CN110501386A - 基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法 - Google Patents

基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110501386A
CN110501386A CN201910645558.8A CN201910645558A CN110501386A CN 110501386 A CN110501386 A CN 110501386A CN 201910645558 A CN201910645558 A CN 201910645558A CN 110501386 A CN110501386 A CN 110501386A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon fiber
reinforced concrete
fiber reinforced
strain
stress
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910645558.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110501386B (zh
Inventor
严鹏
罗笙
卢文波
陈明
王高辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University WHU
Original Assignee
Wuhan University WHU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University WHU filed Critical Wuhan University WHU
Priority to CN201910645558.8A priority Critical patent/CN110501386B/zh
Publication of CN110501386A publication Critical patent/CN110501386A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110501386B publication Critical patent/CN110501386B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/38—Diluting, dispersing or mixing samples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/041—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body

Abstract

本发明涉及一种基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法，包括如下步骤：制作碳纤维混凝土试件，测定不同龄期的应力/应变与电阻率曲线；制得龄期‑应力/应变‑电阻率的三维曲面图；在监测区钻设钻孔，在钻孔内设置电极并灌浆；将电极与数据自动采集系统、数据分析计算机及预警装置等连通形成监测系统，监测灌浆体的实时电阻值；数据分析计算机接收电阻值信息输出图形，同时根据灌浆龄期由前述三维曲面图截取此条件下的应力/应变‑电阻率关系图，通过两者对比并根据设定的阈值确定是否发出预警装置工作的指令。本发明以碳纤维混凝土为传感器，实时获得岩体内部应力应变状态，进而进行岩爆监测与预警，造价低廉、自动化程度高、监测结果代表性高。

