一種單點溫補的多功能frp智能錨桿及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單點溫補的多功能FRP智能錨桿及其制作方法，主要包括帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器、FRP錨桿主體等；所述無熔接長標距多光柵傳感器在生產FRP錨桿時植入，制成一體化多功能FRP智能錨桿；帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器包括多個依次非熔接串聯的長標距光纖光柵傳感單元以及在頂部同樣非熔接串聯的一個溫度補償傳感單元。本發(fā)明既可用于礦產、土木、巖土等相關工程中的錨固加固，亦能對錨桿的承載能力、應力應變、以及損傷情況等的監(jiān)測，更能用于圍巖支護及圍巖收斂變形和穩(wěn)定性等的監(jiān)測。
【專利說明】
一種單點溫補的多功能FRP智能錨桿及其制作方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種針對隧道、巖土和邊坡工程的多功能智能監(jiān)測錨桿，主要用于土木、隧道、礦產等相關工程中的對錨桿的承載能力、應力應變、以及損傷情況等的監(jiān)測，亦能用于圍巖支護及圍巖收斂變形和穩(wěn)定性等的監(jiān)測，同時，此錨桿本身的錨固加固作用沒有改變，此多功能智能監(jiān)測錨桿在監(jiān)測的同時，也能起到其本來對圍巖、邊坡、擋土墻等的錨固加固作用。
【背景技術】
[0002]錨桿支護是在邊坡、巖土深基坑等地表工程及隧道、采場等地下硐室施工中采用的一種加固支護方式。錨桿支護是通過圍巖內部的錨桿改變圍巖本身的力學狀態(tài)，在開挖面周圍形成一個整體而又穩(wěn)定的巖石帶，利用錨桿與圍巖共同作用，達到維護圍巖或巷道等穩(wěn)定的目的。它是一種積極防御的支護方法，是圍巖、礦山等支護的重大變革。錨桿不但支護效果好，且用料省、施工簡單、有利于機械化操作、施工速度快。因此錨桿已在很多土木、巖土、隧道、采礦等工程中被大量的使用，如基于新奧法的隧道開挖，錨桿使用量動輒幾萬根，另外如三峽水利工程，亦用了有十幾萬根各式錨桿。
[0003]纖維增強塑料(Fiber Reinforced Plastics，FRP)，是以樹脂為基體材料，用纖維增強的一種復合材料，具有輕質高強，力學性能佳;材料可設計性好，加工、成型工藝靈活；耐化學腐蝕性強，耐候性好等優(yōu)點，因此已被廣泛于很多土木實際工程中，而纖維增強塑料由于其抗靜電性，碰撞不會產生火星等優(yōu)點，在煤礦等井下應用更是具有很大的優(yōu)勢，目前纖維增強塑料的錨桿進行在實際煤礦等井下大量使用。
[0004]隨著錨桿支護的廣泛使用，對于錨桿在圍巖中的受力、承載能力、以及可能的損傷等情況進行實時或定期監(jiān)測，從而對于圍巖等的支護情況、變形收斂、以及穩(wěn)定情況等作出判斷顯得尤為重要，且已經成為相關領域的重要課題。目前國內外對于錨桿在圍巖等支護中的受力、承載、及損傷情況的測試方法基本可歸納為兩大類，其中一類是使用測力錨桿、錨桿拉拔計、應變計及應變片通過錨桿“拉拔試驗”來測試錨桿在拉拔作用下的受力情況和損傷情況;另一類則采用比較間接的方式，利用電磁波、聲波等在不同介質層的反射差異來檢測砂漿錨固體的飽和程度，間接評價錨固的受力及損傷情況。但這些方法從總體上看，存在著受環(huán)境影響大，耐久性差，長期穩(wěn)定性差，測試誤差大等缺點，對于像巖土、隧道、采礦等環(huán)境比較惡劣、施工方式粗放，但測試精度要求高的實際工程應用，其適用性尤顯單薄。同時，在土木、巖土、隧道、采礦等工程中，在對于錨桿的受力測試同時，往往還需要測試土體及圍巖的位移，甚至是巖層的脫離及其脫開間的程度，如在煤礦采礦中的巷道頂板發(fā)生的離層等情況。因此開發(fā)一種具有測試錨桿應力及圍巖位移，且同時也能起到加固錨固作用的智能錨桿具有非常重要的工程實用意義。
