一、概述

锚杆工程具有施工工艺简单、安全可靠和经济高效等优点,在基础工程、边坡、基坑与隧道等支护工程中均有较广泛的应用。为了确保锚杆工程的质量与安全,需要进行锚杆的受力机理研究。本文通过基于具体的锚杆应力测试项目,采用OSI-S分布式光纤传感系统进行应用研究,为同类工程测试提供参考。

二、测试过程

本次采用3根基础锚杆进行试验,试验中土层锚杆长11m,贯穿土层为人工换填层、粉质土层及强风化砂质页岩层。

对锚杆钢筋进行打磨抛光,然后刻槽,刻槽深度2~3mm。槽内用酒精擦拭干净后,埋设紧护套光纤,布设过程中光纤绷直。先每隔5~8cm用502胶水点涂胶初步固定,再用环氧树脂粘贴全段光纤。光纤布设过程用红光笔检验通断,也可以连接OSI设备确认光纤链路是否有大损耗。为保护光纤,光纤两端穿入3mm铠装护套管,所有引纤套入PVC管。

锚杆的现场加载图
图1 锚杆的现场加载图

OSI-S 分布式光纤传感系统
图2 OSI-S 分布式光纤传感系统

试验锚杆施工完成、确定分布式光纤成活后进行加载测试。项目采用分级维持荷载法,在每级荷载稳定工程中,进行锚杆的轴向应变测试。

三、测试结果

通过埋设在锚杆钢筋的光纤传感器测得锚杆不同截面处的轴向应变值,利用弹性力学公式计算出各界面的轴力和侧摩阻力。

锚杆轴力的计算方法如下:N=AsEεs

其中,N为锚杆在某截面处轴力,As为锚杆截面积,E为锚杆弹性模量,εs为锚杆某截面处的应变。

不同深度的锚杆的侧摩阻力如下式所示:qi=(Ni-Ni+1)AsiAsi=πdhi

Asi为锚杆i的侧表面积,d为锚杆直径,NiNi+1为锚杆两处轴力值,hi为计算两点处之间锚杆长度。

3根试验锚杆锚头部分的荷载与位移及其轴力沿深度分布曲线分布见图3~图5所示,各试验锚杆锚头部分荷载测试值与加载值之间的对比分析结果见表1~表3。

图3. 1号试验锚杆的荷载位移曲线及其轴力沿深度分布曲线
表1. 1号锚杆锚头荷载测试值与加载值的对比分析

图4. 2号试验锚杆的荷载位移曲线及其轴力沿深度分布曲线
表2. 2号锚杆锚头荷载测试值与加载值的对比分析

图5. 3号试验锚杆的荷载位移曲线及其轴力沿深度分布曲线
表3. 3号锚杆锚头荷载测试值与加载值的对比分析

根据以上图表结果对比分析可知:

(1)锚杆应力分布主要在上部一定范围内,随着锚杆端部荷载的逐级增加,锚杆全长范围内的应力逐渐增加,影响深度范围向下发展。

(2)锚杆应变值衰减的速率不同是由于贯穿的土层侧摩阻力的不同而引起的,土层摩阻力越大,衰减速率越大。

(3)锚头部分轴力与应变测量值与实际加载值的误差在3.20%~9.94%,其误差总体不大,测量结果较准确,证明OFDR分布式光纤技术在锚杆力学机理研究的可行性和优越性。

(4)三根锚杆在加载至243kN、270kN两级光纤测试数据杂乱,推测其原因可能是随着荷载的增加,锚杆发生轴向变形后与光纤胶或在注浆体内滑移时局部曲折引起的。

四、实验结论

目前,国内外进行锚杆应力测试的方法主要为点式传感器,采用分布式光纤实现分布测试技术一直是岩土锚固工程中非常关键且亟待提高的一项技术。通过基于OFDR分布式光纤性能及其在锚杆应力测试工程中的关键技术相关研究,可以为锚杆的应力测试提供更加有效的测试手段,深入了解工作锚杆力学性能、锚固机理,验证锚杆设计参数与施工工艺的合理性,为基础工程与支护工程的设计提供理论依据,并能评价和预测锚杆工程的安全性和稳定性,确保工程质量与安全,减少造价,有着非常重要的经济性与实用性。


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来源:《建筑监督检测与造价》第13卷第3期
题名:基于OFDR分布式光纤在锚杆应力测试中的应用
作者:王凯、杨眉、刘捷华
单位:广东省建筑科学研究院集团股份有限公司


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