CN116356888A - 基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置及施工方法 - Google Patents

基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置及施工方法 Download PDF

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张玉芳
轩亚飞
许连凯
万军利
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周文皎
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Abstract

本发明提供一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置及施工方法，包括活塞式大变形预应力锚索、锚索轴力监测装置、活塞滑移量监测装置及边/滑坡变形部位监测装置，活塞式大变形预应力锚索是在锚固段端头设置活塞式大变形装置，所述的活塞式大变形装置包括承压板、大吨位弹簧和活塞筒组成；所述的锚索轴力监测是在承压板与大吨位弹簧之间设置轴力监测传感器；所述的活塞滑移量监测装置是在导向头与承压板之间设置位移监测传感器，本申请的监测装置，具备一种装置同时自动化监测边/滑坡的滑动力、变形量和变形部位三项监测指标，可以广泛应用于矿产资源、水电资源和交通基础建设等领域。

Description

基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置及施工方法
技术领域
本发明涉及自动化监测技术领域，具体涉及一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置及监测方法。
背景技术
当前，边/滑坡变形主要的监测手段主要有深部位移监测、地表位移监测及滑坡力监测。
本文申请发明人在研究中发现：传统的恒阻大变形锚索可以对其轴力和滑移量同时进行自动化监测，但不能准确判断边/滑坡的变形部位。目前，同时具有大变形的预应力锚索的轴力、滑移量及边/滑坡变形部位三者同时自动化实时监测装置尚未见有报道。
发明内容
本申请实施例提供一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置及施工方法，目的在于解决传统的恒阻大变形锚索不能同时监测边/滑坡的变形部位的问题。
为解决上述技术问题，本申请提出的技术方案是：
本发明提供一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置，包括：活塞式大变形预应力锚索、锚索轴力监测装置、活塞滑移量监测装置及边坡变形部位监测装置；
所述的活塞式大变形预应力锚索包括导向头、活塞式大变形装置、钢绞线、及锚具；活塞式大变形装置包括承压板、弹簧、活塞筒，弹簧两端分别抵接在承压板和活塞筒的底板上，并可在活塞筒内移动，导向头固定在活塞筒前端，钢绞线一端锚固在承压板上，另一端锚固在锚具上；
所述的锚索轴力监测装置包括限位板、螺栓及压阻式压力传感器，在承压板上开设与螺栓对应丝扣的固定孔，将压阻式压力传感器放置在限位板与承压板之间，并用螺栓固定；
所述的活塞滑移量监测装置包括挂钩螺杆、位移传感器和导向头上挂钩，在导向头内部预设挂钩，在承压板前侧开孔设置与挂钩螺杆对应的丝扣，将挂钩螺杆固定在承压板上，在挂钩螺杆与挂钩之间固定位移传感器；
所述的边坡变形部位监测装置包括分布式光纤和固定光纤的绳扣，分布式光纤通过绳扣绑扎在钢绞线上，并通过水泥浆全长固定；
进一步地，所述压阻式压力传感器的压力值F1计算公式：
Figure SMS_1
；
式中：U代表压阻式压力传感器两端的电压；
Figure SMS_2
代表压阻式压力传感器单位压力与其伸长变形量的比值；S代表压阻式压力传感器的横截面面积；I代表压阻式压力传感器两端的电流；k代表压阻式压力传感器的单位电阻与其伸长变形量的比值。
进一步地，弹簧压缩变形量计算公式：
Figure SMS_3
；
式中：F2代表钢绞线的预紧力，G代表弹簧剪切弹性模量，d代表弹簧钢材的直径，D代表组成弹簧的中心直径，n代表弹簧的有效圈数，
Figure SMS_4
代表弹簧压缩变形量；考虑到边坡变形钢绞线受拉变形伸长，弹簧压缩变形量值小于等于边坡的变形量值。
承压板移动的变化区间计算公式：
Figure SMS_5
式中：l代表未施加预应力时位移传感器的长度；x代表施工预应力后位移传感器的长度。
进一步地，边坡变形时，分布式光纤能够准确监测到水泥浆的变形位置，结合钻孔角度，即可确定滑动面的深度h，即：
Figure SMS_6
式中：h代表滑动面深度，
Figure SMS_7
代表分布式光纤监测的变形部位距离孔口的距离；/>
Figure SMS_8
代表钻孔长度方向与水平方向的夹角。
进一步地，分布式光纤包括脉冲光信号发生器、若干个环形器和光探测器，脉冲光信号发生器安装在分布式光纤一端，发出的光信号产生布里渊散射后通过环形器后被设置于分布式光纤另一端的光探测器接收。
进一步地，还包括：数据采集以及处理系统，所述数据采集以及处理系统用于收集锚索轴力监测装置、活塞滑移量监测装置及边坡变形部位监测装置的监测信号并进行处理。
另一方面，本申请还保护根据前述所述的一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置的施工方法，包括以下步骤：
S1：在活塞筒内装入弹簧，将承压板封固在活塞筒入口处，使得弹簧的两端分别与活塞筒的底板和承压板相抵接；
S2：在承压板上开设与螺栓对应丝扣的固定孔，在限位板与承压板之间放置压阻式压力传感器，并用螺栓固定；
S3：将钢绞线穿过活塞筒和承压板上的预设孔洞，并将其一端通过挤压套锚固在承压板上，钢绞线另一端通过临时锚固装置固定；
S4：在导向头内部预设四个挂钩，在承压板的前端面开孔设置与挂钩螺杆对应的丝扣，将挂钩螺杆固定在丝扣上，将位移传感器固定在挂钩螺杆与导向头挂钩之间，之后将导向头扣合在活塞筒上；
S5：将分布式光纤沿钢绞线通长布置，并通过绳扣固定；
S6：在预设点位钻取钻孔，将步骤S5形成的整体结构安装在钻孔中，在钻孔内注水泥浆形成注浆体后，施作框架梁，框架梁上放上钢垫板，钢垫板上放锚具，对钢绞线进行张拉，施加预应力，然后封锚，形成锚墩。
进一步地，还包括：在步骤S2、S4中：分别将压阻式传感器和位移传感器通过导线沿着钢绞线引出。
进一步地，还包括：S7：将压阻式压力传感器和位移传感器的导线与采集仪通信连接，将分布式光纤与调制解调仪通信连接，并分别与数据采集以及处理系统连接。。
相比于现有技术，本发明一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置及施工方法取得了如下有益技术效果：
本发明基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置及施工方法可根据防护需求灵活设置，实现一个钻孔同时获取边/滑坡的滑坡力、变形量及变形位置三项监测指标，大大减少了边/滑坡的监测成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置的结构图。
图2为本发明实施例提供的一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置的活塞大变形结构纵断面图。
图3为本发明实施例提供的一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置的活塞大变形结构剖面图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
如图1和图2所示，本申请提供一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置，包括：活塞式大变形预应力锚索、锚索轴力监测装置、活塞滑移量监测装置及边/滑坡变形部位监测装置；
如图3所示，所述的活塞式大变形预应力锚索包括导向头3、活塞式大变形装置5、钢绞线6、及锚具9；活塞式大变形装置5包括承压板501、弹簧502、活塞筒503，弹簧502两端分别抵接在承压板501和活塞筒503的底板上，并可在活塞筒503内移动，导向头3固定在活塞筒503前端，钢绞线6一端锚固在承压板501上，另一端锚固在锚具9上；
所述的锚索轴力监测装置包括限位板12、螺栓13及压阻式压力传感器14，在承压板501上开设与螺栓13对应丝扣的固定孔，将压阻式压力传感器14放置在限位板12与承压板501之间，并用螺栓13固定；
所述的活塞滑移量监测装置包括挂钩螺杆15、位移传感器16和导向头上挂钩17，在导向头3内部预设挂钩17，在承压板501前侧开孔设置与挂钩螺杆15对应的丝扣，将挂钩螺杆15固定在承压板501上，在挂钩螺杆15与挂钩17之间固定位移传感器16；位移传感器16可实时监测边滑坡的滑移变形量值。
所述的边滑坡变形部位监测装置包括分布式光纤11和固定光纤的绳扣18，分布式光纤11通过绳扣18绑扎在钢绞线6上，并通过水泥浆2全长固定。所述分布式光纤11在钢绞线6的锚固段（挤压套4）底部到自由段的孔口（锚具9）全长设置。
所述压阻式压力传感器14的压力值F1计算公式：
Figure SMS_9
；
式中：U代表压阻式压力传感器14两端的电压；
Figure SMS_10
代表压阻式压力传感器14单位压力与其伸长变形量的比值；S代表压阻式压力传感器14的横截面面积；I代表压阻式压力传感器14两端的电流；k代表压阻式压力传感器14的单位电阻与其伸长变形量的比值。
所述弹簧502压缩变形量计算公式：
Figure SMS_11
；
式中：F2代表钢绞线6的预紧力，G代表弹簧502剪切弹性模量，d代表弹簧502钢材的直径，D代表组成弹簧502的中心直径，n代表弹簧502的有效圈数，
Figure SMS_12
代表弹簧502压缩变形量；
承压板501移动的变化区间计算公式：
Figure SMS_13
式中：l代表未施加预应力时位移传感器16的长度；x代表施工预应力后位移传感器16的长度。
本申请的实施例中，在承压板501上开4个与螺栓对应丝扣的固定孔，将限位板12与承压板501之间放置压阻式压力传感器14，采用螺栓固定。弹簧502与限位板12接触。能够避免地震工况下或者滑坡滑动变形时锚索不会被拉断。
在申请的实施例中，将分布式光纤11通过绳扣18固定在钢绞线6上，待活塞大变形装置应力锚索安装在钻孔1，然后在钻孔1内注水泥浆2，分布式光纤全长粘结在水泥浆2上，边滑坡变形时，分布式光纤能够准确监测到水泥注浆体的变形位置，结合钻孔角度，能够确定滑动面的深部，即：
Figure SMS_14
式中：h代表滑动面深度，
Figure SMS_15
代表分布式光纤监测的变形部位距离孔口的距离；/>
Figure SMS_16
代表钻孔长度方向与水平方向的夹角。
本申请的一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置的施工方法，包括以下步骤：
S1：在活塞筒503内装入弹簧502，将承压板501封固在活塞筒503入口处，使得弹簧502的两端分别与活塞筒503的底板和承压板501相抵接；
S2：在承压板501上开设与螺栓13对应丝扣的固定孔，在限位板12与承压板501之间放置压阻式压力传感器14，并用螺栓13固定；
S3：将钢绞线6穿过活塞筒503和承压板501上的预设孔洞，并将其一端通过挤压套4锚固在承压板501上，钢绞线6另一端通过临时锚固装置固定；
S4：在导向头3内部预设四个挂钩17，在承压板501的前端面开孔设置与挂钩螺杆15对应的丝扣，将挂钩螺杆15固定在丝扣上，将位移传感器16固定在挂钩螺杆15与导向头挂钩17之间，之后将导向头3扣合在活塞筒503上；
S5：将分布式光纤11沿钢绞线6通长布置，并通过绳扣18固定；
S6：在预设点位钻取钻孔1，将步骤S5形成的整体结构安装在钻孔1中，在钻孔1内注水泥浆2形成注浆体后，施作框架梁7，框架梁上放上钢垫板8，钢垫板8上放锚具9，对钢绞线6进行张拉，施加预应力，然后封锚，形成锚墩10。
还包括：在步骤S2、S4中：分别将压阻式传感器14和位移传感器16通过导线沿着钢绞线6引出。
还包括：S7：将压阻式压力传感器14和位移传感器16的导线与采集仪通信连接，将分布式光纤11与调制解调仪通信连接，并分别与数据采集以及处理系统连接。
所述的发明专利实现边/滑坡的大变形，同时还能实时捕捉边/滑坡的滑动力、滑移量及变形部位三项监测指标同时获取的自动化实时监测及数据展示。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置，其特征在于，包括：活塞式大变形预应力锚索、锚索轴力监测装置、活塞滑移量监测装置及边/滑坡变形部位监测装置；
所述的活塞式大变形预应力锚索包括导向头（3）、活塞式大变形装置（5）、钢绞线（6）、及锚具（9）；活塞式大变形装置（5）包括承压板（501）、弹簧（502）、活塞筒（503），弹簧（502）两端分别抵接在承压板（501）和活塞筒（503）的底板上，并可在活塞筒（503）内移动，导向头（3）固定在活塞筒（503）前端，钢绞线（6）一端锚固在承压板（501）上，另一端锚固在锚具（9）上；
所述的锚索轴力监测装置包括限位板（12）、螺栓（13）及压阻式压力传感器（14），在承压板（501）上开设与螺栓（13）对应丝扣的固定孔，将压阻式压力传感器（14）放置在限位板（12）与承压板（501）之间，并用螺栓（13）固定；
所述的活塞滑移量监测装置包括挂钩螺杆（15）、位移传感器（16）和导向头上挂钩（17），在导向头（3）内部预设挂钩（17），在承压板（501）前侧开孔设置与挂钩螺杆（15）对应的丝扣，将挂钩螺杆（15）固定在承压板（501）上，在挂钩螺杆（15）与挂钩（17）之间固定位移传感器（16）；
