羅彥斌， 陳建勛， 楊東輝， 李 棟

(1. 長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 陜西 西安 710064； 2. 陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710075)

隧道鎖腳錨管受力測(cè)試方法試驗(yàn)研究

羅彥斌1， 陳建勛1， 楊東輝2， 李 棟1

(1. 長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 陜西 西安 710064； 2. 陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710075)

為研究隧道鎖腳錨管在端頭豎向荷載作用下的受力特性，采用了一種隧道鎖腳錨管受力特性的測(cè)試方法——應(yīng)變片外貼導(dǎo)線內(nèi)引的電測(cè)法，該方法克服了鋼管表面貼片易損壞、引線困難等難題。以工程上經(jīng)常使用的長(zhǎng)為3.5 m、直徑為42 mm、壁厚為4 mm的熱軋無(wú)縫鋼管為例，系統(tǒng)介紹了測(cè)試鎖腳錨管受力特性的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，包括鎖腳錨管管身軸向應(yīng)變測(cè)試和管身彎矩測(cè)試。給出了鎖腳錨管受力測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與工藝，包括測(cè)力錨管的加工和溫度補(bǔ)償條的加工工藝。采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，在某土質(zhì)邊坡對(duì)該方法進(jìn)行了應(yīng)用，將鎖腳錨管安裝在邊坡土體中，然后在鎖腳錨管端頭加載，測(cè)試其受力狀況。試驗(yàn)結(jié)果表明： 鎖腳錨管受力測(cè)試裝置安設(shè)完畢后，測(cè)點(diǎn)成活率達(dá)到100%；鎖腳錨管端頭垂直加載，管身最終變形和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相吻合；該試驗(yàn)方法能夠真實(shí)反映鎖腳錨管的受力特性。

隧道； 鎖腳錨管； 受力特性； 測(cè)試方法； 應(yīng)變片外貼

0 引言

軟弱圍巖隧道變形大、沉降控制難，處理不當(dāng)易造成塌方等工程事故。為了保障施工安全，常采取注漿加固地層、仰拱及時(shí)封閉、拱腳補(bǔ)強(qiáng)等措施，其中拱腳補(bǔ)強(qiáng)包括拱腳注漿、拱腳基礎(chǔ)擴(kuò)大、鎖腳錨管(桿)等[1-3]。由于鎖腳錨管(桿)施工簡(jiǎn)單易行、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、效果顯著，在軟弱圍巖隧道中得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于對(duì)鎖腳錨管(桿)的受力機(jī)制缺乏認(rèn)識(shí)，工程實(shí)踐中往往靠經(jīng)驗(yàn)確定參數(shù)，僅鎖腳錨管(桿)的打設(shè)角度問(wèn)題，就有多種爭(zhēng)論觀點(diǎn)。因此，有必要對(duì)隧道鎖腳錨管(桿)的受力機(jī)制進(jìn)行深入研究[4]。

目前，對(duì)于隧道鎖腳錨管(桿)受力機(jī)制的研究主要采用數(shù)值模擬和理論解析的方法[5-6]，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法很少，主要原因是沒(méi)有成熟的測(cè)試方法，且現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境惡劣，對(duì)測(cè)試元件的保護(hù)要求較高等。筆者曾采用鋼弦式錨桿測(cè)力計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鎖腳錨桿軸力進(jìn)行測(cè)試，但軸力并不能全面反映鎖腳錨桿的受力狀態(tài)，因此，需要尋求一種能夠測(cè)試鎖腳錨管(桿)管身軸向應(yīng)變和彎矩的方法。

鎖腳錨管屬于薄壁圓管結(jié)構(gòu)，隧道建設(shè)者對(duì)這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試方法研究得較少，而樁基領(lǐng)域的工作人員對(duì)其研究較多。李晉[7]、朱小軍[8]利用空心鋁管作為模型樁，將鋁管沿縱向剖開(kāi)后在管壁內(nèi)粘貼應(yīng)變片，然后用金屬膠和特制鋁帽將管壁粘合在一起；茍德明等[9]、李健等[10]在測(cè)試管棚應(yīng)力時(shí)，將管棚沿測(cè)試斷面橫向截?cái)啵苍O(shè)傳感器后，通過(guò)絲扣和焊接連接在一起，但是該方法由于管身縱向或橫向裂縫的存在，一旦受力不均勻，將對(duì)管身應(yīng)力分布產(chǎn)生較大影響，使測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生誤差；董曉明[11]、朱斌等[12-13]、程海濤[14]在進(jìn)行模型樁試驗(yàn)時(shí)，將應(yīng)變片傳感器粘貼于PVC管或鋁管外壁，并將導(dǎo)線通過(guò)管身小孔引入圓管內(nèi)部，最后從圓管端口引出，但該方法只在PVC和鋁管的模型試驗(yàn)中應(yīng)用，由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境惡劣，應(yīng)變片粘貼在外側(cè)易被損壞，因此在鋼管的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中未見(jiàn)報(bào)道。

