一種測試隧道鎖腳錨管受力特性的裝置及其測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測試隧道鎖腳錨管受力特性的裝置及其測試方法，其是一種新 的、科學(xué)的黃土隧道鎖腳錨管應(yīng)力、彎矩的測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國是一個地質(zhì)地形條件復(fù)雜的國家，僅丘陵和山嶺就占國土面積的四分之三以 上。近年來，隨著我國城市交通、水利電力、礦物開采等工程的大規(guī)模建設(shè)，使地下工程投資 和建設(shè)日益增多。在大規(guī)模和高標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)工程建設(shè)中，隧道工程的建設(shè)得到了飛速發(fā)展， 不僅在數(shù)量和長度上有所突破，隧道開挖斷面也越來越大。隨著隧道建設(shè)規(guī)模和數(shù)量的擴(kuò) 大，不可避免的會遇到黃土地層。在黃土地層中修建隧道，由于圍巖自穩(wěn)能力差或開挖方法 及支護(hù)參數(shù)選取不當(dāng)，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生過大變形甚至使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。
[0003] 當(dāng)隧道發(fā)生大變形時，必須采取有效的處治措施控制其發(fā)展，常用的處治措施有 圍巖注漿、擴(kuò)大拱腳承載面積或設(shè)置縱向托梁、增設(shè)臨時仰拱、采用高強(qiáng)度支護(hù)結(jié)構(gòu)并及時 封閉成環(huán)、隧道地基加固處理、增設(shè)鎖腳錨管等。在諸多措施中，大部分已經(jīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的 研究，并成功應(yīng)用于工程實踐中，如注漿加固圍巖、增設(shè)臨時仰拱、隧道地基加固處理等；有 的加固措施則還處于探索階段，如鎖腳錨管等。
[0004] 工程上常用的鎖腳錨管規(guī)格為42X4mm的熱乳無縫鋼管，長度以穿透圍巖松動圈 而嵌入穩(wěn)定圍巖中為宜。鎖腳錨管主要用于分部開挖法或臺階法開挖的IV、V級圍巖隧道 中，隧道上臺階開挖支護(hù)完成后，基底軟化和下臺階開挖會引起上臺階初期支護(hù)下沉或懸 空。因此下臺階開挖前，沿隧道拱腳、墻腳處按一定角度打設(shè)1~3排鎖腳錨管，并將其端 頭與鋼架焊接牢固，使鎖腳錨管與鋼架成為一體，進(jìn)而限制初期支護(hù)的下沉，以充分發(fā)揮支 護(hù)結(jié)構(gòu)的承載作用。盡管鎖腳錨管在工程實踐中得到較為廣泛的應(yīng)用，但有關(guān)鎖腳錨管的 理論研究尚不夠系統(tǒng)和深入，對鎖腳錨管的作用機(jī)理及力學(xué)特性認(rèn)識不夠全面，從而不能 很好的指導(dǎo)工程實際，給隧道設(shè)計與施工帶來一定的盲目性。鎖腳錨管能有效的控制鋼架 發(fā)生過大變形，但有關(guān)描述其受力特點的資料很少，且大多數(shù)文獻(xiàn)都是通過理論分析及數(shù) 值模擬進(jìn)行分析的，其結(jié)果與實際鎖腳錨管受力存在一定的偏差。因此，對隧道中鎖腳錨管 受力特性測試進(jìn)行專門的研究具有重要的理論和實踐意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種測試隧道鎖腳錨管受力特性的裝置及其測試方法，其應(yīng) 用于設(shè)計與施工，可以指導(dǎo)設(shè)計，降低施工難度，有利于保證施工安全和隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
[0006] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種測試隧道鎖腳錨管受力 特性的裝置，其特征在于：包括鎖腳錨管本體，所述的鎖腳錨管本體的一端設(shè)置有錐頭，所 述的鎖腳錨管本體的圓周上均勻設(shè)置有4個圓孔，每個圓孔的一側(cè)粘設(shè)有應(yīng)變片，所述的 應(yīng)變片上連接有接線端子，所述的接線端子上連接有導(dǎo)線，導(dǎo)線的另一端連接有應(yīng)變測試 儀。