[0005]近年來發(fā)展起來的光纖、光柵傳感技術具有耐久性好，性能穩(wěn)定、抗電磁干擾、便于分布式測量等優(yōu)點，也對錨桿軸力檢測、損傷識別等提出了新的思路。目前已有相關學者基于B0TDR、B0TDA等分布式光纖技術對錨桿支護進行了檢測和監(jiān)測，但是由于目前解調技術的瓶頸限制，其測試精度嚴重不足，且往往需要有閉合的光纖回路，考慮到如隧道的圍巖變形等本身相對很小，且錨桿本身橫截面不大，閉合的光纖回路往往由于較大的光纖曲率而帶來的很大光損，因此其在實際工程中的實用性很小。而光柵由于精度高，應變測量能達到1叫，而且封裝后能防水，耐腐蝕，長期性能比較好，不僅能傳感，而且也能用于傳輸數據，利于組網和實時監(jiān)測，目前已經被廣泛應用于橋梁等結構的應變監(jiān)測中。但目前在錨桿上的應用，都是基于點式應變測試，只能得到非常局部的應變情況，無法準確地描述尺度比較大的錨桿全長的受力和變形狀況，且不能對錨桿的損傷給出有效的判斷?？偟膩碚f，目前的測試方法存在以下幾個問題，首先單純而簡單地應用光纖和光柵技術，往往由于不僅其傳感部分，而且其引線都容易損壞，不能適應這些實際工程粗放式的施工環(huán)境;其次錨桿結構尺度大，損傷分布范圍廣，傳統(tǒng)的點式傳感很難準確得捕捉到損傷;再者，傳統(tǒng)的監(jiān)測往往都忽視錨桿不同深度的應力應變變化，而實際圍巖由于機械開挖和爆破的原因，往往在靠近開挖面的巖層會出現一些破碎，在圍巖受力作用下，其內部將出現內力重分布，因此在錨桿不同深度的位置上，其應力應變很可能是不同的；更為重要的是，目前所已開發(fā)出來的智能錨桿都只停留在錨桿軸力及應變本身，而無法獲取錨桿變形分布情況，也無法判斷圍巖等的位移;最后，傳統(tǒng)的光柵測試，都是基于光柵與光柵間引線的熔接串聯來實現的，但是光纖的熔接更易造成損壞斷裂，且大大地增加其光損，從而影響其測試性能。在基于智能錨桿進行測試時，其溫度補償極其重要，考慮到多點溫補的實現比較復雜，需要同時有兩個并列放置的傳感器，導致錨桿結構與生產過程，乃至后期與光纖光柵解調儀的連接都比較繁雜。而對于很多工程結構運營期的監(jiān)測，其溫度場比較均一的條件下，使用單點溫補將能使得智能錨桿結構簡化，操作便利性大大增加。
[0006]為了提高結構應變測試的真實性、可靠性以及噪聲魯棒性，東南大學推出了長標距應變測試理念，以獲取傳感器標距內的平均應變，并成功運用于橋梁結構的健康監(jiān)測中。但目前對于利用長標距光纖光柵進行錨桿承載情況、應力應變情況、損傷探測、以及圍巖收斂變形和穩(wěn)定性的測試和監(jiān)測等研究在國內外檢索尚無相關專利及相關文獻。且至今開發(fā)的長標距應變傳感器都是基于單個光柵獨立封裝而成，在需要多個傳感器時，必須要通過光纖熔接機將傳感器的引出光纖熔接起來，才能實現其串聯目的。本發(fā)明將基于一體化集成多個傳感單元的無恪接長標距多光柵傳感器，提出一種新型的單點溫補多功能FRP智能銷桿。
【發(fā)明內容】
[0007]本發(fā)明的目的是克服現有技術的不足，提供一種具有尚精確度、尚耐久性、結構簡單、造價低廉的基于纖維增強塑料和長標距光纖光柵的智能錨桿及其制作方法。
[0008]本發(fā)明采用的技術方案為:一種單點溫補的多功能FRP智能錨桿，包括帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器、FRP錨桿主體、引出光纖和軟塑料套管；
[0009]所述帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器植入在FRP錨桿主體生產過程中，制成一體化單點溫補的多功能FRP智能錨桿；
[0010]所述帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器包括依次非熔接串聯的多個長標距光纖光柵傳感單元和一個溫度補償傳感單元;多個長標距光纖光柵傳感單元的一端為光纖引出端，另一端連接溫度補償傳感單元;多個長標距光纖光柵傳感單元和一個溫度補償傳感單元包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，長標距光纖光柵傳感單元的光纖兩端分別固定在套管的錨固點，而溫補補償傳感單元的光纖則一端與長標距光纖光柵傳感單元自身相連，在錨固點與套管相固結，而另一端自由；
