CN105181190A - 一种测试隧道锁脚锚管受力特性的装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试隧道锁脚锚管受力特性的装置及其测试方法。其应用于设计与施工，可以指导设计，降低施工难度，有利于保证施工安全和隧道结构稳定。本发明的技术方案包括锁脚锚管本体，其一端设置有锥头，圆周上均匀设置有4个圆孔，每个圆孔的一侧粘设有应变片，所述的应变片上连接有接线端子，所述的接线端子上连接有导线，导线的另一端连接有应变测试仪；其测试方法为：对于锁脚锚管各截面轴向应力的测试，利用应变测试仪采用电阻应变片半桥单臂温度补偿接法测量其轴向应变，对于锁脚锚管各截面弯矩的测试，利用应变测试仪采用电阻应变片半桥双臂接法测量由弯矩引起的压缩或拉伸应变。

Description

一种测试隧道锁脚锚管受力特性的装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试隧道锁脚锚管受力特性的装置及其测试方法，其是一种新的、科学的黄土隧道锁脚锚管应力、弯矩的测试方法。

背景技术

我国是一个地质地形条件复杂的国家，仅丘陵和山岭就占国土面积的四分之三以上。近年来，随着我国城市交通、水利电力、矿物开采等工程的大规模建设，使地下工程投资和建设日益增多。在大规模和高标准的基础工程建设中，隧道工程的建设得到了飞速发展，不仅在数量和长度上有所突破，隧道开挖断面也越来越大。随着隧道建设规模和数量的扩大，不可避免的会遇到黄土地层。在黄土地层中修建隧道，由于围岩自稳能力差或开挖方法及支护参数选取不当，隧道支护结构可能会发生过大变形甚至使结构失稳。

当隧道发生大变形时，必须采取有效的处治措施控制其发展，常用的处治措施有围岩注浆、扩大拱脚承载面积或设置纵向托梁、增设临时仰拱、采用高强度支护结构并及时封闭成环、隧道地基加固处理、增设锁脚锚管等。在诸多措施中，大部分已经进行了***的研究，并成功应用于工程实践中，如注浆加固围岩、增设临时仰拱、隧道地基加固处理等；有的加固措施则还处于探索阶段，如锁脚锚管等。

工程上常用的锁脚锚管规格为42×4mm的热轧无缝钢管，长度以穿透围岩松动圈而嵌入稳定围岩中为宜。锁脚锚管主要用于分部开挖法或台阶法开挖的Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道中，隧道上台阶开挖支护完成后，基底软化和下台阶开挖会引起上台阶初期支护下沉或悬空。因此下台阶开挖前，沿隧道拱脚、墙脚处按一定角度打设1～3排锁脚锚管，并将其端头与钢架焊接牢固，使锁脚锚管与钢架成为一体，进而限制初期支护的下沉，以充分发挥支护结构的承载作用。尽管锁脚锚管在工程实践中得到较为广泛的应用，但有关锁脚锚管的理论研究尚不够***和深入，对锁脚锚管的作用机理及力学特性认识不够全面，从而不能很好的指导工程实际，给隧道设计与施工带来一定的盲目性。锁脚锚管能有效的控制钢架发生过大变形，但有关描述其受力特点的资料很少，且大多数文献都是通过理论分析及数值模拟进行分析的，其结果与实际锁脚锚管受力存在一定的偏差。因此，对隧道中锁脚锚管受力特性测试进行专门的研究具有重要的理论和实践意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试隧道锁脚锚管受力特性的装置及其测试方法，其应用于设计与施工，可以指导设计，降低施工难度，有利于保证施工安全和隧道结构稳定。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种测试隧道锁脚锚管受力特性的装置，其特征在于：包括锁脚锚管本体，所述的锁脚锚管本体的一端设置有锥头，所述的锁脚锚管本体的圆周上均匀设置有4个圆孔，每个圆孔的一侧粘设有应变片，所述的应变片上连接有接线端子，所述的接线端子上连接有导线，导线的另一端连接有应变测试仪。

