CN102839693B - 增阻变形锚杆/锚索锚固质量监测装置及应用方法 - Google Patents
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Abstract
一种增阻变形锚杆/锚索锚固质量监测装置及其应用方法，该装置包括增阻变形锚杆/锚索、位移测量单元、数据采集设备、信息传输装置和中央处理***；通过安装在各个锚杆/锚索上的位移测量单元测得杆体(索体)在工作过程中发生的位移，通过数据采集设备和信息传输装置将数据汇总传送到中央处理***，中央处理***根据锚杆/锚索自身的拉力-位移曲线可将传输来的位移数据转化为锚杆/锚索的拉拔力数据。本装置可以同时监测并提供锚杆/锚索的锚固力和围岩位移，及时发现失效锚杆/锚索并预测围岩坍塌破坏，有效防止安全事故的发生，大大降低监测成本。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程锚固领域，尤其涉及锚杆/锚索锚固质量监测装置及其应用方法。
背景技术
随着大规模岩土工程建设的深入发展，面临的地质条件越来越复杂，围岩经常表现出大变形的特点。当围岩变形量较大，超过锚杆/锚索所能够承受的范围时，将导致锚杆/锚索失效破坏，进而造成地下工程失稳破坏事故。
针对这种情况，申请者开发出相应的增阻变形锚杆/锚索(201110368935.1、201110368805.8)以适应这些情况。上述专利产品在应用过程中发现以下问题：为了掌握围岩的稳定性以及锚固体系的可靠性，需要长期监测锚杆/锚索的锚固质量(包括锚固力和围岩位移)，目前没有相应的设备可以同时监测上述两个变量，而专门检测设备的成本较高，且存在各种弊端。
在我国一般通过拉拔试验法或应力波反射法检测锚杆锚固力。拉拔试验方法多停留在用千斤顶进行机械破损性拉拔试验阶段，检测过程会对锚杆产生损害，而且拉拔实验中锚杆的受力情况与锚杆在岩体中自然受力状态有很大差别，此方法不能反映锚杆工作过程中真正受力状态。用应力波反射法检测锚杆锚固质量时，应力波能量在该***中的衰减非常快，很难看到底端的反射信号，而且容易受到诸多因素的影响，如锚杆外露段长度、砂浆强度、岩石节理的分布等，这就使得测得的信号含有许多干扰成分，从而很难根据实测的信号对锚杆的锚固质量给出一个准确的评价。另外，以上两种方法都不能反映锚杆/锚索随围岩发生的位移，而用于检测围岩位移的多点位移计，每个测点成本达到几千元，不适合大范围进行围岩位移的测量。
对于安全级别要求较高的大型工程，需要长期监控锚杆/锚索锚固质量，以及时发现失效锚杆/锚索，防止可能出现的危险，并采取更换或相应维护措施。这些测量工作会耗费大量的人力物力进行现场测量和数据处理，而且由于个人之间的测量差别可能导致测量误差。另外，这种测量不能针对随时可能发生的紧急情况进行主动测量和预报。
发明内容
针对上述情况，本发明提出一种增阻变形锚杆/锚索锚固质量监测装置及应用方法，此监测装置耦合在支护设备中，通过较低的成本即可实现对锚杆/锚索锚固力和围岩位移的适时监测。
其技术解决方案是：
一种增阻变形锚杆/锚索锚固质量监测装置，其特征在于包括：增阻变形锚杆/锚索、位移测量单元、数据采集设备、信息传输装置和中央处理***。
所述增阻变形锚杆/锚索包括：摩擦套管、可缩性构件、杆体(钢绞线)、托盘、螺母和外端盖。所述摩擦套管，为筒形厚壁钢管，内径从一端到另一端逐渐变小；所述可缩性构件，为带轴向缺口的钢管，嵌套在摩擦套管内，可缩性构件的外径从构件的一端到另一端逐渐变小，可缩性构件的外壁与摩擦套管的内壁保持接触，受拉力时与摩擦套管发生相对滑动，同时缺口被压缩，阻力随之增大。在围岩发生大变形时可以受拉伸长而本身不发生破坏，并且能连续增加工作阻力，在此过程中还可以不断地吸收围岩变形能量。应用于本发明时应在外端盖处预留导线孔，以便于位移测量单元引线导出。
