CN102140796A - 一种纤维增强塑料智能锚杆 - Google Patents

Abstract

一种纤维增强塑料智能锚杆，属于岩土工程安全监测技术领域。其特征是：杆体从里层到外层依次为光纤-光纤光栅传感器及纤维增强塑料包裹层，其中所述的光纤-光纤光栅传感器是一根写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤，或者是平行布设两根传感光纤，一根为普通单模光纤，另一根为写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤。采用光开关连接转换，光纤-光纤光栅传感器将感测到的温度或应变光信号分别传递给拉曼分布式解调仪、布里渊分布式解调仪和光纤光栅解调仪。本发明的效果和益处是植入的光纤-光纤光栅传感器综合了拉曼分布式测温技术、布里渊分布式及光纤光栅测试技术的测试优点，提高了锚杆环境温度与应变状态长期测试的可靠性。

Description

一种纤维增强塑料智能锚杆

技术领域

本发明属于岩土工程安全监测技术领域，涉及到一种高强度、轻质量、耐腐蚀且具有自监测功能的纤维增强塑料智能锚杆。

背景技术

锚杆作为一种充分挖掘、提高岩土体自身强度及自稳能力的支护结构，具有施工方便、操作简单等优点，已在煤矿及矿山巷道支护、边坡基坑支护、桥梁隧道支护、建筑基础加固等工程中获得广泛应用，例如在举世瞩目的三峡水利枢纽工程，采用了十余万根高强度锚杆作局部或系统加固以提高处于风化岩层中船闸边坡的稳定性。然而目前工程中惯用的钢锚杆尚存在自重大、运输和安装困难、不易切割及切割时易产生火花等不足，其制约了钢锚杆的应用；同时钢锚杆在复杂潮湿的岩土工程环境中的易腐蚀，其不仅影响结构的耐久性、带来巨大工程安全隐患，严重时甚至引发重大工程事故，例如英国泰晤士河挡土墙工作21年后，因锚杆杆体锈蚀断裂引发钢板桩倾倒事故。为了克服钢锚杆上述不足，基于纤维增强塑料的抗拉强度高、重量轻、耐腐蚀、易加工等优良特性，研制开发新型高性能纤维增强塑料锚杆已成为岩土锚固工程领域的重要课题。

另一方面，如何实现锚杆受力及损失状态的实时监测、确保岩土锚固工程长期安全稳定，也是岩土锚固技术发展的关键。目前国内外锚杆受力及损伤状态测试方法主要包括两大类：一类是基于电磁波、声波等在不同介质层的反射差异检测砂浆锚固体的饱和程度，间接评价锚杆的受力和损伤状态；另一类是通过“拉拔试验”采用测力锚杆、锚杆拉拔计、差动电阻应变计和电阻应变片等直接测试锚杆在拉拔作用下的受力和损伤状态。但这些测试方法存在易受电磁场干扰、测试误差较大、耐久性差及长期稳定性差等缺点，难以满足岩土锚固工程隐蔽、潮湿、锈蚀环境下的长期稳定监测需求。而近年来发展起来的光纤传感技术具有性能稳定、耐久性好、灵敏度高、抗电磁干扰强、便于分布式测量、集数据传输和传感于一体及易于与纤维增强树脂材料复合等独特优势，为解决锚杆受力及损伤状态的长期稳定监测难题提供了新的技术思路。目前已有相关学者尝试采用拉曼分布式测温技术、光纤光栅或布里渊分布式测试技术对锚杆施工及使用过程中的锚固环境温/湿度、受力状态进行监测，进而评价锚杆的锚固环境、受力及损失状态。但其测试方法仍存在以下局限性：①采用的裸光栅或光纤表面粘贴的传感器布设工艺存在传感器及传输线路易损坏的致命缺点，难以适应锚杆的粗放式施工要求；②传感器粘贴布设所采用的胶黏剂，其耐久性没有基本保障，无法确保锚杆受力状态的长期稳定监测；③锚杆结构尺度大、损伤分布范围广，光纤光栅传感器只能得到锚杆的局部高精度应变信息而难以掌握锚杆应变的全局分布状态，容易漏检，有时无法反映出锚杆损伤缺陷及应力集中状况；④布里渊分布式测试虽然能够给出锚杆的全局应变分布情况，但尚存在测试精度和采样频率低的缺点，对于应力局部变化剧烈的区域，其测试结果往往不能有效地刻画锚杆的真实受力状态；⑤光纤光栅及布里渊分布式光纤传感探头同时对温度和应变灵敏，在应变测试时往往需要额外布设温度补偿传感器来提高测试精度，而锚杆结构跨度大、服役环境复杂隐蔽，温度补偿传感器选点、布设困难，实际工程中往往难以对应变测试结果进行有效的温度补偿修正；⑥拉曼分布式测温技术虽然能够直接测试锚杆全局锚固环境的温/湿度变化，间接评价锚杆的锚固环境及损伤状态，但其不能给出锚杆的应力状态信息。因此，锚杆受力测试和损伤评估亟需长期稳定可靠测试手段和技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度、轻质量、耐腐蚀且具有自监测功能的纤维增强塑料智能锚杆，解决了锚杆防腐蚀以及受力状态长期稳定可靠测试的技术问题。

