巖石施加預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)及測試分析

王化俗 楊壯 鄧建華 楊雅鑫 楊方

摘 要：為測定巖石在預(yù)應(yīng)力作用下的力學(xué)性能，文章設(shè)計(jì)了一種預(yù)應(yīng)力加載裝置，為測定施加荷載值的精確度，對其進(jìn)行了精度測試試驗(yàn)，并對施加的荷載進(jìn)行修正。結(jié)果表明，裝置施加的荷載與傳感器荷載存在誤差，平均誤差在20%±0.05，因此對試件施加預(yù)應(yīng)力時(shí)以0.8作為修正系數(shù)。在誤差控制范圍內(nèi)，裝置可用于預(yù)應(yīng)力作用下巖石的損傷研究。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力;人工加載;螺栓;精度測試

中圖分類號(hào)：? ?TU45? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）01-0065-02

近年來，隨著我國建設(shè)的迅速發(fā)展，基坑、邊坡、隧道等開挖使大量巖石暴露于復(fù)雜的環(huán)境中，出露巖石在晝夜溫差、氣候變化的環(huán)境下風(fēng)化、剝落，長此以往，易使邊坡坍塌、基坑塌方、隧道塌陷等災(zāi)害發(fā)生。使用錨固構(gòu)件加固巖土體已經(jīng)成為了常用手段，錨固構(gòu)件的錨固力損失問題是錨固工程的癥結(jié)，其關(guān)系到錨固工程的安全性、有效性、可靠性和耐久性。

目前，針對錨固預(yù)應(yīng)力的研究方法主要有理論分析[1-2]、模型研究[3]、有限元分析[4，5]，以及后期的實(shí)際工程監(jiān)測分析[6，7]。而以實(shí)驗(yàn)為主探索預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律的研究方法較少，為此文章設(shè)計(jì)了一種預(yù)應(yīng)力加載裝置，用于研究巖石預(yù)應(yīng)力的損失規(guī)律。試驗(yàn)裝置精度直接影響試驗(yàn)的可行性、可靠性。文章依據(jù)預(yù)應(yīng)力后張法原理，設(shè)計(jì)制作預(yù)應(yīng)力加載裝置，并對裝置進(jìn)行精度測試分析。

1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力加載裝置采用由3根螺栓和2塊三角形鋼板組成，如圖1～2所示。螺栓直徑為12mm、抗拉強(qiáng)度為720MPa、彈性模量為210GPa，三角鋼板為Q235級(jí)低碳鋼，厚度10mm。施加在試件上的荷載由螺桿上應(yīng)變片的測量值按下式計(jì)算得到：

其中： F—螺栓工作荷載;

E—螺栓應(yīng)變;

A—螺栓截面面積。

螺栓上布置的應(yīng)變測點(diǎn)1-1、1 -2、1-3如圖1所示，采用剛性圓柱體代替巖石試件以考慮由測試試件變形產(chǎn)生的誤差。在剛性圓柱體的一端布置傳感器用以測量施加在剛性圓柱體的實(shí)際荷載。

該裝置測試時(shí)，將剛性圓柱體和傳感器居中對齊，加載速度控制在50～100N/s。試驗(yàn)開始前，需對加載裝置進(jìn)行預(yù)加載，用以測試各設(shè)備和裝置的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)加載后方進(jìn)入正式測試。分別對4個(gè)裝置進(jìn)行測試，每個(gè)裝置進(jìn)行單次的加載、卸載，每次測試時(shí)長在保持15min以上，使應(yīng)變片能測得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。為考慮鋼板的翹曲作用，預(yù)加載時(shí)，測量剛性試圓柱體緊密貼合時(shí)的距離。兩板間的1#、2#、2#鋼板距離分別為119.5mm、119.8mm、119.9mm，平均距離為119.7mm。

2 測試結(jié)果及分析

裝置1加卸、載時(shí)的應(yīng)變時(shí)間曲線栓測如圖4所示。螺桿上1#、2#、3#測點(diǎn)在加載時(shí)三個(gè)測點(diǎn)之間的差異較小，而三個(gè)測點(diǎn)在卸載時(shí)應(yīng)變值存在較大差異，2#測點(diǎn)的卸載曲線偏差最大。由于鋼板翹曲作用，4組裝置各測點(diǎn)峰值之大于與傳感器測值如表1所示，其平均撓度? ? ? ? 為1.095mm，平均誤差為20.38%，所以試件所受荷載是三根螺栓總荷載的80%，則以0.8為修正系數(shù)計(jì)算試件受力。

由以上分析知，裝置在施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，三根螺栓在兩鋼板受力時(shí)發(fā)生連動(dòng)，因此三個(gè)測點(diǎn)的平均應(yīng)變在一定程度上反映了總體豎向受力和變形情況。將裝置測點(diǎn)應(yīng)變值之和與傳感器荷載進(jìn)行擬合，繪制4個(gè)裝置試驗(yàn)的荷載-應(yīng)變曲線，如圖5所示。對應(yīng)回歸方程、彈性模量見表2。

由圖4可知，4組裝置的加、卸載回歸方程與試驗(yàn)擬合較好，傳感器荷載-應(yīng)變曲線的回歸系數(shù)在98%以上，可見測試結(jié)果是較精確的。因此本文裝置完全可用于巖石預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律測試。

3? 結(jié)論

本裝置對軟巖施加預(yù)應(yīng)力，具有操作簡單、試驗(yàn)方便等特點(diǎn)，且實(shí)驗(yàn)過程無需調(diào)整荷載;本文裝置螺栓總荷載與傳感器荷載存在差異，誤差均在20%±0.05，因而以0.8作為計(jì)算試件受力的修正系數(shù);對試驗(yàn)結(jié)果擬合離散性小，可以滿足對巖石的預(yù)應(yīng)力施加及預(yù)應(yīng)力損失測試。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王清標(biāo)，張聰，王輝，溫小康，施振躍，呂榮山，王天天.預(yù)應(yīng)力錨索錨固力損失與巖土體蠕變耦合效應(yīng)研究[J].巖土力學(xué)，2014，35（08）：2150-2156+2162.

[2] 王洪，李強(qiáng).厚沖積黏性土層錨索預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算模型研究[J].公路，2016，61（12）：82-85.

[3] 鄭紅超，黃質(zhì)宏.基于灰色理論的預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁預(yù)應(yīng)力損失預(yù)測分析[J].人民珠江，2017，38（05）：67-69.

[4] 高昆紅. 既有錨索預(yù)應(yīng)力損失補(bǔ)償技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2013.

[5] 范衛(wèi)琴. 錨索預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律的數(shù)值模擬[D].武漢理工大學(xué)，2007.

[6] 高大水，曾勇.三峽永久船閘高邊坡錨索預(yù)應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001（05）：653-656.

[7] 朱晗迓，孫紅月，汪會(huì)幫，陸錫銘，尚岳全.邊坡加固錨索預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（16）：2756-2760.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51068003）