一、概述
錨桿工程具有施工工藝簡單、安全可靠和經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點(diǎn)，在基礎(chǔ)工程、邊坡、基坑與隧道等支護(hù)工程中均有較廣泛的應(yīng)用。為了確保錨桿工程的質(zhì)量與安全，需要進(jìn)行錨桿的受力機(jī)理研究。本文通過基于具體的錨桿應(yīng)力測試項(xiàng)目，采用OSI-S分布式光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用研究，為同類工程測試提供參考。
二、測試過程
本次采用3根基礎(chǔ)錨桿進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中土層錨桿長11m，貫穿土層為人工換填層、粉質(zhì)土層及強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)頁巖層。
對(duì)錨桿鋼筋進(jìn)行打磨拋光，然后刻槽，刻槽深度2~3mm。槽內(nèi)用酒精擦拭干凈后，埋設(shè)緊護(hù)套光纖，布設(shè)過程中光纖繃直。先每隔5~8cm用502膠水點(diǎn)涂膠初步固定，再用環(huán)氧樹脂粘貼全段光纖。光纖布設(shè)過程用紅光筆檢驗(yàn)通斷，也可以連接OSI設(shè)備確認(rèn)光纖鏈路是否有大損耗。為保護(hù)光纖，光纖兩端穿入3mm鎧裝護(hù)套管，所有引纖套入PVC管。
圖1 錨桿的現(xiàn)場加載圖
圖2 OSI-S 分布式光纖傳感系統(tǒng)
試驗(yàn)錨桿施工完成、確定分布式光纖成活后進(jìn)行加載測試。項(xiàng)目采用分級(jí)維持荷載法，在每級(jí)荷載穩(wěn)定工程中，進(jìn)行錨桿的軸向應(yīng)變測試。
三、測試結(jié)果
通過埋設(shè)在錨桿鋼筋的光纖傳感器測得錨桿不同截面處的軸向應(yīng)變值，利用彈性力學(xué)公式計(jì)算出各界面的軸力和側(cè)摩阻力。
錨桿軸力的計(jì)算方法如下：N=AsEεs
其中，N為錨桿在某截面處軸力，As為錨桿截面積，E為錨桿彈性模量，εs為錨桿某截面處的應(yīng)變。
不同深度的錨桿的側(cè)摩阻力如下式所示：qi=(Ni-Ni+1)Asi，Asi=πdhi
Asi為錨桿i的側(cè)表面積，d為錨桿直徑，Ni、Ni+1為錨桿兩處軸力值，hi為計(jì)算兩點(diǎn)處之間錨桿長度。
3根試驗(yàn)錨桿錨頭部分的荷載與位移及其軸力沿深度分布曲線分布見圖3～圖5所示，各試驗(yàn)錨桿錨頭部分荷載測試值與加載值之間的對(duì)比分析結(jié)果見表1～表3。
表1. 1號(hào)錨桿錨頭荷載測試值與加載值的對(duì)比分析
表2. 2號(hào)錨桿錨頭荷載測試值與加載值的對(duì)比分析
表3. 3號(hào)錨桿錨頭荷載測試值與加載值的對(duì)比分析
根據(jù)以上圖表結(jié)果對(duì)比分析可知：
(1)錨桿應(yīng)力分布主要在上部一定范圍內(nèi)，隨著錨桿端部荷載的逐級(jí)增加，錨桿全長范圍內(nèi)的應(yīng)力逐漸增加，影響深度范圍向下發(fā)展。
(2)錨桿應(yīng)變值衰減的速率不同是由于貫穿的土層側(cè)摩阻力的不同而引起的，土層摩阻力越大，衰減速率越大。
(3)錨頭部分軸力與應(yīng)變測量值與實(shí)際加載值的誤差在3.20%～9.94%，其誤差總體不大，測量結(jié)果較準(zhǔn)確，證明OFDR分布式光纖技術(shù)在錨桿力學(xué)機(jī)理研究的可行性和優(yōu)越性。
(4)三根錨桿在加載至243kN、270kN兩級(jí)光纖測試數(shù)據(jù)雜亂，推測其原因可能是隨著荷載的增加，錨桿發(fā)生軸向變形后與光纖膠或在注漿體內(nèi)滑移時(shí)局部曲折引起的。
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論
目前，國內(nèi)外進(jìn)行錨桿應(yīng)力測試的方法主要為點(diǎn)式傳感器，采用分布式光纖實(shí)現(xiàn)分布測試技術(shù)一直是巖土錨固工程中非常關(guān)鍵且亟待提高的一項(xiàng)技術(shù)。通過基于OFDR分布式光纖性能及其在錨桿應(yīng)力測試工程中的關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)研究，可以為錨桿的應(yīng)力測試提供更加有效的測試手段，深入了解工作錨桿力學(xué)性能、錨固機(jī)理，驗(yàn)證錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)與施工工藝的合理性，為基礎(chǔ)工程與支護(hù)工程的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，并能評(píng)價(jià)和預(yù)測錨桿工程的安全性和穩(wěn)定性，確保工程質(zhì)量與安全，減少造價(jià)，有著非常重要的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。
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來源：《建筑監(jiān)督檢測與造價(jià)》第13卷第3期
題名：基于OFDR分布式光纖在錨桿應(yīng)力測試中的應(yīng)用
作者：王凱、楊眉、劉捷華
單位：廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司
