一种监测全长锚固锚杆杆体应力分布的方法

摘要

本发明公开了一种监测全长锚固锚杆杆体应力分布的方法，属于锚杆测量技术领域。本发明包括以下步骤：步骤1：根据巷道周边位移与岩体深部位移关系获得巷道当量半径、巷道中心到岩体中某一点的距离和围岩表面变形量，根据围岩表面变形量确定围岩稳定性系数；选取锚杆杆体的相关参数，包括锚杆长度、弹性模量、横截面面积；选取锚固剂的相关参数，包括锚固剂弹性模量、锚固剂横截面面积；通过应力传感器获得托锚力；步骤2：在计算机中构建锚杆杆体所受轴力及剪应力计算解析式，将步骤1获取的参数数值输入到解析式中，得到锚杆杆体的剪应力以及轴力分布规律。通过本发明获得的锚杆杆体的应力分布曲线，体现锚杆杆体受力的连续性。

说明书

技术领域

本发明属于锚杆测量技术领域，具体地说，涉及一种监测全长锚固锚杆杆体应力分布的方法。

背景技术

全长锚固锚杆通过锚杆与岩石间胶合剂的粘结力或者摩擦力来阻止围岩变形。目前，全长锚固锚杆在采矿工程技术领域中已广泛使用，大量的工程实践也推动了锚固技术发展。随着煤矿采深的增加，巷道围岩节理裂隙发育、松软破碎、破坏范围大，全长锚固锚杆承载能力需不断增强，因此，亟需得到全长锚固锚杆杆体实际应力分布情况改善全长锚固锚杆的支护性能。

现有技术中，为了监测分析全长锚固锚杆杆体的应力分布，一般在锚杆杆体表面开设凹槽，在凹槽中装设应变片，但是，在锚杆杆体的凹槽处会出现应力集中，锚杆杆体的原始受力状态被破坏，通过应变片监测到的锚杆杆体应力分布数据不真实。

为了提高锚杆杆体应力分布数据的准确性，在锚杆杆体表面设置固定装置，通过固定装置安装应力检测装置。专利公开号：CN107560950A，公开日：2018年1月9日，发明创造名称为：一种预应力锚杆界面剪应力测量装置及其试验方法。其中，预应力锚杆界面剪应力测量装置包括杆体、杆体上方与其平行设置用于导线汇入的PVC管、与PVC管连接且嵌套于杆体外侧间隔设置的至少一个PVC管环，杆体包括伸入围岩的内锚固段和伸出围岩的自由段，杆体两侧对应于每个设置有PVC管环的位置分别粘贴有应变片Ⅰ，且该位置铰接有细钢筋，应变片Ⅰ根据试验要求分布于杆体的内锚固段上，细钢筋向杆体两侧分别引出粘贴有应变片Ⅱ的应变砖，且应变片Ⅱ朝向待测量界面，外置应变仪通过导线分别连接于应变片Ⅰ和应变片Ⅱ；该预应力锚杆界面剪应力测量装置通过采集应变片数据得到锚杆杆体剪应力分布情况。专利公开号：CN108692771A，公开日：2018年10月23日，发明创造名称为：一种螺纹钢锚杆全应力光纤监测装置。该螺纹钢锚杆全应力光纤监测装置包括螺纹钢锚杆和沿其长度方向全长设置的分布式光纤传感器，沿螺纹钢锚杆长度方向间隔固定设置扣件，分布式光纤传感器与扣件连接，并通过固定扣件将分布式光纤传感器与锚杆杆体连接，通过分布式光纤传感器最终得到锚杆杆体应力分布规律。

通过分析可知，现有技术均沿锚杆杆体长度方向上取测点，仅仅测量分析测点的应力，无法体现锚杆杆体受力的连续性。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术仅监测锚杆杆体上测点处的受力状况，而无法获得锚杆杆体长度方向上每个位置处的受力状况的问题，本发明提供一种监测全长锚固锚杆杆体应力分布的方法，本发明通过解析式获得锚杆杆体的剪应力以及轴力分布规律，即锚杆杆体的应力分布曲线，以此获得锚杆杆体长度方向上每个位置处的受力状况，体现锚杆杆体受力的连续性。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种监测全长锚固锚杆杆体应力分布的方法，包括以下步骤：

