振弦传感器极限拉伸室内试验研究*

陈洁金， 郑 斌， 李守雷

(1.长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙 410004；2.中国水电顾问集团 中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410075)

0 引 言

某水电站是我国“西部大开发”的标志性工程和“西电东送”的龙头项目，工程以发电为主兼有防洪、航运等综合效益。地下厂房跨度大、洞室多、开挖支护工程量大，为使高边墙在施工期和运行期保持安全稳定，整个地下洞室群采用了大量的锚杆和预应力锚索进行锚固支护。在安全监测过程中发现锚杆应力计超量程现象时有发生。据统计主厂房共有31组锚杆应力计43个测点读数超量程，占主厂房锚杆应力计总数的31.96 %；岩锚梁共有6支锚杆应力计6个测点读数超量程，占岩锚梁锚杆应力计总数的15.00 %；主变室共有8支锚杆应力计9个测点读数超量程，占主变室锚杆应力计总数的34.78 %；尾水调压井共有 14支锚杆应力计17个测点读数超量程，占尾水调压井锚杆应力计总数的12.17 %。为了了解锚杆应力计在极限应力下的工作状态和超量程后读数的可靠性，分别对量程为210,310,400 MPa三种振弦式锚杆应力计进行了极限拉伸室内试验。对锚杆应力计在荷载作用下测值的变化规律和超量程后的变化趋势进行了研究，为该电站锚杆应力计超量程读数的应用提供了试验依据。

1 试验设备和试件

该水电站监测中使用的锚杆应力计均为基康公司生产的BGK4911系列振弦式锚杆应力计(钢筋计)，元件两端为高强圆钢，沿其中心轴线钻孔，在钻孔内安装一只微型振弦式应变计，两端分别焊接连接钢棒构成，电缆通过压紧接头从刚体中引出，使用基康提供的便携式读数仪或数据采集系统可远程读取钢筋或锚杆的荷载或应力读数。锚杆应力计结构见图1。

图1 BGK—4911型锚杆应力计结构图

这种振弦式锚杆应力计有耐用、可靠、易于安装和读数并不受潮湿、电缆长度和接触电阻变化影响以及长期稳定性好的特点。

试验元件采用BGK4911系列直径为Ф28,Ф32 mm，量程为210,310,400 MPa的6种型号的锚杆应力计。

试验设备采用最大负荷为1 000 kN的微机控制电液伺服万能试验机，试验机施加的荷载和锚杆应力计的伸长量数据由微机自动采集，锚杆应力计的读数采用基康提供的便携式读数仪采集。试验按逐级加载直到元件达到极限荷载破坏为止，递增荷载值为32 MPa,试验装置如图2所示,元件破坏现象如图3，锚杆应力计在破坏过程中没有明显的颈缩现象，断口整齐，破断的位置均在保护钢筋焊接处。

图2 锚杆应力计拉伸试验仪器和设备图

图3 锚杆应力计破坏状态图

2 测试结果与分析

试验总共获得了14组数据，根据试验荷载与位移曲线的形态可以分为三类：

1)Ф28(400 MPa)和Ф32(400 MPa)型号的锚杆应力计标定曲线(万能试验机获得)与测量曲线(便携式读数仪测量)吻合良好，在整个加载过程中荷载—位移曲线始终呈线性增加直至仪器破坏，如图4(a),(b)。施加应力值和测量值基本符合，说明仪器在整个受力过程中，测量值均可真实反映实际施加应力值。没有明显屈服极限，破坏荷载分别为630，631 MPa，为仪器量程的1.6倍。

2)Ф32(210 MPa)和Ф32(310 MPa)型号的锚杆应力计标定曲线与测量曲线吻合良好，有明显屈服极限，在锚杆应力计达到其屈服强度之前的施加应力值和测量值基本吻合，基本呈线性增加，如图4(e),(f)随应力的进一步施加，Ф32(210 MPa)在490 MPa内施加应力值和测量值之差小于5%。屈服荷载分别为365，369 MPa，为仪器量程的1.8倍。破坏荷载分别为514，530 MPa。

3)Ф28(210 MPa)和Ф28(310 MPa) 型号的锚杆应力计标定曲线和测量曲线具有明显屈服荷载，在屈服荷载前段吻合良好，施加应力值和测量值基本符合，屈服强度为其量程的1.8倍，在屈服荷载到破坏阶段曲线发生了分离,如图4(e)，(f)。Ф28(210 MPa)型号的应力值在430 MPa以内时，其施加应力值和测量值的差值在5 %以内；Ф28(310 MPa)型号误差值控制在5%以内的最大应力525 MPa，超过此值误差迅速增大，测量数据已不真实,具体数值见表1。

图4 不同型号的锚杆应力计荷载—位移曲线

3 应 用

根据试验结论，该水电站锚杆应力计读数可靠的最大极限值见表1。

表1 可靠读数的最大极限值

根据可靠读数的最大限值对地下洞室超量程锚杆应力计进行分类统计，在限值内的超量程锚杆应力计的读数是可靠的，超过限值的读数可根据试验曲线进行拟合，然后进行修正，如图5所示。

图5 锚杆应力计荷载—位移拟合曲线

4 结 论

1)根据锚杆应力计荷载—位移曲线的形态，将极限荷载下的锚杆应力计分为三类。

2)根据误差的相对误差控制在5 %以内的条件，提出了读数可靠性的划分标准，对超过最大极限值的读数，建议根据试验曲线进行修正。

3)为该电站锚杆应力计超量程读数的应用提供了试验依据。

4)建议锚杆应力计生产厂家在产品使用说明书中标明锚杆应力特殊情况下读数的修正公式。

参考文献:

[1] 罗俊军，张孝松.龙滩水电站地下厂房主要洞室围岩锚喷支护设计[J].水利发电，2003，29(10)：44-46.

[2] 郑 斌.地下洞室支护锚杆应力状态特性试验研究[D].长沙：中南大学,2010.

[3] 郑 斌.陡倾角岩体地下洞室的位移和锚杆应力特性[J].山西建筑，2009(26)：79-80.

[4] 程良奎，胡建林.土层锚杆的几个力学问题[C]∥岩土工程的锚固技术,北京：人民交通出版社，1996.

[5] 尤春安.全长粘结式锚杆的受力分析[J].岩石力学与工程学报,2000,19(3)：334-338.

[6] 周 群.锚筋与砂浆的粘结机理及岩石锚杆基础的试验研究[C]∥岩土锚固工程技术的应用与发展——国际岩土锚固技术研讨会论文集,北京：万国学术出版社,1996:260-264.

[7] 张四平,候 庆.压力分散型锚杆剪应力分布与现场试验研究[J].重庆建筑大学学报,2004,26(2):41-47.