CN105240037A - 一种具有检测与报警功能的信息锚杆 - Google Patents

Abstract

一种具有检测与报警功能的信息锚杆，包括锚杆杆体和用以锚杆杆体张拉锚固用的锚固头，所述锚杆杆体为FRP空心锚杆杆体，所述FRP空心锚杆杆体的中空的孔壁上安装有用以输出FRP空心锚杆杆体多点位的变形信息的分布式光纤应变传感器，所述分布式光纤应变传感器与检测系统连接，所述检测系统与用以分布式光纤应变传感器断裂自动报警的报警器连接。本发明提供一种工程耐久性和承载能力可靠且安全性较好的具有检测与报警功能的锚杆。

Description

一种具有检测与报警功能的信息锚杆

技术领域

本发明属于岩土锚固技术领域，尤其涉及一种具有检测与报警功能的信息锚杆。

背景技术

在土木工程领域，锚杆的使用已有悠久的历史，但锚杆大多应用于采矿工程及岩体隧道的临时支护，锚固方式主要有孔底端锚及全长粘结锚固方式。随着土木工程范围的不断扩大，锚杆被大量用于土体边坡稳定及高层建筑地下室抗浮稳定等永久性工程，这不仅对锚杆自身的物理力学性能，尤其是锚杆的耐久性提出更高的要求，随着近年来常出现滑坡灾害，造成了大量的人员及财产损失，使人们更关注各类边坡的稳定性问题。作为当前边坡支护中的重要构件，锚杆的安全性与可预见性被提到了重要的地位。过去的锚杆主要用于岩体工程的临时支护，故主要关心其承载能力和可操作性，现在已将锚杆用于各类岩土工程的永久支护，但锚杆的类型及使用方法仍然来源于传统的锚杆技术，给锚杆支护工程的安全性埋下了隐患。现在迫切需要解决锚杆适用于长期工作特性，这除了要求提高锚杆体本身的耐久性外，还需要使锚杆的工作状态信息能实时呈现，以便随时对工程的安全性作出评价，并及时采取工程措施，确保工程安全。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种工程耐久性和承载能力可靠且安全性较好的具有检测与报警功能的锚杆。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有检测与报警功能的信息锚杆，包括锚杆杆体和用以锚杆杆体张拉锚固用的锚固头，所述锚杆杆体为FRP空心锚杆杆体，所述FRP空心锚杆杆体的中空的孔壁上安装有用以输出FRP空心锚杆杆体多点位变形信息的分布式光纤应变传感器，所述分布式光纤应变传感器与检测系统连接，所述检测系统与用以分布式光纤应变传感器断裂自动报警的报警器连接。

进一步，所述FRP空心锚杆杆体由增强纤维和基体组成，所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的其中一种或是两种及其以上的组合。

再进一步，所述检测系统包括与分布式光纤应变传感器连接的信息采集光缆、光时域应变测量仪、采集控制发射仪和信息处理中心，所述信息采集光缆与所述光时域应变测量仪连接，所述光时域应变测量仪与所述采集控制发射仪连接，所述采集控制发射仪与所述信息处理终端连接。

再进一步，所述光时域应变测量仪与所述采集控制发射仪均可采用太阳能电源供电。

再进一步，所述采集控制发射仪通过无线网与所述信息处理中心连接。

更进一步，所述信息采集光缆为带有护套的光缆。

本发明的设计原理是：本发明考虑到永久承载锚杆的受力特性，采用耐久性能优异的FRP空心锚杆杆体，在当前FRP空心锚杆杆体的生产工艺基础上，在中空的孔壁上安装分布式光纤应变传感器；信息锚杆在工程中的施工安装方式与普通锚杆相一致，只需在确定进行检测的位置上安装本发明的信息锚杆，再将这些信息锚杆组成一个信息检测系统，集中进行数据采集和发射，将检测所得锚杆状态信息传送至信息处理中心进行信息处理与分析，及时发布预警报告。

本发明的有益效果主要表现在：采用FRP纤维封装分布式光纤应变传感器，并将其植入FRP空心锚杆杆体中作为本发明的信息锚杆，分布式光纤应变传感器在锚杆杆体的保护下与锚杆杆体共同变形，使普通的耐久性锚杆具备了信息化功能；可根据工程需要采用定制方式生产所需要的锚杆，并在工程现场组成信息锚杆检测系统，并可将锚杆的变形信息通过无线网络实现长期远距离实时传输与检测分析，通过对锚杆状态信息的分析，可及时作出对锚杆支护体系的调整，使工程处于安全状态。

