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

王化俗 楊壯 鄧建華 楊雅鑫 楊方

摘 要：為測(cè)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(cè)定施加荷載值的精確度，對(duì)其進(jìn)行了精度測(cè)試試驗(yàn)，并對(duì)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(duì)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(cè)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(lái)，隨著我國(guó)建設(shè)的迅速發(fā)展，基坑、邊坡、隧道等開(kāi)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(zhǎng)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(wèn)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(duì)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(cè)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(duì)裝置進(jìn)行精度測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量施加在剛性圓柱體的實(shí)際荷載。

該裝置測(cè)試時(shí)，將剛性圓柱體和傳感器居中對(duì)齊，加載速度控制在50～100N/s。試驗(yàn)開(kāi)始前，需對(duì)加載裝置進(jìn)行預(yù)加載，用以測(cè)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(cè)試。分別對(duì)4個(gè)裝置進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)裝置進(jìn)行單次的加載、卸載，每次測(cè)試時(shí)長(zhǎng)在保持15min以上，使應(yīng)變片能測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)如圖4所示。螺桿上1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)在加載時(shí)三個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的差異較小，而三個(gè)測(cè)點(diǎn)在卸載時(shí)應(yīng)變值存在較大差異，2#測(cè)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(cè)點(diǎn)峰值之大于與傳感器測(cè)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(cè)點(diǎn)的平均應(yīng)變?cè)谝欢ǔ潭壬戏从沉丝傮w豎向受力和變形情況。將裝置測(cè)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(duì)應(yīng)回歸方程、彈性模量見(jiàn)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(jiàn)測(cè)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(cè)試。

3? 結(jié)論

本裝置對(duì)軟巖施加預(yù)應(yīng)力，具有操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)方便等特點(diǎn)，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程無(wú)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果擬合離散性小，可以滿足對(duì)巖石的預(yù)應(yīng)力施加及預(yù)應(yīng)力損失測(cè)試。

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