本文綜合上述研究成果，并考慮錨桿和錨管在受力和變形方面的區(qū)別與聯(lián)系，將傳感器外貼、導(dǎo)線內(nèi)引的方法應(yīng)用于鋼管，同時(shí)克服了鋼管表面貼片易損壞、引線困難、溫度補(bǔ)償塊的加工與安裝等難題，提出了一套應(yīng)變片外貼測(cè)試鎖腳錨管受力的方法，并在某土質(zhì)邊坡開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究工作。

1 鎖腳錨管受力測(cè)試方案

為了研究鎖腳錨管在圍巖中的受力情況，測(cè)試鎖腳錨管沿圍巖深度方向的軸向應(yīng)力和彎矩分布情況。采用在鎖腳錨管不同位置處設(shè)置測(cè)試斷面，每個(gè)測(cè)試斷面上布置上下左右4個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)在管壁外粘貼箔式電阻應(yīng)變片，導(dǎo)線通過(guò)管壁鉆孔引入錨管內(nèi)部并穿過(guò)錨管管體連接至應(yīng)變測(cè)試儀，通過(guò)一定的組橋方式對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行組合，測(cè)出錨管不同位置處的軸向應(yīng)力和彎矩。

以工程上經(jīng)常使用的長(zhǎng)度為3.5 m、直徑為42 mm、壁厚為4 mm的熱軋無(wú)縫鋼管為例，測(cè)試鎖腳錨管4個(gè)斷面的受力情況，如圖1所示。

圖1 各測(cè)試斷面沿管身縱向布置(單位： cm)

每個(gè)測(cè)試斷面分別在上、下、左、右4個(gè)部位布置測(cè)點(diǎn)，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)上粘貼應(yīng)變片，并將導(dǎo)線通過(guò)測(cè)點(diǎn)附近的鉆孔引出后連接至應(yīng)變測(cè)試儀。因鎖腳錨管管身的4個(gè)鉆孔直徑僅2.5 mm，且呈交錯(cuò)布置，其相對(duì)于距應(yīng)變片的距離(40 mm)與管徑(42 mm)已經(jīng)很小，僅會(huì)在小孔的周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)鎖腳錨管管身的應(yīng)變測(cè)試影響可以忽略不計(jì)。應(yīng)變片安裝和引線如圖2所示。

(a)測(cè)點(diǎn)環(huán)向布置

1—鎖腳錨管; 2—圓孔; 3—應(yīng)變片； 4—接線端子； 5—導(dǎo)線； 6—應(yīng)變測(cè)試儀； 7—錐頭。

(b)應(yīng)變片引線、導(dǎo)線焊接

(c)測(cè)點(diǎn)導(dǎo)線內(nèi)引

采用電阻應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù)，將應(yīng)變片接入電阻應(yīng)變儀中的電阻橋路，形成如圖3所示的應(yīng)變電橋橋路。可取R1—R4中的一個(gè)或多個(gè)作為應(yīng)變片，其余為電阻應(yīng)變儀自帶電阻，構(gòu)成電橋橋臂。A、C和B、D分別為電橋的輸入端和輸出端。當(dāng)構(gòu)件受力發(fā)生變形時(shí)，應(yīng)變片隨之產(chǎn)生電阻值的變化，從而破壞電橋的平衡，產(chǎn)生輸出電壓，顯示出應(yīng)變數(shù)值[15]。

當(dāng)輸入電壓為UI、輸出電壓為UO時(shí)，由電學(xué)原理可知：

(1)