本发明的技术方案是：

一种纤维增强塑料智能锚杆，锚杆杆体从里层到外层依次设置为光纤-光纤光栅传感器及纤维增强塑料包裹层；其中所述光纤-光纤光栅传感器为一根写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤。制作时，将光纤-光纤光栅传感器与浸润树脂的纤维增强塑料一起送入拉挤模具，拉挤成型锚杆杆体；成型后，光纤-光纤光栅传感器和外层的纤维增强塑料包裹层有机地固结成一体；光纤-光纤光栅传感器通过光开关，分别与拉曼分布式解调仪(ROTDR解调仪)、布里渊分布式解调仪(BOTDA/R解调仪)和光纤光栅解调仪(FBG解调仪)连接，光纤-光纤光栅传感器通过光开关将单模光纤感测得到的代表锚杆分布温度的光信号传递给拉曼分布式解调仪，将单模光纤感测得到的代表锚杆分布应变的光信号传递给布里渊分布式解调仪，将光纤光栅感测得到的代表锚杆关键位置或易损位置应变的光信号传递给光纤光栅解调仪，从而采用拉曼分布式测温技术对锚杆全长范围内的温度分布状态进行测试，采用布里渊分布式测试技术对锚杆全长应变进行测试并定位局部损伤，及采用局部高精度准分布式光纤光栅对锚杆关键或易损部位的应变状态进行重点监测、定量分析；杆体端部设置与锚杆受力特性相适应的传力锚头，且杆体尾部设置光纤保护套筒。

锚杆应变及温度测试时，首先采用光开关将光纤-光纤光栅传感器与ROTDR解调仪、BOTDA/R解调仪和FBG解调仪连接，构建锚杆应变及温度智能监测系统；然后，通过光开关调节，将光纤-光纤光栅传感器先后与ROTDR解调仪、BOTDA/R解调仪和FBG解调仪连接，对锚杆全局范围的温度、应变状态及关键或易损部位的应变状态进行解调测试；最后，根据拉曼分布式测试的温度状态对布里渊分布式及光纤光栅应变测试数据进行温度补偿修正，并通过局部高精度光纤光栅测试数据对布里渊分布式测试结果进行校验修正，提高测试结果的可靠性。

本发明还有这样一些特征技术：

所述光纤-光纤光栅传感器还可以为平行布设两根传感光纤，一根为普通单模光纤，另一根为写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤；

所述光纤-光纤光栅传感器中的光纤光栅写入位置与锚杆的关键位置或易损位置相对应，其数量由具体工作的测试要求确定；

在所述的纤维增强塑料智能锚杆杆体尾部，光纤-光纤光栅传感器与光纤传感测试跳线连接，形成回路；

所述的纤维增强塑料是玻璃增强纤维塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料中的一种。

所述的锚杆锚头为机械式夹持锚头、粘结型锚头或组合式锚头中的一种。

所述的锚杆杆体表面为光滑棒型或具有螺纹结构。

本发明的效果和益处是纤维增强塑料智能锚杆杆体中心的光纤-光纤光栅传感器是与外部包裹的增强塑料纤维一起送入模具，进过热处理成型工艺，使之成为一个整体。光纤-光纤光栅传感器与外部的增强塑料纤维包裹层固结性能良好，使其一起协调变形，具有优异的智能感知特性；同时植入的光纤-光纤光栅传感器综合了拉曼分布式测温技术、布里渊分布式及光纤光栅测试技术的优点，能够有效地监测、评估锚杆使用过程中的锚固环境、受力及损失状态，为反馈指导锚杆施工及安全评价提供直接的信息。此外，纤维增强塑料智能锚杆继承了纤维增强塑料轻质、高强、高耐久性及易切割等优点，可以根据工程实际需要加工、切割成任意长度，适于产业化生产，可广泛用于边坡、基坑、隧洞、地下工程，坝体及抗倾、抗浮结构等岩土锚固工程。

