（机械制造及其自动化专业论文）锚杆轴力监测装置的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 锚杆轴力监测装置的研究 摘要 本文旨在研究一种锚杆轴力监测装置。锚杆锚固技术在我国的矿井巷 道支护、边坡稳定和深基坑维护、岩土工程、隧道及洞体支护、坝基桥基 和塔基锚固等工程中得到广泛的应用。但是由于工作环境非常恶劣，锚杆 经常受到富含各种矿物质的地下水腐蚀以及邻近区域采矿扰动等的影响。 这些影响经常导致锚固锚杆的断裂，给岩土工程造成潜在的事故隐患。但 至今没有一种无需能源供应，无需信号激发、接收、传输与处理系统，无 需后续人工复检，对锚杆的锚固质量不会产生损害，安装简单、方便，能 够对整个锚杆支护工程进行长期有效、低成本、准确的监测装置，使本课 题成为具有挑战性的课题之一。 本文研究了一种由加载体、承载体、保护罩、压敏显色剂构成的活塞 式锚杆轴力监测装置，该装置安装于锚杆托盘与螺母之间。依据锚杆的轴 力状态的不同，在保护罩上标示出与轴力状态相对应的显色范围，工作人 员可以通过观察该装置保护罩上的变色区域来推断锚杆的轴力状态。首先， 本文对锚杆端部受拉力时做了理论研究，推导出锚杆剪应力与轴力的分布 规律，并定义了锚杆三种不同的受力状态。其次，本文研究并确定了活塞 式锚杆轴力监测装置中的加载体、承载体、保护罩与压敏显色剂这四个构 件的材料，并设计加载体、承载体、保护罩这三个构件的结构，通过a n s y s 软件对该装置进行非线性接触仿真分析，确定加载体、承载体、保护罩这 三个构件的基本尺寸，压敏显色剂的显色压强，相互接触构件之间的摩擦 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 系数以及重要尺寸的公差。最后，本文依据a n s y s 软件的计算结果，在活 塞式锚杆轴力监测装置的保护罩接触面上标示出与锚杆三种不同的受力状 态相对应的压敏显色剂显色范围。 最后本文完成了活塞式锚杆轴力监测装置研究与设计。通过a n s y s 软 件平台对该装置的结构进行仿真分析，证明该装置结构合理，可以到达预 期的效果。 关键宇：锚杆，轴力，监测，a n s y s ，非线性接触 i i r e s e a r c ho nm o n i t o r i n gd e v i c e 0 fb o l t 瑚a lf o r c e a b s t r a c t t h ea i mo ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h em o n i t o r i n gd e v i c eo fb o l ta x i a l f o r c e b o l ta n c h o r i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l ya p p l i e di nm i n er o a d w a ys u p p o r t ， s l o p es t a b i l i t ya n d t h e s u p p o r t i n gs y s t e m o fd e e pe x c a v a t i o n ，g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g ，s u p p o r t o ft u n n e l sa n dc a v e l t l s ，d a m f o u n d a t i o na n db r i d g e f o u n d a t i o n ，t o w e rf o o t i n gi nc h i n a b e c a u s eo ft h eb a dw o r ke n v i r o n m e n t ，t h e b o l t sm w a y sa r ee r o d e db yg r o u n d w a t e rw h i c hi s r i c hi nv a r i o u sm i n e r a l sa n d d i s t u r b e db ym i n i n gw o r k i n gi nn e i g h b o r i n gr e g i o n s t h e s ef a c t o r sa l w a y sb r e a k t h eb o l t s ，a n dc a u s ep o t e n t i a l l yh i d d e na c c i d e n t si ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g - b u tu pt on o w ，t h e r ei sn o tam o n i t o rw h i c hn e e dn o tt h es y s t e mo fe n e r g y s u p p l y ，s i g n a le x c i t a t i o n ，a c c e p t a n c e ，t r a n s m is s i o n ，p r o c e s s i n g ，a n d t h e s