所述的应变片粘设于锚管本体的外圆周面上。

所述的导线通过圆孔穿设于锁脚锚管本体的管体内。

所述的一种测试隧道锁脚锚管受力特性的装置的测试方法，其特征在于：所述的测试方法为：通过在锁脚锚管不同截面处粘贴应变片，导线通过管身圆孔引入锁脚锚管内部并伸出与应变测试仪连接，在测试隧道中埋设的锁脚锚管各截面轴向应力时，利用应变测试仪采用电阻应变片半桥单臂温度补偿接法测量其轴向应变，在测试隧道中埋设的锁脚锚管各截面弯矩时，利用应变测试仪采用电阻应变片半桥双臂接法测量由弯矩引起的压缩或拉伸应变。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明基于电测法及锁脚锚管物理特性，有针对性的提出了一种黄土隧道锁脚锚管力学特性测试方法，按此测试方法既可以测得锁脚锚管应力、弯矩沿深度的分布特性，得到最优的锁脚锚管物理参数，又能有效的揭示锁脚锚管荷载传递机理及承载特性。

附图说明

图1为本发明的受力特性装置结构示意图；

图2为本发明测试锁脚锚管受力特性装置示意图；

图3为本发明测试断面结构示意图；

图4为本发明锁脚锚管尾部安装的锥头示意图；

图5为本发明测试断面应变片布置示意图；

图6应变电桥桥路示意图；

图7为本发明实例冲击钻打孔；

图8为本发明实例测点导线内引；

图9为本发明实例应变片与接线端子粘贴；

图10为本发明实例应变片引线、导线焊接；

图11为本发明实例应变片保护；

图12为本发明轴向应变测试桥路示意图；

图13为本发明现场试验轴向应变测量时桥路组合方式；

图14为本发明弯矩测试桥路示意图；

图15为本发明现场试验弯矩测量桥路组合方式；

图16为本发明0°下插角时上侧管身长度～轴向应变图；

图17为本发明0°下插角时下侧管身长度～轴向应变图；

图18为本发明0°下插角时上下面管身长度～弯矩分布图；

图19为本发明15°下插角时上下面管身长度～弯矩分布图；

图20为本发明15°下插角时上侧管身长度～轴向应变图；

图21为本发明15°下插角时下侧管身长度～轴向应变图；

其中，1—锁脚锚管本体，2—圆孔，3—应变片，4—接线端子，5—导线，6—应变测试仪，7—锥头。

具体实施方式

下面结合附图对本设计做详细描述：

参见图1：一种测试隧道锁脚锚管受力特性的装置，包括锁脚锚管本体1，所述的锁脚锚管本体1的一端设置有锥头7，所述的锁脚锚管本体1的圆周上均匀设置有4个圆孔2，每个圆孔2的一侧粘设有应变片3，所述的应变片3上连接有接线端子4，所述的接线端子4上连接有导线5，导线5的另一端连接有应变测试仪6，所述的应变片3粘设于锚管本体1的外圆周面上，所述的导线5通过圆孔2穿设于锁脚锚管本体1的管体内。

在测量不同端面的应力和弯矩时，可选择不同的端面可按上述方法进行布设测点，如图2、图3所示。

本发明锁脚锚管受力特性的装置制作的具体步骤为(参见图2-5)：

(1)定位：锁脚锚管打磨前用划针沿锁脚锚管长度方向在上、下、左和右端位置划线；

(2)钻孔：锁脚锚管截面圆周上下孔与左右孔应交错布置。对于上下孔，在管身一截面处用冲击钻在管壁上钻两个直径与导线直径相符的小孔，对于左右孔，为防止对该断面造成较大破坏，左右孔与上下孔相错1cm，用冲击钻在管壁上钻两个直径与导线直径相符的小孔；

(3)打磨：首先用打磨机对待测点进行小面积抛光，然后用砂纸将锁脚锚管表面打磨光滑；

(4)穿线：对于靠近锁脚锚管端口位置处的测点，通过细扎丝直接将导线牵引到锁脚锚管端头，对于远离锁脚锚管端口位置处的测点，利用细扎丝将导线从锁脚锚管另一端口穿出，然后将导线固定在钢丝上，将钢丝顺着锁脚锚管内壁从锁脚锚管底部牵引到锁脚锚管端头，最后将导线在锁脚锚管端头集中引出并编号为保证测量方便，导线外留长度为2.5m；