[0011]所述帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器的引出光纖引從FRP錨桿主體內引出，并設在軟塑料套管內。
[0012]上述一種多功能FRP智能錨桿的制作方法，包括以下幾個步驟:
[0013](I)制作帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器
[0014](al)在一根單模光纖上根據實際工程需求設計并刻寫多個一定間距且不同波長的光柵；
[0015](a2)選用一個細的耐高溫套管，內口徑比光纖略粗，根據工程測試要求設計出每個光柵的錨固點位置，并在套管上根據錨固位置切出多個缺口，穿入帶有多個光柵的單模光纖，調整光柵與套管缺口的位置;套管具有一定的長度，穿入套管的光纖應包括一定長度的尾纖；
[0016](a3)將套管的一端設置為溫補端，并將此端頭用膠封閉，同時將刻好的含有多個光柵的光纖在溫補單元一端剪短，然后插入套管內，使其中的光柵的位置處于設計好的某個位置附近，且剪短光纖側的光纖縮在套管內部且距離套管的封閉端頭有一定距離；
[0017](a4)先將離套管封閉端頭最近的一個缺口注入固結膠水形成錨固，這樣使得溫補段的光纖一端縮在套管內呈自由狀態(tài)，而另一端與套管錨固，此段內的光纖可以自由滑動；
[0018](a5)待注入膠水已經固結的情況下，通過牽引裝置在光纖尾纖處張拉對光纖施加一定的預應力，同時在其余套管缺口處注入固結膠水形成錨固，固結后將牽引裝置放開，從而封裝出含多個連續(xù)的長標距光纖光柵傳感單元，對于每個長標距光纖光柵傳感單元來說，套管內的光纖的兩端分別通過固結膠與套管相固定，其余部分的光纖則與套管內壁無接觸，或在后期隨錨桿變形后雖有少許接觸但摩擦力極小可忽略不計。
[0019](2)制作一體化多功能FRP智能錨桿
[0020](bl)在無熔接長標距多光柵傳感器的尾纖端，將尾纖沿細套管端口剪斷，并在端口涂上一薄層膠或樹脂進行端口封閉；
[0021](b2)將封裝好的核心傳感器和纖維在生產線上分別就位傳送，核心傳感器置于中心軸位置，而纖維則以核心傳感器為中心進行放線浸膠、纏裹，并通過拉擠模具進行擠壓成型，再進行固化，形成纖維復合材料錨桿桿體。
[0022](b3)當纖維放線至錨桿體形成至尾纖部分時，剪斷纖維，余下已放線的纖維繼續(xù)在生產線上浸膠、纏裹，在錨桿尾纖套管處形成保護錐，形成最終的一體化纖維復合材料多功能智能銷桿。
[0023](b4)在錨桿使用時，將尾纖端頭的封閉段剪掉，然后用剝線鉗將尾纖的套管剪斷(但其中的光纖不被剪斷)，抽出剪下的套管，露出引出光纖，再與傳輸光纖連接。
[0024]本發(fā)明的有益效果:
[0025](I)本發(fā)明的智能錨桿原理簡單可靠，結構設計新穎巧妙，單點溫補使得錨桿的結構、加工制作及后期的光纜布設都得到了很大的便利。本發(fā)明主要是利用與FRP錨桿于一體的光纖光柵傳感器測量智能錨桿在不同深度的應變值，從而推算錨桿在不同深度的軸力，從而對錨桿的承載能力以及其錨固力作出判斷和評價，同時也能對圍巖在荷載等的作用下內部產生變形和位移變化作出一定的判斷；
[0026](2)本發(fā)明的無熔接長標距多光柵傳感器由多個串聯的長標距光纖光柵傳感單元組成，因此不僅測量不同深度的錨桿的應變和軸力情況，還能測量錨桿軸向的變形量，獲取圍巖等的沉降或滑移的位移；
[0027](3)本發(fā)明自帶溫度補償，測試精度高，通過溫補補償，各光柵可以得到很好的測試精度；
[0028](4)本發(fā)明可對圍巖多個位置的錨桿同時進行監(jiān)測，可按照監(jiān)測需求，在多個位置植入智能錨桿，實現一個區(qū)域的整體監(jiān)測。