u b s e q u e n tm a n u a li n s p e c t i o n d o ，d on o td a m a g e t h eb o l ta n c h o r i n gq u a l i t y ，e a s y t oi n s t a l l ，a n dc o u l dp r o v i d ee f f e c t i v el o n g t e r m ，l o w c o s ta n da c c u r a t em o n i t o r f o rt h ee n t i r eb o l ts u p p o r t i n ge n g i n e e r i n g ，t h e s ee n a b l et h es u b je c tt ob e c o m e o n eo ft h ec h a l l e n g i n gt o p i c s t h i s p a p e r r e s e a r c h e so n p i s t o n b o l ta x i a lf o r c em o n i t o r i n gd e v i c e c o m p o s e do fa d d i n gc a r r i e r ，c a r r y i n gb o d y ，p r o t e c t i v es h i e l d ，p r e s s u r e 。s e n s i t i v e c h r o m o g e n i cr e a g e n t ，i n s t a l l e db e t w e e n b o l tp l a t ea n db o l tn u t a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n ts t a t e so ft h e b o l ta x i a lf o r c e ，t h e r ea r ec o l o rr a n g e sm a r k e di nt h e p r o t e c t i v es h i e l da n dt h ec o l o rr a n g e sc o r r e s p o n dt ot h es t a t eo f t h ea x i a lf o r c e ， t h es t a f fc a l lb ei n f e r r e db yo b s e r v i n gt h ec o l o rr a n g e so nt h ed e v i c ea n dg e tt h e b o l ta x i a lf o r c e f i r s t l y ，t h i sp a p e rd o e st h e o r e t i c a lr e s e a r c hw h e nt e n s i o na c t so n t h eb o l tt i p ，a n dd e r i v e st h ed i s t r i b u t i o nl a wo ft h eb o l ts h e a rs t r e s sa n da x i a l t n 太原理工大学硕士研究生学位论文 _ 二二二一 f o r c e ，a n dd e f i n e st h r e ed i f f e r e n tb o l ts t r e s ss t a t e s e c o n d l y ，t h i sp a p e rs t u d i e s a n dd e t e r m i n e st h em a t e r i a l so fp i s t o n b o l ta x i a lf o r c e m o n i t o r i n gd e v i c e c o m p o s e do fa d d i n gc a r r i e r ，c a r r y i n gb o d y ，p r o t e c t i v es h i e l d ，p r e s s u r e s e n s i t i v e c h r o m o g e n i cr e a g e n t ，a n dd e s i g n st h es t r u c t u r eo fa d d i n gc a r r i e r ，c a r r y i n gb o d y ， p r o t e c t i v es h i e l d ，a n dd e t e r m i n eb a s i cd i m e n s i o n so ft h e s et h r e ec o m p o n e n t s t h e c h r o m o g e n i cp r e s s u r eo fp r e s s u r e s e n s i t i v ec h r o m o g e n i cr e a g e n t ，t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n tb e t w e e nt h ec o m p o