CN111379583B - 一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及岩体工程支护设备技术领域，尤其涉及一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置，包括中空锚杆，还包括线位移传感器和悬索，所述悬索的一端与线位移传感器连接，所述悬索的另一端贯穿中空锚杆并固定在中空锚杆的端头，所述线位移传感器通过检测悬索的线位移来监测中空锚杆变形。本发明可实现端部锚固、全长锚固、分段混合锚固等方式锚杆全长范围的总锚固力的在线监测；针对施工作业复杂条件可能导致的外接线路故障设计了故障诊断诊断、故障期间数据采集、故障期间数据存储、数据断点续传功能，对于获取持续性监测数据具有重要意义；具有良好防潮、防腐、防爆性能，可满足复杂工程条件长期监测要求。

Description

一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置
技术领域
本发明涉及岩体工程支护设备技术领域，尤其涉及一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置。
背景技术
岩体锚固技术是矿山、隧道、边坡、水利等领域核心技术之一，获得锚杆全长范围内总锚固力对于确保工程稳定、节约工程成本具有重要意义。锚杆按照锚固形式分为端部锚固、全长锚固、混合式锚固三大类，现有锚杆技术多采用在锚杆体黏贴应变片或在孔口安装测力装置方式实现锚杆应力监测，对于端部锚固锚杆此种方法可获得锚杆总锚固力，但对于全长锚固和混合式锚固方式锚杆仅可获取锚杆体局部锚固力，不能代表锚杆全长范围受力。为此，我们提出一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置，具有适用于不同锚固形式、复杂岩体条件，可实现锚杆全长范围总锚固力监测的特点，解决了现有技术无法实现锚杆全长范围总锚固力监测的问题。
本发明提供如下技术方案：一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置，包括中空锚杆，还包括线位移传感器和悬索，所述悬索的一端与线位移传感器连接，所述悬索的另一端贯穿中空锚杆并固定在中空锚杆的端头，所述线位移传感器通过检测悬索的线位移来监测中空锚杆变形。
优选的，所述线位移传感器内部设有恒定拉力维持装置，用于保证悬索张拉力恒定不变。
优选的，还包括信号处理装置，所述线位移传感器将位移值转化为电信号，并传送至信号处理装置，所述信号处理装置将电信号转换成数字信号并存储，最后将监测数据传送至外网。
优选的，所述信号处理装置包括信号采集模块、信号转换模块、信号存储模块、信号传输模块和供电系统，所述信号处理装置通过信号转换模块将电流信号转换为数字信号，所述信号处理装置通过信号传输模块实现数据的传输，所述信号传输模块通过信号传输线缆将信号传输至外网，所述信号存储模块将数字信号存入NAND Flash芯片。
优选的，所述供电系统包括锂电池组供电和外接电源供电两种供电方式，当外接电源断电时，采用内置的锂电池组供电，且信号采集模块和信号传输模块转为低功耗NB-IoT模式。
优选的，所述悬索通过悬索回型锁和悬索固定托盘固定在中空锚杆端头。
优选的，所述中空锚杆的端头设置有保护悬索回型锁和悬索固定托盘的端头密封盖板，所述中空锚杆的尾部设置有尾部密封盖板。
优选的，所述中空锚杆与悬索固定托盘之间以及中空锚杆与尾部密封盖板之间均设置有密封垫圈-A。
优选的，所述悬索固定托盘与端头密封盖板之间填充有密封垫，所述尾部密封盖板与线移传感器之间设置有密封垫圈-B。
本发明提供了一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置，可实现端部锚固、全长锚固、分段混合锚固等方式锚杆全长范围的总锚固力的在线监测；针对施工作业复杂条件可能导致的外接线路故障设计了故障诊断诊断、故障期间数据采集、故障期间数据存储、数据断点续传功能，对于获取持续性监测数据具有重要意义；本装置具有良好防潮、防腐、防爆性能，可满足复杂工程条件长期监测要求；本装置适用于所有锚固类型锚杆全长范围锚固力监测。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图中：1、端头密封盖板；2、密封垫；3、悬索回型锁；4、悬索固定托盘；5、密封垫圈-A；6、悬索；7、中空锚杆；8、尾部密封盖板；9、密封垫圈-B；10、线移传感器；11、信号采集模块；12、信号转换模块；13、信号存储模块；14、信号传输模块；15、锂电池组；16、信号传输线缆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置，包括中空锚杆7，还包括线位移传感器10和悬索6，悬索6的一端与线位移传感器10连接，悬索6的另一端贯穿中空锚杆7并固定在中空锚杆7的端头，线位移传感器10通过检测悬索6的线位移来监测中空锚杆7变形。线位移传感器10内部设有恒定拉力维持装置，用于保证悬索6张拉力恒定不变。技术方案采用间接式锚固力测量方法，通过获取中空锚杆7全长范围内的总伸长量，换算锚杆应变值，再根据弹性理论与截面面积计算出锚杆轴向受力总和总锚固力。