[0029](5)由于本發(fā)明的無熔接長標距多光柵傳感器本身采用了復合材料和環(huán)氧樹脂封裝，其耐水防銹、耐腐蝕等性能優(yōu)越，且不怕電磁屏蔽和干擾，與FRP錨桿一體化封裝以后更是能適用于環(huán)境侵蝕，具有很好的耐久性和廣泛的適用性;本發(fā)明的多功能FRP智能錨桿其抗靜電性能和不會因碰撞等產生火星等特性，更是有利于煤礦、油氣等井下加固使用。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的多功能FRP智能錨桿構造示意圖；
[0031]圖2為圖1的縱向剖視圖；
[0032]圖3為圖1的橫向剖視圖；
[0033]圖4為帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器構造示意圖；
[0034]圖5為本發(fā)明的多功能FRP智能錨桿變形量計算示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明。
[0036]如圖1-4所示，一種單點溫補的多功能FRP智能錨桿，包括帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器6、FRP錨桿主體3、引出光纖4和軟塑料套管5;
[0037]所述帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器6植入在FRP錨桿主體3生產過程中，制成一體化單點溫補的多功能FRP智能錨桿；
[0038]所述帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器6包括依次非熔接串聯的多個長標距光纖光柵傳感單元I和一個溫度補償傳感單元2;多個長標距光纖光柵傳感單元I的一端為光纖引出端，另一端連接溫度補償傳感單元2;多個長標距光纖光柵傳感單元I和一個溫度補償傳感單元2包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，長標距光纖光柵傳感單元的光纖兩端分別固定在套管的錨固點，而溫補補償傳感單元的光纖則一端與長標距光纖光柵傳感單元自身相連，在錨固點與套管相固結，而另一端自由；
[0039]所述帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器6的引出光纖4引從FRP錨桿主體3內引出，并設在軟塑料套管5內。
[0040]上述一種多功能FRP智能錨桿的制作方法，包括以下幾個步驟:
[0041 ] (I)制作帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器
[0042](al)在一根單模光纖上根據實際工程需求設計并刻寫多個一定間距且不同波長的光柵；
[0043](a2)選用一個細的耐高溫套管，內口徑比光纖略粗，根據工程測試要求設計出每個光柵的錨固點位置，并在套管上根據錨固位置切出多個缺口，穿入帶有多個光柵的單模光纖，調整光柵與套管缺口的位置;套管具有一定的長度，穿入套管的光纖應包括一定長度的尾纖；
[0044](a3)將套管的一端設置為溫補端，并將此端頭用膠封閉，同時將刻好的含有多個光柵的光纖在溫補單元一端剪短，然后插入套管內，使其中的光柵的位置處于設計好的某個位置附近，且剪短光纖側的光纖縮在套管內部且距離套管的封閉端頭有一定距離；
[0045](a4)先將離套管封閉端頭最近的一個缺口注入固結膠水形成錨固，這樣使得溫補段的光纖一端縮在套管內呈自由狀態(tài)，而另一端與套管錨固，此段內的光纖可以自由滑動；
[0046](a5)待注入膠水已經固結的情況下，通過牽引裝置在光纖尾纖處張拉對光纖施加一定的預應力，同時在其余套管缺口處注入固結膠水形成錨固，固結后將牽引裝置放開，從而封裝出含多個連續(xù)的長標距光纖光柵傳感單元，對于每個長標距光纖光柵傳感單元來說，套管內的光纖的兩端分別通過固結膠與套管相固定，其余部分的光纖與套管內壁無接觸，或在后期隨錨桿變形后雖有少許接觸但摩擦力極小可忽略不計。
[0047](2)制作一體化多功能FRP智能錨桿