n e n t sw h i c ha r em u t u a lc o n t a c t ，t o l e r a n c eo f t h e i m p o r t a n td i m e n s i o n sb yn o n l i n e a rc o n t a c ts i m u l a t i o n a n a l y s i sb ya n s y s s o f t w a r e f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ea n s y s ，t h i sp a p e rm a r k st h e c o l o rr a n g e so f p r e s s u r e s e n s i t i v ec h r o m o g e n i cr e a g e n to nt h ec o n t a c ts u r f a c eo f t h ep r o t e c t i v es h i e l do ft h ep i s t o nb o l t a x i a lf o r c em o n i t o r i n gd e v i c ew h i c h c o r r e s p o n dt ot h et h r e ed if f e r e n tb o l ts t r e s ss t a t e f i n a l l y ，t h i sp a p e rd e s i g n st h ep i s t o nb o l ta x i a lf o r c em o n i t o r i n gd e v i c e t h es t r u c t u r eo fd e v i c eh a sb e e np r o v e db ya n s y st h a ti sr e a s o n a b l e ，a n dc a n r e a c ht h ed e s i r e de f f e c t k e yw o i s ：b o l t ，a x i a lf o r c e ，m o n i t o r ，a n s y s ，n o n l i n e a rc o n t a c t i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 岩土锚固技术是指采用锚杆或者锚索对岩土体进行加固的技术n 1 。岩体锚固技术能 够充分利用岩土体自身的稳定能力来增强岩土工程的稳定性，使复杂的岩土工程问题得 以解决。岩体锚固技术具有施工快、不占地、扰动小、经济、安全、可靠、有效的技术 特点，因此广泛的应用在地下工程、铁路公路交通、城市建设、水利水电等行业中，并 取得了良好的经济、社会效益旺3 。 作为水利水电、交通隧道、矿山开采等地下工程广泛应用的一项关键技术，既能保 证地下工程的安全，又具有显著的技术、经济效益成为巷道支护技术的基本要求与特点。 目前，我国一般采用锚索喷支护、现浇混凝土、锚喷支护等方式对国防工程、水利、水 电、公路、铁路、矿山井巷等隧道支护。 能够及时、准确的对在锚杆支护工程的有效支护期内的锚杆的支护状态以及质量进 行监测对于锚固工程的安全生产具有十分重要的意义。但是像光纤光栅应变式、液压枕 式、电阻应变计式、钢弦式、应力波式和机械式等几类传统的传感器测试手段，已经大 量使用了光、机、电、振动类敏感元器件，这些技术也已经非常成熟了，特别是光纤光 栅应变式与电阻应变计的零点稳定、温度漂移、长期稳定以及远距离传输等问题都得到 较好的解决。但这些类传感器仍存在防潮、防水、抗干扰性能差，并且安装繁琐复杂， 监测周期比较长，特别是光、电、振动类的传感器需要对采集的信号进行调解，只能进 行点监测或者小区域的监测，因此不能很好实现对整个锚固工程进行长期有效的实时监 测。因此，研制一种新型的，并且能够及时准确的对整个锚杆锚固工程的锚杆进行监测 的装置，是锚杆支护工程的必然要求，对锚杆支护工程的维护和安全生产具有十分重要 的意义。其意义为： 介绍一种新型的无需能源供应，无需信号激发、接收、传输与处理系统，无需后续 的人工复检，对锚杆的锚固质量不会产生损害，安装简单、方便，能够对整个锚杆支护 工程进行长期有效的、低成本、准确的锚杆轴力监测装置，为矿井锚杆的受力状态的监 测与检测提供一种新方法。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 锚杆支护系统的研究现状 1 2 1 锚杆的分类 锚杆锚固系统是由岩石、加固元件( 即锚杆) 、外部固定部分和内部固定部分构成的， 这一概念是1 9 9 7 年由w i n d s o r 口3 首先提出来的。按照不同的锚固机理，可以将锚杆大致 分为以下三类h 酣： ( 1 ) 机械固定式锚杆 通过机械装置将围岩岩体与锚杆固定为一个整体，从而起到锚固作用的一类锚杆称 为机械固定式锚杆，如图1 1 所示。因为受到机械固定式锚杆的锚固机理与锚固强度的 限制，这一类锚杆主要被用做岩层中的临时性的、短期的支护锚杆。 图1 - 1 机械固定式锚杆 f i g 1 1m e c h a n i c a l l yf i x e db o l t ( 2 ) 摩擦型锚杆 当围岩发生形变时，在锚杆和锚孔孔壁两者之间的接触面上会产生摩擦阻力。