所述位移测量单元，预先安装在增阻变形锚杆/锚索套管内部，固定在套管内壁上，并与杆体(索体)相连接，用以测量杆体(索体)与套管相对位移。位移测量单元的一种优选方式为采用位置传感器(LVDT)。针对不同的测量范围，位移测量单元可以有多个，构成一个测量群，以检测锚杆/锚索群的锚固质量。
所述数据采集设备，包括数据采集接口、信号转换单元、数据存储单元和数据输出单元，与至少一个位移测量单元相连，收集位移测量单元测得的杆***移数据，并传送杆***移数据。针对不同的测量范围，数据采集设备可以有一个或多个。
所述信息传输装置，用于数据采集装置和中央处理***之间的数据传输，本装置除了采用数据传导线外，另一种优选方案为通过无线的方式进行数据传输。
所述中央处理***，包括数据接收单元、数据存储单元、数据处理单元、数据输出单元、屏幕显示单元和警报提示单元，数据处理单元将数据采集设备传送的杆***移数据进行汇总处理，将终端测得的杆***移数据转化为锚杆/锚索的拉拔力和围岩位移数据，并输出到显示器，在锚杆/锚索的拉拔力和围岩位移数据出现异常时，输出报警信号。
作为一种优选方式，增阻变形锚杆/锚索的群质量及围岩位移监测装置还包括现场处理设备，具备所述中央处理***的配置及功能，将其设置在工程现场，适时观察监测结果，以便发现问题并及时进行处理。
本发明的应用方法是：
①针对某一特定型号的增阻变形锚杆/锚索作拉拔试验，得到其拉力-位移曲线，并将其对应的数值关系输入到中央处理***中；
②将位移测量单元预装到增阻变形锚杆/锚索的摩擦套管中，固定在套管内壁上，并与杆体(索体)相连接；
③安装增阻变形锚杆/锚索以及检测***的其他各装置，经过基本调试后开始进行锚固质量的监测工作。
本装置的工作原理如下：
通过安装在各个锚杆/锚索上的位移测量单元，测得杆体在工作工程中相对摩擦套管发生的位移(即两者之间的机械滑动)，通过数据采集设备将位移数据汇总储存，然后通过信息传输装置将数据传送到中央处理***。中央处理***根据锚杆/锚索的性质，可将传输来的位移数据转化为锚杆/锚索的拉拔力和围岩位移数据，并根据拉拔力和围岩位移情况可综合分析锚杆/锚索的锚固质量。当监测数据发生异常(如拉拔力急剧降低或升高、围岩位移量过大、位移变化速度过快)的时候适时发出报警。
将杆体与套管相对位移数据转化为锚杆/锚索的拉拔力和围岩位移数据的方法如下：针对任意特定型号的增阻变形锚杆/锚索，杆体与套管相对位移和锚杆/锚索受到的拉力之间具有一一对应的关系，通过拉拔试验标定可以得到二者对应的拉力-位移曲线。通过此曲线此可以由增阻变形锚杆/锚索位移求得其锚固力，其中杆***移数据可近似作为围岩位移数据，由此评估锚固质量。
本装置的有益效果如下：
本发明将锚杆/锚索的拉拔力和围岩位移监测两类装置耦合到支护设备中，通过较低的成本即可同时实现对围岩位移和锚杆/锚索锚固力的适时监测。根据测量数据监控分析锚固质量，及时发现失效锚杆/锚索，在紧急情况下提醒管理者锚固体系和围岩状态，以及时采取处理措施，有效防止安全事故的发生，适合于水利水电工程、边坡工程、矿山工程等领域对围岩及锚固装置监测的需求，可大大降低监测成本。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明技术原理示意图；
图2为本发明所述增阻变形锚索剖面结构示意图；
图3为图2方式中可缩性构件的主视结构原理示意图；