Description

基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法
技术领域
本发明涉及岩爆预警的技术领域，具体涉及一种基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法。
背景技术
岩爆是高地应力条件下开挖卸荷引起的动力失稳现象。开挖扰动使得洞壁岩石的受力状态从三维变成二维或一维，不仅为岩石的抛射破坏提供自由面，还将导致岩石内部裂纹扩展及强度弱化。
岩爆作为地下工程中世界性的难题之一，已经越来越引起国内工程地质和隧道工程界的重视，其后果轻则影响施工进度，重则危及设备安全，甚至对人员安全造成危害，对岩爆现象深入研究并进行控制与预测，能够为相关的隧道灾害防治提供具有针对性的信息，对于我国铁道、采矿、水利水电建设中的安全施工及设计具有重要的指导意义。
针对上述问题，要保证全过程的安全必须针对岩爆的发生进行事先预防和预警，需要对有岩爆倾向性的围岩区域进行监测监控。目前关于对围岩岩爆的监测监控方法还很少，主要通过布置钻孔安装监测探头来进行微震监测，但由于探头的特性，数据往往仅能获得一点的特征，为获取有效数据往往需要布置多个不可回收探头，安装监测过程相对费用较高，难以有效大范围布置。
智能材料的发展为结构加固及健康诊断注入了新的活力，也为岩爆预警提供了新的方法。它们主要有：光导纤维、电阻应变丝、疲劳寿命丝(箔)、压电材料、碳纤维和半导体材料等。在这些智能材料中，碳纤维水泥基复合材料以其能够满足材料和工程应用的低成本、具有较好的耐久性和可靠性、具有较高的灵敏度、可以提供空问结果、实时监控性、可以覆盖弹性和塑性范围内的应变、对结构没有不利影响、不需要较昂贵的辅助检测设备、可以同时应用在新老结构中等优点引起了学者们的广泛关注，在土木工程等领域中的研究在不断深入，其应用也在迅速的推广。
由于碳纤维是导电的，因此由碳纤维和碳纤维之间未水化的水泥颗粒、水化产物、缺陷裂纹等阻隔所形成的势垒构成了具有一定电阻的导电网络。随着压应力的变化，碳纤维混凝土的电阻率也会变化，这就是碳纤维混凝土的压敏性。随着压力增大，电阻的变化存在可逆感应区、平衡区和剧增区，分别对应原有缺陷裂纹的闭合张开、新裂纹的产生和扩展破坏三个阶段。基于这种特性，碳纤维混凝土可以开发成为一种传感器，用于结构的安全监测。
目前尚未有关于以碳纤维混凝土作为传感器进行岩爆监测预报的技术报道。本发明以碳纤维混凝土体作为传感器进行岩体应力应变拾取装置，同时可对围岩起到加固作用，克服现有技术的不足，提供了一种造价低廉、自动化程度高的岩爆监测预报技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法，该方法造价低廉、能够实时准确地获取状态信息，以及时对岩爆情况进行监测预报。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是：
一种基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法，包括如下步骤：
步骤1：确定碳纤维的掺和比然后制作碳纤维混凝土试件，根据观测时长，测定不同龄期的碳纤维混凝土试件的应力/应变与电阻率的关系曲线；
步骤2：由步骤1观测数据插值得到龄期-应力/应变-电阻率的连续数据，得到三维曲面图；
步骤3：在监测区设钻孔，在钻孔内设置多个电极，以步骤1中的碳纤维掺和比制备碳纤维混凝土浆液，并用该碳纤维混凝土浆液对钻孔进行灌浆；
步骤4：灌浆完成后，通过电路将多个电极与数据自动采集系统、直流稳压电源、数据分析计算机及预警装置连接形成监测系统，以碳纤维混凝土作为传感器对围岩内部进行监测，通过监测系统测量得到碳纤维混凝土的实时电阻值；
步骤5：数据分析计算机实时接收测得的电阻值信息，并将电阻值信息转化为对应的应力值并输出图形，同时数据分析计算机根据灌浆龄期由龄期-应力/应变-电阻率的三维曲面图截取此条件下的应力/应变-电阻率关系图，再将实时测量的数据输出图形与截取的应力/应变-电阻率关系图进行对比，判断碳纤维混凝土所处状态并确定是否发出预警装置工作的指令。
