CN110985082A - 一种古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置及方法，装置包括锚固系统、支撑系统和监测系统；所述锚固系统设置在所述顶板的上方，用于对所述顶板进行锚固；所述支撑系统设置在所述围岩上，用于对所述锚固系统进行支撑，所述锚固系统的受力通过所述支撑系统传递至所述围岩所在的地层中；所述监测系统用于对所述锚固系统和所述支撑系统的受力情况进行信息数据采集，通过监测数据判断所述加固装置的受力状况。方法包括：考察围岩所在地层的地质背景，根据围岩的力学特性，确认并固定垫板位置；安装支撑系统安装锚固系统；安装监测系统。本发明的加固装置可以通过监测数据提前干预以防止文物破坏，对文物损坏小，经济高效，可推广性强。

Description

一种古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置及方法
技术领域
本发明属于顶板加固技术领域，具体涉及一种古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置及方法。
背景技术
顶板加固技术主要是针对构筑体顶部因力学状态的变化而诱发的应力松弛、变形等失稳现象而采取的力学措施。20世纪50年代初期至今，我国多处文物保护工程使用加固技术进行支护，因其设计的灵活性及可最大程度保持文物原状的特点，取得了良好的支护效果。
目前，顶板加固技术中较为常用的为锚固技术，其基本原理是依靠锚固体与周围岩土体的摩擦力来实现对不稳定岩体的加固，常用的可分为施加预应力的点锚固和非预应力锚杆的全粘结锚固。
具体在顶板加固中，主要是通过锚杆的作用，将顶板与锚杆连接形成共同的复合结构，通过改善岩体的应力状态来实现自稳。应用在文物加固中也较多的使用这些方法，但当顶板岩体强度严重不足、岩层厚度小，深层岩体亦无法提供稳定锚固点时，传统锚固方法应用的局限性即凸显出来；传统锚固方法对岩体本身扰动较大，岩体表面加固痕迹无法消除，无法满足对于石窟薄顶板文物加固的要求。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置及方法，针对石窟中悬空且较薄的层状顶板进行加固时对岩体本身的扰动较大，岩体表面加固痕迹无法消除，无法满足石窟薄顶板文物加固要求的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，包括顶板和位于所述顶板周边的围岩，所述加固装置还包括：
锚固系统，所述锚固系统设置在所述顶板的上方，用于对所述顶板进行锚固；
支撑系统，所述支撑系统设置在所述围岩上，所述支撑系统用于对所述锚固系统进行支撑，所述锚固系统的受力通过所述支撑系统传递至所述围岩所在的地层中；
监测系统，所述监测系统用于对所述锚固系统和所述支撑系统的受力情况进行信息数据采集，通过监测数据判断所述加固装置的受力状况。
在如上所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，优选，所述锚固系统包括：锚杆、环梁和第一立柱；
所述环梁设置在所述顶板的上方；所述锚杆的锚固端锚固在所述顶板的底部，所述锚杆的自由端与所述环梁连接；所述环梁的下方设置有第一立柱，所述第一立柱的顶端与所述环梁的底部接触连接，底端与所述支撑系统连接；
优选地，所述锚杆有多个，多个锚杆均匀排布连接在所述环梁上；
再优选地，所述环梁的横截面呈圆形。
在如上所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，优选，所述锚杆位于所述顶板底部的锚固端设置有可拆卸锚固装置。
在如上所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，优选，所述可拆卸锚固装置包括内置锚固螺母、可拆卸螺母和锚垫板；
所述内置锚固螺母嵌置在所述顶板的钻孔下部，所述可拆卸螺母设置在所述锚杆的端部并位于所述顶板的下方，所述锚垫板套设在所述锚杆上并在所述可拆卸螺母的紧固力下贴附在所述顶板的底端面上。
在如上所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，优选，所述支撑系统设置在所述锚固系统的下方，所述支撑系统包括：横梁、第二立柱和垫板；