图4为图3方式的左视结构原理示意图；
图5为图2的A-A截面示意图；
图6为通过室内试验标定的某一类型号锚杆拉力-位移曲线；
图7为数据采集单元配置图；
图8为中央处理***配置图。
具体实施方式
如图1所示，为根据本发明的一个优选实施例。根据本发明，一种增阻变形锚杆/锚索锚固质量监测装置包括：增阻变形锚杆/锚索1，用于支护围岩；位移测量单元2，用于测量杆***移数据；数据采集设备3，用于采集和存储数据；信息传输装置4，用于装置间数据交换；中央处理***5，用于数据分析和输出结果。
结合图2至图5，所述增阻变形锚杆/锚索，包括摩擦套管101、可缩性构件102、钢绞线(杆体)103、托盘104、螺母105和外端盖106。所述摩擦套管，为筒形厚壁钢管，内径从一端到另一端逐渐变小；所述可缩性构件，为带轴向缺口107的钢管，嵌套在摩擦套管内，可缩性构件的外径从构件的一端到另一端逐渐变小，其外壁与摩擦套管的内壁保持接触，受拉力时与摩擦套管发生相对滑动，同时缺口被动收缩，阻力随之增大。在外端盖处预留导线孔108，以便于位移测量单元引线导出。
结合图1、2所示，现场应用时，在安装增阻变形锚杆/锚索1前，将位移测量单元2预先安装在增阻变形锚杆/锚索摩擦套管101内部，固定在摩擦套管内壁上，并与杆体103相连接，用以测量杆体与套管相对位移。位移测量单元的一种优选方式为采用位置传感器(LVDT)，其量程可达到500mm，最大线性误差为满量程输出的±0.25％，满足本装置的要求。针对不同的工程范围及测量要求，可以有多个位移测量单元，构成一个测量群，以检测整个锚杆/锚索群的锚固质量。所述增阻变形锚杆/锚索为一种可以随围岩变形伸长的锚杆/锚索，在外端盖等处预留导线孔108，以便于本装置的安装。
结合图7所示，数据采集设备3，包括数据采集接口301、信号转换单元302、数据存储单元303和数据输出单元304，数据采集设备与至少一个位移测量单元2相连，收集和存储位移测量单元测得的杆***移数据，以备传输到中央处理***进行分析。针对不同的测量范围，数据采集设备3可以有一个或多个。
信息传输装置4，用于数据采集装置3和中央处理***5之间的数据传输。对于远距离数据传输，所述信息传输装置除了采用传导线外，另一种优选方案为通过无线的方式进行数据传输。
结合图8所示，中央处理***5，包括数据接收单元501、数据存储单元502、数据处理单元503、数据输出单元504、屏幕显示单元505和警报提示单元506，数据处理单元将数据采集设备传送的杆***移数据进行汇总处理，通过图6所示的拉力-位移曲线表示的关系，将终端测得的杆***移数据转化为围岩位移和锚杆/锚索的锚固质量数据，并输出到显示器，在锚杆/锚索的拉拔力急剧降低或升高、围岩位移量过大、位移变化速度过快，超过设定值时，输出报警信号。
作为一种优选方式，增阻变形锚杆/锚索锚固质量监测装置还包括现场管理设备6，其具备所述中央处理***的配置及功能，将其设置在工程现场，适时观察监测结果，以便发现问题并及时进行处理。
通过安装在各个锚杆/锚索上的位移测量单元2，测得杆体103在工作工程中相对摩擦套管102发生的位移，通过数据采集设备3将位移数据收集汇总储存，然后通过信息传输装置4将数据传送到中央处理***5。中央处理***根据锚杆/锚索的性质，可将传输来的位移数据转化为锚杆/锚索的拉拔力和围岩位移数据，当监测数据发生异常(拉拔力急剧降低或升高、围岩位移量过大)的时候发出报警信号。
本发明的应用方法是：
①针对某一特定型号的增阻变形锚杆/锚索作拉拔试验，得到其拉力-位移曲线，如图6所示，并将其对应的数值关系输入到中央处理***中；
