一种大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验系统及试验方法与流程

1.本发明涉及地质灾害防治技术领域，尤其涉及一种大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验系统及试验方法。


背景技术：

2.水库库区峡谷岸坡消落带加固目前常用钢制锚索进行锚固，但库区消落带往往受到干湿循环作用，传统的钢制锚索易锈蚀，且水位长时间循环变动情况下锚固结构的健康状况难以监测，这给库岸边坡带来一定的安全风险。现阶段，大量新型纤维增强复合材料锚杆(索)的出现为库岸边坡消落带加固提供了新的思路。其中，玄武岩纤维筋的抗拉强度大于1.1gpa，密度为钢筋的1/3～1/4，具有耐腐蚀性好，稳定性高和原材料成本低等优点，是一种绿色环保的轻质锚索制作材料，有望应用于库岸边坡岩体加固领域。
3.现阶段，既有研究多集中于玄武岩纤维筋与混凝土材料的界面力学特征方面，能实际应用于现场锚固的玄武岩纤维筋锚固结构仍处于研发阶段，中国地质调查局武汉地质调查中心率先研发了一种可应用于库岸边坡的大吨位玄武岩纤维锚固结构。为满足大吨位玄武岩纤维锚索锚固能力的测试需求，有必要设计一种能满足实验室测试需求的大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验系统和张拉方法。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为了满足大吨位玄武岩纤维锚索锚固能力的测试需求，本发明提供一种大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验系统，包括：
5.多根玄武岩纤维锚固筋，每一所述玄武岩纤维锚固筋包括玄武岩纤维筋束、钢绞线、两端分别粘接所述玄武岩纤维筋束一端和所述钢绞线的第一钢套管、以及与所述玄武岩纤维筋束另一端粘接的第二钢套管，其中所述玄武岩纤维筋束与所述钢绞线在所述第一钢套管内对中，所述玄武岩纤维筋束包括捆绑组合的多根玄武岩纤维筋，每一所述玄武岩纤维筋内部粘合有光栅阵列温度传感光缆、光栅阵列应力传感光缆、及光栅阵列振动传感光缆；
6.振动台和设置于所述振动台上的反力架，所述反力架为封闭结构，各所述玄武岩纤维锚固筋均穿过所述反力架，其中每一玄武岩纤维锚固筋的第一钢套管位于所述反力架内、钢绞线穿过所述反力架一端及所述穿心千斤顶，每一玄武岩纤维锚固筋的第二钢套管位于所述反力架外被锚固；
7.以及数据采集模块，其分别连接各所述光栅阵列温度传感光缆、各所述光栅阵列应力传感光缆、及各所述光栅阵列振动传感光缆，从而采集每一所述玄武岩纤维筋的温度、应力以及振动数据。
8.进一步地，还包括对所述反力架内部加热和散热的高低温交变变温器，所述反力架内还设有多个温度传感器，所有温度传感器连接所述数据采集模块。
9.进一步地，还包括与所述反力架连通的增湿除湿一体机，所述反力架内还设有多
个湿度传感器，所有湿度传感器连接所述数据采集模块。
10.进一步地，所述反力架靠近所述第一钢套管一端外侧依次设有第一垫板、压力传感器、第二垫板、第一锚环、限位板和第二锚环，所述穿心千斤顶设置于所述限位板和所述第二锚环之间，所述钢绞线分别穿过第一垫板、压力传感器、第二垫板、第一锚环、限位板、所述穿心千斤顶和第二锚环，所述压力传感器及所述穿心千斤顶的油泵连接所述数据采集模块。
11.进一步地，所述第一锚环和所述第二锚环上均设有多个锚孔，每一所述钢绞线穿过一所述锚孔且所述锚孔内环绕所述钢绞线设有两锥形的夹片，两所述夹片夹紧所述钢绞线。
12.进一步地，所述穿心千斤顶与所述反力架靠近所述第一钢套管一端之间设有一拉线式位移计，所述拉线式位移计拉线与穿心千斤顶轴线平行，所述反力架的两端设有另一拉线式位移计，两所述拉线式位移计拉线相互平行，两所述拉线式位移计连接所述数据采集模块。
13.进一步地，所述反力架靠近所述第二钢套管一端外侧依次设有承压板和承压锚环，所述承压板上设有多个贯通穿孔，所述承压锚环上设有多个台阶式穿孔，每一所述第二钢套管插入一所述台阶式穿孔且与所述台阶式穿孔相抵，所述玄武岩纤维筋束穿过所述贯通穿孔、台阶式穿孔。
14.进一步地，所述玄武岩纤维筋与所述第一钢套管及所述第二钢套管粘接部分表面喷砂处理，所述钢绞线与所述第一钢套管粘接部分表面刻痕处理，所述第一钢套管和所述第二钢套管内壁设有内螺纹。
15.另外，基于上述大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验系统，本发明的实施例提供了一种大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验方法，主要包括以下步骤：
16.调节所述反力架内的温度和湿度；
17.通过所述振动台对所述反力架施加振动；
18.通过小吨位穿心千斤顶分别对各所述玄武岩纤维锚固筋逐一进行张拉，各所述玄武岩纤维锚固筋张拉至预张拉设计值后，通过所述穿心千斤顶对所述玄武岩纤维锚索整体施加拉力，同时通过所述数据采集模块采集各所述玄武岩纤维锚固筋内每一玄武岩纤维筋内部的温度、应力、振动数据，直至所述大吨位玄武岩纤维锚索整体发生破坏。
19.本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
20.本发明的一种室内试验可用的大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验系统及试验方法，能有效模拟库岸边坡的温湿环境及地震荷载，可有效测试不同环境下大吨位玄武岩纤维锚索的最大锚固力，同时还能用于大吨位玄武岩纤维锚索结构蠕变测试，可以准确测试特定温度、湿度环境下大吨位压力型玄武岩纤维锚索的极限荷载。自动化监测特定温度、湿度、地震荷载耦合作用下玄武岩纤维锚索内部的应力、振动响应特征。
21.本发明涉及的一种大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验系统及试验方法，提供了一种可直接应用于实验室试验的测试手段全面，测试效果好、自动化程度高的大吨位玄武岩纤维锚索张拉试验系统，并给出了相应的测试方法，为大吨位玄武岩纤维锚索锚固能力评价提供了可靠手段。
附图说明
22.图1是本发明一种大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验系统主视图的剖面图；
23.图2是本发明一种大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验系统俯视图的剖面图；
24.图3是图1中玄武岩纤维筋束1的截面示意图；
25.图4是图3中玄武岩纤维筋101的截面示意图；
26.图5是图1中第一钢套管2内部的连接示意图；
27.图6是图1中第一锚环15与钢绞线4的示意图；
28.图7是图6中第一锚环15的示意图；
29.图8是图1中玄武岩纤维筋束1与承压锚环10的示意图；
30.图9是图8中承压锚环10的示意图；
31.图10是图1中高低温交变变温器7的示意图；
32.图11是数据采集模块的示意图。
33.图中：1-玄武岩纤维筋束、101-玄武岩纤维筋、101a-光栅阵列温度传感光缆、101b-光栅阵列应力传感光缆、101c-光栅阵列振动传感光缆、102-扎带、2-第一钢套管、3-第二钢套管、4-钢绞线、5-振动台、6-反力架、7-高低温交变变温器、701-低温冷凝管、702-加热管、8-绝热垫片、9-承压板、10-承压锚环、10a-台阶式穿孔、11-穿心千斤顶、12-第一垫板、13-压力传感器、14-第二垫板、15-第一锚环、15a-锚孔、16-限位板、17-第二锚环、18-拉线式位移计、19-温度传感器、20-湿度传感器、21-除湿增湿一体机、22-粘钢胶、23-夹片、24-fc/pc跳线、25-光纤光栅解调仪、26-数据自动采集系统、27-数据传输系统、28-计算机。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
35.请参考图1和2，本发明的实施例提供了一种大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验系统及试验方法。
36.本发明的实施例提供一种大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验系统，具体包括多根玄武岩纤维锚固筋、振动台5和设置于所述振动台5上的反力架6、及数据采集模块。
37.其中每一所述玄武岩纤维锚固筋包括玄武岩纤维筋束1、钢绞线4、两端分别粘接所述玄武岩纤维筋束1一端和所述钢绞线4的第一钢套管2、以及与所述玄武岩纤维筋束1另一端粘接的第二钢套管3，所述玄武岩纤维筋束1与所述钢绞线4插入所述第一钢套管2内并在所述第一钢套管2内对中。
38.请参考图3和4，所述玄武岩纤维筋束1包括捆绑组合的多根玄武岩纤维筋101，每一所述玄武岩纤维筋101内部粘合有光栅阵列温度传感光缆101a、光栅阵列应力传感光缆101b、及光栅阵列振动传感光缆101c。玄武岩纤维拉丝粘合时，将光栅阵列温度传感光缆101a、光栅阵列应力传感光缆101b、光栅阵列振动传感光缆101c粘合于每一所述单根玄武岩纤维筋101中，可保证光栅阵列温度传感光缆101a、光栅阵列应力传感光缆101b、光栅阵列振动传感光缆101c能有效测试所述玄武岩纤维筋101内部的温度、应力、振动变化情况。多根所述玄武岩纤维筋101两端均对齐，然后通过扎带102捆绑扎紧形成单根所述玄武岩纤维筋束1，这样可避免不同的玄武岩纤维筋束1之间不发生缠绕。
39.请参考图5和8，所述玄武岩纤维筋束1两端与所述第一钢套管2和所述第二钢套管3之间通过粘钢胶22进行粘接。为了保证良好的粘接效果，对每一根所述玄武岩纤维筋束1与所述第一钢套管2及所述第二钢套3管粘接部分表面喷砂处理，对所述钢绞线4与所述第一钢套管2粘接部分表面刻痕处理，在所述第一钢套管2和所述第二钢套管3内壁设置内螺纹。所述钢绞线4和所述玄武岩纤维筋束1与所述第一钢套管2的粘结长度分别占所述第一钢套管2总长度的二分之一，可有效保障所述第一钢套管2和所述第二钢套管3连接部分的强度，保证玄武岩纤维锚索张拉时所述钢绞线4、所述玄武岩纤维筋束1不从所述第一钢套管2和所述第二钢套管3内滑脱。
40.所述反力架6设置于所述振动台5上，所述振动台5对所述反力架6施加地震波，以模拟地震环境。所述反力架6四周整体密封处理，保证反力架6内部形成一个密闭空间。所述反力架6之下还设有对其内部加热和散热的高低温交变变温器7。所述反力架底部还设有一绝热垫板8，所述高低温交变变温器7设置于所述绝热垫板8上，用以防止所述反力架6内温度受所述振动台5传热影响。
41.所述高低温交变变温器7可以有多种选择。请参考图10，这里所述高低温交变变温器7由加热管702与低温冷凝管701组成，所述加热管702与所述低温冷凝管701并列安装于绝热垫板8上。所述加热管702与所述低温冷凝管701两端均穿出所述反力架6，且分别与所述反力架6外部的加热器和冷凝机连接，可对所述反力架6内部环境进行变温处理。
42.请参考图2，所述反力架6外部还设有增湿除湿一体机21，所述除湿增湿一体机21通过除湿增湿管穿过所述反力架6侧壁伸入所述反力架6内部，从而与所述反力架6内部连通，可对所述反力架6内部的增湿除湿处理。所述高低温交变变温器7和所述增湿除湿一体机21模拟玄武岩纤维筋实际工作时的现场温湿环境。
43.所述反力架6内还设有多个温度传感器19和多个湿度传感器20。这里所述反力架6内部沿所述玄武岩纤维锚固筋束1长度方向上的一侧壁设置有多个所述温度传感器19，与之平行的另一侧壁上设置有多个所述湿度传感器20，所述温度传感器19、所述湿度传感器20分别用以测试所述反力架6内部不同位置处的温度、湿度情况，用以评价反力架6内部各位置温度和湿度是否分布均匀。
44.对比分析所述反力架6侧壁安装的多个温度传感器19及各玄武岩纤维筋101内部设置的光栅阵列温度传感光缆101a采集的温度，可保障整个锚索试验系统与玄武岩纤维筋内温度相同，有利于控制试验系统保持恒温，去除温度梯度带来的应力误差。
45.所述反力架6侧壁安装的多个湿度传感器20，可测试不同位置处所述反力架6内部所处的环境湿度，有利于控制试验系统保持恒湿条件。若开展大吨位玄武岩纤维锚索蠕变试验，可改变湿度条件，可对不同湿度条件下玄武岩纤维锚索的长时间应力损失进行分析。
46.各所述玄武岩纤维锚固筋均安装于所述反力架6上。具体的，各所述玄武岩纤维锚固筋均穿过所述反力架6，其中每一玄武岩纤维锚固筋的第一钢套管2位于所述反力架6内、所述钢绞线4穿过所述反力架6一端及所述穿心千斤顶11，每一玄武岩纤维锚索的第二钢套管3位于所述反力架6外被锚固。
47.这里所述反力架6靠近所述第一钢套管2一端外侧依次设有第一垫板12、压力传感器13、第二垫板14、第一锚环15、限位板16和第二锚环17，所述穿心千斤顶设11置于所述限位板16和所述第二锚环17之间，所述压力传感器13被所述第一垫板12和所述第二垫板14夹
紧固定，所述钢绞线4分别穿过第一垫板12、压力传感器13、第二垫板14、第一锚环15、限位板16、所述穿心千斤顶11和第二锚环17，所述压力传感器13套设于所述钢绞线4上，用于监测穿心千斤顶11施加的荷载值。所述穿心千斤顶11为大吨位穿心千斤顶。
48.进一步地，请参考图6和7，所述第一锚环15和所述第二锚环17结构相同，均设有多个锚孔15a，每一所述钢绞线4穿过一所述锚孔15a且所述锚孔15a内环绕所述钢绞线设有两个锥形的夹片23，各所述夹片23夹紧所述钢绞线4。所述穿心千斤顶11与所述反力架6靠近所述第一钢套管2一端之间设有一拉线式位移计18，所述拉线式位移计18的拉线与所述穿心千斤顶11轴线平行，所述拉线式位移计18用于监测所述玄武岩纤维锚索张拉试验过程中锚索的相对伸长量。所述反力架6两端还设有另一拉线式位移计18，用于监测所述反力架6的压缩变形量，两个拉线式位移计18拉线平行。拉线式位移计18监测所得的锚索相对伸长量与反力架6的压缩变形量的差值即为玄武岩纤维锚索的绝对伸长量
49.请参考图8和9，所述反力架6靠近所述第二钢套管3一端外侧设有承压锚环10，所述承压锚环10上设有多个台阶式穿孔10a，每一所述第二钢套管3插入一所述台阶式穿孔10a且与所述台阶式穿孔10a相抵，所述玄武岩纤维筋束1穿过所述台阶式穿孔10a。此外所述承压锚环10与所述反力架6端部之间还设有承压板9，所述承压板9与所述反力架6端部贴合接触，承压板9上设有多个贯通穿孔，所述玄武岩纤维筋束1分别穿过所述贯通穿孔，所述承压锚环10抵紧所述承压板9。
50.请参考图11，所述数据采集模块主要包括依次连接的光纤光栅解调仪25、数据自动数据采集系统26、数据传输系统27和计算机28，其中所述光纤光栅解调仪25通过fc/pc跳线24分别连接每一所述玄武岩纤维筋101内的光栅阵列温度传感光缆101a、光栅阵列应力传感光缆101b、及光栅阵列振动传感光缆101c，所述fc/pc跳线24沿着所述钢绞线4引入所述第一钢套管2内，分别连接所述光栅阵列温度传感光缆101a、所述光栅阵列应力传感光缆101b、及所述光栅阵列振动传感光缆101c。通过所述数据传输系统27可自动将每一所述玄武岩纤维筋101内部温度、应力、振动状态实时传输至计算机27，实现玄武岩纤维锚索张拉过程自动化监测。
51.同时所述数据自动采集系统26还分别连接所述压力传感器13、所述穿心千斤顶11的油泵、拉线式位移计18、各所述温度传感器19和各所述湿度传感器20，用以采集所述玄武岩纤维锚索所受荷载值、所述穿心千斤顶11油压、所述玄武岩纤维锚索相对伸长量和反力架6的压缩变形量、所述反力架6内的温度和湿度数据。
52.另外，请参考图1和2，基于上述大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验系统，本发明的实施例提供了一种大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验方法，主要包括以下步骤：
53.调节所述反力架6内的温度和湿度：可通过调节加热管702或低温冷凝管701的功率，使得反力架6内部温度长时间保持在抗震试验所需的恒定温度；调节除湿增湿一体机21档位，使得反力架6内部湿度始终保持在抗震试验所需的恒定湿度。
54.通过所述振动台5对所述反力架6施加振动：将地震波波形导入所述振动台5中，控制所述振动台5对所述反力架6输入具有特定波形的振动。
55.通过所述穿心千斤顶11对各所述玄武岩纤维锚索施加拉力，同时通过所述数据采集模块采集各所述玄武岩纤维筋束1内每一玄武岩纤维筋101内部的温度、应力、振动数据，直至所述玄武岩纤维锚索发生破坏。
56.这里再采用对各所述玄武岩纤维锚索施加拉力前，应先首先应采用小吨位穿心千斤顶对各根玄武岩纤维锚固筋进行逐一张拉，直至各所述玄武岩纤维锚固筋张拉至预张拉设计值后，各根玄武岩纤维锚固筋受力基本一致时，再采用所述穿心千斤顶11进行整体张拉，为防止玄武岩纤维锚索结构受力出现偏心荷载。
57.利用上述大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验系统开展锚索极限强度测试时，所述穿心千斤顶11的加载方式为：利用所述穿心千斤顶11以设计荷载的5％为梯度，逐级为玄武岩纤维锚索施加拉力。施加荷载时，通过所述穿心千斤顶11的油泵和所述压力传感器不间断采集施加荷载的大小，直至玄武岩纤维锚索整体发生破坏。
58.同时还可以利用大吨位玄武岩纤维锚索整体张拉试验系统进行锚索蠕变试验时，可通过调节所述加热管702或所述低温冷凝管701的功率，使得所述反力架6内部温度长时间保持在蠕变试验所需的恒定温度；同时调节除湿增湿一体机21档位，使得所述反力架6内部湿度始终保持在蠕变试验所需的恒定湿度。同时，控制所述穿心千斤顶11施加一定荷载后锁定或保持在恒定荷载值，通过长时间不间断的监测玄武岩纤维筋101内部的应力、温度数据，以了解特定温度、湿度情况下，大吨位玄武岩纤维锚索的应力损失和蠕变特征。
59.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
60.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
61.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。