑平台上搭建基础底板的模板，绑扎钢筋笼，固定基岩中纤维筋抗浮锚杆杆体在基础底板的模板中的位置，最后浇筑混凝土制作基础底板，同条件下制作混凝土标准试块并测试其强度，养护至龄期，待其终凝前再次确定基础底板和基岩的相对位置，确保水平度和95％的锚杆杆身应力计的成活率；
(3)、安装位移计：先用电钻在基础底板和基岩中心偏上的位置钻孔安装位移基座的膨胀螺栓和钢板，再用质量比为2:1的环氧树脂与固化剂混合液在相应位置上粘贴锚杆刚翼，养护3天，待环氧树脂完全固化后，将磁力座吸附在支承钢板上并安装自动位移采集计，最后将自动位移采集计的伸缩杆压缩一定的距离(试验时确保伸缩杆至少能够伸长4cm，位移超过4cm认为锚杆发生破坏)对准放置在锚杆刚翼上，保证自动位移采集计水平和垂直；
(4)、进行试验：用配套的油管将千斤顶和外接的液压油泵连接牢固，将自动位移采集计和锚杆杆身应力计分别与外接采集系统的解调仪接口连接，记录初始读数，待传感器成活率满足要求后逐级加载，同时记录试验数据，试验加、卸载和终止加载条件以及锚杆破坏的判定标准按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)执行)。
本发明的主体结构包括光滑基座、支撑平台、承台、基础底板、基岩、注浆孔、纤维筋抗浮锚杆杆体、锚杆杆身应力计、第一恒刚度板、第二恒刚度板、千斤顶、荷重传感器、自动位移采集计、位移基座、锚杆刚翼、对中器；光滑基座和支撑平台共同组成底座系统，光滑基座上对称放置两个支撑平台，每个支撑平台的下表面中央沿水平方向均匀焊接五个球铰支座，两个支撑平台之间设有承台，基础底板和基岩分别安装在两个支撑平台上，基岩的长度大于基础底板的长度，基岩的形心位置开有注浆孔，纤维筋抗浮锚杆杆体与基础底板共同浇筑用于模拟抗浮锚杆与基础底板的锚固，纤维筋抗浮锚杆杆体放入注浆孔的中央并灌注M30的水泥砂浆用于模拟抗浮锚杆在基岩中的锚固；锚杆杆身应力计采用准分布方式嵌入式安装在纤维筋抗浮锚杆杆体内，锚杆杆身应力计为自补偿式微型光纤光栅应变传感器组成的多点光纤光栅串，自补偿式微型光纤光栅应变传感器为准分布式布置，在基础底板和基岩的加载面附近30cm范围内每隔5cm设置一个，超过此范围每10cm设置一个；第一恒刚度板、第二恒刚度板和千斤顶构成加载系统，加载系统的中轴线与纤维筋抗浮锚杆杆体轴线共线，第一恒刚度板安装在基础底板和基岩的加载面上，第二恒刚度板安装在与加载面同侧的第一恒刚度板侧面上，千斤顶设置在承台的上方，第二恒刚度板与千斤顶之间设有荷重传感器，荷重传感器、自动位移采集计、位移基座、锚杆刚翼共同构成量测系统，锚杆刚翼设置在距离基础底板和基岩顶面5cm处；自动位移采集计水平安装在锚杆刚翼上，位移基座安装在加载面的上端，基岩长度方向上三等分的位置处安装有三个对中环，对中环与纤维筋抗浮锚杆杆体耦合连接。
本发明所述光滑底座采用长5m、宽2m、厚2cm的单面光滑钢板制成，用于减小拉拔试验时底面的摩擦阻力；支撑平台采用厚3cm、长1.2m、宽0.8m的钢板制成，支撑平台能够减小支撑基础底板和基岩与地面的摩擦，并确保支撑基础底板和基岩的重量。
本发明所述承台由钢板放置在钢垫块上制成，钢板厚度为1cm，长为80cm，宽为50cm，钢垫块厚度为3cm，长为40cm，宽为40cm，试验时用钢垫块将钢板3-2垫高至试验所需的加载位置作为加载系统的临时支撑和定位平台。
本发明所述基础底板为现浇钢筋混凝土长方体结构，混凝土强度等级按设计要求确定，一般情况混凝土的强度等级为C30，基础底板的长为1m，宽为0.8m，高为0.8m；基岩采用现浇混凝土来模拟中风化硬质岩石，基岩的强度根据混凝土的抗压强度来控制，尺寸为长1.5m，宽0.8cm，高0.8m；注浆孔为浇筑混凝土时用PVC管(直径9cm，长1m，PVC管的外表面涂凡士林，待混凝土达到养护时间后方便取出)预留的贯通孔；纤维筋抗浮锚杆杆体选用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)的全螺纹实心杆，能增强锚杆杆体与锚固体之间的握裹力，并提供足够的锚固摩擦力；锚杆杆身应力计中的自补偿式微型光纤光栅应变传感器体积小，便于植入，并能够剔除温度变化对测试结果的影响，不需要再单独布置温度传感器。