还包括信号处理装置，线位移传感器10将位移值转化为电信号，并传送至信号处理装置，信号处理装置将电信号转换成数字信号并存储，最后将监测数据传送至外网。
信号处理装置包括信号采集模块11、信号转换模块12、信号存储模块13、信号传输模块14和供电系统。供电系统包括锂电池组15供电和外接电源供电两种供电方式，当外接电源断电时，采用内置的锂电池组15供电，且信号采集模块11和信号传输模块14转为低功耗NB-IoT模式。信号处理装置通过信号转换模块12将电流信号转换为数字信号，信号处理装置通过信号传输模块14实现数据的传输，信号传输模块14通过信号传输线缆16将信号传输至外网，信号存储模块13可以将数字信号存入NAND Flash芯片，即便是在信号传输线缆16故障时，数字信号也不会丢失。考虑到工程复杂环境经常导致供电线路与信号传输线缆16故障，信号处理装置具有线路故障判定功能，外接电缆断电时采用锂电池组15供电，维持数据的采集与存储；当信号传输线缆16故障时监测数据存入NAND Flash芯片，待信号传输线缆16接通后实现存储数据断点续传。
悬索6通过悬索回型锁3和悬索固定托盘4固定在中空锚杆7端头。中空锚杆7的端头设置有保护悬索回型锁3和悬索固定托盘4的端头密封盖板1，中空锚杆7的尾部设置有尾部密封盖板8。中空锚杆7与悬索固定托盘4之间以及中空锚杆7与尾部密封盖板8之间均设置有密封垫圈-A5。悬索固定托盘4与端头密封盖板1之间填充有密封垫2，尾部密封盖板8与线位移传感器10之间设置有密封垫圈-B9。锚杆两端设密封盖板，采用螺纹连接方式与中空锚杆7连接；各类连接器件间安装专用橡胶垫片、垫圈，保证中空锚杆7干燥；悬索6采用包塑铟钢，可有效降低潮湿、温度变化、疲劳对于设备精度影响。
在使用时，中空锚杆7内部安装包塑铟钢悬索6，并在锚杆两端固定；悬索6尾端与线位移传感器10相连，根据传感器工作要求设定好悬索6张拉力；线位移传感器10将位移值转化为电信号，并传送至信号处理装置；信号处理装置将电信号转换成数字信号，并写入NAND Flash芯片，在通过信号传输模块14将监测数据传送至外网。
中空锚杆7采用端部锚固形式时，中空锚杆7锚杆总锚固力与悬索6位移计算公式为：
σ＝E*ε；
Figure BDA0002488358510000041
Figure BDA0002488358510000051
Figure BDA0002488358510000052
其中F代表端部锚固，锚杆轴力；
U代表锚杆总伸长量，即悬索位移；
L代表锚杆长度；
E代表锚杆弹性模量；
R1代表中空锚杆外径；
R2代表中空锚杆内径；
σ代表锚杆应力；
ε代表锚杆应变。
中空锚杆7采用全长粘接锚固形式时，中空锚杆7锚杆总锚固力与悬索6位移计算公式为：
Figure BDA0002488358510000053
Figure BDA0002488358510000054
Figure BDA0002488358510000055
Figure BDA0002488358510000056
其中F(x)代表全长粘接锚固或混合锚固中粘接段的锚杆轴力函数；
τ(x)代表全长粘接锚固或混合锚固中粘接段的轴向剪切力分布函数。
中空锚杆7采用自由段和粘接段结合的混合锚杆时，中空锚杆7自由段锚固力和粘接段锚固力分开计算，公式如下：
自由段锚固力
Figure BDA0002488358510000057
Figure BDA0002488358510000058
粘接段锚固力
Figure BDA0002488358510000061
Figure BDA0002488358510000062
Figure BDA0002488358510000063
U＝U1+U2:
Figure BDA0002488358510000064
其中L1代表中空锚杆自由段的长度，其中U1代表中空锚杆自由段锚杆总伸长量；
其中U2代表中空锚杆粘接段锚杆总伸长量，其中U2(x)代表混合锚固时，粘结段锚杆轴向位移函数。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置，包括中空锚杆(7)，其特征在于：还包括线位移传感器(10)和悬索(6)，所述悬索(6)的一端与线位移传感器(10)连接，所述悬索(6)的另一端贯穿中空锚杆(7)并固定在中空锚杆(7)的端头，所述线位移传感器(10)通过检测悬索(6)的线位移来监测中空锚杆(7)变形；