②将位移测量单元预装到增阻变形锚杆/锚索的摩擦套管中，固定在套管内壁上，并与杆体相连接；
③安装增阻变形锚杆/锚索以及检测***的其他各装置，经过基本调试后开始进行锚固质量的监测工作。
将杆体与套管相对位移数据转化为锚杆/锚索的拉拔力和围岩位移数据的方法如下：针对任意特定型号的增阻变形锚杆/锚索，杆体与套管相对位移和锚杆/锚索受到的拉力之间具有一一对应的关系，通过试验标定可以得到二者对应的拉力-位移曲线。通过此曲线此可以由增阻变形锚杆/锚索位移求得其拉拔力，其中杆***移数据可近似作为围岩位移数据，据此可评估其锚固质量。
本发明将锚杆/锚索的拉拔力测量和围岩位移监测两类装置耦合到支护设备中，通过较低的成本即可同时实现对围岩位移和锚杆/锚索锚固质量的适时监测。根据测量数据监控分析锚固质量，及时发现失效锚杆/锚索，在紧急情况下提醒中央处理者锚固体系和围岩状态以及时采取处理措施，有效防止安全事故的发生，适合于水利水电工程、边坡工程、矿山工程等领域对围岩及锚固装置监测的需求，可大大降低监测成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种增阻变形锚杆/锚索锚固质量监测装置，其特征在于：包括增阻变形锚杆/锚索、位移测量单元、数据采集设备、信息传输装置和中央处理***；
所述增阻变形锚杆/锚索，包括：摩擦套管、可缩性构件、杆体/钢绞线、托盘、螺母和外端盖；所述摩擦套管，为筒形厚壁钢管，内径从一端到另一端逐渐变小；所述可缩性构件，为带轴向缺口的钢管，嵌套在摩擦套管内，其外径从构件的一端到另一端逐渐变小，可缩性构件的外壁与摩擦套管的内壁保持接触；摩擦套管延伸至锚孔外侧，为开敞式结构，与外端盖通过螺纹连接，外端盖处预留导线孔；
所述位移测量单元，预先安装在增阻变形锚杆/锚索摩擦套管内部，固定在套管内壁上，并与杆体/钢绞线相连接，位移测量单元采用LVDT位移传感器，针对不同的测量范围，位移测量单元有多个，构成一个测量群；
所述数据采集设备，包括数据采集接口、信号转换单元、数据存储单元和数据输出单元，数据采集设备与至少一个位移测量单元相连，针对不同的测量范围，数据采集设备有一个或多个；
所述信息传输装置，用于数据采集设备和中央处理***之间的数据传输，本装置采用数据导线或无线的方式进行数据传输；
所述中央处理***，包括数据接收单元、数据存储单元、数据处理单元、数据输出单元、屏幕显示单元和警报提示单元，数据处理单元根据拉力-位移曲线，将终端测得的杆体/钢绞线位移数据转化为锚杆/锚索的拉拔力和围岩位移数据，并输出到显示器，在锚杆/锚索的拉拔力和围岩位移数据出现异常时，输出报警信号；所述的拉力-位移曲线通过拉拔试验标定得到；所述的围岩位移数据等于杆体/钢绞线位移数据；所述的异常包括拉拔力急剧降低或升高、围岩位移量过大、位移变化过快。
2.根据权利要求1所述的增阻变形锚杆/锚索锚固质量监测装置，还包括现场管理设备，具备所述中央处理***的配置及功能，设置在工程现场。
3.一种权利要求1所述的增阻变形锚杆/锚索锚固质量监测装置的应用方法，其特征在于包括以下步骤：
①针对某一特定型号的增阻变形锚杆/锚索作拉拔试验，得到其拉力-位移曲线，并将其对应的数值关系输入到中央处理***中；
②将位移测量单元预装到增阻变形锚杆/锚索的摩擦套管中，固定在摩擦套管内壁上，并与杆体/钢绞线相连接；
③安装增阻变形锚杆/锚索以及监测装置的其他各装置，经过调试后开始进行锚固质量的监测工作。
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