通过 锚杆与锚孔孔壁两者的接触面所产生的摩擦阻力来约束围岩的变形的一类锚杆称为摩 擦型锚杆，这一类锚杆也主要被用作短期、临时性的锚杆支护。锚孔孔壁岩石的强度在 很大程度上决定了锚杆与锚孔孔壁之间的摩擦阻力的大小。典型的摩擦型锚杆主要有两 种：缝管式锚杆和s w e l l e x 锚杆，这两种锚杆的结构如图1 2 和图1 3 所示。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 2 缝管式锚杆 f i g 1 2s p l i tb o l t l 奎i1 - 3s w e l l e x 锚杆示意图 f i g 1 3d i a g r a mo fs w e l l e xb o l t ( 3 ) 粘结型锚杆 将安装于锚孔中的较长的一段锚杆杆体通过粘结剂与锚孔孔壁粘结固定在一起的 一类锚杆称为粘结型锚杆，这一类锚杆应用比较非常广泛。这一类锚杆要具有较长的锚 固粘结段，使围岩岩体单位面积上承受比较小的负荷量，所以特别适用于软弱岩层，可 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 以向周围比较坚硬的围岩岩体传递较大的拉力或压力。这类锚杆可以用于各种岩石条件 下的临时性支护和永久性支护。锚杆杆体材料一般为普通钢筋或者螺纹钢筋。依据锚杆 锚固段长度的不同，又可以分为全长锚固锚杆和端点锚固锚杆。根据粘结材料的不同又 可将锚杆分为水泥砂浆锚杆和树脂锚杆。 1 2 2 国内外锚杆支护理论研究现状 从1 9 1 2 年锚杆支护技术首次被谢列兹矿应用于井下巷道以来，至今已有一百年的 历史。1 9 5 2 年p a n e k 等人提出了悬吊理论，如图1 - 4 所示，该理论是指通过锚杆将松动 的岩块固定在稳定的岩层上【73 。j a c o b i o 、t l v r a b c e w i c z 等人提出了组合梁理论，如图 1 5 所示，该理论是指将岩层通过锚杆固定在一起，伎各岩层之间的摩擦力增大阳3 。 t a l a n g 、p e n d e r 等人提出了组合拱理论，如图1 6 所示，该理论是认为围岩岩体通过 锚杆的限制与约束作用，由二维应力状态转换为三维应力状态，从而防止了围岩岩体的 恶化阳1 。2 0 世纪7 0 年代，瑞典的g u n n a r w i j k n 们应用弹性理论分析了预应力锚杆的加固 机理。加拿大的a p s s e l v a d u r a i n 将弹性力学应用于锚杆的锚固机理分析。2 0 世纪8 0 年代，瑞士的h s t i l l e n 羽运用弹塑性理论分析了锚杆在围岩中的作用机理。马来西亚的 l p y a p n 3 3 指出锚杆侧剪应力不是均匀分布的。印度的k gs h a r m a n 钉采用粘弹塑力学理 论分析了锚杆在围岩岩体中的作用机理。2 0 世纪9 0 年代，澳大利亚的w j g a l e 提出了 最大水平应力理论，该理论指出巷道岩层的水平应力具有方向性，且一般水平应力为垂 直应力的1 3 2 倍，最大水平应力为最小水平应力的1 5 2 5 倍n 副。加拿大的s y a z i c t 、 e k k a i s e r 、a j h y e t t 对影响锚杆锚固强度的因素与锚杆的破坏形式做了大量的实验研 究n 盯，b i n d e r a r a t n e n 力运用弹塑性力学分析了锚杆在围岩中的作用机理。南韩的t f c h o 【l b 3 提出了一种二维锚杆单元离散模型，该模型可以与节理单元相互配合使用。加拿 大b b e n m o k r a n e n 町分析了锚杆的抗拔机理。美国的p p o r e s t e 幢采用复合材料力学分析 了锚杆在围岩中的作用机制。瑞典的c l 分别提出了在均匀变形岩体中、受拉拔力作用 下与节理的张开三种不同的情况作用下的锚杆分析模型，并探讨了在三种情况下锚杆的 应力分布和变形特点n 刚。 在我国，自2 0 世纪5 0 年代后期，锚杆才开始应用到各项工程中。7 0 - 8 0 年代，我 国的“七五 和“八五”国家计划中科技攻关战略中将锚杆支护定为巷道支护的主攻方 向之一。在2 0 世纪8 0 年代以后，我国开始研究预应力锚杆( 索) 钢筋，并在实际工 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 程中对锚杆( 索) 钢筋施加一定的预应力，围岩岩体锚固技术逐渐向高强度预应力锚杆 支护体系阶段发展。中科院武汉岩土力学研究所的林世胜心”将粘弹性力学应用到了锚杆 的作用机制的研究中。株洲工学院的汤伯森幢幻运用了弹塑性理论分析了锚杆的作用机 制。中科院武汉岩土力学研究所的张玉军他3 对锚杆的作用机制应用各向异性弹性力学理 论做了分析。山东矿业学院的徐恩虎乜蚰利用了复合材料力学理论对锚杆的作用机制做了 分析解释。随着锚杆锚固技术的应用日益广泛，一些新的锚固理论开始浮现。北京科技 大学的高谦心5 3 在分析锚杆的作用机理过程中使用了可靠度分析法。太原理工大学的韩风 山乜6 3 利用了神经网络技术对锚杆的作用机理进行了分析。淮南工业大学的孟祥瑞阻钉在锚 杆的作用机理分析中总结归纳出了专家决策支持系统。 鬻攀 ? ：；蕾舞翟?