本发明所述第一恒刚度板的长为15cm，宽为15cm，厚为3cm；第二恒刚度板的长为20cm，宽为15cm，厚为3cm；千斤顶采用50吨油压穿心千斤顶，用于提供足够的拉拔力。
本发明所述荷重传感器为振弦式自动采集压力传感器，自动位移采集计为千分表位移计，自动位移采集计与外接的采集系统相连实现加载过程中变形量的自动采集；位移基座由磁力座、杠杆、膨胀螺栓、螺母、支承钢板组成，磁力座安装在支承钢板，杠杆安装在磁力座中间位置，位移基座中的支承钢板用膨胀螺栓和配套的螺母分别固定在基础底板和基岩上；锚杆刚翼由5cm×5cm×0.5cm的角铁与外径2cm、壁厚0.3cm的半圆钢管焊接而成，并采用结构胶粘在纤维筋抗浮锚杆杆体上；对中器为外径8cm的塑料架环。
本发明使用前，为确保拉拔试验时纤维筋抗浮锚杆杆体轴心受拉，需尽量保证基础底板中轴线、基岩中轴线、纤维筋抗浮锚杆杆体轴线、加载系统中轴线水平；保证基础底板和基岩的混凝土、灌浆孔中砂浆及环氧树脂的的密实度和强度。
本发明与现有技术相比，其方法简单，安装便捷，可操作性强，安全可靠，测试精度高，成本低，重复使用率高，能够真实准确地反映实际工程中抗浮锚杆的工作状态。
附图说明：
图1为本发明所述纤维筋抗浮锚杆受力特性进行室内模拟试验装置的主体结构原理示意图。
图2为本发明所述纤维筋抗浮锚杆受力特性进行室内模拟试验装置的主体结构俯视图。
图3为本发明所述锚杆刚翼的结构原理示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。
图4为本发明所述对中器的结构原理示意图。
图5为本发明所述位移基座的结构原理示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。
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：
本实施例通过纤维筋抗浮锚杆受力特性进行室内模拟试验装置实现，其具体过程为：
(1)制作基岩5：首先竖向搭建基岩5的模板，将外侧涂有脱模剂的PVC管固定在基岩5模板内的中轴线位置上，采用现有技术浇筑混凝土并在相同条件下制作混凝土标准试块，待其终凝前将PVC管取出形成注浆孔6，在注浆孔6内插入植有锚杆杆身应力计8的纤维筋抗浮锚杆杆体7，并在纤维筋抗浮锚杆杆体7的预标记位置安装对中器16，浇筑M30水泥砂浆，同时制作砂浆试块，养护至龄期形成砂浆锚固体，检测其强度；在此过程中保护好锚杆杆身应力计8，确保其成活率达到95％；
(2)制作基础底板4：在光滑基座1的支撑平台2上水平放置强度已达100％的基岩5，然后将第二恒刚度板10、千斤顶11和荷重传感器12依次穿过纤维筋抗浮锚杆杆体7并安装在承台3的上表面，保证第二恒刚度板10、千斤顶11、荷重传感器12以及纤维筋抗浮锚杆杆体7的形心在同一直线，再在支撑平台2上搭建基础底板5的模板，绑扎钢筋笼，固定基岩5中纤维筋抗浮锚杆杆体7在基础底板4的模板中的位置，最后浇筑混凝土，同条件下制作混凝土标准试块并测试其强度，养护至龄期，待其终凝前再次确定基础底板4和基岩5的相对位置，确保水平度和95％的锚杆杆身应力计8的成活率；
(3)、安装位移计：先用电钻在基础底板4和基岩5中心偏上的位置钻孔安装位移基座14的膨胀螺栓和钢板，再用质量比为2:1的环氧树脂与固化剂混合液在相应位置上粘贴锚杆刚翼15，养护3天，待环氧树脂完全固化后，将磁力座14-1吸附在支承钢板14-5上并安装自动位移采集计13，最后将自动位移采集计13的伸缩杆压缩一定的距离(试验时确保伸缩杆至少能够伸长4cm，位移超过4cm认为锚杆发生破坏)对准放置在锚杆刚翼15上，保证自动位移采集计13水平和垂直；
(4)、进行试验：用配套的油管将千斤顶11和外接的液压油泵连接牢固，将自动位移采集计13和锚杆杆身应力计8分别与外接采集系统的解调仪接口连接，记录初始读数，待传感器成活率满足要求后逐级加载，同时记录试验数据，试验加、卸载和终止加载条件以及锚杆破坏的判定标准按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)执行)。