附图说明

图1是一种具有检测与报警功能的信息锚杆的结构示意图。

图2是一种具有检测与报警功能的信息锚杆应用于边坡的工作原理图。A为边坡坡顶；B为边坡坡脚。

图3是信息锚杆检测系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种具有检测与报警功能的信息锚杆，包括锚杆杆体1和用以锚杆杆体张拉锚固用的锚固头16，所述锚杆杆体1为FRP空心锚杆杆体，所述FRP空心锚杆杆体的中空的孔壁2上安装有用以输出FRP空心锚杆杆体多点位的变形信息的分布式光纤应变传感器4，所述分布式光纤应变传感器4与检测系统连接，所述检测系统与用以分布式光纤应变传感器4断裂自动报警的报警器连接。

进一步，所述FRP空心锚杆杆体由增强纤维和基体组成，所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的其中一种或是两种及其以上的组合。

再进一步，所述检测系统包括与分布式光纤应变传感器4连接的信息采集光缆5、光时域应变测量仪、采集控制发射仪和信息处理中心，所述信息采集光缆5与所述光时域应变测量仪连接，所述光时域应变测量仪与所述采集控制发射仪连接，所述采集控制发射仪与所述信息处理终端连接。

再进一步，所述光时域应变测量仪与所述采集控制发射仪均采可用太阳能电源7供电。当地有长期可靠的电源时可用普通电源，无可靠电源时可采用太阳能电源7供电。

再进一步，所述采集控制发射仪通过无线网与所述信息处理中心连接。

更进一步，所述信息采集光缆5为带有护套的光缆。

本实施例中，所述FRP空心锚杆杆体具有高抗腐蚀性和高强度特征，可以满中长期工作锚杆的需要，此类锚杆的加工在专门的工厂完成，目前已有成批生产产品；分布式光纤应变传感器是利用光纤中的布里渊散射原理制成，其基本原理是通过光纤中散射一束脉冲激光，产生布里渊散射光，且这个频率变化量只和光纤的轴向应变线性相关，根据散射光频率变化的大小就可以确定待测部位相应的应变变化量，此类传感器具有分布式、精度高、测试距离长、耐久性和抗干扰性强等特点，在工程检测中维护成本低、易集成大型检测网络、传感信息保真度高等优点，特别适合于基础工程的远程长期实时检测；增强纤维包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维，玄武岩纤维等多种纤维材料，封装光纤用的纤维应与锚杆用纤维的材质相同，当锚杆采用两种或两种以上纤维混杂时，可采用弹性模量较低的纤维作为光纤封装材料。

由于光纤传感器的变形特性与信息锚杆材料相近，不会因为信息锚杆的变形损坏传感器，又能保证传感器的输出信息能正确反映信息锚杆的工作状态。由于分布式光纤应变传感器可以输出信息锚杆杆体多点位的变形信息，可以反映出信息锚杆在杆体不同位置上的变形大小，可以判别锚杆危险点的位置，从而确定结构可能的破坏区域。对于边坡问题，如图2所示，边坡包括坡面结构层14、边坡滑移面8、边坡滑移体9和稳定的岩土结构10，可以判别边坡滑移面8的位置及岩土滑移体9滑移趋势，以便及时采取工程措施，阻止边坡滑动，泥石流的产生和发展，起到防灾减灾的作用；当加固边坡远离村庄和集镇，无法供电时，也可利用太阳能电源7以及信息采集发送系统6，信息采集发送系统6包括光时域应变测量仪与采集控制发射仪，通过互联网实现远距离实时检测。