當(dāng)構(gòu)件在外力作用下發(fā)生變形時(shí)，電橋中各橋臂的電阻值將發(fā)生改變，此時(shí)R1、R2、R3、R4的電阻分別為R1′、R2′、R3′、R4′。

Ri′=Ri+ΔRi。(i=1,2,3,4)

(2)

將式(2)代入式(1)，可近似求得輸出電壓

(3)

圖3 應(yīng)變惠斯通電橋橋路

1.1 鎖腳錨管軸向應(yīng)變測(cè)試

采用應(yīng)變片半橋單臂溫度補(bǔ)償接法測(cè)量鎖腳錨管各截面軸向應(yīng)變。即4個(gè)橋臂上只有1個(gè)橋臂接有應(yīng)變片，此時(shí)相鄰橋臂接溫度補(bǔ)償片，以此消除由溫度引起的應(yīng)變。電橋橋路如圖4所示。

圖4 半橋單臂溫度補(bǔ)償接法電橋橋路

Fig. 4 Half-bridge and single arm bridge circuit for temperature compensa-tion

R1為貼在錨管管壁上的應(yīng)變片，R2為貼在補(bǔ)償塊上的溫度補(bǔ)償應(yīng)變片，R3和R4為應(yīng)變儀內(nèi)置電阻，UI和UO分別為輸入電壓和輸出電壓。

鎖腳錨管在外荷載作用下其管體會(huì)發(fā)生變形，變形產(chǎn)生的電阻為ΔRc，溫度引起變形產(chǎn)生的電阻為ΔRT，則：

ΔR1=ΔRc+ΔRT；

(4)

ΔR2=ΔRT；

(5)

ΔR3=ΔR4=0。

(6)

將式(4)—(6)代入式(3)，可得：

(7)

式中：K為應(yīng)變片靈敏系數(shù)；ε為測(cè)點(diǎn)處的軸向應(yīng)變。

1.2 鎖腳錨管彎矩測(cè)試

采用電阻應(yīng)變片半橋雙臂接法測(cè)量鎖腳錨管各截面彎矩。即4個(gè)橋臂上有2個(gè)橋臂接有應(yīng)變片，2個(gè)應(yīng)變片采用相鄰橋臂的方法接入電橋中，這樣可以不需要接入額外的溫度補(bǔ)償片和補(bǔ)償塊而消除其他外力作用下的應(yīng)變，包括溫度引起的應(yīng)變。電橋橋路如圖5所示。

圖5 半橋雙臂接法電橋橋路

R1和R2分別為貼在錨管管壁圓周上、下(或左、右)2個(gè)部位的應(yīng)變片，R3和R4為應(yīng)變儀內(nèi)置電阻，UI和UO分別為輸入電壓和輸出電壓。

鎖腳錨管在外荷載作用下管體會(huì)發(fā)生變形，錨管軸力產(chǎn)生的電阻為ΔRA，錨管彎矩產(chǎn)生的電阻為ΔRM，應(yīng)變片變形產(chǎn)生的電阻分別為ΔRc和ΔRc′，溫度引起變形產(chǎn)生的電阻為ΔRT，則：

ΔR1=ΔRc+ΔRT=ΔRA+ΔRM+ΔRT；

(8)

ΔR2=ΔRc′+ΔRT=ΔRA-ΔRM+ΔRT；

(9)

ΔR3=ΔR4=0。

(10)

將式(8)—(10)代入式(3)，可得：

(11)

由式(11)可知，應(yīng)變儀測(cè)試的應(yīng)變?chǔ)臡′是彎矩引起應(yīng)變的2倍，即εM′=2εM。

根據(jù)材料力學(xué)可知鎖腳錨管測(cè)點(diǎn)處彎矩

(12)

2 鎖腳錨管受力測(cè)試裝置設(shè)計(jì)與制作工藝

2.1 測(cè)力鎖腳錨管設(shè)計(jì)與工藝

測(cè)力錨管應(yīng)按以下步驟進(jìn)行制作。

1)定位。在鎖腳錨管貼應(yīng)變片和鉆孔前，用劃針沿錨管全長(zhǎng)在其截面圓周上、下、左、右分別劃線，以確保應(yīng)變片貼片位置和鉆孔位置與設(shè)計(jì)相符。