进一步地，所述钻孔钻设于围岩完整区域或裂隙发育区。
进一步地，碳纤维的掺和量为所掺和水泥质量的2～8‰。
进一步地，在步骤3中设置电极时，在钻孔的孔口和孔底均设置一电极。
进一步地，在孔口和孔底之间设置等间距设置电极。
进一步地，步骤5中，在截取的碳纤维混凝土的应力/应变-电阻率关系曲线中，随着压力增大，电阻的变化存在可逆感应区、平衡区和剧增区，预警装置工作的阈值设置在碳纤维混凝土的应力/应变-电阻率关系曲线的平衡区或剧增区的前部。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1、目前的岩爆多用声发射或振动信号检测的手段进行检测，本发明则是利用高压灌浆将碳纤维混凝土浆液压入岩体缝隙中，通过碳纤维混凝土的电阻变化实时获得岩体内部应力应变状态进而对岩爆进行监测，所测得数据可代表更大范围的应力应变状态，从而使得监测预警更准确；
2、以往监测需要获得大范围数据，需要布置多个测点，而且以往埋入钻孔的探头往往不可回收，造价高昂，本发明以碳纤维混凝土作为传感器进行监测，
不但能反应较大范围的岩体状态，且造价低廉，大大降低了成本；
3、本发明的监测系统布设完成后，由计算机实时采集处理信息，并进行预警工作，只需定期更换电源，自动化程度高，节省了人力物力，进一步降低了成本；
4、相比普通浆液，碳纤维混凝土具有更好的力学性能，在裂隙发育区监测时不仅仅作为传感器，同时起到固结作用，大大提升安全性能。
附图说明
图1为本发明测得的碳纤维混凝土龄期-应力（应变）-电阻率的三维曲面图；
图2为本发明监测系统的结构示意图；
图3为图2中的A-A向剖面图；
图4为本发明某龄期比碳纤维混凝土压应力与电阻率关系。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明提供一种基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法，包括如下步骤：
步骤1：通过室内实验制作合适碳纤维掺和比的碳纤维混凝土试件，在制作碳纤维混凝土试件时，一般碳纤维的掺和量为所掺和水泥质量的2～5‰，当监测区对导电性能要求较高时，适当增大碳纤维的掺和比，但该掺和比应不大于8‰，具体地掺和比根据实际中监测对碳纤维混凝土导电性能和力学性能的要求而定，根据观测时长，测定不同龄期的碳纤维混凝土的应力/应变与电阻率的相关关系曲线，如2天、7天、14天、21天、28天等；
步骤2：由步骤1观测数据插值得到龄期-应力/应变-电阻率的连续数据，得到三维曲面图，见图1；
步骤3：如图2和图3所示，在监测区域设钻孔1，该钻孔1设置在具有一定岩爆倾向的区域，且不受围岩完整度的影响，具体地，钻孔1可钻设于围岩完整区域或裂隙发育区，钻孔1完成后在钻孔1内设置多个电极2，在钻孔1内设置电极2时，可根据监测对精度的需求选择电极的数量，相邻的电极间的距离应尽量相同，且孔口与孔底须有电极，例如可以在钻孔孔口和孔底各设一个电极2，也可以在钻孔的孔口和孔底各设一个电极2后，在孔口和孔底之间等间距的地设置多个电极2；在电极2设置完成后以步骤1中的碳纤维混凝土试件的掺和比制备碳纤维混凝土浆液，并用该碳纤维混凝土浆液7对钻孔进行灌浆，在此处需要注意的是，当钻孔位于裂隙发育区时，可适当增大碳纤维的掺和比以在保证电学性能的前提下提高碳纤维混凝土的力学性能，该区域的碳纤维混凝土的掺和比以4～8‰为宜；
步骤4：灌浆完成后，见图2，通过电路将多个电极2与数据自动采集系统3、直流稳压电源、数据分析计算机4及预警装置5连接形成监测系统，对碳纤维混凝土养护一定龄期后以碳纤维混凝土作为传感器对围岩6内部进行监测，通过监测系统的数据自动采集系统4实时采集碳纤维混凝土的电阻值，数据自动采集系统4将采集到的电阻值信息传送给数据分析计算机4；