步骤1：获得巷道当量半径a₀、巷道中心到岩体中某一点的距离r和围岩表面变形量U₀，根据围岩表面变形量U₀确定围岩稳定性系数b；

选取锚杆杆体的相关参数，包括锚杆长度L、弹性模量E_b、横截面面积A_s；

选取锚固剂的相关参数，包括锚固剂弹性模量E_c、锚固剂横截面面积A_c；

通过应力传感器获得托锚力Q；为获得托锚力，应力传感器的安装方法一般为：锚杆杆体伸出巷道内侧的一端，依次套装有锚杆托盘、应力传感器和螺母，使锚杆托盘抵住巷道内侧面，通过拧紧螺母，将应力传感器固定在锚杆托盘与螺母之间；

步骤2：在计算机中构建锚杆杆体所受轴力及剪应力计算解析式，将步骤1获取的参数数值输入到解析式中，得到锚杆杆体的剪应力以及轴力分布规律：

其中，剪应力计算解析式：

轴力计算解析式：N＝A_bE_b(W-Ir-Kr²)；

式中，A_b为锚杆折算横截面面积，

A为围岩条件系数的乘积，即：A＝b²U₀；

u为巷道中心至锚杆端部距离，即：u＝a₀+L；

W为常数项，即：e为自然常数；

I为一次项系数，即：

K为二次项系数，即：

r_x按如下关系式进行确定：r_x为中性点半径。

较优选的，所述步骤1中，通过激光巷道断面检测仪监测得到巷道周边位移与岩体深部位移关系，根据巷道周边位移与岩体深部位移关系获得巷道当量半径a₀、巷道中心到岩体中某一点的距离r和围岩表面变形量U₀。

较优选的，所述步骤1中，所述应力传感器为钢弦式压力盒。

较优选的，所述步骤2中，将托锚力的数值实时传输到计算机中，具体方法为：通过数据储存盒记录应力传感器监测到的托锚力数值，通过数据采集器采集数据储存盒内的托锚力数值，数据采集器通过数据转接器将所采集托锚力数值传输至计算机。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过解析式获得锚杆杆体的剪应力以及轴力分布规律，即锚杆杆体的应力分布曲线，以此获得锚杆杆体长度方向上每个位置处的受力状况；现有技术是取不同点进行检测分析，无法体现锚杆杆体受力的连续性；本发明通过锚杆杆体的应力分布曲线体现锚杆杆体受力的连续性。另外，本发明中应力传感器的安装步骤简单，能节省大量工期。现有技术通过应变片直接监测锚杆杆体上的应力分布，由于锚杆杆体的长度一般控制在1.8～3.0m范围内，要实时监测锚杆杆体的应力分布，必然在锚杆杆体上装设较多的应变片，而应变片连接线路装设复杂；如此一来，对于锚杆群来说，应变片的装设以及应变片连接线路的装设会成为非常大的工作量。这里，由于应力传感器固定在锚杆托盘与螺母之间，安装较为方便且不影响锚杆杆体与围岩间的相互作用效果，在应力传感器安装完成后，便可实时监测锚杆杆体的受力，且不受围岩离层较大或变形较大的影响而导致所收集数据出现错误。

(2)本发明通过激光巷道断面检测仪获得巷道周边位移与岩体深部位移关系，根据巷道周边位移与岩体深部位移关系获得巷道当量半径a₀、巷道中心到岩体中某一点的距离r和围岩表面变形量U₀。激光巷道断面检测仪具有测量精度高、速度快、无需后处理、可直接输出报告的优点。

(3)本发明采用钢弦式压力盒，能够实时监测到托锚力，进而得到锚杆杆体实时的剪应力以及轴力分布；现有技术采用的应变片易发生断裂，无法实时监测到锚杆杆体的应力分布。另外，钢弦式压力盒采用振弦理论设计制造，具有高灵敏度、高精度、高稳定性的优点，适用于现场原位试验长期观测，观测所得数据不受导线长度影响。