簿鬻每蠹： 。? ：爨j 慧；。 ：专? jj ：乏 馨囊嚣； 蓉簿鬻譬蘸瀚i 毫誊i | j t 誊。薯 j 蠹。筑 。譬童0 譬 j 畿；舞辇；燮 ! i 誊藩孽 囊譬：j ：零 黎嚣一、；0 毒 j ；支黪鎏穿叠 簧繁辫? 攀黎 譬一! ，? 二0 t ? “霹蠢- 黎 寒蓉毒 善姆蓊簿奢 、囊警曩鼍 饕；j t _ ：；菇j j 囊薹 凄藩冬襄! t 。? f j lr 、 霞：糍囊 y p 量，0 ：l l 一一 lj ：l 一l 一 图l - 4 悬吊理论示意图 f i g 1 - 4d i a g r a mo fs u s p e n s i o nt h e o r y 图1 - 5 组合梁理论示意图 f i g 1 - 5d i a g r a mo fc o m p o s i t eb e a mt h e o r y 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 6 组合拱理论示意图 f i g 1 6d i a g r a mo f a r c ht h e o r y 1 2 3 国内外锚杆支护技术现状 从世界范围来分析，自2 0 世纪9 0 年代以来，国内外岩体锚固技术无论在理论研究、 技术创新或工程应用方面都得到了突飞猛进发展。近二十多年来岩体锚杆锚固技术的主 要成就和最新发展主要集中表现在以下几个方面： ( 1 ) 锚杆锚固技术应用领域日益广泛，锚杆不仅在地下、边坡、结构抗浮等工程 中依旧应用非常多，而且在坝基加固、桥梁以及抗震等方面的应用也发展快速。锚杆锚 固技术的社会、经济效益也日趋显著。 ( 2 ) 锚杆杆体的结构、材料和制造水平、安装施工机具、安装施工工艺都在不断 革新，不仅增强了锚杆在不同环境、不同条件下的适应性，而且提高了锚杆锚固工程的 质量。针对锚杆在较软的围岩岩体中的适应性差的问题，包括我国在内的很多国家都先 后研制了具有全长摩擦锚固的钢管锚杆。对于在松软破碎的地层中成孔困难、钻孔拔出 即塌孔的问题，研制了自钻式锚杆乜盯。针对矿山巷道工程容易产生大变形和受煤层开采 振动影响这样的问题，研制了可伸缩式锚杆m 1 。另外，近几年的研究热点逐渐向具有 高承载力的预应力锚杆( 索) 技术方向发展。 在材料方面，首先是锚杆杆体的材料有了很大的发展。由冶金部建筑研究总院研制 成的精轧螺纹钢矧3 1 1 ，直径为0 2 6 m m 和0 3 2 m m ，屈服极限可达到1 0 8 0 m p a 。此外， 开发了单孔复合锚固体系臼羽。另外将锚杆杆体做成高承载力结构，并利用可重复高压灌 浆技术等方法，都积极地改善了锚杆的传力机理，大大提高了锚杆的锚固力。其次，锚 杆锚固剂的材料也有了很大的发展。各国开发研制出具有高强度的树脂锚固剂、水泥锚 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 固剂，使粘结剂凝结速度、粘结强度等性能有了明显的改善。 锚杆支护作为一种手段，准确的保证了围岩的应力峰值在向深部转移过程中顶板的 安全性以及巷道表面围岩的完整性，使围岩岩体自身的承载能力得到充分的发挥，大大 降低了巷道的形变速率。如若围岩岩体的刚度比较高，在二次支护后，重新分配了岩体 的应力，大大降低了巷道锚固区外的围岩岩体的切向应力，这样的支护手段有利于巷道 围岩趋于并保持其自身的稳定性；如若围岩岩体比较软，随着时间推移，锚固区的围岩 体的应力逐渐增高，变形性逐渐增大，在二次支护后，围岩岩体的应力因巷道的后续变 形而得到了重新分配，这样做会大大提高锚固区外围岩岩体的切向应力，会导致围岩产 生大的形变。若锚杆支护区的围岩出现大的形变，会破坏巷道表面的围岩体，会大大降 低锚杆的承载能力，甚至使锚杆的承载能力丧失，会削弱和破坏锚固区岩体的整体完整 性，大大降低围岩的稳定性。 1 2 4 锚杆锚固质量检测技术的发展 岩体锚固技术在工程的应用日益广泛，因此对锚杆锚固质量的检测就成为在锚杆锚 固工程中一个十分重要、非常有意义的一部分。国内外有关科研单位、高等院校、各厂 矿等单位大量分析研究了锚杆锚固质量的检测技术，提出许多检测方法，研制出了一些 检测仪器、仪表。 ( 1 ) 测力锚杆3 3 3 测力锚杆是测量在锚杆全长锚固工作状态下锚杆杆体受力状态及分布情况的专用 锚杆，常用的测力锚杆按照测量原理可分为： 。 电阻应变式 电阻应变式测力锚杆是在沿锚杆轴向方向上开设一个矩形槽，将电阻应变片按照不 同的间距纵向的粘贴在矩形槽内，并用环氧树脂灌封，将锚杆做成应变式传感器。如图 1 - 7 所示。安装时将锚杆安装在岩体的锚孔中，并且使用电阻应变仪测量锚杆的轴向应 变，将锚杆的轴向应变转换为锚杆所受的应力。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 铺秆秆俸 ， i i t 7、 d ，i kl l。正- a )【b ) 图1 7 电阻应变式测力锚杆 f i g 1 - 7r e s i s t a n c es t r a i ng a u g ef o r c em e a s u r i n gb o l t 机械式 机械式测力锚杆是在钢管式锚杆体内设置有不同长度的细长的变形传递杆，每一根 传递杆的一端与装在锚孔1 ：3 与锚杆端头基准板相对应的测孔里，另一端则分别固定在锚 杆内壁的不同位置上。