附图说明

图1是本发明的纤维增强塑料智能锚杆结构示意图：(a)中的光纤-光纤光栅传感器为一根写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤；(b)中的光纤-光纤光栅传感器为平行布设两根传感光纤，一根为普通单模光纤，另一根为写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤。

图2是本发明的纤维增强塑料智能锚杆截面示意图：(a)中的光纤-光纤光栅传感器为一根写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤；(b)中的光纤-光纤光栅传感器为平行布设两根传感光纤，一根为普通单模光纤，另一根为写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤。

图3是本发明的纤维增强塑料智能锚杆安装与测试示意图。

图中：1光纤-光纤光栅传感器；2光纤光栅传感器；3纤维增强塑料包裹层；4光纤保护套筒；5锚杆锚头；6测试跳线；7托盘；8螺母。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

(一)锚杆的结构

本发明的纤维增强塑料智能锚杆结构构成如图1和图2所示，该锚杆包括：1光纤-光纤光栅传感器；2光纤光栅传感器；3纤维增强塑料包裹层；4光纤保护套筒；5锚杆锚头；6测试跳线；7托盘以及8螺母。光纤-光纤光栅传感器及纤维增强塑料包裹层组成锚杆杆体，杆体端部设置与锚杆受力特性相适应的传力锚头，且杆体尾部设置光纤保护套筒。其中，光纤-光纤光栅传感器是一根写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤(如图1(a)、图2(a))，或者是平行布设两根传感光纤，一根为普通单模光纤，另一根为写入了一个或多个光纤光栅的单模光纤(如图1(b)、图2(b))，在杆体尾部，光纤-光纤光栅传感器与光纤传感测试跳线连接，形成回路；光纤-光纤光栅传感器中光纤光栅写入位置与锚杆的关键位置或易损位置相对应，其数量由具体工作的测试要求确定；纤维增强塑料是玻璃增强纤维塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料中的一种；锚杆锚头是机械式夹持锚头、粘结型锚头或组合式锚头中的一种；锚杆杆体表面为光滑棒型或具有螺纹结构。

(二)锚杆的制作

本发明的纤维增强塑料智能锚杆制作方法是：

1)根据锚杆所需提供的锚固力大小、粘结力大小及锚杆杆体直径等设计锚杆杆体的长度L：

$L\≥L_f+\frac{{\mathrm{KN}}_t}{\mathrm{\πd\τ\ψ}}---\left(1\right)$

式中，d为锚杆直径；L_f为锚杆自由长度；N_t为锚杆设计锚固力；τ为锚杆杆体与锚固体之间的粘结力大小；K、ψ分别为锚杆杆体或锚固体抗拔安全系数及锚固长度对粘结强度的影响系数；

2)根据锚杆杆体的设计长度及预留尾纤长度(一般取5m)确定植入光纤-光纤光栅传感器的长度；

3)根据测试需要，在植入光纤-光纤光栅传感器对应于锚头、自由端和锚固段边界、锚固地层边界及结构易损部位等的位置上写入光纤光栅传感器；

4)将光纤-光纤光栅传感器与浸润树脂的纤维增强塑料一起送入拉挤模具，拉挤成型锚杆杆体。成型后，光纤-光纤光栅传感器和外层的纤维增强塑料包裹层有机地固结成一体；

5)在锚杆杆体尾部熔接光纤测试跳线形成传输回路，并胶黏剂粘结或预制螺纹连接杆体尾部光纤保护套筒；

6)制作与纤维增强树脂锚杆受力特性相适应的锚杆锚头，其形式可以是机械式夹持锚头、粘结型锚头或组合式锚头中的一种。

(三)锚杆的施工安装

本发明的纤维增强塑料智能锚杆施工安装如图3所示，具体方法是：

1)根据锚杆杆体长度、直径，确定钻孔长度、直径，在岩土体钻孔；

2)将锚杆杆体缓慢放入钻孔中，并采用锚固剂或水泥砂浆将杆体安装固定；

3)在锚固剂或砂浆锚固体达到强度要求后，在锚头上安装托盘和螺母。

(四)数据采集与分析

本发明的纤维增强塑料智能锚杆应变及温度测试如图3所示，具体方案是：

1)采用光开关将光纤-光纤光栅传感器与ROTDR解调仪、BOTDA/R解调仪和FBG解调仪连接，构建智能监测系统；

2)调节光开关使得光纤-光纤光栅传感器与ROTDR解调仪连接。ROTDR解调仪向光纤-光纤光栅传感器发送一个短激光脉冲，然后测得背向散射的拉曼光。通过解调背向散射拉曼光信号，可以测得锚杆全长范围内的环境温度T_i：