步骤5：数据分析计算机4实时接收测得的电阻值信息，并将电阻值信息转化为对应的应力值并输出图形，同时数据分析计算机4根据灌浆龄期由龄期-应力/应变-电阻率的三维曲面图截取此条件下的应力/应变-电阻率关系图，在截取此此条件下的应力/应变-电阻率关系图的具体做法为将应力/应变轴与电阻率轴所确定平面向时间轴平移至当前龄期所处位置，平移后平面与三维曲面图的交线即为当前龄期应力/应变-电阻率关系图，根据截取的当前应力/应变-电阻率关系图，可以看出随着压力增大，电阻的变化存在可逆感应区、平衡区和剧增区，分别对应原有缺陷裂纹的闭合张开、新裂纹的产生和扩展破坏三个阶段，如图4所示；再将实时测量的数据输出图形与截取的应力/应变-电阻率关系图进行对比，判断碳纤维混凝土所处状态并确定是否发出预警装置工作的指令，预警装置5工作的阈值可设置在碳纤维混凝土的应力/应变-电阻率关系曲线的平衡区或剧增区的前部。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：确定碳纤维的掺和比然后制作碳纤维混凝土试件，根据观测时长，测定不同龄期的碳纤维混凝土试件的应力/应变与电阻率的关系曲线；
步骤2：由步骤1观测数据插值得到龄期-应力/应变-电阻率的连续数据，得到三维曲面图；
步骤3：在监测区钻设钻孔，在钻孔内设置多个电极，以步骤1中的碳纤维掺和比制备碳纤维混凝土浆液，并用该碳纤维混凝土浆液对钻孔进行灌浆；
步骤4：灌浆完成后，通过电路将多个电极与数据自动采集系统、直流稳压电源、数据分析计算机及预警装置连接形成监测系统，以碳纤维混凝土作为传感器对围岩内部进行监测，通过监测系统测量得到碳纤维混凝土的实时电阻值；
步骤5：数据分析计算机实时接收测得的电阻值信息，并将电阻值信息转化为对应的应力值并输出图形，同时数据分析计算机根据灌浆龄期由龄期-应力/应变-电阻率的三维曲面图截取此条件下的应力/应变-电阻率关系图，再将实时测量的数据输出图形与截取的应力/应变-电阻率关系图进行对比，判断碳纤维混凝土所处状态并确定是否发出预警装置工作的指令。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法，其特征在于，所述钻孔钻设于围岩完整区域或裂隙发育区。
3.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法，其特征在于，碳纤维的掺和量为所掺和水泥质量的2～8‰。
4.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法，其特征在于，在步骤3中设置电极时，在钻孔的孔口和孔底均设置一电极。
5.根据权利要求4所述的一种基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法，其特征在于，在孔口和孔底之间设置等间距设置电极。
6.根据权利要求1所述的一种基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法，其特征在于，步骤5中，在截取的碳纤维混凝土的应力/应变-电阻率关系曲线中，随着压力增大，电阻的变化存在可逆感应区、平衡区和剧增区，预警装置工作的阈值设置在碳纤维混凝土的应力/应变-电阻率关系曲线的平衡区或剧增区的前部。
CN201910645558.8A 2019-07-17 2019-07-17 基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法 Active CN110501386B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910645558.8A CN110501386B (zh) 2019-07-17 2019-07-17 基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910645558.8A CN110501386B (zh) 2019-07-17 2019-07-17 基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110501386A true CN110501386A (zh) 2019-11-26
CN110501386B CN110501386B (zh) 2020-08-25