(5)清洗：用脱脂棉球沾丙酮沿一个方向将贴片部位清洗干净，并将应变片粘贴面檫拭干净，擦洗完后至少间隔3～5分钟再进行贴片,以保证丙酮完全挥发；

(6)贴片：在锁脚锚管截面圆周最上、最下、最左、最右位置对称粘贴四片电阻应变片，采用502胶将应变片与管壁紧密粘贴并用聚乙烯薄膜均匀滚压应变片以利排除多余的粘结剂和气泡。锁脚锚管应变测点设置在钻孔旁，沿锁脚锚管截面圆周最上、最下、最左和最右端位置对称粘贴四片电阻应变片；

(7)焊接：接线端子采用302胶黏贴，且在应变片与端子之间的锁脚锚管圆周贴上一圈胶带纸。将应变片引出线焊接到接线端子的一端，然后将接线端子的另一端与导线焊接；

(8)保护：在应变片和接线端子表面涂刷一定厚度的环氧树脂保护胶。导线的保护可利用锁脚锚管的几何特性，将导线从锁脚锚管孔壁中穿引到其内壁，之后孔口用环氧树脂封闭，以此达到保护导线的作用；

(9)安装锥头：在安设锁脚锚管前在其尾部安装一个长6cm的锥头，以便使锁脚锚管能较好的***预先钻好的孔位中；

(10)连接应变测试仪：在导线端连接应变测试仪。

锁脚锚管管身应力与弯矩的测试方法：

电阻应变仪中的电阻桥路，如图6所示，它是以应变片或电阻元件作为电桥桥臂，可取R₁为应变片、R₁和R₂为应变片或R₁～R₄均为应变片等几种形式，A、C和B、D分别为电桥的输入端和输出端。当构件受力发生变形时，应变片随之产生电阻值的变化，从而破坏了电桥的平衡，产生输出电压，由显示表显示出应变的数值。

由电工学原理可知，当输入电压为U_I时，输出电压U₀为：

$U_0=\frac{R_1{R}_3-R_2{R}_4}{(R_1+R_2)(R_3+R_4)}{U}_I---\left(1\right)$

当构件在外力作用下发生变形时，此时电桥中各桥臂的电阻值将发生改变，此时R₁、R₂、R₃、R₄电阻分别为R′₁、R'₂、R′₃、R'₄，其值为：

R′₁＝R₁+ΔR₁(2)

R'₂＝R₂+ΔR₂(3)

R'₃＝R₃+ΔR₃(4)

R'₄＝R₄+ΔR₄(5)

将R′₁、R'₂、R'3、R'₄带入式(1)，可近似求得输出电压U₀为：

$U_0\≈\frac{U_I}{4}\left(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_2}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R_4}\right)---\left(6\right)$

利用专业机床从锁脚锚管上切割宽度为1cm，长度与锁脚锚管相同的板条，并在与锁脚锚管测点位置相同的板条上粘帖温度补偿片来作为试验用温度补偿条，最后将贴有温度补偿片的板条放置在直径26mm，壁厚2mm的镀锌管内。并在锁脚锚管埋设位置的旁边钻孔，将放置有板条的镀锌管***孔中。

在测试锁脚锚管各截面轴向应力和弯矩时，通过在不同截面处粘贴应变片，导线通过管身圆孔引入锁脚锚管内部并伸出与应变测试仪连接，利用应变测试仪采用电阻应变片半桥单臂温度补偿接法测量其轴向应变，利用应变测试仪采用电阻应变片半桥双臂接法测量由弯矩引起的压缩或拉伸应变。

实施例：

本试验在铜(铜川)旬(旬邑)高速上源子三号隧道附近现场高陡边坡进行，以土质边坡近似隧道中的围岩，以锁脚锚管端头加载模拟钢架对锚管的作用力，采用在锁脚锚管管壁外粘贴箔式电阻应变片、导线内引的方式测量管身应变，本次试验的数据采集***为TST3821E无线遥测静态应变仪，通过一定的组桥方式测出管身轴向应变、弯矩。

本试验仅研究空心锚管在外荷载作用下管身受力分布特性及变形规律，锁脚锚管下插角分别为0°和15°，采用洛阳铲钻孔。锁脚锚管采用长度3.5m、直径42mm、壁厚为4mm的热轧无缝钢管，为使电阻应变片能较好的反映锁脚锚管的受力特性，如图7～11所示，测力锚管按以下步骤进行制作：