式中，h、c、Δγ为普朗克常数、真空中光速和偏移波数；T_i0、T_i分别为初始温度、测试温度值；R(T_i0)、R(T_i)分别为初始温度、测试温度所对应的反斯托克光与斯托克光的光强比，其直接由ROTDR解调仪测得；

3)调节光开关使得光纤-光纤光栅传感器与BOTDA/R解调仪连接。BOTDA/R解调仪向光纤-光纤光栅传感器发送一个激光脉冲，对于BOTDA解调仪，尚需发送一探测光。通过解调受激/背向布里渊散射光频率变化，测得锚杆全长范围内的应变Δε_i及环境温度变化ΔT_i：

V_Bi＝C_εΔε_i+C_TΔT_i+V_Bi，0                    (3)

式中，C_ε、C_T分别为应变和温度灵敏度系数；V_Bi、V_Bi，0分别布里渊散射光频率和初始里渊散射光频率；

4)调节光开关使得光纤-光纤光栅传感器与FBG解调仪连接。FBG解调仪向光纤传感探头发送一个激光脉冲，通过解调光纤光栅中心波长变化，可以测得锚杆在光纤光栅的应变Δε′_i及环境温度变化ΔT_i：

λ_i＝α_εΔε′_i+α_TΔT_i+λ_i0                            (4)

式中，α_ε、α_T分别为应变和温度灵敏度系数；λ_i、λ_i0分别光纤光栅中心波长和初始中心波长；

5)当测试时间跨度短或环境温度变化很小时，温度对布里渊和光纤光栅测试信号的影响可以忽略，式(3)、(4)即可测得锚杆的应变值；当测试时间跨度长或环境温度变化较大时，需根据ROTDR解调仪测得的环境温度变化值(式(2))对BOTDA/R解调仪和FBG解调仪的测试信号(式(3)、(4))进行温度补偿，剔除环境温度对锚杆应变测试的影响；

6)经过温度补偿修正后，采用FBG解调仪测得的局部高精度应变测试值Δε′_i对相应位置的BOTDA/R解调仪的应变测试结果Δε_i进行修正，提高锚杆全局应变测试结果的可靠性。

智能锚杆使用期间安全状态评定：采用校验系统来评定智能锚杆的使用状态：

正常使用情况下，校验系数小于1且越小越安全；当校验系数接近或大于等于1时，认为锚杆达到了极限状态。

Claims (6)

1.一种纤维增强塑料智能锚杆，其特征在于：锚杆杆体从里层到外层依次设置为光纤-光纤光栅传感器(1)及纤维增强塑料包裹层(3)；其中所述光纤-光纤光栅传感器(1)为一根写入了一个或多个光纤光栅(3)的单模光纤；光纤-光纤光栅传感器(1)通过光开关，分别与拉曼分布式解调仪、布里渊分布式解调仪和光纤光栅解调仪连接，并将感测到的温度或应变光信号分别传递给拉曼分布式解调仪、布里渊分布式解调仪和光纤光栅解调仪；杆体端部设置与锚杆受力特性相适应的传力锚头(5)，且杆体尾部设置光纤保护套筒(4)。

2.根据权利要求1所述的纤维增强塑料智能锚杆，其特征是：所述光纤-光纤光栅传感器(1)为平行布设两根传感光纤，一根为普通单模光纤，另一根为写入了一个或多个光纤光栅(3)的单模光纤。

3.根据权利要求1或2所述的纤维增强塑料智能锚杆，其特征是：所述光纤-光纤光栅传感器(1)中的光纤光栅(3)写入位置与锚杆的关键位置或易损位置相对应，其数量由具体工作的测试要求确定。

4.根据权利要求1、2或3所述的纤维增强塑料智能锚杆，其特征是：所述的维增强塑料包裹层(3)表面为光滑棒型或具有螺纹结构；纤维增强塑料为玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、玄武岩纤维增强塑料或芳纶纤维增强塑料中的一种。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的纤维增强塑料智能锚杆，其特征是：所述的锚头(5)为机械式夹持锚头、粘结型锚头或组合式锚头中的一种。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的纤维增强塑料智能锚杆，其特征是：所述光纤-光纤光栅传感器(1)采用拉曼分布式测温技术测试的锚杆环境温度对布里渊分布式和光纤光栅应变测试进行温度补偿，并采用光纤光栅(3)的应变测试数据提高布里渊分布式光纤的应变测试精度。

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