所述横梁跨设在所述顶板上方，所述横梁包括第一横梁和第二横梁，所述第一横梁与所述第二横梁交叉设置对所述锚固系统形成支撑，所述第一立柱的底端连接在所述横梁上，所述锚固系统通过所述第一立柱将受力传递到所述支撑系统；
所述垫板设置在所述横梁的下方并固定在所述围岩上，所述横梁通过所述第二立柱与所述垫板连接，将所述支撑系统的受力传递至所述围岩内部地层中；
优选地，所述第一立柱设置有四个，四个第一立柱分布在所述环梁在所述横梁上的投影处。
在如上所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，优选，所述第二立柱分别设置在所述第一横梁和所述第二横梁的端部下方；所述第二立柱和所述垫板均设置有四个。
在如上所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，优选，所述第一横梁和所述第二横梁相互交叉呈120°设置。
在如上所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，优选，所述监测系统包括力学监测仪，所述力学监测仪分别与所述锚杆和所述横梁连接，用于监测所述锚杆和所述横梁的受力情况；
优选地，所述力学监测仪为全自动力学监测仪，所述力学监测仪设置在所述锚杆的自由端部和所述横梁的端部。
在如上所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，优选，所述环梁为箱型梁或方钢管经加工而成；
优选地，所述垫板为厚度为20-38mm。
一种古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固方法，所述加固方法包括如下步骤：
步骤一、考察围岩所在地层的地质背景，根据围岩的力学特性，确认并固定垫板位置，做好支撑系统安装准备；
步骤二、安装支撑系统：将多个第二立柱与横梁的端部连接，然后将所述第二立柱的底端固定在所述垫板上；
步骤三、安装锚固系统：将第一立柱的底端安装在所述横梁上，然后将所述第一立柱的顶端与环梁连接；对顶板和所述环梁进行钻孔，将锚杆锚固在所述顶板和所述环梁上；在所述锚杆的底端采用可拆卸锚固装置锚固，对所述顶板的钻孔内进行灌浆；步骤四、安装监测系统：在所述锚杆和所述横梁上安装全自动力学监测仪，待所述全自动力学监测仪监测数据达到设定锚固力时，拆除所述可拆卸锚固装置中的可拆卸螺母和锚垫板，封锚。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
本发明的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置主要针对石窟中悬空且较薄的层状顶板进行加固，利用锚杆的悬吊作用，将顶板岩体的重力通过支撑结构传递至顶板两侧的稳定岩体中。该加固装置和加固方法针对顶板厚度小、层面脱落垮塌现象普遍、风化破坏作用持续加剧的洞窟薄顶板使用效果显著。本发明的加固装置还具有以下优异效果：
(1)本发明的智能加固装置对锚杆顶端及支撑横梁两端均设置力学监测仪，可以通过监测数据判断装置工作状况，如遇极端情况，可提前干预以防止文物破坏；
(2)可拆卸锚固装置的设计，仅对文物顶板造成微小损伤，最大程度保障文物的观赏性，满足文物加固中“修旧如旧”的要求；
(3)该装置可根据顶板岩体及围岩的不同情况进行结构调整设计，经济高效可推广；本装置中的材料使用高强度防腐材料，使用年限可满足文物加固的基本要求。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明实施例的智能加固装置的立体结构示意图；
图2为本发明实施例的智能加固装置的俯视图；
图3为本发明实施例中的锚杆在顶板中的结构示意图；
图4为图2中的A-A向剖视图；
图5为图4中两个锚杆作用时顶板受力分析示意图。
图中：1、锚杆；2、可拆卸锚固装置；21、可拆卸螺母；22、内置锚固螺母；23、锚垫板；3、环梁；4、第一立柱；5、横梁；51、第一横梁；52、第二横梁；6、第二立柱；7、垫板；8、力学监测仪；9、顶板；10、围岩；11、钻孔。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1至图5所示，根据本发明的实施例，提供了一种古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，主要针对石窟中悬空且较薄的层状顶板进行加固。
