CN114961819A - 一种高精度锚杆预应力施加测量装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种高精度锚杆预应力施加测量装置及其使用方法，其包括套在锚杆上的传感器套筒、高弹性压块和高强螺母，传感器套筒的后端设有用以抵在钻孔外侧围岩上的翼缘，传感器套筒内侧的锚杆外表面包裹有弹性网，每个网格结构的交点为金属位移感应结点，传感器套筒内壁上围绕弹性网设有位移传感器，金属位移感应节点的位置信息能被置于传感器套筒内的位移传感器转化成数据，通过检测不同位置的三组数据相互验证、实时监测锚杆预应力，动态反馈锚杆的实际预应力大小。其能够实时监测锚杆预应力状态，并且该装置可回收再利用，具有安装便捷、高精度、重复使用、经济效益好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度锚杆预应力施加测量装置及其使用方法，尤其适用于地下工程支护领域和岩土工程监测技术领域。
背景技术
高预应力锚杆在地下工程支护领域和岩土工程技术领域中已得到广泛应用与普遍认可。锚杆支护通过围岩内部的锚杆来改变围岩本身的力学状态，通过在巷道或硐室周围形成一个整体而又稳定的加固压缩带，利用锚杆与围岩共同作用，达到维护巷道或硐室稳定的目的。预应力锚杆由锚头、杆体及垫板组成，通过锚头产生的锚固力对围岩施加一定的预压应力，主动地加固围岩。通常来说，施加预应力(预紧力)是锚杆发挥对围岩主动支护的主要手段，预应力(预紧力)越大越有利于发挥锚杆的主动支护作用。随着矿产资源开采强度的增加及深地工程的大规模建设，巷道、隧道、隧洞等地下工程工程支护条件愈发苛刻，特别是在围岩处于高低应力、松散破碎、高膨胀性岩石的条件下时，锚杆不可避免地会产生预应力损失，如何实时获得锚杆预应力情况关系到锚杆支护效果能否得到充分发挥。
目前，对预应力锚杆作用机理的研究还处于探索阶段，尚未形成统一的理论体系，以及对锚杆预应力扭矩与轴向预应力的关系、锚杆预应力(预紧力)在巷道围岩中的扩散状态及锚杆预应力与巷道支护效果的关系相关方面的研究较少。目前主要采用扭矩扳手、扭矩放大器、锚杆安装机或根据锚杆杆体的变形来判断锚杆预应力大小，存在的问题诸如不能实时获得锚杆预应力大小，测量的精度低、可靠性差等等，导致测试结果对锚杆支护设计指导性不强。采用锚杆测力计或压力盒虽然可实时监测到锚杆的受力状态，但量测的是锚杆的轴向力大小(轴向受力状态)而并非是锚杆的预应力大小，二者是有一定区别的不可等同。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服传统锚杆预应力量测中的不足之处，提供一种高精度锚杆预应力施加测量装置及其使用方法，该装置具有精度高、可靠性强、重复使用、生产成本较低和操作简便易于施工的优点。
技术方案：本发明的一种高精度锚杆预应力施加测量装置，包括套在锚杆上的传感器套筒，锚杆尾部设有高强螺母，传感器套筒与高强螺母之间设有高弹性压块，传感器套筒的后端设有用以抵在钻孔外侧围岩上的翼缘，其中位于传感器套筒内侧的锚杆外表面包裹有弹性网，弹性网为网格结构，每个网格结构的交点为金属位移感应结点，传感器套筒内壁上围绕弹性网设有位移传感器，位移传感器与弹性网不接触，位移传感器通过设置在传感器套筒内的数据线通道设有数据线并从传感器套筒后端的接线口延伸出去，金属位移感应节点的位置信息能被置于传感器套筒内的位移传感器转化成数据，数据线延伸出接线口的部分通过数据线端口与综合型数据读出机连接，并将数据输送给综合型数据读出机。
