一种基于光纤监测的锚杆受力监测方法

1.本发明涉及一种锚杆全长受力监测方法，属于边坡、巷道和基坑锚固工程领域。


背景技术：

2.锚杆支护是岩石边坡、巷道围岩和基坑加固的主要技术手段之一。通过在岩体中打设锚杆，将开挖空间表层不稳定岩层锚固于深层稳定岩层，改善表层岩体受力状态，进而提高其整体强度，实现对岩体的加固。在岩体变形过程中，锚杆会承受拉剪变形，进而产生轴力和弯矩。在工程现场，由于岩体的变形是复杂多样的，锚杆不同区段的实际承载状态也是复杂多样的。为了分析锚杆的工作状态和对岩体的加固效果，必须要知道其受力状态。所以，在实际应用中，必须要对锚杆的受力状态进行监测，从而实现对锚固效果的有效评估和对锚杆支护方案的及时优化。
3.目前，对于锚杆受力状态的监测，一般采取在锚杆表面安装应变片的方式进行。该方式主要存在以下问题：(1)应变片的尺寸一般较大，无法在锚杆表面进行密集布设；(2)为了保护应变片以及使应变片与锚杆表面密切接触，有时需要先对锚杆进行打磨或刻槽处理，然后将应变片布设在锚杆表面打磨位置或刻设的凹槽内，由于布设应变片的凹槽较大，会极大地减少锚杆的有效横截面积，进而降低锚杆强度；(3)由于每个应变片都需要用导线与外部的应变监测系统相连接，而导线一般较粗，多根导线将会严重占用锚杆与钻孔之间的锚固空间，进而影响锚杆锚固质量；(4)在安装过程中，应变片导线容易与钻孔孔壁发生摩擦，进而可能造成应变片破坏失效，安装难度较高；(5)采用应变片一般只能监测锚杆的轴力，而无法监测弯矩(或只能监测特定方向的弯矩)，更无法监测弯矩方向，因而无法全面监测锚杆不同区段真实的受力状态。
4.针对锚杆受力状态监测的特殊要求和光纤监测应变的优势，本发明设计了一种基于光纤监测技术的锚杆全长应变和受力状态监测方法，通过特殊的监测方案设计和理论推导，实现了对锚杆任意截面上的轴力、弯矩和弯矩方向等受力状态参数的实时监测。


