CN113125292A - 预埋分布式光纤的锚固体制作装置及方法 - Google Patents

预埋分布式光纤的锚固体制作装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了预埋分布式光纤的锚固体制作装置及方法，锚固体制作装置包括振动台、分布式光纤、固定支架、底座支架、大底盘、小底盘、模具、圆钢柱和锚杆定位器，用于制作预埋分布式光纤的锚固体试件，所述锚固体试件由锚杆、锚固剂、类围岩基体组成；锚固体全长全历程变形监测方法为：利用锚固体制作装置制作预埋分布式光纤的锚固体试件，其中分布式光纤在锚杆、锚固剂、类围岩基体中呈S型布设，配合使用拉拔试验机进行锚杆拉拔实验，监测在拉拔全历程中沿锚固体全长的变形数据，并根据分布式光纤监测数据出现断点的位置，判断锚固体的破坏模式。实现锚固体在拉拔实验中三种介质的全长全历程应变信息监测以及破坏模式判别，结构简单、可靠性强。

Description

预埋分布式光纤的锚固体制作装置及方法
技术领域
本发明属于岩体工程支护技术领域，具体涉及一种预埋分布式光纤的锚固体制作装置及锚固体变形监测方法。
背景技术
岩体锚固通过埋设在岩层中的锚杆，将岩层紧紧地联锁在一起，依赖锚杆体—锚固剂—围岩之间力的传递，调动和增强岩体的自身强度和自稳能力，使岩体的应力状态得到改善、稳定性得到增强、工程安全性得到提高。因其具有施工易、造价低、省空间、性能佳、效果好等独特优势，成为了目前应用最广泛的地下及边坡工程支护手段之一，在国民经济多个领域和国家重大工程中发挥了关键作用。
基于锚杆拉拔实验研究锚杆在不同因素影响下的承载能力和锚固段荷载传递规律是定量评价锚固质量的主要手段，有助于分析锚固体失效模式，掌握锚杆锚固失效发生条件和灾变过程。锚固体试件由锚杆、锚固剂、围岩组成，将锚杆和锚固剂粘结面称为第一界面，锚固剂和围岩粘结界面称为第二界面，简称为“三体两面”。在实验室制作锚固体试件时，锚杆一般为钢材料(例如钢筋)，锚固剂一般为水泥砂浆、树脂锚固剂等，围岩可以采用岩石或选用水泥砂浆、混凝土等材料配制。由于锚固体所处地质条件和工程环境十分复杂，因而锚固体的破坏模式多种多样，根据工程现场实践，可将其破坏模式分为五种：杆体拉断、锚杆滑脱(第一界面失效或第二界面失效)、锚固剂剪切破碎、岩体破坏以及锚固体复合失效。如何准确掌握锚固体的变形大小和破坏模式并揭示该种破坏发生的过程及原因，对于锚固支护设计和参数优化以及锚固系统失效检测和控制具有重要意义。
当前，国内外许多学者在锚固体拉拔实验中采用应变片来测量锚杆、锚固剂和围岩内部的应变，基于这些应变数据对锚固体力学特性进行一系列的研究，并取得了不少成果。不同锚固长度下锚杆拉拔特性研究(肖同强等，采矿与安全工程学报,2017,034(006):1075-1080.)该文采用应变片进行锚固体拉拔过程中的变形监测，但是“拉拔试验过程中部分应变片遭到破坏，造成部分数据损失”，且只能监测有限测点，不能实现全长监测。采用应变片测量存在如下缺点：(1)安装步骤复杂，提前预埋在锚固体内部的应变片难以保证其安装方向及位置的准确性；(2)应变片检测点十分有限，不能实现沿锚固体轴向全长度的变形测量；(3)应变片易于在锚杆旋转安装、振捣和拉拔过程中损坏而影响监测。因此，采用应变片测量锚固体内部各材料在拉拔实验中的应变，一是变形监测数据不够全面且应变片易于损坏，二是无法实现通过监测应变数据来判断锚固体破坏位置及模式。此外，有研究者使用光纤光栅传感器安装在开槽的锚杆上用于测量锚杆变形，然而，该种方法仅适用于测量锚杆上有限测点的应变，无法测得锚固剂、围岩的应变信息，因此难以对锚固体的变形及破坏模式提供有效连续的科学数据。
发明内容