中空锚杆(7)采用端部锚固形式时，中空锚杆(7)锚杆总锚固力与悬索(6)位移计算公式为：
σ＝E*ε；
Figure FDA0003875051670000011
Figure FDA0003875051670000012
Figure FDA0003875051670000013
其中F代表端部锚固，锚杆轴力；
U代表锚杆总伸长量，即悬索位移；
L代表锚杆长度；
E代表锚杆弹性模量；
A代表锚杆受力面积；
R1代表中空锚杆外径；
R2代表中空锚杆内径；
σ代表锚杆应力；
ε代表锚杆应变；
中空锚杆(7)采用全长粘接锚固形式时，中空锚杆(7)锚杆总锚固力与悬索(6)位移计算公式为：
Figure FDA0003875051670000014
Figure FDA0003875051670000021
Figure FDA0003875051670000022
Figure FDA0003875051670000023
其中F(x)代表全长粘接锚固或混合锚固中粘接段的锚杆轴力函数；
τ(x)代表全长粘接锚固或混合锚固中粘接段的轴向剪切力分布函数；
中空锚杆(7)采用自由段和粘接段结合的混合锚杆时，中空锚杆(7)自由段锚固力和粘接段锚固力分开计算，公式如下：
自由段锚固力
Figure FDA0003875051670000024
Figure FDA0003875051670000025
粘接段锚固力
Figure FDA0003875051670000026
Figure FDA0003875051670000027
Figure FDA0003875051670000028
U＝U1+U2；
Figure FDA0003875051670000029
其中L1代表中空锚杆自由段的长度，其中U1代表中空锚杆自由段锚杆总伸长量；
其中U2代表中空锚杆粘接段锚杆总伸长量，其中U2(x)代表混合锚固时，粘结段锚杆轴向位移函数，L2代表中空锚杆粘接段的长度。
2.根据权利要求1所述的一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置，其特征在于：所述线位移传感器(10)内部设有恒定拉力维持装置，用于保证悬索(6)张拉力恒定不变。
3.根据权利要求1所述的一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置，其特征在于：还包括信号处理装置，所述线位移传感器(10)将位移值转化为电信号，并传送至信号处理装置，所述信号处理装置将电信号转换成数字信号并存储，最后将监测数据传送至外网。
4.根据权利要求3所述的一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置，其特征在于：所述信号处理装置包括信号采集模块(11)、信号转换模块(12)、信号存储模块(13)、信号传输模块(14)和供电系统，所述信号处理装置通过信号转换模块(12)将电流信号转换为数字信号，所述信号处理装置通过信号传输模块(14)实现数据的传输，所述信号传输模块(14)通过信号传输线缆(16)将信号传输至外网，所述信号存储模块(13)将数字信号存入NANDFlash芯片。
5.根据权利要求4所述的一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置，其特征在于：所述供电系统包括锂电池组(15)供电和外接电源供电两种供电方式，当外接电源断电时，采用内置的锂电池组(15)供电，且信号采集模块(11)和信号传输模块(14)转为低功耗NB-IoT模式。
6.根据权利要求1所述的一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置，其特征在于：所述悬索(6)通过悬索回型锁(3)和悬索固定托盘(4)固定在中空锚杆(7)端头。
7.根据权利要求6所述的一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置，其特征在于：所述中空锚杆(7)的端头设置有保护悬索回型锁(3)和悬索固定托盘(4)的端头密封盖板(1)，所述中空锚杆(7)的尾部设置有尾部密封盖板(8)。
8.根据权利要求7所述的一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置，其特征在于：所述中空锚杆(7)与悬索固定托盘(4)之间以及中空锚杆(7)与尾部密封盖板(8)之间均设置有密封垫圈-A(5)。
9.根据权利要求8所述的一种通体式锚杆全长范围总锚固力监测装置，其特征在于：所述悬索固定托盘(4)与端头密封盖板(1)之间填充有密封垫(2)，所述尾部密封盖板(8)与线位移传感器(10)之间设置有密封垫圈-B(9)。
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