机械式测力锚杆安装于岩体中的锚孔中，使用百分表测量锚杆不 同段的变形，依据锚杆的不同段的形变求解出锚杆所受的轴向应力的大小。 钢弦式 钢弦式测力锚杆是将多个钢筋应力计与钢筋串联焊接而成，如图1 8 所示。安装时 将钢弦式测力锚杆安装于岩体的锚孔中，使用频率仪测量钢筋应力计在岩体锚孔中的频 率变化，之后按照标定的曲线将频率转换为锚杆的应力。 钢弦式铜 应力计 分线插头 图1 - 8 钢弦式测力锚杆 f i g 1 - 8v i b r a t i n g - w t r ef o r c eb o l t 光纤光栅应变式 光纤光栅应变式测力锚杆是将光纤光栅传感器、传输光纤安装于锚杆两边的筋肋， 并使用快速固化胶粘结，使锚杆、光纤光栅传感器、传输光纤成为一个整体。安装时将 锚杆安装在岩体的锚孔中，采用光纤光栅解调仪将传输光纤的数据转换为锚杆的应力。 ( 2 ) 检测仪器啪3 蜘 锚杆测力计 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 检测锚杆的锚固力是要清楚的知道锚杆的实际受力状况以及锚杆的锚固质量，是否 已经达到设计要求的锚固力，以及是否出现锚杆松弛的情况。一般情况下通过锚杆测力 计来检测锚杆的粘锚力，即轴力，但必要时采用拉拨试验的方法，以确定锚杆的最大粘 锚力。按照锚杆测力计的检测原理的不同，也可以分为液压式、光纤光栅式、钢弦式、 振弦式。 多点位移计 多点位移计是一种监测围岩深部随时间变化而产生的位移、沉降、应变、滑移等情 况的一种仪器。多点位移计主要用来判断锚杆与围岩之间是否发生脱离，锚杆是否已经 被拉断，并监测围岩各部分的位移、围岩岩层弱化和破坏的范围，为锚杆支护参数化设 计提供可靠依据。现在常用的多点位移计有中国矿业大学研制的k d w - 1 型机械式多点 位移计，煤炭科学研究总院北京建井所研制的d w 机械式多点位移计，澳大利亚研制的 声波多点位移计等。 顶板离层指示仪 顶板 毒内潲 j 图1 - 9 顶板离层指示仪示意图 f i g 1 - 9d i a g r a mo fr o o fs e p a r a t i o ni n d i c a t o r 顶板离层指示仪是监测巷道顶板、两帮的锚固范围内及锚固范围外的围岩层分离所 产生的位移的一种装置。顶板离层监测的目的在于及早发现顶板、两帮失稳冒落的征兆， 以便及时采取顶板加固及预防顶板、两帮冒落的措施，避免发生安全事故。同时，对顶 板、两帮围岩的监测数据也是对锚杆支护设计校核的一项重要依据。使用顶板离层指示 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 仪监测项板、两帮围岩的状态，及时排除隐患。顶板离层指示仪有多种不同的结构、组 成，在国内使用比较广泛的是l b y - 3 型顶板离层指示仪，如图1 9 所示。 ( 3 ) 应力波检测法 随着锚杆锚固质量无损检测技术的发展，各科研单位深入研究了应力波检测方法， 并将此类方法加以广泛运用。s c t a d o l i n i h 副、郭东辉 、寇德瑞h 町将超声波法对锚杆的 锚固质量的检测进行了实验研究。李义、王成3 1 、a n ai v a n o v i e 、梁峰m 1 、杨勇 等人对应力反射波法用于锚杆检测进行了理论探讨、模型试验研究和实际应用。 应力波是基于一维杆的波动理论哺”。当锚杆安装于围岩体中的锚孔时，敲击锚杆外 露端头，端头上的质点会产生振动，并以应力波的形式快速沿着锚杆杆体向锚杆锚固在 围岩体中的一端传播。当应力波在均匀介质中传播时，波的传播速度、幅度和类型均保 持不变；但当应力波在不均匀介质中传播时，应力波的阻抗会发生变化，因此应力波将 会产生反射、透射或散射现象，应力波的能量将发生衰减，致使扰动能量重新分配，其 中一部分能量穿过锚杆锚固端的端面继续向前传播到岩体中的称为透射波，而另一部分 能量由锚杆深埋端的界面反射回锚杆杆体中，称为反射波。工程中主要测量反射波，通 过锚杆外露端头部的传感器来检测由从锚杆锚固端的反射波。传感器接收到的反射波中 包含有锚杆的锚固信息，通过反射波中的信息，就可以分析判断锚杆的锚固质量n 副。 1 2 。5 锚杆检测技术中存在的问题 锚杆锚固质量无损检测技术，具有快速、无损、科学等优点，所以近年来发展速度 迅猛。但该技术仍处于一个不断总结、不断完善的发展阶段，所以该技术的理论和实测 过程中仍然存在一些问题。 ( 1 ) 测力锚杆是测量在锚杆全长锚固工作状态下锚杆杆体受力状态及分布情况的 专用锚杆，在实际工程安装过程中由于需要对此类锚杆特别的关注，特别是锚杆上粘贴 的各类传感器，防止在测力锚杆运输过程中传感器受到损害。对于电阻应变式、钢弦式、 光纤光栅应变式测力锚杆，在测力锚杆安装之后，需要再安装布置与这些传感器相对应 的能源供应、信号收集传输线路，信号分析的系统，该系统安装繁琐复杂。这样做不仅 提高了锚杆支护工程的成本，而且使整个锚杆支护工程复杂化，并且测力锚杆属于点测 量或区域性测量，不易于实现对整个锚杆支护工程中的所有锚杆实行监测。 ( 2 ) 传统的检测锚杆锚固质量监测仪器主要是采用拉拔试验法，其包括基本试验、 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 蠕变试验、验收试验。