针对现有锚固体拉拔实验测试技术存在的问题，本发明提供一种预埋分布式光纤的锚固体制作装置及锚固体变形监测方法，可以实现锚固体在拉拔实验中三种介质的全长度全历程的应变信息监测。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种预埋分布式光纤的锚固体制作装置，包括振动台、分布式光纤、固定支架、底座支架、大底盘、小底盘、模具、圆钢柱、锚杆定位器；所述振动台上安装固定支架、底座支架；底座支架为张设分布式光纤留出底部空间；固定支架用于固定模具；大底盘安装在底座支架上，用于承载小底盘以及模具；所述模具为圆柱形对开结构，下端嵌套于小底盘上，上端开口用于浇筑类围岩基体；所述小底盘用于定位圆钢柱以及封堵模具底部，小底盘的中心孔内径与圆钢柱的外径相同，小底盘上开设有用于导出分布式光纤的小底盘小孔；所述锚杆定位器为锥形壳体，与振动台配合使用将锚杆定位在锚孔中心，锚杆定位器安装于固定支架与小底盘之间，其开口端位于小底盘中心孔下侧，其侧面开设小孔用于导出分布式光纤。
所述圆钢柱，可辅助张设分布式光纤，在浇筑类围岩基体时，预设在模具中心，待类围岩基体凝固成型，使用拉拔实验的方式将圆钢柱取出，从而形成具有圆形锚孔的类围岩基体。
所述锚杆定位器，安装于固定支架与小底盘之间，与振动台配合使用可将锚杆定位在锚孔中心,并可通过小孔导出分布式光纤。
采用所述装置制备预埋分布式光纤的锚固体并进行变形监测的方法，包括如下步骤：
步骤一：使用预埋分布式光纤的锚固体制作装置制作锚固体试件；安装好振动台，沿圆钢柱轴向张设分布式光纤A，向模具内浇筑混凝土或水泥砂浆，开启振动台充分振捣，待凝固一天后脱模，使用穿心式千斤顶取出圆钢柱，制成类围岩基体，此时分布式光纤A已经埋入类围岩基体；
步骤二：取下振动台上的模具与圆钢柱，安装锚杆定位器，将养护好的类围岩基体放在小底盘上，使用固定支架固定，在类围岩基体的锚孔内张设分布式光纤B，再灌注水泥砂浆锚固剂，开启振动台充分振捣，此时，分布式光纤B已经埋入锚固剂中；在锚杆上开槽，完成分布式光纤C的埋设；再将埋设有分布式光纤C的锚杆沉入水泥砂浆直到锚杆定位器底部，待水泥沙浆养护好即制作完成预埋分布式光纤的锚固体试件；
步骤三：将锚固体里的锚杆、锚固剂、类围岩基体的分布式光纤C、B、A首尾熔接，使其呈S型布设，将预埋有分布式光纤的锚固体试件置于拉拔试验机中，并在锚固体试件拉拔端依次安装开槽垫片、压式负荷传感器、穿心式千斤顶、锚杆锁具，再安装或连接激光位移计、应变仪、光源、信号处理模块，激光位移计监测锚杆两端位移，与压式负荷传感器一起连接在应变仪上，将分布式光纤连接光源，光源连接信号处理模块，共同构成锚固体变形监测系统；进行拉拔实验，得到拉拔过程中锚杆、锚固剂、类围岩基体三种介质在全长度、全历程的变形数据，以及锚杆拉拔端的荷载-位移数据，并根据分布式光纤监测数据出现断点的位置，判断锚固体的破坏模式。
所述开槽垫片，用于拉拔实验时，垫在锚固体拉拔端，并导出分布式光纤。
所述穿心式千斤顶，用于对锚杆拉拔端施加拉拔荷载。
所述锚杆锁具，位于穿心式千斤顶一侧，固定在锚杆上，使穿心式千斤顶施加的荷载传递至锚杆。
所述压式负荷传感器，通过压式负荷传感器测量锚杆承受的拉拔荷载。
所述激光位移计，固定在拉拔实验机上，测量锚杆在拉拔过程中的位移。
所述应变仪用于转化激光位移计、压式负荷传感器的信号，便于信号处理系统处理。
所述信号处理系统，用于接收和处理应变仪与光源信号。
所述拉拔试验机，能将预埋分布式光纤的锚固体试件固定在内部，继而安装开槽垫片、压式负荷传感器、穿心式千斤顶、锚杆锁具，从而进行拉拔实验。
所述锚固体变形监测系统，用于监测拉拔实验过程中锚固体三种介质包括锚杆、锚固剂、围岩的变形。其中光源可向分布式光纤发射光信号，并可将返回的信号传给信号处理模块。
本发明的有益效果是，根据锚固体拉拔实验的监测需求，先使用预埋分布式光纤的锚固体制作装置制作锚固体试件，锚固体试件中预埋的分布式光纤，形成对锚固体轴向应变的监测线路，配合使用拉拔试验机进行拉拔实验，实现对锚固体的锚杆、锚固剂、围岩三种介质轴向应变的全长全历程监测。本发明可靠性强，为拉拔实验的变形监测提供了一种新的思路和方法，可得到更有效的数据，建立更精确的锚固体失效机理模型，从而为研究锚杆支护提供科学指导。
附图说明
