CN103485811A

CN103485811A - 锚杆轴力和弯矩的检测方法及其检测锚杆

Info

Publication number: CN103485811A
Application number: CN201310461586.7A
Authority: CN
Inventors: 尤春安; 路锋; 尤志嘉; 栾武臣; 赵坤; 吕孝鹏; 杜文
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: CN103485811B

Abstract

本发明公开了一种锚杆轴力和弯矩的检测方法及其检测锚杆，它利用检测锚杆得到锚杆在锚固阶段的轴力和弯矩分布图，根据轴力和弯矩分布图直接看出锚杆最大轴力和最大弯矩的位置；从而进一步研究分析锚杆受力及变形特征；检测锚杆结构是在检测锚杆体上间隔设有多个加工有穿线孔的检测截面，在每一检测截面杆体四周对称粘贴四个电阻应变片；所有导线通过穿线孔进入锚杆体空腔后从锚杆体空腔中穿出；穿出后的导线束再套上锚杆螺母，将锚杆螺母预拧在锚杆体上，然后将所有应变片的导线分别焊接在航空插头的接点上，并将航空插头固定在锚杆体外端；本发明用于指导岩土工程中对锚杆布置以及锚杆结构尺寸的设计，使锚杆在岩土工程中发挥更大的锚固作用。

Description

锚杆轴力和弯矩的检测方法及其检测锚杆

技术领域

本发明涉及交通、水利水电、矿山及城市建设的隧道、边坡和基坑锚固工程用的锚杆。

背景技术

锚杆或锚索加固是岩土加固的重要形式，其中锚杆有中空锚杆和实心锚杆。锚杆在矿山坑道、交通隧道、深基坑加固等岩土工程中得到了广泛应用。但在理论上对锚杆的作用原理、锚杆的受力以及锚杆荷载传递机理尚未完全清楚。因此，采用实测的方法了解锚杆在围岩内部的受力及变形特征、掌握锚杆的工作状态，对完善锚固理论、积累设计经验、及时调整或修改设计和施工方案以及预报险情都有重要的意义。

目前锚杆的内力状态检测主要采用实测的方法，实测时采用测力锚杆，包括电阻应变式测力锚杆、电感式测力锚杆、钢弦式测力锚杆；上述的的测力锚杆仅能测量锚杆的轴力和轴力分布，不能测量锚杆的弯矩。但在研究锚杆受力及变形特征时，仅知道轴力是不够的，最好还需要知道锚杆的弯矩以及最大弯矩的位置。所以很需要一种即能检测锚杆轴力又能同时检测锚杆弯矩的方法。

发明内容

为了在锚固工程中对锚杆锚固理论进一步研究、完善锚杆设计方法、调整锚杆设计参数和预报锚固工程险情，本发明提出一种锚杆轴力和弯矩的检测方法，同时提出用于该检测方法的锚杆。

一种锚杆轴力和弯矩的检测方法，其特征在于采取以下步骤：

第一步：制作检测锚杆：

选取中空锚杆或普通厚壁钢管作为检测锚杆体，在检测锚杆体上间隔设有多个检测截面，每一检测截面上加工上穿线孔；在每一检测截面杆体四周对称粘贴四个电阻应变片，四个应变片的长度方向与杆体长度方向一致；每一检测截面的四个电阻应变片的导线通过穿线孔进入锚杆体空腔，再从锚杆体空腔中穿出；穿出后的导线束再套上锚杆螺母，将锚杆螺母预拧在锚杆体上，然后将所有应变片的导线分别焊接在航空插头的接点上，并将航空插头固定在锚杆体外端；

第二步：安装检测锚杆：

按传统方法用钻机为锚固工程钻孔，在钻孔后注入水泥浆液，在水泥浆液凝结硬化前，将检测锚杆套上托盘再插入钻孔中，待水泥浆液凝结硬化后，拧紧螺母；

第三步：需要检测时，在孔外布置多通道静态电阻应变仪，将多通道静态电阻应变仪信号电缆与航空插头连接；操作多通道静态电阻应变仪的连接方式开关，使每一截面的四个电阻应变片可组合排列成全桥电路，通过全桥电路可获得该截面的四个方向的应变值ε₁、ε₂、ε₃和ε₄；同理可获得所有截面的四个方向的应变值；将锚杆每一截面四个方向的的应变值代入轴力计算公式和弯矩计算公式，计算出每一截面的轴力N和弯矩M；根据所有截面的轴力和弯矩绘制出沿杆长的轴力和弯矩分布图，从图中直接看出锚杆最大轴力和最大弯矩的位置；从而进一步研究分析锚杆受力及变形特征；

上述每一截面的轴力计算公式为：

N = \frac{πE}{16} (ϵ_{1} + ϵ_{2} + ϵ_{3} + ϵ_{4}) ({D_{1}}^{2} - {D_{2}}^{2})