进一步，锚杆的尾端上设有远距离抗金属标签，远距离抗金属标签设置在锚杆端头圆面中心位置，远距离抗金属标签包括芯片和天线，所述的芯片可被综合型数据读出机发送的信号激活工作，工作时其内部天线向被检测锚杆发送声波，声波遇到锚固剂硬化体后发生反射并由天线接收，同时返还声波传递时间等数据至综合型数据读出机，所述的标签选用型号为Impinj Monze 4QT无源标签芯片。
进一步，高弹性压块上连接有环向应变计，环向应变计包括围绕高弹性压块外侧设置的由多个节点串联构成的环向应变计链条，环向应变计链条上设有用以固定位置的应变计夹扣，应变计夹扣中间设有弹簧，使得环向应变计链条能够适应高弹性压块的侧面周长并与其紧紧贴合，高弹性压块被安装在传感器套筒与高强螺母之间，当高强螺母向锚孔方向拧时，高弹性压块发生变形并产生预应力；应变计夹扣能夹住环向应变计链条的两个节点，其中一个节点能够通过联动轴心转杆发生角位移，另一个节点则通过固定杆与表盘背面的圆心处固定位置，固定杆与表盘接触的位置设有3个用以固定表盘与固定杆的小尺寸固定螺栓，所述的表盘正面设有指针和刻度，位于表盘中心位置的转轴因轴心转杆发生角位移转动时指针发生偏转。所述的表盘背面周围设有多个用以与传感器套筒吸附固定的支脚，支脚上设有吸盘。
步骤如下：
步骤一，在围岩设计锚孔位置，对锚孔端部0.5～1.0m处进行扩孔以形成安装大孔，安装大孔的尺寸与传感器套筒尺寸匹配，从而使得传感器套筒与安装大孔紧密接触，并且保证翼缘抵住锚孔的外壁；
步骤二，将弹性网套在锚杆外端头指定位置，调整弹性网上的金属位移感应结点的位置使其在锚杆外侧分布整齐，再将传感器套筒套入锚杆；
步骤三，将锚杆连同传感器套筒一起放入安装大孔后的锚孔，传感器套筒的翼缘紧贴于围岩表面，发挥托盘作用；再将从接线口延伸出的数据线与综合型数据读出机上的数据线端口连接，操作综合型数据读出机初始化，然后准备记录初始数据；
步骤四，将高弹性压块套入锚杆尾部的外露段，直到与传感器套筒表面接触，随后在高弹性压块侧面安装环向应变计链条，调整轴心转杆使得表盘指针对应刻度为0，再用应变计夹扣将环向应变计链条固定，使得环向应变计链条与高弹性压块侧面紧密贴合，之后将表盘后面的支脚利用橡胶吸盘吸附在传感器套筒表面，从而固定表盘的位置，最后从锚杆外露段旋转高强螺母至高弹性压块附近，并与高弹性压块保持1～3mm左右的间距；
步骤五，将远距离抗金属标签置于锚杆外露段端头平面中心，远距离抗金属标签内部设置的天线的目标阻抗在中心频点处与芯片的阻抗共轭匹配，随后使用综合型数据读出机向远距离抗金属标签内部芯片发送信号，控制其通过天线向锚杆发送声波，声波顺着锚杆传递并在锚固剂处发生反射，反射的信号通过天线接收，基于声波从发射到被接收所需的时间，远距离抗金属标签的芯片处理声波数据并将数据通过天线传输至综合型数据读出机，综合型数据读出机记录其为初始数据；
步骤六，用扭矩扳手将高强螺母向锚孔方向拧紧，对锚杆施加设计大小的预应力40～90kN，根据高弹性压块材料的弹性模量以及表盘所反映的数据即可轻易地判断出预应力施加情况以及后续预应力损失情况；