2)鉆孔。為降低鉆孔對(duì)錨管受力的影響，采用上下孔與左右孔交錯(cuò)布置，避免4個(gè)孔位于同一截面。上下孔從距管端0.46m處，每隔1m用沖擊鉆在管壁上鉆直徑為2.5mm的小孔，即分別在距離管端0.46、1.46、2.46、3.46m的4個(gè)位置上下管壁處鉆8個(gè)小孔。左右孔從距管端0.47m處，每隔1m用沖擊鉆在管壁上鉆直徑為2.5mm的小孔，即分別在距離管端0.47、1.47、2.47、3.47m的4個(gè)位置左右管壁處鉆8個(gè)小孔?，F(xiàn)場(chǎng)鉆孔如圖6(a)所示。

3)打磨。為保證電阻應(yīng)變片與錨管管壁充分接觸，首先用打磨機(jī)對(duì)待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行小面積拋光，然后用小號(hào)砂紙將錨管表面打磨光滑。打磨方向應(yīng)與應(yīng)變片絲柵方向呈45°，以便使應(yīng)變片能更好地反映測(cè)點(diǎn)的實(shí)際受力。

4)清洗。打磨處理過(guò)的錨管經(jīng)初步清洗后，用脫脂棉球沾丙酮沿一個(gè)方向?qū)①N片部位清洗干凈，并確保應(yīng)變片粘貼面干凈。擦拭清洗時(shí)，由十字線中心向外擦洗，保證中心干凈，擦洗完與貼片的時(shí)間間隔不得少于3min，以保證丙酮能完全揮發(fā)。

5)選片與貼片。貼片前用萬(wàn)用表檢查所用應(yīng)變片阻值是否一樣，并用放大鏡觀察敏感柵是否有銹斑、基底和蓋層是否有破損、引線有無(wú)折斷等；然后，在錨管截面上、下、左、右4個(gè)位置對(duì)稱粘貼電阻應(yīng)變片，采用502膠將應(yīng)變片與管壁緊密粘貼，并用聚乙烯薄膜均勻滾壓應(yīng)變片，以便排除多余的粘結(jié)劑和氣泡，如圖6(b)所示。

6)焊接。應(yīng)變片的引出線很細(xì)，且引出線與應(yīng)變片電阻絲的連接強(qiáng)度較低，很容易被拉斷。因此，導(dǎo)線與應(yīng)變片引出線之間通過(guò)接線端子連接，接線端子采用302膠粘貼。在應(yīng)變片與端子之間的錨管圓周貼上一圈膠帶紙，其一是防止應(yīng)變片短路，其二是保證圓周的4個(gè)應(yīng)變片粘貼位置在同一截面。將應(yīng)變片引出線焊接到接線端子的一端，然后將接線端子的另一端與導(dǎo)線焊接，如圖6(c)所示。焊接時(shí)注意防止假焊，焊接完成后用萬(wàn)用表檢查其是否短路。

7)穿線。對(duì)于測(cè)試斷面1和測(cè)試斷面2，由于距離錨管端頭較近，可通過(guò)直徑為0.8mm的細(xì)扎絲直接將導(dǎo)線牽引到錨管端頭，如圖6(d)所示。對(duì)于測(cè)試斷面3和測(cè)試斷面4，因測(cè)試斷面距離端頭遠(yuǎn)，不能直接牽引，但距離錨管另一端較近，可利用直徑為0.8mm的細(xì)扎絲將導(dǎo)線從錨管另一端穿出，然后將導(dǎo)線固定在長(zhǎng)4m、直徑為1.5mm的鋼絲上，將鋼絲順著錨管內(nèi)壁牽引到錨管端頭，最后將導(dǎo)線在錨管端頭集中引出并編號(hào)，如圖6(e)所示。為保證測(cè)量方便，導(dǎo)線外留長(zhǎng)度為2.5m。

8)保護(hù)。由于鎖腳錨管所處環(huán)境復(fù)雜，且其施工屬于粗放式作業(yè)，因此要對(duì)應(yīng)變片及導(dǎo)線加以保護(hù)。焊接完成后，首先檢查焊接質(zhì)量，然后在應(yīng)變片和接線端子表面涂刷一定厚度的環(huán)氧樹(shù)脂保護(hù)膠，如圖6(f)所示。