[0007] 所述的應(yīng)變片粘設(shè)于錨管本體的外圓周面上。
[0008] 所述的導(dǎo)線通過圓孔穿設(shè)于鎖腳錨管本體的管體內(nèi)。
[0009] 所述的一種測試隧道鎖腳錨管受力特性的裝置的測試方法，其特征在于：所述的 測試方法為：通過在鎖腳錨管不同截面處粘貼應(yīng)變片，導(dǎo)線通過管身圓孔引入鎖腳錨管內(nèi) 部并伸出與應(yīng)變測試儀連接，在測試隧道中埋設(shè)的鎖腳錨管各截面軸向應(yīng)力時，利用應(yīng)變 測試儀采用電阻應(yīng)變片半橋單臂溫度補(bǔ)償接法測量其軸向應(yīng)變，在測試隧道中埋設(shè)的鎖腳 錨管各截面彎矩時，利用應(yīng)變測試儀采用電阻應(yīng)變片半橋雙臂接法測量由彎矩引起的壓縮 或拉伸應(yīng)變。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下：
[0011] 本發(fā)明基于電測法及鎖腳錨管物理特性，有針對性的提出了一種黃土隧道鎖腳錨 管力學(xué)特性測試方法，按此測試方法既可以測得鎖腳錨管應(yīng)力、彎矩沿深度的分布特性，得 到最優(yōu)的鎖腳錨管物理參數(shù)，又能有效的揭示鎖腳錨管荷載傳遞機(jī)理及承載特性。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的受力特性裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明測試鎖腳錨管受力特性裝置示意圖；
[0014] 圖3為本發(fā)明測試斷面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖4為本發(fā)明鎖腳錨管尾部安裝的錐頭示意圖；
[0016] 圖5為本發(fā)明測試斷面應(yīng)變片布置示意圖；
[0017] 圖6應(yīng)變電橋橋路示意圖；
[0018] 圖7為本發(fā)明實例沖擊鉆打孔；
[0019] 圖8為本發(fā)明實例測點導(dǎo)線內(nèi)引；
[0020] 圖9為本發(fā)明實例應(yīng)變片與接線端子粘貼；
[0021] 圖10為本發(fā)明實例應(yīng)變片引線、導(dǎo)線焊接；
[0022] 圖11為本發(fā)明實例應(yīng)變片保護(hù)；
[0023] 圖12為本發(fā)明軸向應(yīng)變測試橋路示意圖；
[0024] 圖13為本發(fā)明現(xiàn)場試驗軸向應(yīng)變測量時橋路組合方式；
[0025] 圖14為本發(fā)明彎矩測試橋路示意圖；
[0026] 圖15為本發(fā)明現(xiàn)場試驗彎矩測量橋路組合方式；
[0027] 圖16為本發(fā)明0°下插角時上側(cè)管身長度~軸向應(yīng)變圖；
[0028] 圖17為本發(fā)明0°下插角時下側(cè)管身長度~軸向應(yīng)變圖；
[0029] 圖18為本發(fā)明0°下插角時上下面管身長度~彎矩分布圖；
[0030] 圖19為本發(fā)明15°下插角時上下面管身長度~彎矩分布圖；
[0031] 圖20為本發(fā)明15°下插角時上側(cè)管身長度~軸向應(yīng)變圖；
[0032] 圖21為本發(fā)明15°下插角時下側(cè)管身長度~軸向應(yīng)變圖；
[0033] 其中，1一鎖腳錨管本體，2 -圓孔，3-應(yīng)變片，4一接線端子，5-導(dǎo)線，6-應(yīng)變測 試儀，7-錐頭。
【具體實施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖對本設(shè)計做詳細(xì)描述：
[0035] 參見圖1 :一種測試隧道鎖腳錨管受力特性的裝置，包括鎖腳錨管本體1，所述的 鎖腳錨管本體1的一端設(shè)置有錐頭7,所述的鎖腳錨管本體1的圓周上均勻設(shè)置有4個圓孔 2,每個圓孔2的一側(cè)粘設(shè)有應(yīng)變片3,所述的應(yīng)變片3上連接有接線端子4,所述的接線端 子4上連接有導(dǎo)線5,導(dǎo)線5的另一端連接有應(yīng)變測試儀6,所述的應(yīng)變片3粘設(shè)于錨管本 體1的外圓周面上，所述的導(dǎo)線5通過圓孔2穿設(shè)于鎖腳錨管本體1的管體內(nèi)。