附图说明

图1为巷道周边位移与岩体深部位移关系示意图；

图2为应力传感器的安装结构示意图；

图3为本发明得到的锚杆杆体的轴力分布曲线；

图4为本发明得到的锚杆杆体的剪应力分布曲线。

图中：1、巷道；2、锚固剂；3、锚杆杆体；4、锚杆托盘；5、应力传感器；6、螺母。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

一种监测全长锚固锚杆杆体应力分布的方法，它包括以下步骤：

步骤1：获取巷道周边位移与岩体深部位移关系以及锚杆实时工况：

其中，获得巷道当量半径a₀、巷道中心到岩体中某一点的距离r和围岩表面变形量U₀，根据围岩表面变形量U₀确定围岩稳定性系数b。围岩稳定性系数b由围岩表面变形量U₀大小确定，其关系见表1。表1是岩体稳定性系数取值表。

表1围岩稳定系数取值表

相关参数极软岩软岩中硬及以上表面位移量U₀/m0.8以上0.4～0.60.1～0.3稳定性系数b0.450.65大于0.9

在本实施例中，通过激光巷道断面检测仪获取巷道周边位移与岩体深部位移关系，根据巷道周边位移与岩体深部位移关系，获得巷道当量半径a₀、巷道中心到岩体中某一点的距离r和围岩表面变形量U₀，巷道周边位移与岩体深部位移关系的示意图如图1所示，图1中，a₀为巷道当量半径；r为巷道中心到岩体中某一点的距离；U₀为巷道的表面位移；U_r为岩体深部位移。除此之外，也可以通过传统的“十字交叉法”测量获得巷道当量半径a₀、巷道中心到岩体中某一点的距离r和围岩表面变形量U₀，但是，传统的“十字交叉法”测量的数据并不准确，即“十字交叉法”测点易被破坏，观测时拉线较多，工程线往往会被拉断，测点的工程线往往需要多次安设；“十字交叉法”由于靠人为拉线及读数得到的数据误差较大。因此，相对于传统的“十字交叉法”，本实施例优先采用激光巷道断面检测仪监测到的数据。

如图2所示，锚杆实时工况包括托锚力、锚杆杆体3的相关参数以及锚固剂2的相关参数；其中，锚杆杆体3的的相关参数包括锚杆长度L、弹性模量E_b、横截面面积A_s；根据锚固剂2的相关参数包括锚固剂弹性模量E_c、锚固剂横截面面积A_c；通过应力传感器获取托锚力。

获取托锚力：在锚杆托盘4与螺母6之间安装应力传感器5。应力传感器5可以采用液压式压力盒，也可以采用钢弦式压力盒；在本实施例中，应力传感器优5先采用钢弦式压力盒，钢弦式压力盒采用振弦理论设计制造，具有高灵敏度、高精度、高稳定性的优点，适用于现场原位试验长期观测，观测所得数据不受导线长度影响。应力传感器5的安装较为简单且不会破坏锚杆杆体3的原始受力状态，具体的来说，如图2所示，锚杆杆体3伸出巷道1内侧的一端，依次套装有锚杆托盘4、应力传感器5和螺母6，锚杆托盘4抵住巷道1内侧面，通过拧紧螺母6，将应力传感器5固定在锚杆托盘4与螺母6之间。

现有技术通过应变片直接监测锚杆杆体上的应力分布，由于锚杆杆体的长度一般控制在1.8～3.0m范围内，要实时监测锚杆杆体的应力分布，必然在锚杆杆体上装设较多的应变片。一方面，应变片连接线路装设复杂；另一方面，在锚杆杆体与围岩相互作用过程中，应变片易发生断裂，无法实时监测到锚杆杆体的应力分布。相对于现有技术来说，本实施例监测的是托锚力，无需装设复杂的应变片连接线路。由于应力传感器装设在锚杆托盘和螺母之间，应力传感器不会因为锚杆杆体与围岩的相互作用而发生断裂现象，即本实施例能够实时监测到托锚力；并且，应力传感器不会影响到锚杆杆体与围岩间的应力传递，从而保证锚杆杆体处于原始受力状态。另外，由于应力传感器装设在锚杆托盘和螺母之间，未改变或破坏锚杆杆体，从而保证了锚杆杆体的完整性。

