CN106759548B - 用于格构锚杆支护路堑的监测系统及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于格构锚杆支护路堑的监测系统，包括：格构梁变形监测单元、锚杆受力监测单元和路堑深部位移监测单元；本发明还提供一种利用上述监测系统的监测方法，本发明所提供的用于格构锚杆支护路堑的监测系统与现有的监测系统相比较，结合格构梁、锚杆、路堑岩土体的受力或变形特征，利用分布式和分散式监测设备的各自特点，对格构梁变形、锚杆拉力和岩土体深部位移进行监测。

Description

用于格构锚杆支护路堑的监测系统及监测方法
技术领域
本发明属于岩土工程监测检测技术领域，具体涉及用于格构锚杆支护路堑的监测系统。
背景技术
格构(梁)锚杆支护体系由钢筋混凝土格构与土层锚杆两部分组成的支护系统，由于该支护方法的施工便利和经济实用，其在公路、铁路等线路工程中的路堑和路堤坡面加固处理中得到广泛应用。同时，由于岩土体自身力学性质的复杂性和外界影响因素的多边形，基于静态设计的格构锚杆系统往往容易发生失效，使得支护结构和支护对象发生破坏失稳，从而造成生命财产损失和不良社会效应。因此，有必要在格构锚杆支护系统施工过程和施工完成后对结构和支护对象进行全面实时监测，以掌握系统的运行情况和支护效果，出现破坏趋势时及时进行预警和补救。
岩土工程监测方法可根据布置特点分为分散式和分布式两类。分散式仪器的监测量程较大，能对大变形和大荷载进行有效测量，但其抗干扰能力偏弱；分布式设备安装简单，防水防腐蚀性能较好，但其量程较小，容易发生断裂失效。目前，线路工程中路堑支护体系的监测以传统的分散式监测方法为主，如各类电阻式、振弦式和电感式的应力应变测试仪器。同时分布式监测系统在上述支护体系监测中也开始逐渐推广应用，如各类光纤光栅设备。考虑到施工的便利性和施工成本，工程实践中往往才有单一的分布式或者分散式监测。由于格构锚杆支护路堑中格构、锚杆和路堑均表现出不同的受力和变形特征，单一的分散式或者分布式监测方法往往容易引起局部监测的失效，因此针对此类工程有必要根据监测对象特点采用综合监测方法。
发明内容
鉴于以上存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于格构锚杆支护路堑的监测系统，能够解决背景技术中存在的问题。
为此，本发明采用如下解决方案：
用于格构锚杆支护路堑的监测系统，包括框架式格构梁以及锚杆，所述监测系统包括：
-格构梁变形监测单元，用于监测格构梁表面的变形量；
-锚杆受力监测单元，用于监测锚杆的拉拔力，从而判断锚杆的运行状态；
-路堑深部位移监测单元，用于监测格构锚杆支护后岩土体变形在不同深度的分布和演化特征。
优选地，所述格构梁变形监测单元包括传感光纤、光时域反射仪、跳线和FC/PC光纤连接器，传感光纤一端与光时域反射仪连接，监测传感光纤沿格构梁各交叉点的连线应变分布。
优选地，所述传感光纤通过在格构梁表面刻槽后埋入，使用环氧型胶黏剂将传感光纤和格构梁表面连接，所述传感光纤未埋入格构梁部分熔接上跳线，采用金属波纹管保护。
优选地，所述传感光纤末端通过FC/PC光纤连接器与光时域反射仪连接，接口处采用的紧固方式为螺丝扣。
优选地，所述锚杆受力监测单元包括振弦式锚杆应力计、应力计电缆、振弦式读数仪和连接杆，格构梁内设有锚杆钻孔，锚杆位于锚杆钻孔内，锚杆的锚头深入水泥砂浆体内，锚杆的末端伸出于所述格构梁表面之外，其上设有螺帽，锚杆上设置连接杆，振弦式锚杆应力计规格与锚杆直径配套，振弦式锚杆应力计通过连接杆与锚杆采用对焊方式连接，并通过应力计电缆与振弦式读数仪连接。
优选地，所述路堑深部位移监测单元布置在格构梁中部的路堑内，所述路堑深部位移监测单元包括测斜探头、导轮、测斜管、控制电缆和测斜读数仪，在设置所述路堑深部位移检测单元的位置上开设测斜钻孔，沿测斜钻孔内壁布置测斜管，测斜管内设置测斜探头，测斜探头能够在导轮的辅助下沿所述测斜管的管壁移动，所述测斜探头通过控制电缆与测斜读数仪连接，监测测斜管沿深度各点的位移分布。
优选地，所述测斜管为铝合金材质，测斜管方向与测斜钻孔的中心线保持一致。
优选地，所述测斜管与钻孔空隙和底部采用砂砾石填充。
本发明的另一个目的是提供一种利用上述监测系统的的监测方法，所述监测方法包括以下步骤：