智能加固装置包括待加固顶板9和位于顶板9周边的围岩10，顶板9位于石窟上方，顶板9的周向外侧为围岩10并由围岩10对其夹持支撑，智能加固装置还包括锚固系统、支撑系统和监测系统。
锚固系统设置在顶板9的上方，用于对待加固顶板9进行锚固；本发明的具体实施例中，锚固系统包括：锚杆1、环梁3和第一立柱4。环梁3设置在顶板9的上方。锚杆1设置在顶板9的钻孔11中，锚杆1的锚固端锚固在顶板9的底部，锚杆1的自由端与环梁3连接，锚杆1自由端设置有普通固定的锚固螺母，将锚杆1固定在环梁3上；其中，锚杆1的杆体为高强度高韧性钢材料，锚杆1具体为NPR锚杆1，通过螺栓与环梁3连接。环梁3的下方设置有第一立柱4，第一立柱4的顶端与环梁3的底部接触连接，底端与支撑系统连接，优选地，第一立柱4的顶端与环梁3通过螺栓连接，然后将受力传递至支撑系统。
本发明的具体实施例中，环梁3的横截面呈圆形，半径为2500mm；环梁3由箱型梁或方钢管经加工后焊接而成；优选地，方钢管的边长为300mm×300mm；优选地，锚杆1设置有六个，沿环梁3的周向均匀排布并锚固在顶板9上，六个沿环梁3均匀分布的锚杆1可将顶板9重量均匀传递至环梁3，以避免环梁3局部弯进而引起环梁3局部应力集中导致弯剪破坏。第一立柱4的长度为2m。
锚杆1位于顶板9底部的锚固端设置有可拆卸锚固装置2。可拆卸锚固装置2包括内置锚固螺母22、可拆卸螺母21和锚垫板23；内置锚固螺母22嵌置在顶板9的钻孔11下部，可拆卸螺母21设置在锚杆1的端部并位于顶板9的下方，锚垫板23套设在锚杆1上并在可拆卸螺母21的紧固压力下贴附在顶板9的底端面上。当锚杆1注浆后达到锚固力时可将可拆卸锚固装置2中的可拆卸螺母21松开，锚垫板23即可拆除，这样可以对文物顶板9造成微小损伤，最大程度保障文物的观赏性。
支撑系统设置在围岩10上，支撑系统用于对锚固系统进行支撑，锚固系统的受力通过支撑系统传递至围岩10所在的地层中；
本发明的具体实施例中，支撑系统设置在锚固系统的下方，支撑系统包括：横梁5、第二立柱6和垫板7。
横梁5跨设在顶板9上方，横梁5包括第一横梁51和第二横梁52，第一横梁51与第二横梁52交叉设置对锚固系统形成稳定支撑，第一立柱4的底端固定在横梁5上，优选地，第一立柱4的底端与横梁5通过螺栓连接；锚固系统通过第一立柱4将受力传递到支撑系统；
本发明的具体实施例中，横梁5为热轧H型钢：HW400mm×400mm，第一横梁51和第二横梁52相互交叉呈120°设置；横梁5的长度为10m。
垫板7设置在横梁5的下方并固定在围岩10上，横梁5通过第二立柱6与垫板7连接，优选地，第二立柱6与横梁5和垫板7均通过螺栓连接，然后将支撑系统的受力通过垫板7传递至外侧围岩10内部稳定地层中；优选地，垫板7为薄垫板，厚度为20-38mm(比如22mm、24mm、26mm、28mm、30mm、32mm、34mm、36mm)。
本发明的具体实施例中，第一立柱4设置有四个，第一立柱4位于环梁3在横梁5上的投影处，第一立柱4设置在环梁3和横梁5之间。第二立柱6和垫板7均设置有四个；第二立柱6分别设置在第一横梁51和第二横梁52的端部下方；优选地，第二立柱6中心位于横梁5端部500mm位置处；第二立柱6的长度为340mm。当然根据拟加固顶板9的厚度、围岩10的力学特性，本发明中的横梁5、环梁3、第一立柱4、第二立柱6的尺寸可以进行进行适应性调整，本发明对此不做限定。
监测系统用于对锚固系统和支撑系统的受力情况进行信息数据采集，通过监测数据判断加固装置的受力状况。
本发明的具体实施例中，监测系统包括力学监测仪8，力学监测仪8分别与锚杆1和横梁5连接，用于监测锚杆1和横梁5的受力情况；优选地，力学监测仪8为全自动力学监测仪8，设置在每个锚杆1的自由端部，第一横梁51和第二横梁52的端部。本发明实施例采用的全自动力学监测仪8的具体型号为：振弦式荷载传感器JXL-3JXL-4。
当锚杆1拉力发生变化的时候，变化的数值将通过力学监测仪8进行采集，通过无线传输的方式传输至终端的接收和分析装置中。
锚杆1拉力通过以下公式来计算：