图1为预埋分布式光纤锚固体试件的制作装置与制作步骤示意图，其中，(a)为浇筑类围岩基体，(b)为脱模后的类围岩基体，(c)为灌注水泥砂浆锚固剂，(d)安装锚杆。
图2为锚杆拉拔实验示意图。
图3为锚杆开槽预埋分布式光纤示意图，其中，(a)为结构示意图，(b)为锚杆中间位置A-A截面图。
图4为锚固体制作装置中的模具。(a)为主视图，(b)为截面图。
图5为锚固体制作装置中的两个底盘，其中，(a)为小底盘俯视图，(b)为小底盘主视图，(c)为大底盘俯视图，(d)为大底盘主视图。
图6为锚杆定位器结构示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为主视图。
图7为开槽垫片示意图，其中，(a)为侧视图，(b)为主视图。
图8预埋分布式光纤的锚固体结构示意图，其中(a)为整体结构示意图，(b)为分布式光纤布设示意图。
图中：1锚杆；2细槽；3固定支架；4底座支架；5圆钢柱；6模具；7小底盘；8大底盘；9振动台；10小底盘小孔；11分布式光纤；111分布式光纤A；112分布式光纤B；113分布式光纤C；12类围岩基体；13水泥砂浆锚固剂；14锚杆定位器；15锚杆定位器小孔；16开槽垫片；17压式负荷传感器；18信号处理模块；19光源；20应变仪；21激光位移计；22锚杆锁具；23穿心式千斤顶；24拉拔试验机。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施案例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
首先使用振动台制作锚固长度为1000mm、直径150mm的锚固体。锚杆选用普通螺纹钢(HRB400)，直径20mm，长1700mm；围岩体使用强度等级C35混凝土制作，其中锚孔孔径32mm；锚固剂选用强度等级M20水泥砂浆；分布式光纤直径1.2mm。
第一步，在锚杆1上由非拉拔端到拉拔端开一条细槽2，槽深3mm，槽宽6mm，槽长1100mm。将分布式光纤C113张设在细槽内，使用高强粘接剂封装在锚杆上，完成在锚杆上的分布式光纤埋设，光纤需要有一定的露头长度，便于后面熔接。
第二步，安装好制作锚固体的振动台8，包括固定支架3、底座支架4、圆钢柱5、小底盘6、大底盘7，然后沿圆钢柱5竖直张设分布式光纤A111，分布式光纤A111与圆钢柱相距8mm，由模具顶部到底部并从小底盘的小孔导出，使用玻璃胶将该小孔密封，待玻璃胶风干后再浇筑搅拌好混凝土，开启振动台9振捣至表面出浆且无明显大气泡溢出时停止振捣。养护3天后形成类围岩基体，此时分布式光纤已经埋入类围岩基体，将其从振动台上9取下并脱模，使用穿心式千斤顶23采用锚杆拉拔实验的方式将钢柱取出。
第三步，再将类围岩基体置于振动台9上，安装好锚杆定位器14，张设分布式光纤B112，沿锚孔孔壁由类围岩基体12顶部至底部并从锚杆定位器的小孔15导出，使用玻璃胶做密封措施，待玻璃胶风干后向锚孔浇筑一定量的水泥砂浆，开启振动台振捣约60s，此时，分布式光纤已经埋入锚固剂中；将埋设有分布式光纤C113的锚杆1沉入锚孔并对准锚杆定位器14(非拉拔端朝振动台底端)，同时开启振动台9振捣，直至到达锚孔底部，并且水泥砂浆充满锚孔。
第四步，水泥砂浆锚固剂硬化并养护至28d后，将锚固体试件从振动台9上取下，首尾熔接三根光纤形成预埋分布式光纤11的锚固体试件，分布式光纤呈S型布设。
第五步，将预埋有分布式光纤的锚固体试件置于拉拔试验机24中，在锚杆拉拔端依次安装好开槽垫片16、压式负荷传感器17、穿心式千斤顶23、锚杆锁具22，另外安装好激光位移计21、应变仪20、光源19、信号处理系统18。通过穿心式千斤顶23对锚杆1拉拔端施加拉拔荷载，进行拉拔实验，信号处理系统18得到分布式光纤11监测的锚固体变形数据，以及激光位移计21、压式负荷传感器17测得的锚杆荷载-位移数据。同时，分析在拉拔实验过程中分布式光纤监测数据是否出现监测断点(光强信号突然跌落)以及断点出现的位置，据此可以判定锚固体发生何种类型的破坏模式。