[0036] 在測量不同端面的應(yīng)力和彎矩時，可選擇不同的端面可按上述方法進(jìn)行布設(shè)測 點，如圖2、圖3所示。
[0037] 本發(fā)明鎖腳錨管受力特性的裝置制作的具體步驟為（參見圖2-5):
[0038] (1)定位：鎖腳錨管打磨前用劃針沿鎖腳錨管長度方向在上、下、左和右端位置劃 線；
[0039] (2)鉆孔：鎖腳錨管截面圓周上下孔與左右孔應(yīng)交錯布置。對于上下孔，在管身一 截面處用沖擊鉆在管壁上鉆兩個直徑與導(dǎo)線直徑相符的小孔，對于左右孔，為防止對該斷 面造成較大破壞，左右孔與上下孔相錯lcm，用沖擊鉆在管壁上鉆兩個直徑與導(dǎo)線直徑相符 的小孔；
[0040] (3)打磨：首先用打磨機(jī)對待測點進(jìn)行小面積拋光，然后用砂紙將鎖腳錨管表面 打磨光滑；
[0041] (4)穿線：對于靠近鎖腳錨管端口位置處的測點，通過細(xì)扎絲直接將導(dǎo)線牽引到 鎖腳錨管端頭，對于遠(yuǎn)離鎖腳錨管端口位置處的測點，利用細(xì)扎絲將導(dǎo)線從鎖腳錨管另一 端口穿出，然后將導(dǎo)線固定在鋼絲上，將鋼絲順著鎖腳錨管內(nèi)壁從鎖腳錨管底部牽引到鎖 腳錨管端頭，最后將導(dǎo)線在鎖腳錨管端頭集中引出并編號為保證測量方便，導(dǎo)線外留長度 為 2. 5m ;
[0042] (5)清洗：用脫脂棉球沾丙酮沿一個方向?qū)①N片部位清洗干凈，并將應(yīng)變片粘貼 面檫拭干凈，擦洗完后至少間隔3~5分鐘再進(jìn)行貼片，以保證丙酮完全揮發(fā)；
[0043] (6)貼片：在鎖腳錯管截面圓周最上、最下、最左、最右位置對稱粘貼四片電阻應(yīng) 變片，采用502膠將應(yīng)變片與管壁緊密粘貼并用聚乙烯薄膜均勻滾壓應(yīng)變片以利排除多余 的粘結(jié)劑和氣泡。鎖腳錨管應(yīng)變測點設(shè)置在鉆孔旁，沿鎖腳錨管截面圓周最上、最下、最左 和最右端位置對稱粘貼四片電阻應(yīng)變片；
[0044] (7)焊接：接線端子采用302膠黏貼，且在應(yīng)變片與端子之間的鎖腳錨管圓周貼上 一圈膠帶紙。將應(yīng)變片引出線焊接到接線端子的一端，然后將接線端子的另一端與導(dǎo)線焊 接；
[0045] (8)保護(hù)：在應(yīng)變片和接線端子表面涂刷一定厚度的環(huán)氧樹脂保護(hù)膠。導(dǎo)線的保 護(hù)可利用鎖腳錨管的幾何特性，將導(dǎo)線從鎖腳錨管孔壁中穿引到其內(nèi)壁，之后孔口用環(huán)氧 樹脂封閉，以此達(dá)到保護(hù)導(dǎo)線的作用；
[0046] (9)安裝錐頭：在安設(shè)鎖腳錨管前在其尾部安裝一個長6cm的錐頭，以便使鎖腳錨 管能較好的插入預(yù)先鉆好的孔位中；
[0047] (10)連接應(yīng)變測試儀：在導(dǎo)線端連接應(yīng)變測試儀。
[0048] 鎖腳錨管管身應(yīng)力與彎矩的測試方法：
[0049] 電阻應(yīng)變儀中的電阻橋路，如圖6所示，它是以應(yīng)變片或電阻元件作為電橋橋臂， 可取R1為應(yīng)變片、R JP R 2為應(yīng)變片或R R 4均為應(yīng)變片等幾種形式，A、C和B、D分別為 電橋的輸入端和輸出端。當(dāng)構(gòu)件受力發(fā)生變形時，應(yīng)變片隨之產(chǎn)生電阻值的變化，從而破壞 了電橋的平衡，產(chǎn)生輸出電壓，由顯示表顯示出應(yīng)變的數(shù)值。
[0050] 由電工學(xué)原理可知，當(dāng)輸入電壓為叩寸，輸出電壓U。為：
[0052] 當(dāng)構(gòu)件在外力作用下發(fā)生變形時，此時電橋中各橋臂的電阻值將發(fā)生改變，此時 HR^R4電阻分別為R' 3、R'4，其值為：
[0053] Rr !=R^AR1 (2)
[0054] R'2= R 2+AR2 (3)
[0055] Rj3= R 3+AR3 (4)
[0056] R，4= R 4+AR4 (5)
[0057] 將R' i、R' 2、R' 3、R' 4帶入式（1)，可近似求得輸出電壓U。為：
[0059] 利用專業(yè)機(jī)床從鎖腳錨管上切割寬度為1cm，長度與鎖腳錨管相同的板條，并在與 鎖腳錨管測點位置相同的板條上粘帖溫度補(bǔ)償片來作為