本发明的具体实施方法：

1)分布式光纤应变传感器长度的确定与封装：

FRP空心锚杆中应变检测长度与FRP空心锚杆长度相关。以边坡稳定性检测为例，使FRP空心锚杆穿越岩土滑移体9，而将FRP空心锚杆底端11固定在稳定的岩土结构10中，故需要先估计边坡滑移面8的大致位置来确定FRP空心锚杆长度，确定了信息锚杆长度后就可确定分布式光纤应变传感器4的长度，一般应变检测长度小于FRP空心锚杆的长度，如图2所示，在稳定的岩土结构10中和边坡滑移体9中均应具备应变检测功能，则至少要使分布式光纤应变传感器4穿越边坡滑移面8，深入底端锚固点，用底端锚固头15进行底端锚固；而在锚杆张拉锚固端12，光纤不宜到头，以免张拉锚固过程损坏光纤，故应从锚固端12下部螺纹部分引出信息采集光缆5，引出的信息采集光缆5采用带护套的光缆以保护传感光纤的信号稳定，护套采用与FRP空心锚杆同材质的FRP纤维封装光纤。

2)信息锚杆的制作：

采用中孔锚杆杆体方式将封装好的分布式光纤应变传感器4植入锚杆杆体1，在塑料内衬管外侧附上分布式光纤应变传感器4，将增强纤维和树脂均匀地贴在塑料内衬管外侧，再缠嵌上外螺蚊3，外螺纹3是为了使锚杆杆体与外面的水泥砂浆或岩土介质有更好的结合作用，尽可能达到共同变形的目的，在树脂未完全固化前抽出塑料内衬管，信息锚杆成型。

3)信息锚杆的安装：

信息锚杆的安装与普通锚杆相同，即打孔→清孔→放入锚杆→底端或全长锚固。

4)标注信息锚杆位置，编号并将各信息锚杆的引出的信息采集光缆5接长到工程集中监控室，与光时域应变测量仪相连接。

5)检查各信息锚杆的光信号及位置编号，保护引出的信息采集光缆5。

6)与信息锚杆的安装同步开始检测，首先各信息锚杆开始张拉，检测信息锚杆张拉变形量以及锚固后的回弹量。

7)记录信息锚杆张拉锚固后的正常工作状态作为原始工作状态，建立长期信息锚杆检测系统，开展信息锚杆工作状态的长期检测分析预警工作，要求每天自动记录信息锚杆工作状态数据，开启信息锚杆分布式光纤传感器4断裂自动报警，每周发布信息锚杆工作状态分析报告。

8)当信息锚杆某点光纤应变传感器累计单方向应变量超过10000με以上，或光纤被拉断无法测到应变信号时，表明信息锚杆变形过大，可能产生滑坡危险，应及时发出预警报告。

本发明是将现有永久性锚杆技术与信息化技术有效组合，使锚杆在完成支护功能的同时，具备呈现自身状态信息的功能，同时要求在锚杆的操作功能上变化不太大，也即发挥锚杆支护使用方便的功能，这些功能在由同一锚杆完成，为将信息化技术应用于锚杆的永久支护奠定基础。

Claims (6)

1.一种具有检测与报警功能的信息锚杆，包括锚杆杆体和用以锚杆杆体张拉锚固用的锚固头，所述锚杆杆体为FRP空心锚杆杆体，其特征在于：所述FRP空心锚杆杆体的中空的孔壁上安装有用以输出FRP空心锚杆杆体多点位变形信息的分布式光纤应变传感器，所述分布式光纤应变传感器与检测系统连接，所述检测系统与用以分布式光纤应变传感器断裂自动报警的报警器连接。

2.如权利要求1所述的一种具有检测与报警功能的信息锚杆，其特征在于：所述FRP空心锚杆杆体由增强纤维和基体组成，所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中的其中一种或是两种及其以上的组合。

3.如权利要求1或2所述的一种具有检测与报警功能的信息锚杆，其特征在于：所述检测系统包括与分布式光纤应变传感器连接的信息采集光缆、光时域应变测量仪、采集控制发射仪和信息处理中心，所述信息采集光缆与所述光时域应变测量仪连接，所述光时域应变测量仪与所述采集控制发射仪连接，所述采集控制发射仪与所述信息处理终端连接。

4.如权利要求3所述的一种具有检测与报警功能的信息锚杆，其

特征在于：所述光时域应变测量仪与所述采集控制发射仪均采用太阳能电源供电。

5.如权利要求3所述的一种具有检测与报警功能的信息锚杆，其

特征在于：所述采集控制发射仪通过无线网与所述信息处理中心连接。

6.如权利要求3所述的一种具有检测与报警功能的信息锚杆，其特征在于：所述信息采集光缆为带有护套的光缆。