拉拔试验法采用千斤项对锚杆进行拉拔试验，以锚杆的锚固力是 否达到设计要求值来评价锚杆的锚固质量，其缺点在于对锚杆进行拉拔试验会使锚杆的 锚固力发生损失，因此只能对锚杆进行少量的抽样检测，无法全面了解工程中锚杆的锚 固质量，进行拉拔试验也比较耗时、费力。对于锚固质量较好的锚固体，其强度远大于 锚杆本身的强度，因此在测出锚杆的极限锚固力之前，锚杆杆体已经被拉断，因此拉拔 试验法这种测试方法本身存在一定的局限性。对于多点位移计、顶板离层指示仪均属对 围岩岩体的点测量，不能够对工程中锚杆的状态进行直接检测。锚杆测力计的测量属于 点测量，不能够对工程中所有锚杆的受力状态进行监测。 ( 3 ) 应力波法在国内外锚杆质量检测中应用比较广泛，但是这种检测方法的理论 机理研究的不够透彻，很多都限于简单的理论描述及实验性应用和实验性检测经验的总 结，或者是对于某方面的理论探讨。在对锚杆锚固质量进行检测时，超声波检测主要存 在超声波能量衰减迅速，检测探头接受到的能量小，有效的检测长度短，超声波激发条 件苛刻等问题；应力波反射法信号激发简单，但其探头接受到的能量也小，有效的检测 长度短的问题。并且应力波锚杆锚固质量无损检测法检测设备复杂，工作繁重，对检测 信号进行处理时缺乏系统的研究与探讨。应力波检测法仍为少量的抽样检测，无法对整 个工程质量进行检测。 ( 4 ) 各种锚杆锚固质量无损检测方法在检测手段、监测技术、信号激发与接受设 备方面都还不够完善，不够成熟，各类检测方法在实际应用中效果并不十分令人满意， 还有有待进一步研究解决。 ( 5 ) 对数据的正反演拟合探讨较少，成功的例证少。 1 3 研究的内容及方法 本文主要研究了一种活塞式锚杆轴力监测装置。该锚杆轴力监测装置具有无需的能 源供应，无需信号激发、接收、传输与处理系统，无需后续人工复检，对锚杆的锚固质 量不会产生损害，安装简单、方便，能够对整个锚杆支护工程进行长期有效的监测，并 且具有监测低成本、准确等特点。本文在综合了国内外研究动态的基础上，对锚杆轴力 无损检测装置进行了结构设计、结构仿真分析、受力状态标定，成功的研究并设计出了 一种活塞式锚杆轴力无损检测装置。本论文的研究内容及方法如下： 首先，分析锚杆受拉力时锚杆杆体上剪应力与轴力的分布形式，定义锚杆三种不同 太原理工大学硕士研究生学位论文 的受力状态。其次，依据锚杆的受力特点，设计一种安装于锚杆螺母与托盘之间，由加 载体、承载体、保护罩、压敏显色剂构成的活塞式锚杆轴力监测装置。分别选择活塞式 锚杆轴力监测装置中的加载体、承载体、保护罩三个构件的材料，选择压敏显色剂，并 设计各个构件的结构，通过a n s y s 软件对该装置进行非线性接触仿真分析，确定各个 构件的基本尺寸，相互接触构件之间的摩擦系数以及重要尺寸的公差。最后，依据 a n s y s 软件的计算结果，确定在活塞式锚杆轴力监测装置上确定与锚杆三种不同的受 力状态相对应的压敏显色剂显色范围。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 引言 第二章锚杆受力状态分析 锚杆的受力状态依据锚杆锚固区围岩岩体的不同而不同。本章主要讨论锚杆受力的 传递形式，并从理论上分析锚杆端部受拉力时的锚杆杆体剪应力与轴力的分布规律，定 义锚杆的三种不同的受力状态。 2 2 锚杆受力传递分析 不同的锚杆类型，其力的传递方式是不同的n 引。依据锚杆与锚固剂之间的力的传递 方式的不同，可以将锚杆分为拉力型锚杆和压力型锚杆： ( 1 ) 拉力型锚杆是指在锚杆与围岩岩体之间，通过锚固剂的黏结，将施加在锚杆 端部的拉力传到岩体中。 ( 2 ) 压力型锚杆通过全长自由、无黏结预应力的刚绞线与锚杆埋入岩体中的锚具 相连接，通过传力锚具对锚杆杆体以及锚固剂施加压力，并通过锚固剂与周围围岩岩体 相互粘结而产生的剪应力来提供的承载力。 本文所研究的活塞式锚杆轴力监测装置是在拉力型全长锚固锚杆的基础上进行研 究的。 2 3 锚杆端部受拉力分析 将锚杆埋入岩体中，当端头受到拉拔力时n 8 1 ，并假设围岩岩体与锚固剂两者的材 料均为性质相同的弹性材料，并且因为锚固剂在径向厚度比较薄，将插入锚杆的岩体看 作一个半无限的平面，在半无限平面深度为c 处有一集中力f 。，如图2 1 所示，由m i n d l i n 公式可以得出p ( x ，y ，z ) 点的垂直距离有： w ：竖生- 【一3 - 4 v y + 8 ( 1 - v y ) 2 _ ( 3 - 4 v y ) + ( z - - ；c ) 2 + 8 万b ( 1 一- 焉 r砰 ( 2 1 ) ( 3 4 v y ) ( z + c ) 2 2 z c 6 z c ( c + z ) 2 1 眉硝 1 式中e y 一岩体( 锚固剂) 的弹性模量，p a ； 太原理工大学硕士研究生学位论文 v y 岩体( 锚固剂) 的泊松比， 其中 r l = i x 2 + y 2 + ( z c ) 2 】l 2 r 2 = i x 2 + y 2 + ( z + c ) 2 】1 7 2 图2 - 1m i n d i i n 解的计算简图 f i g 2 - 1m i n d l i ns o l u t i o nc a l c u l a t i o nd i a g r a m 当在围岩岩体中锚孔的孔口时，边界条件为：x = ) r = 萨o 。