Claims (5)

1.一种预埋分布式光纤的锚固体制作装置，其特征在于：包括振动台(9)、分布式光纤、固定支架(3)、底座支架(4)、大底盘(8)、小底盘(7)、模具(6)、圆钢柱(5)、锚杆定位器(14)；所述振动台(9)上安装固定支架(3)、底座支架(4)；底座支架(4)为张设分布式光纤留出底部空间；固定支架(3)用于固定模具(6)；大底盘(8)安装在底座支架(4)上，用于承载小底盘(7)以及模具(6)；所述模具(6)为圆柱形对开结构，下端嵌套于小底盘(7)上，上端开口用于浇筑类围岩基体；所述小底盘(7)用于定位圆钢柱(5)以及封堵模具底部，小底盘(7)的中心孔内径与圆钢柱(5)的外径相同，小底盘(7)上开设有用于导出分布式光纤的小底盘小孔(10)；所述锚杆定位器(14)为锥形壳体，与振动台配合使用将锚杆(1)定位在锚孔中心，锚杆定位器(14)安装于固定支架(3)与小底盘(7)之间，其开口端位于小底盘(7)中心孔下侧，其侧面开设小孔用于导出分布式光纤。
2.采用权利要求1所述装置制备预埋分布式光纤的锚固体并进行变形监测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：使用预埋分布式光纤的锚固体制作装置制作锚固体试件；安装好振动台(9)，沿圆钢柱(5)轴向张设分布式光纤A(111)，向模具(6)内浇筑混凝土或水泥砂浆，开启振动台(9)充分振捣，待凝固一天后脱模，使用穿心式千斤顶取出圆钢柱(5)，制成类围岩基体，此时分布式光纤A(111)已经埋入类围岩基体；
步骤二：取下振动台上的模具(6)与圆钢柱(5)，安装锚杆定位器(14)，将养护好的类围岩基体放在小底盘(7)上，使用固定支架(3)固定，在类围岩基体的锚孔内张设分布式光纤B(112)，再灌注水泥砂浆锚固剂，开启振动台充分振捣，此时，分布式光纤B(112)已经埋入锚固剂中；在锚杆上开槽，完成分布式光纤C(113)的埋设；再将埋设有分布式光纤C(113)的锚杆(1)沉入水泥砂浆直到锚杆定位器底部(14)，待水泥沙浆养护好即制作完成预埋分布式光纤的锚固体试件；
步骤三：将锚固体里的锚杆、锚固剂、类围岩基体的分布式光纤C、B、A(113、112、111)首尾熔接，使其呈S型布设，将预埋有分布式光纤(11)的锚固体试件置于拉拔试验机(24)中，并在锚固体试件拉拔端依次安装开槽垫片(16)、压式负荷传感器(17)、穿心式千斤顶(23)、锚杆锁具(22)，再安装或连接激光位移计(21)、应变仪(20)、光源(19)、信号处理模块(18)，激光位移计(21)监测锚杆两端位移，与压式负荷传感器(17)一起连接在应变仪(20)上，将分布式光纤(11)连接光源(19)，光源(19)连接信号处理模块(18)，共同构成锚固体变形监测系统；进行拉拔实验，得到拉拔过程中锚杆、锚固剂、类围岩基体三种介质在全长度、全历程的变形数据，以及锚杆拉拔端的荷载-位移数据，并根据分布式光纤监测数据出现断点的位置，判断锚固体的破坏模式。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤三：所述开槽垫片(16)，用于拉拔实验时，垫在锚固体拉拔端，并导出分布式光纤。
4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤三：所述穿心式千斤顶(23)，用于对锚杆拉拔端施加拉拔荷载。
5.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤三：所述锚杆锁具(22)，位于穿心式千斤顶一侧，固定在锚杆上，使穿心式千斤顶施加的荷载传递至锚杆。
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Application publication date: 20210716

Assignee: Dongying Cortes Test Instrument Co.,Ltd.

Assignor: Northeastern University

Contract record no.: X2023210000262

Denomination of invention: Anchor Solid Manufacturing Device and Method for Embedded Distributed Fiber Optics

Granted publication date: 20220304

License type: Common License

Record date: 20231130