本实施例所述纤维筋抗浮锚杆受力特性进行室内模拟试验装置的主体结构包括光滑基座1、支撑平台2、承台3、基础底板4、基岩5、注浆孔6、纤维筋抗浮锚杆杆体7、锚杆杆身应力计8、第一恒刚度板9、第二恒刚度板10、千斤顶11、荷重传感器12、自动位移采集计13、位移基座14、锚杆刚翼15、对中器16；光滑基座1和支撑平台2共同组成底座系统，光滑基座1上对称放置两个支撑平台2，每个支撑平台2的下表面中央沿水平方向均匀焊接五个球铰支座17，两个支撑平台2之间设有承台3，基础底板4和基岩5分别安装在两个支撑平台2上，基岩5的长度大于基础底板4的长度，基岩5的形心位置开有注浆孔6，纤维筋抗浮锚杆杆体7与基础底板4共同浇筑用于模拟抗浮锚杆与基础底板的锚固，纤维筋抗浮锚杆杆体7放入注浆孔6的中央并灌注M30的水泥砂浆用于模拟抗浮锚杆在基岩中的锚固；锚杆杆身应力计8采用准分布方式嵌入式安装在纤维筋抗浮锚杆杆体7内，锚杆杆身应力计8为自补偿式微型光纤光栅应变传感器组成的多点光纤光栅串，自补偿式微型光纤光栅应变传感器为准分布式布置，在基础底板4和基岩5的加载面附近30cm范围内每隔5cm设置一个，超过此范围每10cm设置一个；第一恒刚度板9、第二恒刚度板10和千斤顶11构成加载系统，加载系统的中轴线与纤维筋抗浮锚杆杆体7轴线共线，第一恒刚度板9安装在基础底板4和基岩5的加载面上，第二恒刚度板10安装在与加载面同侧的第一恒刚度板9侧面上，千斤顶11设置在承台3的上方，第二恒刚度板10与千斤顶11之间设有荷重传感器12，荷重传感器12、自动位移采集计13、位移基座14、锚杆刚翼15共同构成量测系统，锚杆刚翼15设置在距离基础底板4和基岩5顶面5cm处；自动位移采集计13水平安装在锚杆刚翼15上，位移基座14安装在加载面的上端，基岩5长度方向上三等分的位置处安装有三个对中环16，对中环16与纤维筋抗浮锚杆杆体7耦合连接。
本实施例所述光滑底座1采用长5m、宽2m、厚2cm的单面光滑钢板制成，用于减小拉拔试验时底面的摩擦阻力；支撑平台2采用厚3cm、长1.2m、宽0.8m的钢板制成，支撑平台2能够减小支撑基础底板4和基岩5与地面的摩擦，并确保支撑基础底板4和基岩5的重量。
本实施例所述承台3由钢板3-2放置在钢垫块3-1上制成，钢板3-2厚度为1cm，长为80cm，宽为50cm，钢垫块3-1厚度为3cm，长为40cm，宽为40cm，试验时用钢垫块3-1将钢板3-2垫高至试验所需的加载位置作为加载系统的临时支撑和定位平台。
本实施例所述基础底板4为现浇钢筋混凝土长方体结构，混凝土强度等级按设计要求确定，一般情况混凝土的强度等级为C30，基础底板4的长为1m，宽为0.8m，高为0.8m；基岩5采用现浇混凝土来模拟中风化硬质岩石，基岩5的强度根据混凝土的抗压强度来控制，尺寸为长1.5m，宽0.8cm，高0.8m；注浆孔6为浇筑混凝土时用PVC管(直径9cm，长1m，PVC管的外表面涂凡士林，待混凝土达到养护时间后方便取出)预留的贯通孔；纤维筋抗浮锚杆杆体7选用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)的全螺纹实心杆，能增强锚杆杆体与锚固体之间的握裹力，并提供足够的锚固摩擦力；锚杆杆身应力计8中的自补偿式微型光纤光栅应变传感器体积小，便于植入，并能够剔除温度变化对测试结果的影响，不需要再单独布置温度传感器。
本实施例所述第一恒刚度板9的长为15cm，宽为15cm，厚为3cm；第二恒刚度板10的长为20cm，宽为15cm，厚为3cm；千斤顶11采用50吨油压穿心千斤顶，用于提供足够的拉拔力。
本实施例所述荷重传感器12为振弦式自动采集压力传感器，自动位移采集计13为千分表位移计，自动位移采集计13与外接的采集系统相连实现加载过程中变形量的自动采集；位移基座14由磁力座14-1、杠杆14-2、膨胀螺栓14-3、螺母14-4、支承钢板14-5组成，磁力座14-1安装在支承钢板14-5，杠杆14-2安装在磁力座14-1中间位置，位移基座14中的支承钢板14-5用膨胀螺栓14-3和配套的螺母14-4分别固定在基础底板4和基岩5上；锚杆刚翼15由5cm×5cm×0.5cm的角铁与外径2cm、壁厚0.3cm的半圆钢管焊接而成，并采用结构胶粘在纤维筋抗浮锚杆杆体7上，；对中器16为外径8cm的塑料架环。