式中：N—该截面的轴力牛顿；

E—锚杆的弹性模量，可取2.1×10¹¹Pa；

D₁—检测锚杆体的外径，m；

D₂—检测锚杆体的外径，m；

上述每一截面的弯矩可按下式计算：

M = \frac{πE}{8} {D_{1}}^{2} (D_{1} - D_{2}) \sqrt{{(ϵ_{1} - ϵ_{2})}^{2} + {(ϵ_{3} - ϵ_{4})}^{2}}

下面对本发明的检测锚杆进一步描述：

一种检测锚杆轴力和弯矩的锚杆，它以中空锚杆或普通厚壁钢管作为检测锚杆体，其特征在于，在检测锚杆体上，每隔一定距离设有穿线孔和四个电阻应变片，四个电阻应变片对称黏贴在杆体四周，四个电阻应变片的长度方向与杆体长度方向一致；四个应变片的导线通过穿线孔进入锚杆体空腔，再从锚杆体空腔中穿出；同理其他所有截面的电阻应变片的导线都从锚杆体空腔中穿出；穿出后导线束再套上锚杆螺母，将锚杆螺母预拧在锚杆体上，然后将所有应变片的导线分别焊接在航空插头的接点上，并将航空插头固定在锚杆体外端。

本发明可得到锚杆在锚固阶段的轴力和弯矩分布图，根据轴力和弯矩分布图，可对锚杆的作用原理、锚杆的受力状态以及锚杆荷载传递机理在理论上进一步研究，用于指导岩土工程中对锚杆布置以及锚杆结构尺寸的设计，使锚杆在岩土工程中发挥更大的锚固作用。根据轴力和弯矩分布图可分析锚杆的内力现状，及时发现岩土工程锚固状况出现的险情。

附图说明

图1为本发明检测锚杆的结构图；

图2为图1的B放大图；

图3为图2中A-A截面示意图；

图4为检测锚杆某一个截面上最大弯矩示意图；

图5为某一巷道检测锚杆的布置图；

图6为某一巷道沿锚杆杆长轴力分布图；

图7为某一巷道沿锚杆杆长弯矩分布。

图例说明：1-检测锚杆体；2-检测截面；3-托盘；4-锚杆螺母；5-航空插头；6-保护帽；7-导线；8-电阻应变片；9-防护层；10-穿线孔；11-可缩性支架。

具体实施方式

一种锚杆轴力和弯矩的检测方法，采取以下步骤：

1、制作如图1、2、3所示的检测锚杆：选取中空锚杆体（或普通厚壁钢管）作为检测锚杆体1，每隔一定距离在检测锚杆体1上设一检测截面2，该检测截面2上加工上穿线孔10，穿线孔10直径以1.5mm-3mm为宜；

2、在每一检测截面2杆体四周对称黏贴四个电阻应变片8，四个电阻应变片8的长度方向与锚杆体1长度方向一致，并涂上防护层9；四个电阻应变片8的导线7通过穿线孔10进入锚杆体1空腔，再从锚杆体1空腔中穿出，同理其他所有截面的电阻应变片8的导线都从锚杆体空腔中穿出；穿出后的导线束再套上锚杆螺母4，将锚杆螺母4预拧在锚杆体1上，然后将所有电阻应变片8的导线7分别焊接在航空插头5的接点上，用保护帽6临时保护；

3、安装检测锚杆：

按传统方法用钻机为锚固工程钻孔，在钻孔后注入水泥浆液，水泥浆液应有一定的流动性，水灰比应大于0.65，在水泥浆液凝结硬化前，将检测锚杆套上托盘3再插入钻孔中，待水泥浆液凝结硬化后，拧紧锚杆螺母4；上述的水泥浆液为水泥净浆或水泥砂浆；

4、检测时，采用多通道静态电阻应变仪作为二次仪表，将多通道静态电阻应变仪的连接插头与航空插头5连接；操作多通道静态电阻应变仪的连接方式转换开关，使每一截面的四个电阻应变片可组合成四个全桥电路，通过四个全桥电路可获得该截面的四个方向的应变值ε₁、ε₂、ε₃和ε₄；同理可获得所有截面的四个方向的应变值ε₁、ε₂、ε₃和ε₄；将每一截面的应变值ε₁、ε₂、ε₃和ε₄代入相应的计算公式，计算出所有截面的轴力和弯矩；根据所有截面的轴力和弯矩绘制出沿杆长的轴力和弯矩分布图，从图中直接看出锚杆最大轴力和最大弯矩的位置；从而进一步研究分析锚杆受力及变形特征；

图4示出了检测锚杆某一截面上最大弯矩位置示意图；

截面的轴力可按下式计算：

N = \frac{πE}{16} (ϵ_{1} + ϵ_{2} + ϵ_{3} + ϵ_{4}) ({D_{1}}^{2} - {D_{2}}^{2})

