CN111551300B - 一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及岩体工程支护技术领域，具体为一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法，包括如下步骤：在中空锚杆内部安装悬索，悬索端头固定在中空锚杆端头，悬索尾端与线位移传感器相连，通过线位移传感器监测悬索变化的位移量得到中空锚杆全长范围内的总伸长量，通过中空锚杆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，得到中空锚杆的总锚固力。本发明采用间接式锚固力测量方法，通过获取锚杆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)，可适用于不同锚固形式、复杂岩体条件，实现锚杆全长范围总锚固力监测的特点。

Description

一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法
技术领域
本发明涉及岩体工程支护技术领域，具体为一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法。
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，我们提出一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法，包括如下步骤：在中空锚杆内部安装悬索，悬索端头固定在中空锚杆端头，悬索尾端与线位移传感器相连，通过线位移传感器监测悬索变化的位移量得到中空锚杆全长范围内的总伸长量，通过中空锚杆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，得到中空锚杆的总锚固力。
优选的，所述中空锚杆采用端部锚固形式时，中空锚杆总锚固力与悬索位移计算公式为：
Figure BDA0002488730650000011
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。
优选的，所述中空锚杆采用全长粘接锚固形式时，中空锚杆总锚固力与悬索位移计算公式为：
Figure BDA0002488730650000021
Figure BDA0002488730650000022
Figure BDA0002488730650000023
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。
优选的，所述中空锚杆采用自由段和粘接段结合的混合锚杆时，所述中空锚杆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 BDA0002488730650000024
Figure BDA0002488730650000025
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；
粘接段锚固力
Figure BDA0002488730650000026
Figure BDA0002488730650000027
Figure BDA0002488730650000028
U＝U1+U2；
Figure BDA0002488730650000031
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。
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，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转换模块、信号采集模块、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。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用间接式锚固力测量方法，通过获取锚杆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)，可适用于不同锚固形式、复杂岩体条件，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。
附图说明
图1为本发明实施例一中空锚杆采用端部锚固形式时的示意图；
图2为本发明实施例二中空锚杆采用全长粘接锚固形式时的示意图；
图3为本发明实施例三中空锚杆采用混合锚固形式时的示意图。
具体实施方式
下面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。
本发明提供一种技术方案：一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法，包括如下步骤：在中空锚杆内部安装悬索，悬索端头固定在中空锚杆端头，悬索尾端与线位移传感器相连，通过线位移传感器监测悬索变化的位移量得到中空锚杆全长范围内的总伸长量，通过中空锚杆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，得到中空锚杆的总锚固力。
实施例一：
如图1所示，中空锚杆采用端部锚固形式时，在中空锚杆内部安装悬索，悬索端头固定在中空锚杆端头，悬索尾端与线位移传感器相连，通过线位移传感器监测悬索变化的位移量得到中空锚杆全长范围内的总伸长量，通过中空锚杆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，得到中空锚杆的总锚固力。
中空锚杆总锚固力与悬索位移计算公式为：
σ＝E*ε；
Figure BDA0002488730650000041
Figure BDA0002488730650000042
Figure BDA0002488730650000043
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。
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。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，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转换模块、信号采集模块、信号存储模块、信号传输模块和供电系统。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，信号处理装置通过信号传输模块实现数据的传输，信号传输模块通过信号传输线缆将信号传输至外网，信号存储模块将数字信号存入NAND Flash芯片。
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。
实施例二：
如图2所示，中空锚杆采用全长粘接锚固形式时，与实施例一的区别技术如下：
中空锚杆总锚固力与悬索位移计算公式为：
Figure BDA0002488730650000051
Figure BDA0002488730650000052
Figure BDA0002488730650000053
Figure BDA0002488730650000054
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。
实施例三：
如图3所示，中空锚杆采用自由段和粘接段结合的混合锚杆时，与实施例二的区别技术如下：
中空锚杆自由段锚固力和粘接段锚固力分开计算，公式如下：
中空锚杆采用自由段和粘接段结合的混合锚杆时，所述中空锚杆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 BDA0002488730650000061
Figure BDA0002488730650000062
粘接段锚固力
Figure BDA0002488730650000063
Figure BDA0002488730650000064
Figure BDA0002488730650000065
U＝U1+U2；
Figure BDA0002488730650000066
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。
本发明采用间接式锚固力测量方法，通过获取锚杆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)，可适用于不同锚固形式、复杂岩体条件，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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法，其特征在于：包括如下步骤：在中空锚杆内部安装悬索，悬索端头固定在中空锚杆端头，悬索尾端与线位移传感器相连，通过线位移传感器监测悬索变化的位移量得到中空锚杆全长范围内的总伸长量，通过中空锚杆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，得到中空锚杆的总锚固力。
2.根据权利要求1所述的一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法，其特征在于：所述中空锚杆采用端部锚固形式时，中空锚杆总锚固力与悬索位移计算公式为：
Figure FDA0002488730640000011
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。
3.根据权利要求2所述的一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法，其特征在于：所述中空锚杆采用全长粘接锚固形式时，中空锚杆总锚固力与悬索位移计算公式为：
Figure FDA0002488730640000012
Figure FDA0002488730640000013
Figure FDA0002488730640000014
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。
4.根据权利要求3所述的一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法，其特征在于：所述中空锚杆采用自由段和粘接段结合的混合锚杆时，所述中空锚杆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 FDA0002488730640000021
Figure FDA0002488730640000022
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；
粘接段锚固力
Figure FDA0002488730640000023
Figure FDA0002488730640000024
Figure FDA0002488730640000025
U＝U1+U2；
Figure FDA0002488730640000026
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。
5.根据权利要求1所述的一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法，其特征在于：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。
6.根据权利要求5所述的一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法，其特征在于：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。
7.根据权利要求6所述的一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法，其特征在于：所述信号处理装置包括信号转换模块、信号采集模块、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。
8.根据权利要求7所述的一种利用线位移传感器监测通体式锚杆总锚固力的方法，其特征在于：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。
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