(1)采用光时域反射仪对与格构梁粘结的传感光纤应变值进行测量，测定传感光纤的初始应变，定期对传感光纤测量后得到的应变值与初值比较，差值为格构梁相应点的累计应变值；
(2)采用振弦式读数仪对与锚杆焊接的锚杆应力计的应力值，应力值与锚杆界面面积之积为锚杆的拉力值；
(3)采用测斜探头两侧的导轮沿测斜管由上而下滚动，由测斜仪读数仪读取不同深度处相互正交两个方向位移，可由此计算总位移量和位移方向；
(4)利用微机存储不同测量时间格构梁应变、锚杆拉力和路堑岩土体深度位移，根据测量值的时间序列综合判定路堑岩土体稳定性和格构锚杆系统运行状态。
本发明的有益效果是：与现有的监测系统相比较，结合格构梁、锚杆、路堑岩土体的受力或变形特征，利用分布式和分散式监测设备的各自特点，对格构梁变形、锚杆拉力和岩土体深部位移进行监测。格构梁由于呈现状分布且暴露于空气中，采用分布式传感光纤符合其现状特点，并可解决腐蚀性问题。锚杆受力较大且在平面上呈点状分布，利用振弦式锚杆应力计量程较大的特点，可有效监测锚杆受力。路堑岩土体易产生较大位移，利用测斜仪可对不同深度不同量级位移进行有效监测。上述设备综合利用形成格构锚杆支护路堑的立体监测。
附图说明
图1为本发明所提供的用于格构锚杆支护路堑的监测系统的立面示意图。
图2为本发明所提供的用于格构锚杆支护路堑的监测系统的锚杆受力监测单元示意图。
图3为本发明所提供的用于格构锚杆支护路堑的监测系统的路堑深部位移监测单元示意图。
其中：1-格构梁变形监测单元；2-锚杆受力监测单元；3-路堑深部位移监测单元；4-格构梁；5-路堑岩土体；6-锚杆；7-螺帽；8-锚杆钻孔；9-锚头；10-水泥砂浆体；11-砂砾石；12-测斜钻孔；101-传感光纤；102-光时域反射仪；103-跳线；104-FC/PC光纤连接器；201-振弦式锚杆应力计；202-应力计电缆；203-振弦式读数仪；204-连接杆；301-测斜探头；302-导轮；303-测斜管；304-控制电缆；305-测斜读数仪。
具体实施方式
下面参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地说明。
如图1、图2和图3所示，本发明所提供的用于格构锚杆支护路堑的监测系统包括：格构梁变形监测单元1、锚杆受力监测单元2和路堑深部位移监测单元3。
构梁变形监测单元1包括传感光纤101、光时域反射仪102、跳线103和FC/PC光纤连接器104。格构梁4浇筑并养护完成后，采用刻槽机在格构梁表面刻槽，在锚杆螺帽7处沿其四周下沿刻槽，沿着格构梁4表面刻槽处埋设传感光纤101，并采用环氧型胶黏剂将传感光纤101与格构梁4粘结，传感光纤101沿格构梁的框架表面分布，并且逐层依次连接整个格构梁的锚杆分布点，在格构梁的表面形成多道S形状，其末端伸出格构梁4外部，传感光纤101未埋入格构梁4部分熔接上跳线103，并采用金属波纹管进行保护。利用FC/PC光纤连接器104连接跳线103和光时域反射仪102，光纤铺设完成时利用光时域反射仪102读取传感光纤101频移量的初始值，后续定期测量频移量。根据下式计算传感光纤101的应变值，从而得到格构梁4相应部位的应变：
ε＝CS×(νB-νB0)+ε0
式中：ε为传感光纤应变值，CS为厂家提供的频移-应变系数，VB为测读的光纤频移量，VB0为光纤铺设完成时测读的频移量初始值，ε0为应变初始值(设置为0)。
锚杆受力监测单元2包括振弦式锚杆应力计201、应力计电缆202、振弦式读数仪203和连接杆204。按照设计角度和深度采用风钻机在路堑岩土体5内形成锚杆钻孔8，利用高压风管将锚杆钻孔8内粉尘和杂物清除。通过连接杆204采用对焊方式将锚杆6和振弦式锚杆应力计焊接。将锚杆6插入锚杆钻孔8内，填充40cm水泥砂浆体10，将应力计电缆202引出孔口外。测量时，将应力计电缆202对应颜色的分线用电缆夹与相连振弦式读数仪相连，格构梁4浇筑前，读取振弦式读数仪的频率模数及温度的初始值。格构梁4浇筑完成后，将螺帽7拧紧至与格构梁4表面紧密契合，定期测读频率模数及温度值。根据下式计算锚杆6测试时的应力值：
σ＝k×(F-F0)+b×(T-T0)
式中：σ为锚杆应力值，k为厂家提供的锚杆应力计最小读数，F为测量时锚杆应力计频率模数值，F0为螺帽拧紧前锚杆应力计频率模数初始值，b为厂家提供的锚杆应力计温度修正系数，T为测量时锚杆应力计温度值，T0为螺帽拧紧前锚杆应力计温度初始值。