(1)为降低钻孔对锚管强度的影响，锚管截面圆周上下孔与左右孔应交错布置。对于上下孔，从距管端0.46m处，每隔1m用冲击钻在管壁上钻两个直径为2.5mm的小孔，即沿深度分别在0.46m、1.46m、2.46m、3.46m等4个位置共钻8个小孔。对于左右孔，从距管端0.47m处，每隔1m用冲击钻在管壁上钻两个直径为2.5mm的小孔，即沿深度分别在0.47m、1.47m、2.47m、3.47m等4个位置共钻8个小孔，各深度处应变片导线从相应的小孔中引入。

(2)对于测试断面1和测试断面2，因测试断面1距锚管端头为0.5m，测试断面2距锚管端头为1.5m，可通过0.8mm细扎丝直接将导线牵引到锚管端头，即利用锚管管身上的小孔把细扎丝穿入锚管管壁内，然后慢慢从锚管端头穿出，此时将直径为2mm的屏蔽双绞线固定在细扎丝的末端，通过牵引细扎丝把导线从管壁外侧引入到管壁内侧。对于测试断面3和测试断面4，因测试断面3距锚管端头为2.5m，测试断面4距锚管端头为3.5m，不能直接用细扎丝穿引，但测试断面3距锚管另一端为1.5m，测试断面4距锚管另一端为0.05m，可利用0.8mm细扎丝将导线从锚管另一端穿出，然后将导线固定在长4m、直径为1.5mm的钢丝上，将钢丝顺着锚管内壁从锚管底部牵引到锚管端头，最后将导线在锚管端头集中引出并编号为保证测量方便，导线外留长度为2.5m。

(3)对锁脚锚管应变片粘贴位置进行打磨清洗。应变片使用BX120-5AA型箔式电阻应变片，电阻值为120Ω，灵敏系数为2.08，精度等级为A级，标距为5mm×3mm。对于锁脚锚管应变测点，从距管端0.5m处，每隔1m沿锚管截面圆周最上、最下、最左和最右端位置对称粘贴四片电阻应变片，即沿深度分别在0.5m、1.5m、2.5m、3.5m等4个位置共贴16片电阻应变片。将应变片引出线焊接到接线端子的一端，然后将接线端子的另一端与导线焊接，接线端子采用302胶黏贴。

(4)锁脚锚管所处环境复杂，且其施工属于粗放式作业，因此要对应变片及导线加以保护。焊接完成后，首先检查焊接质量，然后在应变片和接线端子表面涂刷一定厚度的环氧树脂保护胶。因锁脚锚管较长且与围岩的接触面大，因此在安设锚管时围岩与锚管之间的摩阻力较大，所以在安设锁脚锚管前在其尾部安装一个长6cm的锥头，以便使锚管能较好的***预先钻好的孔位中。

对于锁脚锚管各截面轴向应力的测试，采用电阻应变片半桥单臂温度补偿接法测量其轴向应变，即四个桥臂上只有一个桥臂接有工作片，此时相邻桥臂接温度补偿片，以此消除由温度引起锁脚锚管的应变，电阻应变仪电桥线路如图12、图13所示，其中，R₁为贴在锚管管壁上的应变片，用来感应其在外力作用下此处的应变；R₂为贴在补偿块上的温度补偿应变片，R₃和R₄为应变仪内置电阻；U_I、U₀分别为输入电压和输出电压。由于锁脚锚管长度较长且放置在土体内，势必导致每个测点所处的环境不同，温度也不相同，为使测量结果更为准确，补偿块应沿锚管全长在相应测点处布设且不能受力，因此不能利用传统方法布设补偿块。为使补偿块材质与锚管相同，利用专业机床从锁脚锚管上切割宽度为1cm、长度与锁脚锚管相同的板条。为使补偿块不受力且与被测锁脚锚管所处温度一致，在与锚管测点位置相同的板条上粘贴温度补偿片，并将贴有温度补偿片的板条放置在直径26mm、壁厚为2mm的镀锌管内。锁脚锚管在外荷载作用下其管体发生变形，此时：

ΔR₁＝ΔR_变+ΔR_T(7)

ΔR₂＝ΔR_T(8)