9)安裝錐頭。因鎖腳錨管較長(zhǎng)且與圍巖的接觸面大，安設(shè)錨管時(shí)圍巖與錨管之間的摩阻力較大，因此在鎖腳錨管尾部安裝一個(gè)長(zhǎng)3cm的錐頭，以便使錨管能順利地插入預(yù)先鉆好的孔位中，減少對(duì)鎖腳錨管壁面?zhèn)鞲衅鞯膿p壞。

(a)沖擊鉆打孔 (b)應(yīng)變片與接線端子粘貼

(c)應(yīng)變片引線、導(dǎo)線焊接 (d)斷面1和斷面2導(dǎo)線內(nèi)引

(e)斷面3和斷面4導(dǎo)線內(nèi)引 (f)應(yīng)變片保護(hù)

圖6 鎖腳錨管測(cè)試裝置制作

Fig. 6Processingoftestingdeviceforfootlockingbolt

2.2 溫度補(bǔ)償測(cè)試設(shè)計(jì)與制作工藝

由于鎖腳錨管長(zhǎng)3.5m，且放置在土體內(nèi)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致每個(gè)測(cè)點(diǎn)所處的環(huán)境不同，溫度也不同。為使測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確，補(bǔ)償塊應(yīng)沿鎖腳錨管全長(zhǎng)在相應(yīng)測(cè)試斷面處布設(shè)，且不能受力。因此，不能利用傳統(tǒng)方法布設(shè)補(bǔ)償塊。

為了使補(bǔ)償塊材質(zhì)與錨管相同，利用專業(yè)機(jī)床從錨管上切割寬為1cm、長(zhǎng)為3.6m的板條，在與錨管測(cè)試斷面位置相同的板條上粘貼溫度補(bǔ)償片，并將貼有溫度補(bǔ)償片的板條放置在長(zhǎng)為3.5m、直徑為26mm、壁厚為2mm的鍍鋅管內(nèi)，最后將鍍鋅管置于測(cè)點(diǎn)旁土體內(nèi)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該方法測(cè)試鎖腳錨管受力的可行性，選擇某土質(zhì)邊坡，采用本文的方法制作鎖腳錨管測(cè)試裝置，將鎖腳錨管安裝在邊坡土體中，然后在鎖腳錨管端頭加載，測(cè)試其受力狀況。

3.1 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)鎖腳錨管采用長(zhǎng)度為3.5m、直徑為42mm、壁厚為4mm的熱軋無(wú)縫鋼管，按照設(shè)計(jì)加工制作。

采用的傳感器為BX120-5AA型箔式電阻應(yīng)變片，其技術(shù)指標(biāo)： 電阻值為(119.7±0.1)Ω、靈敏系數(shù)K為(2.08±1)%、柵長(zhǎng)×柵寬為5mm×3mm。

采用TST3821E無(wú)線遙測(cè)靜態(tài)應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù)，采樣頻率為1Hz，最高分辨率為1με，測(cè)量范圍為±19 999με，自動(dòng)平衡范圍為±15 000με，零漂每4h≤±3με。

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)邊坡進(jìn)行適當(dāng)刷坡，清除鉆孔位置附近的表層土，夯實(shí)整平下方地基；然后根據(jù)加載高度確定鎖腳錨管孔位位置，孔位定好后，采用長(zhǎng)3.8m的洛陽(yáng)鏟鉆2個(gè)直徑為50mm、深為3.3m的孔，孔位角度和水平方向夾角為0，鉆孔時(shí)應(yīng)保證孔腔順直平滑，不應(yīng)出現(xiàn)彎曲或偏位；最后將鎖腳錨管和溫度補(bǔ)償裝置分別安放在鉆孔內(nèi)，鎖腳錨管安放時(shí)應(yīng)確保管身上、下端平面與孔位上、下端平面重合。

如前所述，在我國(guó)大陸的法律語(yǔ)境下，有組織犯罪可以劃分為普通犯罪集團(tuán)犯罪、黑社會(huì)性質(zhì)組織犯罪以及黑社會(huì)組織犯罪，它們分別代表了有組織犯罪的初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)發(fā)展形態(tài)。［4］

采用自主研發(fā)的加載系統(tǒng)和反力系統(tǒng)裝置，對(duì)鎖腳錨管端部進(jìn)行垂直向下加載，分別施加1.1、3.2、5.4、7.6、9.8、12.1、14.3kN共7級(jí)荷載，測(cè)試鎖腳錨管不同測(cè)試斷面處的軸向應(yīng)變和彎矩。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