这里所述的锚杆杆体的应力分布是指锚杆杆体所受剪应力以及轴力分布。

步骤2：在计算机中构建锚杆杆体所受轴力及剪应力计算解析式，将步骤1获取的参数数值输入到解析式中，得到锚杆杆体的剪应力以及轴力分布规律：

其中，剪应力计算解析式：

轴力计算解析式：N＝A_bE_b(W-Ir-Kr²)；

式中，A_b为锚杆折算横截面面积，

A为围岩条件系数的乘积，即：A＝b²U₀；

u为巷道中心至锚杆端部距离，即：u＝a₀+L；

W为常数项，即：

I为一次项系数，即：

K为二次项系数，即：

r_x按如下关系式进行确定：

其中，e为自然常数；E_b为锚杆弹性模量；d为所述锚杆横截面直径；b为围岩稳定性系数；U₀为所述围岩表面变形量；a₀为所述巷道当量半径；r为巷道中心到岩体中某一点的距离；L为所述锚杆长度；r_x为所述中性点半径；Q为托锚力；E_c为锚固剂弹性模量；A_s为所述锚杆横截面面积；A_c为所述锚固剂横截面面积。

在步骤2中，由于锚杆杆体在正常支护过程中的托锚力是不断变化的，因此，需要将托锚力的数值实时传输到计算机中，在本实施例中，应力传感器与数据储存盒通过电缆连接，通过数据储存盒记录监测到的托锚力数值，通过数据采集器采集数据储存盒内的托锚力数值，数据采集器通过数据转接器将所采集数据传输至计算机；众所周知，数据储存盒与数据采集器之间通过红外线进行传输，这里不再赘述。

锚杆弹性模量，锚杆横截面直径，围岩稳定性系数，围岩表面变形量，巷道当量半径，巷道中心到岩体中某一点的距离，锚杆长度，锚固剂弹性模量，锚杆横截面面积以及锚固剂横截面面积均可通过键盘收到输入至计算机。

锚杆杆体在正常支护过程中的托锚力是不断变化的，根据现场监测所得托锚力数据，选取的托锚力数据分别为80kN、90kN、100kN、110kN，得到轴力沿锚杆长度方向的分布曲线如图3所示；得到的剪应力沿锚杆长度方向的分布曲线如图4所示。其中各参数选取值：选取巷道当量半径为2.7m，围岩条件为软岩，锚杆长度为3.0m，锚杆弹性模量为200GPa，锚杆横截面面积450mm²，锚固剂横截面面积550mm²，锚固剂弹性模量16Gpa。

从图3、图4可以看出，锚杆杆体正常支护时，应力分布满足中性点理论，这里所述的中性点理论的依据为：王明恕,何修仁,郑雨天.全长锚固锚杆的力学模型及其应用[J].金属矿山,1983,(4)。

锚杆杆体的轴力及剪应力均呈现不均匀分布，与现场实测数据对比，发现吻合度较高。现场实测方法：沿锚杆杆体长度方向选取多个测点，多个测点，沿锚杆杆体长度方向固定设置多个扣件，将分布式光纤传感器与扣件连接，并通过扣件将分布式光纤传感器与锚杆杆体连接，通过分布式光纤传感器得到锚杆杆体上各测点的轴力及剪应力。

现场实测数据包括表2和表3。

表2现场实测的轴力N/kN

表3现场实测的剪应力τ/MPa

由于本实施例所得锚杆杆体的轴力及剪应力曲线与现场实测数据相比，两者的吻合度较高，基于本实施例所述监测全长锚固锚杆杆体应力分布的方法得到的锚杆杆体的轴力及剪应力规律能够准确描述锚杆在正常支护过程中杆体的应力分布规律。

现有技术是取不同点进行检测分析，通过本实施例得到的锚杆杆体应力分布曲线能准确描述锚杆杆体沿长度方向上每个位置处的应力大小，相比于以往分析方法或测量装置体现了锚杆杆体受力的连续性。

本实施例通过实时监测托锚力，获得锚杆的实时受力状态，即锚杆杆体在不同托锚力下的轴力及剪应力的分布曲线，据此可准确的判断和预测锚杆是否失效，进而及时做出合理的加固防护措施，减少工程损失，具有巨大的工程应用价值和经济效益。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。