岩石施加预应力试验装置的设计及测试分析

王化俗 杨壮 邓建华 杨雅鑫 杨方

摘 要：为测定岩石在预应力作用下的力学性能，文章设计了一种预应力加载装置，为测定施加荷载值的精确度，对其进行了精度测试试验，并对施加的荷载进行修正。结果表明，装置施加的荷载与传感器荷载存在误差，平均误差在20%±0.05，因此对试件施加预应力时以0.8作为修正系数。在误差控制范围内，装置可用于预应力作用下岩石的损伤研究。

关键词：预应力;人工加载;螺栓;精度测试

中图分类号：   TU45           文獻标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）01-0065-02

近年来，随着我国建设的迅速发展，基坑、边坡、隧道等开挖使大量岩石暴露于复杂的环境中，出露岩石在昼夜温差、气候变化的环境下风化、剥落，长此以往，易使边坡坍塌、基坑塌方、隧道塌陷等灾害发生。使用锚固构件加固岩土体已经成为了常用手段，锚固构件的锚固力损失问题是锚固工程的症结，其关系到锚固工程的安全性、有效性、可靠性和耐久性。

目前，针对锚固预应力的研究方法主要有理论分析[1-2]、模型研究[3]、有限元分析[4，5]，以及后期的实际工程监测分析[6，7]。而以实验为主探索预应力损失规律的研究方法较少，为此文章设计了一种预应力加载装置，用于研究岩石预应力的损失规律。试验装置精度直接影响试验的可行性、可靠性。文章依据预应力后张法原理，设计制作预应力加载装置，并对装置进行精度测试分析。

1 试验装置设计

预应力加载装置采用由3根螺栓和2块三角形钢板组成，如图1～2所示。螺栓直径为12mm、抗拉强度为720MPa、弹性模量为210GPa，三角钢板为Q235级低碳钢，厚度10mm。施加在试件上的荷载由螺杆上应变片的测量值按下式计算得到：

其中： F—螺栓工作荷载;

E—螺栓应变;

A—螺栓截面面积。

螺栓上布置的应变测点1-1、1 -2、1-3如图1所示，采用刚性圆柱体代替岩石试件以考虑由测试试件变形产生的误差。在刚性圆柱体的一端布置传感器用以测量施加在刚性圆柱体的实际荷载。

该装置测试时，将刚性圆柱体和传感器居中对齐，加载速度控制在50～100N/s。试验开始前，需对加载装置进行预加载，用以测试各设备和装置的运行状态，预加载后方进入正式测试。分别对4个装置进行测试，每个装置进行单次的加载、卸载，每次测试时长在保持15min以上，使应变片能测得稳定的数据。为考虑钢板的翘曲作用，预加载时，测量刚性试圆柱体紧密贴合时的距离。两板间的1#、2#、2#钢板距离分别为119.5mm、119.8mm、119.9mm，平均距离为119.7mm。

2 测试结果及分析

装置1加卸、载时的应变时间曲线栓测如图4所示。螺杆上1#、2#、3#测点在加载时三个测点之间的差异较小，而三个测点在卸载时应变值存在较大差异，2#测点的卸载曲线偏差最大。由于钢板翘曲作用，4组装置各测点峰值之大于与传感器测值如表1所示，其平均挠度        为1.095mm，平均误差为20.38%，所以试件所受荷载是三根螺栓总荷载的80%，则以0.8为修正系数计算试件受力。

由以上分析知，装置在施加预应力时，三根螺栓在两钢板受力时发生连动，因此三个测点的平均应变在一定程度上反映了总体竖向受力和变形情况。将装置测点应变值之和与传感器荷载进行拟合，绘制4个装置试验的荷载-应变曲线，如图5所示。对应回归方程、弹性模量见表2。

由图4可知，4组装置的加、卸载回归方程与试验拟合较好，传感器荷载-应变曲线的回归系数在98%以上，可见测试结果是较精确的。因此本文装置完全可用于岩石预应力损失规律测试。

3  结论

本装置对软岩施加预应力，具有操作简单、试验方便等特点，且实验过程无需调整荷载;本文装置螺栓总荷载与传感器荷载存在差异，误差均在20%±0.05，因而以0.8作为计算试件受力的修正系数;对试验结果拟合离散性小，可以满足对岩石的预应力施加及预应力损失测试。

参考文献：

[1] 王清标，张聪，王辉，温小康，施振跃，吕荣山，王天天.预应力锚索锚固力损失与岩土体蠕变耦合效应研究[J].岩土力学，2014，35（08）：2150-2156+2162.

[2] 王洪，李强.厚冲积黏性土层锚索预应力损失计算模型研究[J].公路，2016，61（12）：82-85.

[3] 郑红超，黄质宏.基于灰色理论的预应力锚索抗滑桩预应力损失预测分析[J].人民珠江，2017，38（05）：67-69.

[4] 高昆红. 既有锚索预应力损失补偿技术研究[D].西南交通大学，2013.

[5] 范卫琴. 锚索预应力损失规律的数值模拟[D].武汉理工大学，2007.

[6] 高大水，曾勇.三峡永久船闸高边坡锚索预应力状态监测分析[J].岩石力学与工程学报，2001（05）：653-656.

[7] 朱晗迓，孙红月，汪会帮，陆锡铭，尚岳全.边坡加固锚索预应力变化规律分析[J].岩石力学与工程学报，2004（16）：2756-2760.

基金项目：国家自然科学基金项目（51068003）