将式(7)、(8)带入式(6)可得：

式中，ε₁为锚管测点处的轴向应变。

对于锁脚锚管各截面弯矩的测试，采用电阻应变片半桥双臂接法测量由弯矩引起的压缩或拉伸应变，即四个桥臂上有两个桥臂接有工作片，两个工作片采用相邻桥臂的方法接入电桥中，这样可消除其它外力作用产生的应变，因温度引起的电阻变化值相同，且两个工作片采用相邻桥臂的方法接入电桥中，此时由温度引起的电阻变化值相互抵消，不需额外的温度补偿片和补偿块。电阻应变仪电桥线路如图14、图15所示：

其中，R₁、R₂分别为贴在锚管管壁圆周最上方、最下方或最左方、最右方的应变片；R₃和R₄为应变仪内置电阻，U_I、U₀分别为输入电压和输出电压。

锁脚锚管在外荷载作用下其管体发生变形，此时ΔR₁、ΔR₂分别为：

ΔR₁＝ΔR_变+ΔR_T＝ΔR_轴+ΔR_弯+ΔR_T(10)

ΔR₂＝ΔR_变'+ΔR_T＝ΔR_轴-ΔR_弯+ΔR_T(11)

将ΔR₁、ΔR₂带入式(6)可得输出电压U₀为：

由式(12)可知，应变仪显示的应变是弯矩作用下引起应变的2倍，即：

ε_仪＝2ε_弯(13)

根据材料力学原理，可知锁脚锚管测点处弯矩M为：

式中，ε_仪为应变仪的读数，W为锚管的弯曲截面模量，其值为：

$W=\frac{{\mathrm{\πD}}^3}{32}\[1-{\left(\frac{d}{D}\right)}^4\]---\left(15\right)$

在此基础上对锁脚锚管在竖向荷载作用下的受力特性进行测试分析,得出如下结论：

(1)锁脚锚管下插角为0°时，轴向应变测试时其端头承受的最大竖向荷载为14.3kN，如图16、图17所示，此时锁脚锚管管身对应的最大轴向拉应变为5609.84με，最大轴向压应变为-4877.81με。弯矩测试时其端头承受的最大竖向荷载为14.3kN，如图18所示，此时锁脚锚管管身对应的最大弯矩为8.24kN·m。最大轴向拉应变、最大轴向压应变和最大弯矩均发生在靠近锁脚锚管端头的同一测试断面。

(2)锁脚锚管下插角为15°时，轴向应变测试时其端头承受的最大竖向荷载为11.7kN，如图20、图21所示，此时对应锁脚锚管管身的最大轴向拉应变为5354.9με、最大轴向压应变为-2529.58με。弯矩测试时其端头承受的最大竖向荷载为12.8kN，如图19所示，此时对应锁脚锚管管身的最大弯矩为7.7kN·m。最大轴向拉应变、最大轴向压应变和最大弯矩均发生在靠近锁脚锚管端头的同一测试断面。

Claims (4)

1.一种测试隧道锁脚锚管受力特性的装置，其特征在于：包括锁脚锚管本体(1)，所述的锁脚锚管本体(1)的一端设置有锥头(7)，所述的锁脚锚管本体(1)的圆周上均匀设置有4个圆孔(2)，每个圆孔(2)的一侧粘设有应变片(3)，所述的应变片(3)上连接有接线端子(4)，所述的接线端子(4)上连接有导线(5)，导线(5)的另一端连接有应变测试仪(6)。

2.根据权利要求1所述的一种测试隧道锁脚锚管受力特性的装置，其特征在于：所述的应变片(3)粘设于锚管本体(1)的外圆周面上。

3.根据权利要求1或2所述的一种测试隧道锁脚锚管受力特性的装置，其特征在于：所述的导线(5)通过圆孔(2)穿设于锁脚锚管本体(1)的管体内。

4.根据权利要求1所述的一种测试隧道锁脚锚管受力特性的装置的测试方法，其特征在于：所述的测试方法为：通过在锁脚锚管不同截面处粘贴应变片，导线通过管身圆孔引入锁脚锚管内部并伸出与应变测试仪连接，在测试隧道中埋设的锁脚锚管各截面轴向应力时，利用应变测试仪采用电阻应变片半桥单臂温度补偿接法测量其轴向应变，在测试隧道中埋设的锁脚锚管各截面弯矩时，利用应变测试仪采用电阻应变片半桥双臂接法测量由弯矩引起的压缩或拉伸应变。