路堑深部位移监测单元3包括测斜探头301、导轮302、测斜管303、控制电缆304和测斜读数仪305。根据设计深度和孔径，使用山地钻机在路堑岩土体5中至上而下形成圆形截面的测斜钻孔12，清孔后在孔底铺设10cm厚度的砂砾石11。将铝合金质测斜管303置于测斜钻孔12内，测斜管303中心线与测斜钻孔12中心线一致，测斜管303与测斜钻孔12间的空隙采用砂砾石11填充。测斜探头301通过控制电缆304和测斜读数仪305连接，测斜读数仪305开机后将测斜探头301下放至测斜管303中，导轮303在测斜管303中由上至下滚动，通过测斜探头301中两个力平衡伺服加速度计来测量两个互相垂直方向的倾斜角度，利用正弦公式分别求得两个方向上每个读数间距内的水平位移量：
sA＝L×sinθA
式中：sA为A方向水平位移量，L为读数间距(取为0.5m)，θA为在A方向上一个读数间距内的倾斜角度。
通过格构梁变形监测单元1监测格构梁表面的变形量，通过锚杆受力监测单元2监测锚杆的拉拔应力，从而判断格构梁和锚杆的支护运行状态，通过路堑深部位移监测单元3监测格构锚杆支护后岩土体变形在不同深度的分布和演化特征，从而预测路堑的长期稳定性。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例而已，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.用于格构锚杆支护路堑的监测方法，其特征在于，所述监测方法采用以下监测系统检测：
监测系统包括框架式格构梁以及格构锚杆；
-框架式格构梁变形监测单元，用于监测框架式格构梁表面的变形量；
-格构锚杆受力监测单元，用于监测格构锚杆的拉拔力，从而判断格构锚杆的运行状态；
-路堑深部位移监测单元，用于监测格构锚杆支护后路堑岩土体变形在不同深度的分布和演化特征；
所述框架式格构梁变形监测单元包括传感光纤、光时域反射仪、跳线和FC/PC光纤连接器，传感光纤一端与光时域反射仪连接，传感光纤沿框架式格构梁各交叉点的连线分布；所述传感光纤通过在框架式格构梁表面刻槽后埋入，并使用环氧型胶黏剂将传感光纤和框架式格构梁表面连接，所述传感光纤未埋入框架式格构梁部分熔接上跳线，采用金属波纹管保护；
所述格构锚杆受力监测单元包括振弦式锚杆应力计、应力计电缆、振弦式读数仪和连接杆，框架式格构梁内设有锚杆钻孔，格构锚杆位于锚杆钻孔内，格构锚杆的锚头深入水泥砂浆体内，格构锚杆的末端伸出于所述框架式格构梁表面之外，其上设有螺帽，格构锚杆上设置连接杆，振弦式锚杆应力计规格与格构锚杆直径配套，振弦式锚杆应力计通过连接杆与格构锚杆采用对焊方式连接，并通过应力计电缆与振弦式读数仪连接；
所述路堑深部位移监测单元布置在框架式格构梁中部的路堑内，所述路堑深部位移监测单元包括测斜探头、导轮、测斜管、控制电缆和测斜读数仪，在设置所述路堑深部位移监测单元的位置上开设测斜钻孔，沿测斜钻孔内壁布置测斜管，测斜管内设置测斜探头，测斜探头能够在导轮的辅助下沿所述测斜管的管壁移动，所述测斜探头通过控制电缆与测斜读数仪连接，监测测斜管沿深度各点的位移分布；测斜管方向与测斜钻孔的中心线保持一致；所述测斜管与钻孔孔壁的空隙和与底部之间采用砂砾石填充；
所述监测方法包括以下步骤：
(1)采用光时域反射仪对与框架式格构梁粘结的传感光纤应变值进行测量，测定传感光纤的初始应变，定期对传感光纤测量后得到的应变值与初值比较，差值为框架式格构梁相应点的累计应变值；
(2)采用振弦式读数仪读取与格构锚杆焊接的振弦式锚杆应力计的应力值，应力值与格构锚杆界面面积之积为格构锚杆的拉力值；
(3)采用测斜探头两侧的导轮沿测斜管由上而下滚动，由测斜读数仪读取不同深度处相互正交两个方向位移，可由此计算总位移量和位移方向；
(4)利用微机存储不同测量时间框架式格构梁应变、格构锚杆拉力和路堑岩土体深度位移，根据测量值的时间序列综合判定路堑岩土体稳定性和格构锚杆系统运行状态。
2.根据权利要求1所述的用于格构锚杆支护路堑的监测方法，其特征在于所述传感光纤末端通过FC/PC光纤连接器与光时域反射仪连接，接口处采用的紧固方式为螺丝扣。
3.根据权利要求1所述的用于格构锚杆支护路堑的监测方法，其特征在于，所述测斜管为铝合金材质。
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