步骤七，待预应力施加完毕后，任何时间想要获得预应力情况，只需将综合型数据读出机连接至接线口的数据线，弹性网上金属位移感应节点位置变化数据能够反映锚杆轴向预应力、剪应力及完整性情况的信息，信息经由综合型数据读出机记录并处理，其中反映锚杆预应力情况的数据记作数据A；综合型数据读出机再向远距离抗金属标签发送特定激活功率，基于声波从发射到接收所用时长进行计算，可推算出锚杆除包裹在锚固剂中的锚固段长度变化，经由综合型数据读出机处理后得到可以反映锚杆整体预应力情况的数据C；同时高强螺母挤压高弹性压块，使得高弹性压块发生轴向变形和环向变形，高弹性压块所产生的环向变形以角位移的形式反映到表盘上，记录表盘上的指针位置变化，通过分析计算，测试数据拟合公式，即建立指针位置与锚杆预应力之间的关系，得到可以反映锚杆预应力情况的数据B；
步骤八，将数据A、数据B、数据C进行相互对比验证，数据A反映的是土体内锚杆局部的预应力情况，数据B反映的是锚杆外露段施力预应力的情况，数据C反映的是锚杆除锚固段的整体预应力情况，结合上述情况综合考虑：当三组数据都符合预应力设计要求时，预应力锚杆支护的效果最为可靠；当只有一组数据不符合预应力设计要求时，预应力锚杆支护的效果较为可靠，但需要加强监测；当有两组数据不符合预应力设计要求时，预应力锚杆支护的效果不可靠，需要采取补强措，施通过实时监测锚杆预应力，动态反馈锚杆的实际预应力大小，用以确保预应力情况符合施工设计要求，避免发生安全事故。
有益效果：本装置具有实时反映锚杆预应力情况和锚杆杆体破坏情况的优点，弥补了现有锚杆预应力在施工过程中难以控制的情况，增加了锚杆支护的可靠性，从而可预防安全事故或工程故障的发生。本装置测得的预应力情况，是根据三组数据相互验证得出的，结果的可靠性大、测量精度高。将远距离抗金属标签阅读器和位移传感器阅读器整合成一个综合型数据读出机，既降低了读取数据操作的难度，提高了工作效率，又可“一机多用”，节省了生产成本。本装置除了金属位移感应节点和弹性网的所有装置都能在施工结束后回收利用并且投入其他工程。其结构简单、操作方便、精度高、可重复使用、经济效益高等优势，在本技术领域内具有广泛的适用性。
附图说明
图1为本发明高精度锚杆预应力施加测量装置使用的锚孔示意图；
图2为本发明实施例中高精度锚杆预应力施加测量装置的结构示意图；
图3(a)为本发明高精度锚杆预应力施加测量装置的表盘背面图；
图3(b)为本发明高精度锚杆预应力施加测量装置的表盘正面图。
图中：1-锚杆，2-高强螺母，3-高弹性压块，4-环向应变计链条，5-传感器套筒，6-表盘，7-弹簧，8-接线口，9-应变计夹扣，10-固定杆，11-轴心转杆，12-小尺寸固定螺栓，13-支脚，14-远距离抗金属标签，15-综合型数据读出机，16-围岩，17-数据线通道，18-数据线，19-位移传感器，20-金属位移感应结点，21-弹性网，22-锚孔，23-锚固剂，24-数据线端口。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
本发明的一种高精度锚杆预应力施加测量装置，包括传感器套筒5、环向应变计链条4和远距离抗金属标签14，如图2所示，锚杆1的端头某一位置套上了位移感应器，位移感应器由金属位移感应节点20和弹性网21组成，金属位移感应节点20的位置信息能被置于传感器套筒5内的位移传感器19转化成数据，通过数据线通道17内的数据线18传递。数据线18可于接线口8与综合型数据读出机15上的数据线端口24连接并传输数据。