F初＝G－N－R
式中：G-加固结构及顶板9的自重(kN)，该值为常量，G＝γ×V+Gm
其中，γ为顶板9岩体饱和重度(kN/m3)，V为待加固顶板9体积(m3)，Gm为加固装置自重(kN)；
N-围岩10通过第二立柱6提供的初始支撑力(kN)；
该力可通过顶板9支护完成后的锚杆1拉力监测值反算得出。
R-锚杆1提供的锚固力(kN)；R＝R1+R2+R3+R4+R5+R6；
Rn＝πd∑qsk,ili
式中：d-锚杆1的锚固体直径(m)；
li-锚杆1的锚固段在顶板9中的长度(m)；
qsk，i-锚固体与顶板9之间的粘结强度标准值(kpa)，该值通过试验确定。
F-锚杆1提供的拉力(kN)；F＝F1+F2+F3+F4+F5+F6。
当实时监测拉力合力Fn≤F初，预警发出。
当锚杆1和待加固顶板9之间发生相对位移，锚固力减少，锚杆1拉力增加，F的变化趋势可及时提供顶板9失稳预警信息。同时，本发明可实现顶板9失稳前的实时预警警报。
本发明还可以根据计算锚杆1拉力绘制顶板9失稳预警值和时间的关系曲线以直观的显示加固锚杆1拉力的变化。
本发明还提供了一种古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固方法，智能加固方法包括如下步骤：
步骤一、考察围岩10所在地层的地质背景，根据围岩10的力学特性，确定是否满足锚固力需求，确认并固定垫板7位置，做好支撑系统安装准备；
步骤二、安装支撑系统：分别将四个第二立柱6与横梁5的端部连接，然后将第二立柱6的底端通过螺栓固定在垫板7上；
步骤三、安装锚固系统：分别将四个第一立柱4的底端安装在横梁5上，然后将第一立柱4的顶端与环梁3连接；对顶板9和环梁3分别进行钻孔，然后将锚杆1插入到顶板9和环梁3的孔内；在锚杆1的底端采用可拆卸锚固装置2连接，对顶板9的钻孔11内部进行灌浆；
步骤四、安装监测系统：在锚杆1自由端的可拆卸锚固装置2上方和横梁5的两端安装全自动力学监测仪8，待全自动力学监测仪8监测数据达到设定锚固力时，拆除锚杆1的可拆卸锚固装置2中的可拆卸螺母21和锚垫板23，封锚。
总之，本发明提供的智能加固装置通过立柱-横梁5-锚杆1-环梁3实现薄顶板9与周围围岩10的连接，将薄顶板9及加固装置自重通过锚杆1传递至两侧地质条件良好的围岩10中。包括多个小型的第二立柱6，通过薄垫片支撑在两侧稳定围岩10体中；多个锚杆1穿越待加固顶板9，用于随时感知锚杆1及顶板9岩体的相对位移及锚固力变化；多个力学监测仪8，连接于锚杆1顶端的可拆卸锚固装置2外侧，用于监测锚杆1拉力的变化，变化后的数值将进行自动采集，通过无线传输的方式传输到终端的分析装置中；锚杆1浇筑完成并达到设计强度后，位于锚杆1底端的可拆卸锚固装置2中的可拆卸螺母21和锚垫板23即可拆除，防止对顶板9文物景观的破坏；多个第一立柱4及环梁3用于锚杆1吊起后将力传至两侧围岩10；设置有监测系统，包括数据采集及分析装置，通过公式计算出锚杆1拉力预警值F初，进而分析顶板9稳定性。
综上所述，本发明的加固装置具有以下优异效果：
(1)本发明的智能加固装置设置力学监测仪，可以通过监测数据判断装置工作状况，如遇极端情况，可提前干预以防止文物破坏；
(2)在锚固系统中加入阻尼装置，较传统锚固设计具有更好的抵御形变的能力，均衡支撑系统受力，保障整体装置的稳定性；
(3)可拆卸锚固装置的设计，仅对文物顶板造成微小损伤，最大程度保障文物的观赏性，满足文物加固中“修旧如旧”的要求；
(4)该装置可根据顶板岩体及围岩的不同情况进行结构调整设计，即根据拟加固顶板的厚度、围岩的力学特性，对本发明中的横梁、环梁、第一立柱、第二立柱的尺寸进行适应性调整，经济高效可推广；本装置中的材料使用高强度防腐材料，环梁、横梁和立柱采用的钢结构为高耐候钢，如Q355GNH或其他与顶板所在环境相适宜的高强度耐候钢，使用年限可满足文物加固的基本要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，包括顶板和位于所述顶板周边的围岩，其特征在于，所述加固装置还包括：
锚固系统，所述锚固系统设置在所述顶板的上方，用于对所述顶板进行锚固；
支撑系统，所述支撑系统设置在所述围岩上，所述支撑系统用于对所述锚固系统进行支撑，所述锚固系统的受力通过所述支撑系统传递至所述围岩所在的地层中；