鎖腳錨管安設(shè)完畢后，對(duì)16個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)的成活率達(dá)到100%。通過(guò)對(duì)鎖腳錨管端部進(jìn)行加載，得到了管身軸向應(yīng)變和彎矩的分布規(guī)律。

3.3.1 鎖腳錨管軸向應(yīng)變分布規(guī)律

鎖腳錨管圓周上、下、左、右側(cè)4個(gè)部位管身軸向應(yīng)變沿錨管長(zhǎng)度方向的分布如圖7所示。

(a)上側(cè)

(b)下側(cè)

(c)左側(cè)

(d)右側(cè)

由圖7可以看出： 鎖腳錨管上側(cè)受拉，下側(cè)受壓，且量值較大，基本呈對(duì)稱狀；上、下側(cè)軸向應(yīng)變隨著荷載的增大而增大，尤其是靠近錨管端頭的測(cè)點(diǎn)；鎖腳錨管左側(cè)和右側(cè)拉、壓應(yīng)變交替變化，但兩側(cè)應(yīng)變差距較大，主要由于左右兩側(cè)的應(yīng)變值過(guò)小，采用貼應(yīng)變片方法測(cè)試時(shí)精度不足而產(chǎn)生一定誤差，同時(shí)在鎖腳錨管的安裝過(guò)程中以及管外壁應(yīng)變片的粘貼角度方面也存在一定的人工誤差。

3.3.2 鎖腳錨管彎矩分布規(guī)律

鎖腳錨管上下和左右管身彎矩沿錨管長(zhǎng)度方向的分布如圖8所示。

(a)上下方向

(b)左右方向

由圖8可以看出： 鎖腳錨管管身上下方向和左右方向彎矩變化規(guī)律基本一致，隨著荷載的增大而增大，尤其是靠近錨管端頭的測(cè)點(diǎn)；在同一荷載作用下，管身上下方向的彎矩從錨管端口開(kāi)始沿長(zhǎng)度方向逐漸減小，管身左右方向的彎矩從錨管端口開(kāi)始沿長(zhǎng)度方向先增大后減小，在距錨管端口1.5m處左右方向彎矩達(dá)到最大值?？傮w來(lái)說(shuō)，鎖腳錨管上下方向的彎矩量值較大，左右方向的彎矩量值較小。

結(jié)合軸向應(yīng)變和彎矩的測(cè)試結(jié)果可以看出，鎖腳錨管在靠近端頭一側(cè)，沿著上下方向發(fā)生較大的彎曲變形。

為了檢驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的合理性，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試完畢的鎖腳錨管從土體中挖出，對(duì)其加載前后的管身變形進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。

圖9 鎖腳錨管加載前后管身變形

由圖9可知，管身變形和實(shí)測(cè)結(jié)果是吻合的，表明該試驗(yàn)方法是可行的，可以真實(shí)反映鎖腳錨管的受力特性。

4 結(jié)論與討論

為研究隧道鎖腳錨管端頭在豎向荷載作用下的受力特性，根據(jù)鎖腳錨管的特點(diǎn)，提出了一種鎖腳錨管受力特性的測(cè)試方法，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。

1)本文提出了一種隧道鎖腳錨管受力特性的測(cè)試方法——應(yīng)變片外貼導(dǎo)線內(nèi)引的電測(cè)法，該方法克服了鋼管表面貼片易損壞、鉆孔引線困難等難題。

2)以工程上經(jīng)常使用的長(zhǎng)度為3.5m、直徑為42mm、壁厚為4mm的熱軋無(wú)縫鋼管為例，系統(tǒng)介紹了鎖腳錨管受力特性的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，包括鎖腳錨管管身軸向應(yīng)變測(cè)試和管身彎矩測(cè)試。

3)給出了鎖腳錨管受力測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與制作工藝，包括測(cè)力錨管的加工和溫度補(bǔ)償條的加工工藝。