Family

ID=68586065

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910645558.8A Active CN110501386B (zh) 2019-07-17 2019-07-17 基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110501386B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112723819A (zh) * 2020-12-24 2021-04-30 武汉理工大学 一种类岩石材料、使用类岩石材料的压阻智能试验系统及方法
CN113405450A (zh) * 2021-06-01 2021-09-17 北京科技大学 一种基于静磁场检测的岩砼结构体稳定性监测预警方法
CN113702713A (zh) * 2021-08-27 2021-11-26 华北科技学院(中国煤矿安全技术培训中心) 一种用于注浆材料电阻率测定的智能监测装置及方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11250220A (ja) * 1998-02-27 1999-09-17 Dia Giken Kk 炭素繊維シートの施工枚数検査方法
CN101551350A (zh) * 2009-05-18 2009-10-07 南昌航空大学 一种建立碳纤维增强树脂基复合材料损伤自诊断系统的方法
KR100997486B1 (ko) * 2010-06-15 2010-12-01 대명콘텍 주식회사 투수카본콘크리트 구조물
CN103777232A (zh) * 2014-02-20 2014-05-07 武汉大学 一种基于爆破振动监测的深部岩体岩爆预测预警方法
CN103808765A (zh) * 2014-02-14 2014-05-21 盐城工学院 一种自监测智能织物增强混凝土及其制作方法
CN104297458A (zh) * 2014-10-29 2015-01-21 东南大学 一种碳纤维混凝土损伤-电阻率关联关系测量方法
CN205935317U (zh) * 2016-06-28 2017-02-08 中工国际工程股份有限公司 一种混凝土墙
CN108533287A (zh) * 2018-04-16 2018-09-14 西安科技大学 基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法
CN109799266A (zh) * 2019-02-28 2019-05-24 武汉大学 一种利用碳纤维布来测定混凝土结构损伤的方法
CN109870484A (zh) * 2019-02-27 2019-06-11 东北大学 一种含水边坡失稳预警系统及方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11250220A (ja) * 1998-02-27 1999-09-17 Dia Giken Kk 炭素繊維シートの施工枚数検査方法
CN101551350A (zh) * 2009-05-18 2009-10-07 南昌航空大学 一种建立碳纤维增强树脂基复合材料损伤自诊断系统的方法
KR100997486B1 (ko) * 2010-06-15 2010-12-01 대명콘텍 주식회사 투수카본콘크리트 구조물
CN103808765A (zh) * 2014-02-14 2014-05-21 盐城工学院 一种自监测智能织物增强混凝土及其制作方法
CN103777232A (zh) * 2014-02-20 2014-05-07 武汉大学 一种基于爆破振动监测的深部岩体岩爆预测预警方法
CN104297458A (zh) * 2014-10-29 2015-01-21 东南大学 一种碳纤维混凝土损伤-电阻率关联关系测量方法
CN205935317U (zh) * 2016-06-28 2017-02-08 中工国际工程股份有限公司 一种混凝土墙
CN108533287A (zh) * 2018-04-16 2018-09-14 西安科技大学 基于围岩分区破裂演化分析的深埋洞室开挖施工方法
CN109870484A (zh) * 2019-02-27 2019-06-11 东北大学 一种含水边坡失稳预警系统及方法
CN109799266A (zh) * 2019-02-28 2019-05-24 武汉大学 一种利用碳纤维布来测定混凝土结构损伤的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张璐， 施养杭: "碳纤维混凝土压敏、温敏性能的研究与应用", 《工业建筑》 *
江飞飞等: "地下金属矿山岩爆研究进展及预测与防治", 《岩石力学与工程学报》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112723819A (zh) * 2020-12-24 2021-04-30 武汉理工大学 一种类岩石材料、使用类岩石材料的压阻智能试验系统及方法
CN113405450A (zh) * 2021-06-01 2021-09-17 北京科技大学 一种基于静磁场检测的岩砼结构体稳定性监测预警方法
CN113702713A (zh) * 2021-08-27 2021-11-26 华北科技学院(中国煤矿安全技术培训中心) 一种用于注浆材料电阻率测定的智能监测装置及方法
CN113702713B (zh) * 2021-08-27 2023-06-13 华北科技学院(中国煤矿安全技术培训中心) 一种用于注浆材料电阻率测定的智能监测装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110501386B (zh) 2020-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cai et al. Assessment of excavation damaged zone using a micromechanics model
CN110501386A (zh) 基于碳纤维混凝土的岩爆预警方法
Zhu et al. Study on splitting failure in rock masses by simulation test, site monitoring and energy model
CN111141620B (zh) 用于地下工程的高温条件下围岩热稳定性声发射评价方法
CN101581701A (zh) 一种地表注浆效果检测的方法
WO2020057363A1 (zh) 一种巷道表面绝对收敛量的观测装置及观测方法
CN116703244B (zh) 采矿沉陷区治理效果与综合评价方法
Mooney et al. Real-time tunnel boring machine monitoring: A state of the art review
CN114322819B (zh) 光纤光栅传感器、深部巷道围岩的应变监测方法及系统
Miao et al. Stress intensity factor evolution considering fracture process zone development of granite under monotonic and stepwise cyclic loading
Feng et al. Experimental method for direct shear tests of hard rock under both normal stress and lateral stress
Wang et al. Combined effects of fault geometry and roadway cross-section shape on the collapse behaviors of twin roadways: An experimental investigation
Tang et al. Application of a FBG-based instrumented rock bolt in a TBM-excavated coal mine roadway
Goh et al. Understanding the stiffness of soils in Singapore from pressuremeter testing
Zhao et al. Three-dimensional, real-time, and intelligent data acquisition of large deformation in deep tunnels
Deng et al. Prefabricated acoustic emission array system for landslide monitoring
CN115266345A (zh) 基于电缆传感器的煤岩变形破坏三维动态测试方法
Sun et al. Study on reasonable size of coal and rock pillar in dynamic pressure roadway segment of fully mechanized face in deep shaft
Su et al. Depth of floor failure of stope with medium-thickness coal seam
Zhang et al. Study on stability and plastic zone distribution of tunnel with thin carbonaceous slate at different dip angles
CN103323279B (zh) 评价尺寸效应对隧洞开挖响应影响的试验方法
Ma et al. Research on in situ stress distribution of the railway tunnels in southwest China based on the complete temperature compensation technology
Zaki et al. Geological prediction ahead of tunnel face in the limestone formation tunnel using multi-modal geophysical surveys
CN103837399B (zh) 一种基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法
Zhang et al. Detection and evaluation of crack development near the fault zone under the influence of coal mining

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant