一种用于监测横向荷载的锚杆及方法与流程

1.本发明涉及锚杆领域，特别是一种用于监测横向荷载的锚杆。


背景技术：

2.锚杆被广泛使用于边坡及隧道等岩体支护中，锚杆的轴向应力、横向荷载与横向变形等信息是判断支护岩体安全的重要参数。锚杆的支护质量决定了支护工程的成败和岩体的稳定，因此锚杆监测成为了工程技术人员的关注重点。传统的锚杆监测，主要是监测锚杆的纵向杆端轴力、杆身轴力和轴向应变等参数，对应的监测方法和手段取得了较多的成果。而受限于传感器技术和监测方法及手段等原因，有关锚杆横向荷载及变形监测方法的研究成果相对较少，有待进一步研究。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的是提供一种结构简单，易于制造，实用性强的用于监测横向荷载的锚杆，不仅可以满足传统锚杆轴向应变的测量需求，而且能够满足锚杆横向荷载的测量需求。
4.本发明采用以下方案实现：一种用于监测横向荷载的锚杆，包括锚杆本体，所述锚杆本体外周部开设有三条沿周向均匀分布的凹槽，每条凹槽长度方向与锚杆本体中心轴线相平行，所述锚杆本体长度方向中部位置在每条凹槽内均通过胶水粘固有光纤光栅传感器。
5.进一步的，所述锚杆本体半径为凹槽深度的7~10倍，所述锚杆本体半径为凹槽宽度的3~5倍。
6.进一步的，所述凹槽宽度为3mm，深度为1.3mm。
7.进一步的，所述胶水采用6001丙烯酸结构胶。
8.一种横向荷载计算方法，采用如上所述的用于监测横向荷载的锚杆，（1）锚杆横向荷载方向及变形的计算方法：锚杆受横向荷载作用时，发生弯曲变形，锚杆横截面弯曲角度为β，则根据弯曲变形理论，可得：（1）；且有d1，d2，d3和r及夹角α存在以下关系式，（2）；r为锚杆弯曲半径，为光栅1顺时针旋转至锚杆受横向荷载方向的夹角，r为光栅至锚杆圆心的距离，s为锚杆弯曲前的长度；ds1、ds2、ds3分别为三个光纤光栅传感器所在位置锚杆弯曲后的长度变形量；d1，d2，d3分别为三个光纤光栅传感器所在位置沿锚杆弯曲平
面偏离锚杆中性轴的距离；分别为三个光纤光栅传感器所在位置锚杆弯曲后的应变值，可由锚杆对应表面位置的变形值ds除以锚杆变形前的长度s计算得到，即=ds1/s、=ds2/s、=ds3/s；由（1）式可得：（3）；（4）；分别由光纤光栅传感器测得，联立方程（2）、（4）方程组，即可计算得到锚杆所受横向荷载的方向和锚杆弯曲半径r；（2）锚杆横向荷载大小的计算方法：锚杆受弯后最大拉应力在离锚杆中和轴的最远处，且有如下等式：（5）；已由联立方程（2）和（4）求得，带入式（2）可求得（为光栅编号）。将和光纤光栅实测应变值，分别带入式（5），可计算得到3个最大应变值，取其算术平均值为最大应变代表值（6）；锚杆跨中弯矩为（7）；锚杆最大应力为（8）；锚杆最大应变为（9）；联立式（7）、（8）、（9）可计算得到锚杆的横向荷载，（10）；式中，为截面抵抗矩，为弯矩，为弹性模量。
9.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明用于监测横向荷载的锚杆结构简单，易于制造，实用性强，不仅可以满足传统锚杆轴向应变的测量需求，而且能够满足锚杆横向荷载大小、方向和变形的测量需求，实现对锚杆横向的土体变化情况的监测，进而为土体支护的质量评估提供更为丰富的评价参数，提高土体支护健康状况评估的准确性。
10.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
11.图1是本发明实施例锚杆侧视图；图2是图1的1-1截面图；图3是本发明实施例锚杆弯曲变形侧视图；图4是图3的2-2截面图；图5是本发明实施例集中荷载作用下两端简支的锚杆受力分析图；图6 是本发明实施例锚杆3种横向荷载作用下的测量值统计分析图；图7是本发明实施例锚杆3种横向荷载作用下的平均值统计分析图；图8是本发明实施例锚杆3种横向荷载作用下弯曲半径r测量平均值统计分析图；图9是本发明实施例锚杆3种横向荷载作用下横向荷载相对误差计算结果统计分析图；图中标号说明：100-锚杆本体；200-凹槽；330-光纤光栅传感器。
具体实施方式
12.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
13.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
14.如图1~2所示，一种用于监测横向荷载的锚杆，包括锚杆本体100，所述锚杆本体外周部开设有三条沿周向均匀分布的凹槽200，每条凹槽长度方向与锚杆本体中心轴线相平行，所述锚杆本体长度方向中部位置在每条凹槽内均通过胶水粘固有光纤光栅传感器300。本技术基于光纤光栅传感技术，光纤光栅传感器被用于监测锚杆中部同一截面处锚杆表面的纵向应变，结合理论模型可计算获得工作状态下，锚杆的轴向应力、横向荷载、横向荷载方向和横向变形等信息，不仅可以满足传统锚杆轴向应变的测量需求，而且能够满足锚杆横向荷载大小、方向和变形的测量需求，实现对锚杆横向的土体变化情况的监测，进而为土体支护的质量评估提供更为丰富的评价参数，提高土体支护健康状况评估的准确性；而且光纤光栅传感器直接利用胶水粘固在凹槽中，省去固定部件，简化结构，并且能够更准确的检测到纵向应变，提高监测结果的准确性。
15.在本实施例中，所述锚杆本体半径为凹槽深度的7~10倍，所述锚杆本体半径为凹槽宽度的3~5倍。
16.在本实施例中，所述凹槽宽度为3mm，深度为1.3mm。
17.在本实施例中，所述锚杆本体呈管状，外径为24.5mm，内径为21.2mm，壁厚长度为2000mm。
18.在本实施例中，所述胶水采用6001丙烯酸结构胶。
19.一种横向荷载计算方法，采用如上所述的用于监测横向荷载的锚杆，
（1）锚杆横向荷载方向及变形的计算方法：锚杆受横向荷载作用时，发生弯曲变形，如图3所示。图中r为锚杆弯曲半径，o为弯曲圆心，为光栅1顺时针旋转至锚杆受横向荷载方向的夹角，r为光栅至锚杆圆心的距离，锚杆在同一横截面上的弯曲角度相等。
20.假设粘贴光栅处的锚杆横截面弯曲角度为β，如图4所示，图中1、2、3分别三个光纤光栅传感器的安装位置，4为锚杆中心轴线。则根据弯曲变形理论，可得：（1）；式中， s为锚杆弯曲前的长度；ds1、ds2、ds3分别为三个光纤光栅传感器所在位置锚杆弯曲后的长度变形量；d1，d2，d3分别为三个光纤光栅传感器所在位置沿锚杆弯曲平面偏离锚杆中性轴的距离，如图3中截面2-2所示，且有d1，d2，d3和r及夹角α存在以下关系式，（2）；分别为三个光纤光栅传感器所在位置锚杆弯曲后的应变值，可由锚杆对应表面位置的变形值ds除以锚杆变形前的长度s计算得到，即=ds1/s、=ds2/s、=ds3/s。
21.由（1）式可得：（3）；（4）；分别由光纤光栅传感器测得，联立方程（2）、（4）方程组，即可计算得到锚杆所受横向荷载的方向和锚杆弯曲半径r。
22.（2）锚杆横向荷载大小的计算方法：假设锚杆的结构受力模型为简支梁，所受荷载为跨中集中力f，如图5所示。
23.根据平截面假设，锚杆受弯后最大拉应力在离锚杆中和轴的最远处，且有如下等式：（5）；已由联立方程（2）和（4）求得，带入式（2）可求得（为光栅编号）。将和光纤光栅实测应变值，分别带入式（5），可计算得到3个最大应变值，取其算术平均值为最大应变代表值（6）。
24.由图5可得，锚杆跨中弯矩为（7）；锚杆最大应力为（8）；锚杆最大应变为（9）；联立式（7）、（8）、（9）可计算得到锚杆的横向荷载，（10）。
25.式中，为截面抵抗矩，为弯矩，为弹性模量。
26.传统锚杆监测，主要以锚杆的纵向轴力和变形二个参数为主，并基于以上参数对土体的支护结构进行支护质量评价和健康状态的评估。但是，该方法无法获得土体在锚杆横向上的变形情况，从而使得土体的变形情况无法被精确掌握，从而一定程度上影响了评价的准确性。本发明涉及土体支护质量状况的健康监测领域，对传统锚杆的轴力检测方法进行了完善，提出了一种可用于测量锚杆横向荷载方向、大小和锚杆横向变形的监测方法，该方法可用于监测支护锚杆的横向荷载大小、方向及锚杆的横向变形等参数。
27.本文提出锚杆设计方案和理论计算方法，能够实现对锚杆横向的土体变化情况进行测量，实现对锚杆横向荷载方向、大小和锚杆横向变形的监测，进而为土体支护的质量评估提供更为丰富的评价参数，提高土体支护健康状况评估的准确性。
28.本发明利用上述技术方法进行了实验。
29.实验采用中空锚杆，外径为24.5mm，内径为21.2mm，壁厚为3.3mm，长度为2000mm，弹性模量e=2.06e6n/mm^2（2.06*106n/mm2），密度7.85*103kg/m3（7.85g/cm3）。横向荷载加载方式是分别在锚杆的中部依次按特定荷载方向施加横向荷载，荷载值分别为5kg、10kg和15kg。应用上述的方法，代入锚杆应变值，计算得到荷载方向、弯曲半径r和横向荷载的测量值。
30.（1）荷载方向测量结果荷载方向的测量结果如图6所示。图中纵坐标为加载方向测量值的偏差值，即荷载方向的测量值和加载方向二者的差值，按下式计算(11)。
31.图6给出了3种横向荷载作用下，6个加载方向的测量值。图7给出5kg、10kg和15kg荷载作用下的平均值，图中的标准差分别为
±
4.5
°
、
±
4.8
°
和
±
5.4
°
。
32.（2）横向弯曲变形测量结果测量结果如图8所示。图中分别给出3种不同荷载作用下，弯曲半径测量值r的平均值和标准差。r的平均值为6个不同方向横向加载实验测量值r的平均，该值随着横向荷载的增大呈减小的趋势。r的标准差分别为
±
14.4m、
±
5.5m和
±
2.5m，随着横向荷载的增大呈减小趋势。
33.（3）横向荷载测量结果
测量结果如图9所示。图中平均值，为特定横向荷载作用下，6次不同方向加载实验荷载测量值f的相对误差的平均。图中标准差分别为
±
10.4%、
±
8.1%和
±
4.2%，随着横向荷载增大而减小。相对误差计算方法如下：将计算值代入（2）计算得到，由（5）、（6）计算得到，利用式（10）计算得到锚杆的横向荷载f。式（10）中截面抵抗矩w为（12），式中，为锚杆外径，为锚杆内径。
34.为横向荷载的测量值与加载值比较的相对误差，按式下式计算：（13）实验结果表明：横向荷载方向测量平均值最大误差为-0.48
°
，横向荷载测量值相对误差平均值最大为-4.2%。该方法增加了传统智能锚杆的监测参数，为土体支护的安全监测提供更为丰富的评估数据。
35.对已有锚杆的监测方法进行了改良，实现了对锚杆横向荷载方向、大小和锚杆横向变形的监测方法。通过本专利较好地实现以下目的：（1）在保留传统锚杆轴力荷载和应变监测的基础上，增加对锚杆横向荷载和变形的监测；（2）对锚杆的横向荷载的方向、大小和锚杆横向变形进行有效监测；（3）通过锚杆横向荷载及变形等信息，丰富土体支护质量及健康状况评估的参数指标，提高土体支护质量及健康状况评估的准确性。
36.上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
37.本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
38.另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
39.本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
40.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任
何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种用于监测横向荷载的锚杆，其特征在于：包括锚杆本体，所述锚杆本体外周部开设有三条沿周向均匀分布的凹槽，每条凹槽长度方向与锚杆本体中心轴线相平行，所述锚杆本体长度方向中部位置在每条凹槽内均通过胶水粘固有光纤光栅传感器。2.根据权利要求1所述的用于监测横向荷载的锚杆，其特征在于：所述锚杆本体半径为凹槽深度的7~10倍，所述锚杆本体半径为凹槽宽度的3~5倍。3.根据权利要求2所述的用于监测横向荷载的锚杆，其特征在于：所述凹槽宽度为3mm，深度为1.3mm。4.根据权利要求1所述的用于监测横向荷载的锚杆，其特征在于：所述胶水采用6001丙烯酸结构胶。5.一种横向荷载计算方法，采用如权利要求1所述的用于监测横向荷载的锚杆，其特征在于：（1）锚杆横向荷载方向及变形的计算方法：锚杆受横向荷载作用时，发生弯曲变形，锚杆横截面弯曲角度为β，则根据弯曲变形理论，可得： （1）；且有d1，d2，d3和r及夹角α存在以下关系式，（2）；r为锚杆弯曲半径， 为光栅1顺时针旋转至锚杆受横向荷载方向的夹角，r为光栅至锚杆圆心的距离，s为锚杆弯曲前的长度；ds1、ds2、ds3分别为三个光纤光栅传感器所在位置锚杆弯曲后的长度变形量；d1，d2，d3分别为三个光纤光栅传感器所在位置沿锚杆弯曲平面偏离锚杆中性轴的距离；分别为三个光纤光栅传感器所在位置锚杆弯曲后的应变值，可由锚杆对应表面位置的变形值ds除以锚杆变形前的长度s计算得到，即=ds1/s、=ds2/s、=ds3/s；由（1）式可得：（3）；（4）；分别由光纤光栅传感器测得，联立方程（2）、（4）方程组，即可计算得到锚杆所受横向荷载的方向和锚杆弯曲半径r；（2）锚杆横向荷载大小的计算方法：锚杆受弯后最大拉应力在离锚杆中和轴的最远处，且有如下等式：（5）；
已由联立方程（2）和（4）求得，带入式（2）可求得（为光栅编号）；将和光纤光栅实测应变值，分别带入式（5），可计算得到3个最大应变值，取其算术平均值为最大应变代表值（6）；锚杆跨中弯矩为（7）；锚杆最大应力为（8）；锚杆最大应变为（9）；联立式（7）、（8）、（9）可计算得到锚杆的横向荷载，（10）；式中，为截面抵抗矩，为弯矩，为弹性模量。

技术总结
本发明涉及一种用于监测横向荷载的锚杆，包括锚杆本体，所述锚杆本体外周部开设有三条沿周向均匀分布的凹槽，每条凹槽长度方向与锚杆本体中心轴线相平行，所述锚杆本体长度方向中部位置在每条凹槽内均通过胶水粘固有光纤光栅传感器。不仅可以满足传统锚杆轴向应变的测量需求，而且能够满足锚杆横向荷载大小、方向和变形的测量需求，实现对锚杆横向的土体变化情况的监测，进而为土体支护的质量评估提供更为丰富的评价参数，提高土体支护健康状况评估的准确性。估的准确性。估的准确性。


技术研发人员：林龙镔
受保护的技术使用者：福建省禹澄建设工程有限公司
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/15