如图2所示，环向应变计链条4安装在高弹性压块3侧面，并用应变计夹扣9固定位置。高弹性压块3被安装在传感器套筒5与高强螺母2之间，当高强螺母2向锚孔22方向拧时，高弹性压块3发生变形并产生预应力。如图3(a)所示，应变计夹扣9能夹住环向应变计链条4的两个节点，应变计夹扣9中间置有弹簧7，使得其中一个节点能够联动轴心转杆11发生角位移，另一个节点则通过固定杆10和小尺寸固定螺栓12与表盘6固定位置，如图3(b)所示，表盘6正面设有指针和刻度，位于表盘6中心位置的转轴因轴心转杆11发生角位移转动时，指针发生偏转。
如图2所示，远距离抗金属标签14位于锚杆端头圆面中心位置，内部安设芯片和天线，芯片可被综合型数据读出机15发送的信号激活工作，工作时其内部天线向被检测锚杆1发送声波，声波与锚固剂23交界处发生反射同时由天线接收并返还数据至综合型数据读出机15。
结合图1所示，在锚杆1设计位置钻孔，锚孔22口需要扩孔，尺寸应符合传感器套筒5的放置要求。
结合图2所示，将弹性网21套在锚杆1外端头指定位置，并在指定位置一定距离处做上标记，调整弹性网21上的金属位移感应结点20的位置使其大致分布整齐，再将传感器套筒5套入锚杆1，即可将锚杆1连同传感器套筒5一起放入锚孔22，传感器套筒5翼缘紧贴于围岩表面，发挥托盘作用。再将接线口8的数据线18连接至综合型数据读出机15上的数据线端口24，清零并记录初始数据。当预应力被施加到锚杆上时，杆体产生一定的伸缩量，金属位移感应节点位置变化数据经由综合型数据读出机记录并处理，得到可以反映锚杆局部预应力情况的数据A。
结合图2、图3(a)、图3(b)所示，将高弹性压块3套入锚杆1外露段，直到与传感器套筒5表面接触，随后在高弹性压块3侧面安装环向应变计链条4，并用应变计夹扣9将环向应变计链条4固定，使得环向应变计链条4能够与高弹性压块3侧面贴合紧密。然后将底部带有橡胶吸盘的支脚13吸附在传感器套筒5表面，由此来固定表盘6的位置。随后即可将高强螺母2从锚杆1外露段旋转套入至高弹性压块3附近，并与高弹性压块3保持微小距离。记录表盘6上指针对应刻度的初始值。当预应力被施加到锚杆上时，高强螺母挤压高弹性压块发生轴向变形和环向变形，高弹性压块所产生的环向变形以角位移的形式反映到表盘上，记录表盘上的指针位置变化，并经由经验公式后得到可以反映锚杆预应力情况的数据B，经验公式为测试数据拟合公式，即建立指针位置与锚杆预应力之间的关系。
结合图2所示，将远距离抗金属标签14置于锚杆1外露段端头平面中心，远距离抗金属标签14内部安设芯片和天线，天线的目标阻抗在中心频点处与芯片的阻抗共轭匹配。随后使用综合型数据读出机15向远距离抗金属标签14内部芯片发送信号，使其被激活工作并命令天线向锚杆发送声波，声波在锚固剂23处发生反射并由天线接收，经由芯片处理后再将信息数据通过天线传输至综合型数据读出机15，综合型数据读出机15记录其为初始数据。预应力施加后，再次激活标签工作，基于声波从发射到接收所用时长进行计算，可推算出锚杆除锚固段的长度变化，经由综合型数据读出机处理后得到可以反映锚杆整体预应力情况的数据C。
结合图2所示，用扭矩扳手将高强螺母2向锚孔22方向拧紧，对锚杆1施加预应力(一般为40～90kN)，此时表盘6读数变化，根据经验公式可判断预应力数值。待预应力施加完毕后，任何时间想要获得预应力情况，只需将综合型数据读出机15连接至接线口8的数据线18并向远距离抗金属标签14发送功率，即可得到两个实时数据从而相互验证并判断预应力情况。同时记录表盘6上指针位置变化也可与综合型数据读出机15相互验并判断证预应力情况，用以确保预应力情况符合施工设计要求，避免发生安全事故。