4)在某土質(zhì)邊坡對(duì)該方法進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，將鎖腳錨管安裝在邊坡土體中，然后在鎖腳錨管端頭加載，測(cè)試其受力狀況。鎖腳錨管安設(shè)完畢后，對(duì)16個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)點(diǎn)的成活率達(dá)到100%。為了檢驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的合理性，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試完畢的鎖腳錨管從土體中挖出，對(duì)其加載前后的管身變形進(jìn)行對(duì)比，得出管身變形和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相吻合的結(jié)論，表明該試驗(yàn)方法能夠真實(shí)反映鎖腳錨管的受力特性。

盡管應(yīng)變片測(cè)試技術(shù)在鎖腳錨管受力特性測(cè)試方面得到了成功應(yīng)用，但該方法仍存在一些不足之處，如電阻應(yīng)變片監(jiān)測(cè)手段易受到水、電磁等環(huán)境的干擾，耐久性差，不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。最近幾年發(fā)展起來(lái)的光纖光柵傳感技術(shù)，因其具有精度高、靈敏度高、響應(yīng)快、實(shí)時(shí)性、長(zhǎng)距離、準(zhǔn)分布式測(cè)量、無(wú)零漂、抗電磁干擾及耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外土木工程領(lǐng)域得到了快速應(yīng)用，因而未來(lái)可以考慮將此技術(shù)應(yīng)用于鎖腳錨管受力測(cè)試當(dāng)中，以解決傳統(tǒng)傳感器測(cè)試技術(shù)存在的缺陷。

[1] 王夢(mèng)恕. 中國(guó)隧道及地下工程修建技術(shù)[M]. 北京： 人民交通出版社，2010.(WANGMengshu.TunnellingandundergroundengineeringtechnologyinChina[M].Beijing：ChinaCommunicationsPress，2010.(inChinese))

[2] 陳建勛. 軟弱地層隧道初期支護(hù)技術(shù)—鋼架噴網(wǎng)鎖腳錨桿組合結(jié)構(gòu)[M]. 北京： 科學(xué)出版社，2011.(CHENJianxun.Tunnelprimarysupportingtechnologyinsoftandweakground:Steelframe+shotcrete+steelmeshandfootlockingbolt[M].Beijing：SciencePress，2011.(inChinese))

[3]BobetA,EinsteinHH.Tunnelreinforcementwithrockbolts[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology, 2011, 26(1): 100-123.

[4] 鄧國(guó)華，邵生俊，陶虎，等. 鎖腳錨管對(duì)土質(zhì)隧道圍巖變形和支護(hù)內(nèi)力的影響研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2010，43(1)： 108-113.(DENGGuohua，SHAOShengjun，TAOHu，etal.Astudyoftheeffectsoflockingtremiesontheinternalforceoftunnelsupportandthedeformationofsurroundingsoil[J].ChinaCivilEngineeringJournal，2010，43(1)： 108-113.(inChinese))

[5] 羅彥斌，陳建勛.軟弱圍巖隧道鎖腳錨桿受力特性及其力學(xué)計(jì)算模型[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2013，35(8)： 1519-1525.(LUOYanbin，CHENJianxun.Mechanicalcharacteristicsandmechanicalcalculationmodeloftunnelfeet-lockboltinweaksurroundingrock[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，2013，35(8)： 1519-1525. (inChinese))

[6] 陳麗俊，張運(yùn)良，馬震岳，等. 軟巖隧洞鎖腳錨桿-鋼拱架聯(lián)合承載分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015，34(1): 129-138.(CHENLijun，ZHANGYunliang，MAZhenyue，etal.Jointbearinganalysisforfeet-lockboltandsteelarchinweakrocktunnel[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2015，34(1): 129-138. (inChinese))

[7] 李晉. 黃土地區(qū)基樁土共同作用性狀仿真與試驗(yàn)研究[D]. 西安: 長(zhǎng)安大學(xué), 2006.(LIJin．Studyofsimulationandtestofinterreactionbetweenpile-soilinloessarea[D].Xi’an:Chang’anUniversity, 2006. (inChinese))

[8] 朱小軍. 長(zhǎng)短樁組合樁基礎(chǔ)模型試驗(yàn)及承載性能研究[D]. 上海:同濟(jì)大學(xué), 2006.(ZHUXiaojun．Studyofbearingbehaviorandmodelingtestofcompositepilefoundationwithlongandshortpiles[D].Shanghai:TongjiUniversity, 2006. (inChinese))