式中：N—某截面的轴力，牛顿；

E—锚杆的弹性模量，可取2.1×10¹¹Pa；

D₁—检测锚杆体的外径，m；

D₂—检测锚杆体的外径，m。

截面的弯矩可按下式计算：

M = \frac{πE}{8} {D_{1}}^{2} (D_{1} - D_{2}) \sqrt{{(ϵ_{1} - ϵ_{2})}^{2} + {(ϵ_{3} - ϵ_{4})}^{2}}

下面对本发明的检测锚杆进一步描述：

如图1、2、3所示，一种检测锚杆轴力和弯矩的锚杆，它以中空锚杆体或普通厚壁钢管作为检测锚杆体1，在检测锚杆体1上，每隔一定距离设有穿线孔10和四个电阻应变片8，四个电阻应变片8对称黏贴在检测锚杆体1四周，四个电阻应变片8的长度方向与检测锚杆体1长度方向一致；并涂上防护层9；四个应变片的导线7通过穿线孔10进入锚杆体1空腔，再从锚杆体1空腔中穿出；同理其他所有截面的电阻应变片的导线7都从锚杆体空腔中穿出；穿出后的导线束再套上锚杆螺母4，将锚杆螺母4预拧在锚杆体上，然后将所有应变片的导线7分别焊接在航空插头5的接点上，用保护帽6临时保护。

下面是一个应用实例：

某矿山软岩巷道采用高强锚杆喷射混凝土和U型钢可缩性支架11联合支护方式。但巷道变形严重，续而出现底臌。为了研究巷道的变形特征、底臌机理及锁脚锚杆的受力特征，采用了本发明的检测锚杆，锁脚检测锚杆长度3.5m，锚杆布置如图5所示；巷道经历一定时间后，通过检测及计算分析，绘制的沿锚杆杆长轴力分布如图6所示，绘制的沿锚杆杆长弯矩分布如图7所示。

从图6分析看出：锚杆最大轴力位于孔口，说明锁脚锚杆对U型钢可缩性支架11起着较好的约束作用；当锚杆深度小于1.75m时，轴力基本为常数，说明该段沿杆长锚杆剪应力很小，岩石处于松动状态（即松动圈）；

从图7分析看出：锚杆沿杆长有向下的弯矩，说明巷道边墙岩体有向下的位移，这是该巷道底臌的原因。

Claims

1.一种锚杆轴力和弯矩的检测方法，其特征在于，采取以下步骤：

第一步：制作检测锚杆

第二步：安装检测锚杆

用钻机为锚固工程钻孔，在钻孔后注入水泥浆液，在水泥浆液凝结硬化前，将检测锚杆套上托盘再插入钻孔中，待水泥浆液凝结硬化后，拧紧螺母；

第三步：需要检测时，在孔外布置多通道静态电阻应变仪，将多通道静态电阻应变仪信号电缆与航空插头连接；操作多通道静态电阻应变仪的连接方式开关，使每一截面的四个电阻应变片组合排列成全桥电路，通过全桥电路可得该截面的四个方向的应变值ε₁、ε₂、ε₃和ε₄；同理可获得所有截面的四个方向的应变值；将锚杆每一截面四个方向的的应变值代入轴力计算公式和弯矩计算公式，计算出每一截面的轴力N和弯矩M；根据所有截面的轴力和弯矩绘制出沿杆长的轴力和弯矩分布图，从图中直接看出锚杆最大轴力和最大弯矩的位置；从而进一步研究分析锚杆受力及变形特征；

上述每一截面的轴力计算公式为：

N = \frac{πE}{16} (ϵ_{1} + ϵ_{2} + ϵ_{3} + ϵ_{4}) ({D_{1}}^{2} - {D_{2}}^{2})

式中：N—该截面的轴力牛顿；

E—锚杆的弹性模量，取2.1×10¹¹Pa；

D₁—检测锚杆体的外径，m；

D₂—检测锚杆体的外径，m；

上述每一截面的弯矩按下式计算：

M = \frac{πE}{8} {D_{1}}^{2} (D_{1} - D_{2}) \sqrt{{(ϵ_{1} - ϵ_{2})}^{2} + {(ϵ_{3} - ϵ_{4})}^{2}} .

2.一种用于权利要求1所述锚杆轴力和弯矩检测方法的检测锚杆，它以中空锚杆或普通厚壁钢管作为检测锚杆体，其特征在于，在检测锚杆体上，每隔一定距离设有穿线孔和四个电阻应变片，四个电阻应变片对称黏贴在杆体四周，四个电阻应变片的长度方向与杆体长度方向一致；四个应变片的导线通过穿线孔进入锚杆体空腔，再从锚杆体空腔中穿出；同理其他所有截面的电阻应变片的导线都从锚杆体空腔中穿出；穿出后导线束再套上锚杆螺母，将锚杆螺母预拧在锚杆体上，然后将所有应变片的导线分别焊接在航空插头的接点上，并将航空插头固定在锚杆体外端。