待施工完毕后，只需将各个装置简单卸除，即可达到重复使用的目的。
Claims (4)
1.一种高精度锚杆预应力施加测量装置，其特征在于：包括套在锚杆(1)上的传感器套筒(5)，锚杆(1)尾部设有高强螺母(2)，传感器套筒(5)与高强螺母(2)之间设有高弹性压块(3)，传感器套筒(5)的后端设有用以抵在钻孔外侧围岩(16)上的翼缘，其中位于传感器套筒(5)内侧的锚杆(1)外表面包裹有弹性网(21)，弹性网(21)为多网格结构，每个网格结构的交点为金属位移感应结点(20)，传感器套筒(5)内壁上围绕弹性网(21)设有位移传感器(19)，位移传感器(19)与弹性网(21)不接触，位移传感器(19)通过设置在传感器套筒(5)内的数据线通道(17)设有数据线(18)并从传感器套筒(5)后端的接线口(8)延伸出去，金属位移感应节点(20)的位置信息能被置于传感器套筒(5)内的位移传感器(19)转化成数据，数据线(18)延伸出接线口(8)的部分通过数据线端口(24)与综合型数据读出机(15)连接，并将数据输送给综合型数据读出机(15)。
2.根据权利要求1所述的高精度锚杆预应力施加测量装置，其特征在于：锚杆(1)的尾端上设有远距离抗金属标签(14)，远距离抗金属标签(14)设置在锚杆(1)端头圆面中心位置，远距离抗金属标签(14)包括芯片和天线，所述的芯片可被综合型数据读出机(15)发送的信号激活工作，工作时其内部天线向被检测锚杆(1)发送声波，声波遇到锚固剂(23)硬化体后发生反射并由天线接收，同时返还声波传递时间等数据至综合型数据读出机(15)，所述的标签选用型号为Impinj Monze 4QT无源标签芯片。
3.根据权利要求1所述的高精度锚杆预应力施加测量装置，其特征在于：高弹性压块(3)上连接有环向应变计，环向应变计包括围绕高弹性压块(3)外侧设置的由多个节点串联构成的环向应变计链条(4)，环向应变计链条(4)上设有用以固定位置的应变计夹扣(9)，应变计夹扣(9)中间设有弹簧(7)，使得环向应变计链条(4)能够适应高弹性压块(3)的侧面周长并与其紧紧贴合，高弹性压块(3)被安装在传感器套筒(5)与高强螺母(2)之间，当高强螺母(2)向锚孔(22)方向拧时，高弹性压块(3)发生变形并产生预应力；应变计夹扣(9)能夹住环向应变计链条(4)的两个节点，其中一个节点能够通过联动轴心转杆(11)发生角位移，另一个节点则通过固定杆(10)与表盘(6)背面的圆心处固定位置，固定杆(10)与表盘(6)接触的位置设有3个用以固定表盘(6)与固定杆(10)的小尺寸固定螺栓(12)，所述的表盘(6)正面设有指针和刻度，位于表盘(6)中心位置的转轴因轴心转杆(11)发生角位移转动时指针发生偏转。所述的表盘(6)背面周围设有多个用以与传感器套筒(6)吸附固定的支脚(13)，支脚(13)上设有吸盘。
4.一种使用权利要求1～3任一项所述的一种高精度锚杆预应力施加测量装置的使用方法，其特征在于步骤如下：
步骤一，在围岩(16)设计锚孔(22)位置，对锚孔(22)端部0.5～1.0m处进行扩孔以形成安装大孔，安装大孔的尺寸与传感器套筒(5)尺寸匹配，从而使得传感器套筒(5)与安装大孔紧密接触，并且保证翼缘抵住锚孔(22)的外壁；
步骤二，将弹性网(21)套在锚杆(1)外端头指定位置，调整弹性网(21)上的金属位移感应结点(20)的位置使其在锚杆(1)外侧分布整齐，再将传感器套筒(5)套入锚杆(1)；
步骤三，将锚杆(1)连同传感器套筒(5)一起放入安装大孔后的锚孔(22)，传感器套筒(5)的翼缘紧贴于围岩(16)表面，发挥托盘作用；再将从接线口(8)延伸出的数据线(18)与综合型数据读出机(15)上的数据线端口(24)连接，操作综合型数据读出机(15)初始化，然后准备记录初始数据；
步骤四，将高弹性压块(3)套入锚杆(1)尾部的外露段，直到与传感器套筒(5)表面接触，随后在高弹性压块(3)侧面安装环向应变计链条(4)，调整轴心转杆(11)使得表盘(6)指针对应刻度为0，再用应变计夹扣(9)将环向应变计链条(4)固定，使得环向应变计链条(4)与高弹性压块(3)侧面紧密贴合，之后将表盘(6)后面的支脚(13)利用橡胶吸盘吸附在传感器套筒(5)表面，从而固定表盘(6)的位置，最后从锚杆(1)外露段旋转高强螺母(2)至高弹性压块(3)附近，并与高弹性压块(3)保持1～3mm左右的间距；
步骤五，将远距离抗金属标签(14)置于锚杆(1)外露段端头平面中心，远距离抗金属标签(14)内部设置的天线的目标阻抗在中心频点处与芯片的阻抗共轭匹配，随后使用综合型数据读出机(15)向远距离抗金属标签(14)内部芯片发送信号，控制其通过天线向锚杆(1)发送声波，声波顺着锚杆(1)传递并在锚固剂(23)处发生反射，反射的信号通过天线接收，基于声波从发射到被接收所需的时间，远距离抗金属标签(14)的芯片处理声波数据并将数据通过天线传输至综合型数据读出机(15)，综合型数据读出机(15)记录其为初始数据；
步骤六，用扭矩扳手将高强螺母(2)向锚孔(22)方向拧紧，对锚杆(1)施加设计大小的预应力40～90kN，根据高弹性压块(3)材料的弹性模量以及表盘(6)所反映的数据即可轻易地判断出预应力施加情况以及后续预应力损失情况；
步骤七，待预应力施加完毕后，任何时间想要获得预应力情况，只需将综合型数据读出机(15)连接至接线口(8)的数据线(18)，弹性网(21)上金属位移感应节点(20)位置变化数据能够反映锚杆轴向预应力、剪应力及完整性情况的信息，信息经由综合型数据读出机(15)记录并处理，其中反映锚杆(1)预应力情况的数据记作数据A；综合型数据读出机(15)再向远距离抗金属标签(14)发送特定激活功率，基于声波从发射到接收所用时长进行计算，可推算出锚杆(1)除包裹在锚固剂(23)中的锚固段长度变化，经由综合型数据读出机(15)处理后得到可以反映锚杆(1)整体预应力情况的数据C；同时高强螺母(2)挤压高弹性压块(3)，使得高弹性压块(3)发生轴向变形和环向变形，高弹性压块(3)所产生的环向变形以角位移的形式反映到表盘(6)上，记录表盘(6)上的指针位置变化，通过分析计算得到可以反映锚杆(1)预应力情况的数据B；
步骤八，将数据A、数据B、数据C进行相互对比验证，数据A反映的是土体内锚杆局部的预应力情况，数据B反映的是锚杆外露段施力预应力的情况，数据C反映的是锚杆除锚固段的整体预应力情况，结合上述情况综合考虑：当三组数据都符合预应力设计要求时，预应力锚杆支护的效果最为可靠；当只有一组数据不符合预应力设计要求时，预应力锚杆支护的效果较为可靠，但需要加强监测；当有两组数据不符合预应力设计要求时，预应力锚杆支护的效果不可靠，需要采取补强措施，通过实时监测锚杆预应力，动态反馈锚杆的实际预应力大小，用以确保预应力情况符合施工设计要求，避免发生安全事故。
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