则( 2 1 ) 可简化为： w ：f q ( 1 + v y ) ( 3 - 2 v y )( 2 2 ) w = 一 l z zj 2 7 r e y c 假设埋入围岩岩体中的锚杆的长度为半无限长，锚杆与锚固剂之间会产生形变，但 依旧处于弹性变形范围内，则锚杆的总伸长量就是锚杆端部的位移，则 f 燮2 g f 去e s ( 刀口胁出 晓3 ， 南 z 山 、q j 7 将( 2 3 ) 简化为二阶齐次常微分方程： f ”+ 乜r + 2 k r = 0( 2 4 ) 式中a 锚杆的半径，m ； e 一岩体的剪切模量，p a ； e m 锚杆的弹性模量，p a ； s 锚杆横截面的面积，m 2 ： 广锚杆的剪切应力，p a ； 其中，系数k = 4 万g ( 3 - 2 v ，) 瓦s ( 2 5 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 变换微分方程( 2 4 ) 为韦伯方程，并求解。当在边界条件z 一，f 0 时，可以得 到沿锚杆杆体分布的锚杆剪切应力公式： f ：兰( 三t z ) e x p ( - i 1t z 2 ) ( 2 6 ) ；r f 口22 舯r - 而南c 争 眩7 ， f 厂一锚杆端部受的拉拔力，n ： z 锚杆锚固深度( 0 z h ，h 为锚杆在围岩岩体中的锚固长度) ，m 。 将( 2 6 ) 积分，可以计算得到锚杆轴力f 。沿锚杆杆体的分布公式： c = ( e x p ( - t z 2 ) ( 2 8 ) 由式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 可以得出锚杆受到的剪应力与拉力f l 成正比关系，拉力越大， 锚杆剪应力越大，但剪应力在锚杆上的分布形式不会发生改变。锚杆剪应力的大小和分 布范围由式( 2 7 ) 决定，即由决定。 由式( 2 8 ) 可以得出锚杆轴力的大小与f l 成正比，并且与骗、v ，有一定关系。 由式( 2 6 ) 、( 2 8 ) 可以绘出沿锚杆杆体分布的剪切应力与轴力的曲线，如图2 2 ， 图2 3 所示。 l0 0 2o o 3 0 0 40 0 z “一50 0 t | i f f a 24681o12 图2 - 2 拉拔状态下锚杆剪应力分布图 f i g 2 - 2b o l ts h e a rs t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h ed r a w i n gp r o c e s s 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1o o 2 0 0 3 0 0 40 0 z m m 5 0 0 f i k n 2 04 o608o1o0 12o 图2 - 3 拉拔状态下锚杆轴力分布图 f i g 2 - 3b o l ta x i a lf o r c ed i s t r i b u t i o ni nt h ed r a w i n gp r o c e s s 由图2 2 ，图2 3 可以得出以下结论： ( 1 ) 拉拔状态下，在围岩中锚孔的孔口处的锚杆所受到的剪应力为0 ，但轴力最大， 这一结果正确。 ( 2 ) 从锚杆端面向围岩方向，锚杆所受剪应力迅速增大。但是在锚孔的孔口处锚 杆所受到剪应力并不是最大值，而是在锚固段内部的某处才达到最大值，然后再逐渐减 小，并在锚杆锚固的底部趋近于o 。最大剪应力具有距离锚孔孔口比较近、数值比较大 的特点，所以在距孔口处的区域先产生塑性流动状态。 ( 3 ) 锚杆杆体的轴力f 。随着锚杆杆体在围岩中长度的不断增加而不断减小，并在 锚杆底部趋向于0 。最大轴力出现在锚孔孔1 3 处，而且数值比较大，所以锚杆首先在此 孔口处产生塑性流动状态。 2 4 锚杆的三种受力状态 本文设计的活塞式锚杆轴力监测装置是基于四川华鑫路通岩土工程有限公司所生 产的锚杆。该公司生产的锚杆的长度为2 米，直径为2 0 m m 。锚杆杆体材料为3 0 0 r m n t i ， 其弹性模量e n l = 2 1 1 0 1 1 p a ，强度极限o b m = 1 1 5 g p a 。该公司设计生产的锚杆安装的初 锚力f 。= 2 1 0 5 n 。假定锚杆安装时所使用的锚固剂能产生足够的粘锚力，并且锚杆所安 装的围岩岩体的强度足够，则锚杆的失效形式只能为锚杆杆体断裂。则锚杆杆体被拉断 的破断力为 f p = s x o b m ( 2 9 ) 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 式中s 锚杆杆体横截面面积，m 2 ： f i b m 锚杆杆体的强度极限，p a ； 则f p = 3 6 1 0 5 n 。为使工作人员能够在锚杆杆体所能承受的轴力范围之内及时的发现轴 力过大的锚杆，定义该监测装置的报警界限f b = 2 8 】0 5 n ，以保证在锚杆杆体强度足够 的情况下工作人员及时发现锚杆支护的问题，并采取相应的措施，保证支护工程的安全。 2 5 本章小结 本章分析了锚杆受力传递的方式，将锚杆分为拉力型锚杆与压力型锚杆。当锚杆端 部受到拉力时，锚杆杆体的剪应力随着锚杆的锚固深度的增加先迅速增大，在锚固段某 处达到最大值后再逐渐减小，并在锚杆锚固的底部趋近于o