所述的边/滑坡变形部位监测装置包括分布式光纤（11）和固定光纤的绳扣（18），分布式光纤（11）通过绳扣（18）绑扎在钢绞线（6）上，并通过水泥浆（2）全长固定。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置，其特征在于，所述压阻式压力传感器（14）的压力值F1计算公式：
Figure QLYQS_1
；
式中：U代表压阻式压力传感器（14）两端的电压；
Figure QLYQS_2
代表压阻式压力传感器（14）单位压力与其伸长变形量的比值；S代表压阻式压力传感器（14）的横截面面积；I代表压阻式压力传感器（14）两端的电流；k代表压阻式压力传感器（14）的单位电阻与其伸长变形量的比值。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置，其特征在于，弹簧（502）压缩变形量计算公式：
Figure QLYQS_3
；
式中：F2代表钢绞线（6）的预紧力，G代表弹簧（502）剪切弹性模量，d代表弹簧（502）钢材的直径，D代表组成弹簧（502）的中心直径，n代表弹簧（502）的有效圈数，
Figure QLYQS_4
代表弹簧（502）压缩变形量；考虑到边/滑坡变形钢绞线受拉变形伸长，弹簧压缩变形量值小于等于边/滑坡的变形量值；
承压板（501）移动的变化区间计算公式：
Figure QLYQS_5
式中：l代表未施加预应力时位移传感器（16）的长度；x代表施工预应力后位移传感器（16）的长度。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置，其特征在于，边/滑坡变形时，分布式光纤（11）能够准确监测到水泥浆（2）的变形位置，结合钻孔角度，即可确定滑动面的深度h，即：
Figure QLYQS_6
式中：h代表滑动面深度，
Figure QLYQS_7
代表分布式光纤监测的变形部位距离孔口的距离；/>
Figure QLYQS_8
代表钻孔长度方向与水平方向的夹角。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置，其特征在于，分布式光纤（11）包括脉冲光信号发生器、若干个环形器和光探测器，脉冲光信号发生器安装在分布式光纤（11）一端，发出的光信号产生布里渊散射后通过环形器后被设置于分布式光纤（11）另一端的光探测器接收。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置，其特征在于，还包括：数据采集以及处理系统，所述数据采集以及处理系统用于收集锚索轴力监测装置、活塞滑移量监测装置及边/滑坡变形部位监测装置的监测信号并进行处理。
7.根据权利要求6所述的一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在活塞筒（503）内装入弹簧（502），将承压板（501）封固在活塞筒（503）入口处，使得弹簧（502）的两端分别与活塞筒（503）的底板和承压板（501）相抵接；
S2：在承压板（501）上开设与螺栓（13）对应丝扣的固定孔，在限位板（12）与承压板（501）之间放置压阻式压力传感器（14），并用螺栓（13）固定；
S3：将钢绞线（6）穿过活塞筒（503）和承压板（501）上的预设孔洞，并将其一端通过挤压套（4）锚固在承压板（501）上，钢绞线（6）另一端通过临时锚固装置固定；
S4：在导向头（3）内部预设四个挂钩（17），在承压板（501）的前端面开孔设置与挂钩螺杆（15）对应的丝扣，将挂钩螺杆（15）固定在丝扣上，将位移传感器（16）固定在挂钩螺杆（15）与导向头挂钩（17）之间，之后将导向头（3）扣合在活塞筒（503）上；
S5：将分布式光纤（11）沿钢绞线（6）通长布置，并通过绳扣（18）固定；
S6：在预设点位钻取钻孔（1），将步骤S5形成的整体结构安装在钻孔（1）中，在钻孔（1）内注水泥浆（2）形成注浆体后，施作框架梁（7），框架梁上放上钢垫板（8），钢垫板（8）上放锚具（9），对钢绞线（6）进行张拉，施加预应力，然后封锚，形成锚墩（10）。
8.根据权利要求7所述的一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置，其特征在于，还包括：在步骤S2、S4中：分别将压阻式传感器（14）和位移传感器（16）通过导线沿着钢绞线（6）引出。
9.根据权利要求7所述的一种基于光纤的活塞式大变形预应力锚索监测装置，其特征在于，还包括：S7：将压阻式压力传感器（14）和位移传感器（16）的导线与采集仪通信连接，将分布式光纤（11）与调制解调仪通信连接，并分别与数据采集以及处理系统连接。
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