[9] 茍德明，陽(yáng)軍生，張戈.淺埋暗挖隧道管棚變形監(jiān)測(cè)及受力機(jī)制分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(6)： 1258-1264.(GOUDeming，YANGJunsheng，ZHANGGe.Deformationmonitoringandmechanicalbehaviorsofpipe-roofinshallowtunnels[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2007，26(6)： 1258-1264. (inChinese))

[10] 李健，譚忠盛，喻渝，等. 淺埋下穿高速公路黃土隧道管棚變形監(jiān)測(cè)及受力機(jī)制分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(1)： 3002-3008.(LI Jian，TAN Zhongsheng，YU Yu，et al. Analysis of deformation monitoring and mechanical behaviors of big pipe-roof for shallow-buried large-span tunnel to underpass highway[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(1)： 3002-3008. (in Chinese))

[11] 董曉明. 基于黃土非均勻濕陷變形的橋梁群樁基礎(chǔ)承載特性研究[D]. 西安: 長(zhǎng)安大學(xué)，2013.(DONG Xiaoming. Research on load bearing characteristics of bridge group piles foundation based on loess non-uniform deformation[D]. Xi’an: Chang’an University, 2013. (in Chinese))

[12] 朱斌，李濤，畢明君. 海上四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)水平受荷離心模型試驗(yàn)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36(10)： 1822-1830.(ZHU Bin， LI Tao， BI Mingjun. Centrifuge modelling on tetrapod jacket foundation subjected to lateral loads[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2014，36(10)： 1822-1830. (in Chinese))

[13] 朱斌，熊根，劉晉超，等. 砂土中大直徑單樁水平受荷離心模型試驗(yàn)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013，35(10)： 1807-1815.(ZHU Bin，XIONG Gen，LIU Jinchao，et al. Centrifuge modelling of a large-diameter single pile under lateral loads in sand[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2013，35(10)： 1807-1815. (in Chinese))

[14] 程海濤. 路堤荷載下軟黃土復(fù)合地基作用機(jī)理及承載特性研究[D]. 西安： 長(zhǎng)安大學(xué),2008.(CHENG Haitao. Study of action mechanism and bearing characteristics of composite ground under load of embankment in soft loess area[D]. Xi’an： Chang’an University,2008. (in Chinese))

[15] 李巧真,李剛,韓欽澤. 電阻應(yīng)變片的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011(4): 134-137.(LI Qiaozhen，LI Gang，HAN Qinze. Experiment and application of resistance strain gauge[J]. Research and Exploration in Laboratory，2011(4): 134-137. (in Chinese))

Experimental Study of Testing Technologies for Stress of Tunnel Foot Locking Bolts

LUO Yanbin1, CHEN Jianxun1, YANG Donghui2, LI Dong1

(1. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China;2.ShaanxiProvinceLandEngineeringConstructionGroup,Xi’an710075,Shaanxi,China)

A new stress testing method for tunnel foot locking bolts, electric measuring method by externally bonded strain gauge, is adopted so as to study the stress characteristics of foot locking bolts under vertical load at bolt end. The stress testing design scheme of foot locking bolt, including strain test along axial line of foot locking bolt and bending moment test, is systematically introduced by taking widely used hot-rolling seamless tube of 3.5 m in length, 42 mm in diameter and 4 mm in thickness for example. The design and technologies for stress testing device of foot locking bolts, including manufacturing of dynamometry bolt and temperature compensation strip, are presented. In addition, the above-mentioned method is applied by field test method at a soil slope. The testing results show that: 1) The monitoring points are all effective after installation of stress testing device. 2) The final deformation of foot locking bolt coincides with testing results under vertical loading at foot locking bolt end. 3) The above-mentioned method is reliable.

tunnel; foot locking bolt; mechanical characteristic; testing method; externally bonded strain gauge

2016-03-09；

2016-08-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51108034， 51278063， 51408054)； 長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃(T2014214)； 陜西省科技統(tǒng)籌項(xiàng)目(2014KTCG01-02)

羅彥斌(1980—)，男，陜西千陽(yáng)人，2010年畢業(yè)于北京交通大學(xué)，地下工程專業(yè)，博士，副教授，主要從事隧道及地下工程的教學(xué)工作。E-mail: lyb@chd.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.005

U 455

A

1672-741X(2016)12-1435-07