监测系统，所述监测系统用于对所述锚固系统和所述支撑系统的受力情况进行信息数据采集，通过监测数据判断所述加固装置的受力状况。
2.如权利要求1所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，其特征在于，所述锚固系统包括：
环梁，所述环梁设置在所述顶板的上方；
锚杆，所述锚杆的锚固端锚固在所述顶板的底部，所述锚杆的自由端与所述环梁连接；
第一立柱，所述环梁的下方设置有第一立柱，所述第一立柱的顶端与所述环梁的底部接触连接，底端与所述支撑系统连接；
优选地，所述锚杆有多个，多个锚杆均匀排布连接在所述环梁上；
再优选地，所述环梁的横截面呈圆形。
3.如权利要求2所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，其特征在于，所述锚杆位于所述顶板底部的锚固端设置有可拆卸锚固装置。
4.如权利要求3所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，其特征在于，所述可拆卸锚固装置包括内置锚固螺母、可拆卸螺母和锚垫板；
所述内置锚固螺母嵌置在所述顶板的钻孔下部，所述可拆卸螺母设置在所述锚杆的端部并位于所述顶板的下方，所述锚垫板套设在所述锚杆上并在所述可拆卸螺母的紧固力下贴附在所述顶板的底端面上。
5.如权利要求2所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，其特征在于，所述支撑系统设置在所述锚固系统的下方，所述支撑系统包括：
横梁，所述横梁跨设在所述顶板上方，所述横梁包括第一横梁和第二横梁，所述第一横梁与所述第二横梁交叉设置对所述锚固系统形成支撑；
第二立柱，所述第一立柱的底端连接在所述横梁上，所述锚固系统通过所述第一立柱将受力传递到所述支撑系统；
垫板，所述垫板设置在所述横梁的下方并固定在所述围岩上，所述横梁通过所述第二立柱与所述垫板连接，将所述支撑系统的受力传递至所述围岩内部地层中；
优选地，所述第一立柱设置有四个，四个第一立柱分布在所述环梁在所述横梁上的投影处。
6.如权利要求5所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，其特征在于，所述第二立柱分别设置在所述第一横梁和所述第二横梁的端部下方；所述第二立柱和所述垫板均设置有四个。
7.如权利要求5所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，其特征在于，所述第一横梁和所述第二横梁相互交叉呈120°设置。
8.如权利要求5所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，其特征在于，所述监测系统包括力学监测仪，所述力学监测仪分别与所述锚杆和所述横梁连接，用于监测所述锚杆和所述横梁的受力情况；
优选地，所述力学监测仪为全自动力学监测仪，所述力学监测仪设置在所述锚杆的自由端部和所述横梁的端部。
9.如权利要求5所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置，其特征在于，所述环梁为箱型梁或方钢管经加工而成；
优选地，所述垫板为厚度为20-38mm。
10.如权利要求1～9任一项所述的古文物遗址石窟薄顶板微损伤智能加固装置的加固方法，其特征在于，所述加固方法包括如下步骤：
步骤一、考察围岩所在地层的地质背景，根据围岩的力学特性，确认并固定垫板位置，做好支撑系统安装准备；
步骤二、安装支撑系统：将多个第二立柱与横梁的端部连接，然后将所述第二立柱的底端固定在所述垫板上；
步骤三、安装锚固系统：将第一立柱的底端安装在所述横梁上，然后将所述第一立柱的顶端与环梁连接；对顶板和所述环梁进行钻孔，将锚杆锚固在所述顶板和所述环梁上；在所述锚杆的底端采用可拆卸锚固装置锚固，对所述顶板的钻孔内进行灌浆；步骤四、安装监测系统：在所述锚杆和所述横梁上安装全自动力学监测仪，待所述全自动力学监测仪监测数据达到设定锚固力时，拆除所述可拆卸锚固装置中的可拆卸螺母和锚垫板，封锚。
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