技术实现要素：

5.1、要解决的问题
6.锚杆不同截面位置的受力状态可能存在差异，为了有效分析和评估锚杆的工作状态和加固效果，需要监测分析锚杆不同位置的受力状态。由于应变片尺寸和锚杆孔直径的限制，在实际应用中不可能在锚杆表面沿轴向密集布设大量应变片，所以也就无法实现对锚杆不同截面受力状态的有效监测。此外，锚杆截面上的受力状态参量包括轴力和弯矩大小以及弯矩方向，为了实现对以上三个受力状态参量的监测，需要在同一个截面的不同位置布设多个监测点。同样地，由于应变片尺寸和应变片导线的影响，在锚杆同一个截面的不同位置布设多个应变片进行监测是无法实现的。
7.2、技术方案
8.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
9.一种基于光纤监测的锚杆受力监测方法，包括以下步骤：
10.步骤1：在锚杆杆体表面沿轴向互成120
°
开设三条贯通锚杆全长的凹槽。凹槽深度和宽度分别约为1～2mm，能够容纳单根光纤即可，这样对锚杆造成的横截面面积损失和强度损失都较小。在锚杆杆体表面凹槽内各布设一根光纤，采用液体胶水将光纤和锚杆紧密粘合在一起，使光纤和锚杆杆体发生同步变形，进而可以通过监测光纤的应变来反映锚杆杆体产生的应变。三个凹槽内的光纤分别从锚杆外锚端引出，和光纤解调仪相连接，通过光纤解调仪可以实时解调和监测三根光纤不同位置的应变(εa、εb、εc)。采用分布式光纤解调仪可以对光纤任意位置的变形进行解调和监测，所以可以实现沿轴向对锚杆任意位置的变形和受力进行监测。同时，由于光纤本身很细，且无需导线传输监测数据，可以在不对锚杆造成明显影响的情况下，在锚杆表面布设多根光纤，实现对锚杆轴力、弯矩和弯矩方向的综合监测。
11.步骤2：锚杆横截面上三个凹槽处的应变决定了对应截面处锚杆的受力状态。所以，通过凹槽中布设的光纤监测得到锚杆横截面上的三个应变(εa、εb、εc)后，就可以利用凹槽处应变(εa、εb、εc)与锚杆轴力、弯矩和弯矩角度之间的关系，计算得到锚杆在对应截面上的轴力、弯矩和弯矩角度。其中，锚杆轴力、弯矩和弯矩角度与应变(εa、εb、εc)之间的关系式可以通过在三个凹槽处分别建立应力平衡方程得到。最终得到的锚杆轴力、弯矩和弯矩角度与锚杆监测应变(εa、εb、εc)之间的关系式如下：
[0012][0013][0014]
(其中ε
b-εc≠εc)
[0015]
式中：p为截面上的轴力，n；e为锚杆杆体的弹性模量，pa；d为锚杆直径，mm；εa、εb、εc分别为任意截面三个凹槽a、b、c处的轴向应变；θ为锚杆横截面上中性轴与水平方向的夹角。
[0016]
3、有益效果
[0017]
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
[0018]
(1)本发明的锚杆沿轴向全长布设光纤监测锚杆表面的应变，相比于传统的应变片监测锚杆表面应变，其优点包括：光纤直径很小，在锚杆表面刻槽布设光纤对锚杆有效横截面积和锚固质量的影响很小；光纤可以沿锚杆轴向监测锚杆任意位置的变形，而传统的应变片只能监测几个特定位置的变形，监测能力得到极大提升。
[0019]
(2)本发明在锚杆表面沿轴向互成120
°
刻设三个凹槽布设光纤，可以监测得到锚杆任意截面上的三个应变，进而利用监测的应变可以计算得到锚杆轴力、弯矩和弯矩角度三个受力状态参量。现有监测方法一般在锚杆表面布设一个凹槽和应变片，或者对称布设两个凹槽和应变片，无法利用监测的应变推导得到锚杆任意截面受到的轴力、弯矩和弯矩角度这三个受力状态参量。
附图说明
[0020]
图1是本发明的锚杆光纤布设示意图；
[0021]
图2是本发明中a-a截面光纤布置图；
[0022]
图3是本发明中a-a截面弯矩示意图；
[0023]
图4是本发明中a-a截面轴力示意图；
[0024]
图例说明：1-锚杆杆体；2-光纤；3-凹槽；4-锚杆横截面(a-a)
具体实施方式
[0025]
一种基于光纤监测的锚杆受力监测方法，采取以下步骤：
[0026]
1.制作如图1所示的监测锚杆：在锚杆杆体表面沿轴向互成120
°
开设三条贯通锚杆全长的凹槽。凹槽深度和宽度分别约为1～2mm，能够容纳单根光纤即可，这样对锚杆造成的横截面面积损失和强度损失都较小。在锚杆杆体表面凹槽内各布设一根光纤，采用液体胶水将光纤和锚杆紧密粘合在一起，使光纤和锚杆杆体发生同步变形，进而可以通过监测光纤的应变来反映锚杆杆体产生的应变(εa、εb、εc)。
[0027]
2.锚杆锚固安装：将制作的光纤监测锚杆锚固在巷道围岩中，安装过程中需注意对光纤引线的保护。三个凹槽内的光纤分别从锚杆外锚端引出，和光纤解调仪相连接，通过光纤解调仪可以实时解调和监测三根光纤不同位置的应变(εa、εb、εc)。
[0028]
3.锚杆受力计算：利用监测的锚杆应变计算得到的锚杆受力状态参数包括轴力、弯矩和弯矩作用方向，其中弯矩作用方向用监测截面中性轴与水平方向的夹角θ来表示(如图3所示)。最终得到的锚杆轴力、弯矩和弯矩角度与应变(εa、εc、εc)之间的关系式如下：
[0029][0030][0031]
(其中ε
c-εc≠εa)
[0032]
式中：p为截面上的轴力，n；e为锚杆杆体的弹性模量，pa；d为锚杆直径，mm；εa、εb、εc分别为任意截面三个凹槽a、b、c处的轴向应变；θ为锚杆横截面上中性轴与水平方向的夹角。