[0048](bl)在無熔接長標距多光柵傳感器的尾纖端，將尾纖沿細套管端口剪斷，并在端口涂上一薄層膠或樹脂進行端口封閉；
[0049](b2)將封裝好的核心傳感器和纖維在生產線上分別就位傳送，核心傳感器置于中心軸位置，而纖維則以核心傳感器為中心進行放線浸膠、纏裹，并通過拉擠模具進行擠壓成型，再進行固化，形成纖維復合材料錨桿桿體。
[0050](b3)當纖維放線至錨桿體形成至尾纖部分時，剪斷纖維，余下已放線的纖維繼續(xù)在生產線上浸膠、纏裹，在錨桿尾纖套管處形成保護錐，形成最終的一體化纖維復合材料多功能智能銷桿。
[0051](b4)在錨桿使用時，將尾纖端頭的封閉段剪掉，然后用剝線鉗將尾纖的套管剪斷(但其中的光纖不被剪斷)，抽出剪下的套管，露出引出光纖，再與傳輸光纖連接。
[0052]本發(fā)明的具有單點溫補的多功能FRP智能錨桿的工作原理如下:是將含有多個傳感單元的長標距光纖光柵傳感器安裝并封裝于錨桿之內，因此錨桿因受力而引起的應變將被長標距光纖光柵傳感器的所有傳感單元捕捉，由于有多個傳感單元，因此能捕捉到錨桿不同位置的應變，繼而推算出錨桿在不同位置的應力以及承載情況。同時，可根據錨桿長度方向的長標距應變分布，在可不計其彎曲影響時，可以獲得其沿軸向方向的位移。變形量的計算可如下進行:先求出經過溫度補償后的每個長標距傳感單元標距內的應變值，然后乘以其標距長度得到該長標距傳感單元的變形量，然后累計整個錨桿上的變形量。如圖5所示，通過測出標距L1、L2和L3之間的平均應變ε1、ε2和ε3，則可根據公式Δ =ε1.Ll+e2.L2+ε3.L3求出錨桿兩端的總位移量△。另外，由于本發(fā)明采用了單點溫度補償機制并巧妙設計，使得FRP智能錨桿結構、制作與測試得到了極大簡化，適用于溫度場比較均一的環(huán)境。對于圍巖來講，特別是對于新奧法隧道開挖等用爆破等手段開挖的時候，會使得巖層出現一定程度的破碎，因此加入錨桿進行支護后，在不同深度的應力應變也將不同，因此本發(fā)明的智能錨桿能比較準確得反映出由于巖層內部內力重分布而引起的應力不均情況，從而能準確得反映錨桿真實的受力及承載支護情況。多個智能錨桿布置在圍巖的不同位置，可以用來監(jiān)測該區(qū)域的錨桿承載情況，以及圍巖支護和穩(wěn)定情況，這對圍巖監(jiān)測非常重要。
[0053]應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。
【主權項】
1.一種單點溫補的多功能FRP智能錨桿，其特征在于:包括帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器、FRP錨桿主體、引出光纖和軟塑料套管； 所述帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器植入在FRP錨桿主體生產過程中，制成一體化單點溫補的多功能FRP智能錨桿； 所述帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器包括依次非熔接串聯的多個長標距光纖光柵傳感單元和一個溫度補償傳感單元；多個長標距光纖光柵傳感單元的一端為光纖引出端，另一端連接溫度補償傳感單元;多個長標距光纖光柵傳感單元和一個溫度補償傳感單元包括套管、封裝在套管內的光纖和刻寫在光纖上的光柵，長標距光纖光柵傳感單元的光纖兩端分別固定在套管的錨固點，而溫補補償傳感單元的光纖則一端與長標距光纖光柵傳感單元自身相連，在錨固點與套管相固結，而另一端自由； 所述帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器的引出光纖引從FRP錨桿主體內引出，并設在軟塑料套管內。2.根據權利要求1所述一種單點溫補的多功能FRP智能錨桿的制作方法，其特征在于:包括以下幾個步驟: (1)制作帶溫補的無熔接長標距多光柵傳感器 (al)在一根單模光纖上根據實際工程需求設計并刻寫多個一定間距且不同波長的光柵； (a2)選用一個細的耐高溫套管，內口徑比光纖略粗，根據工程測試要求設計出每個光柵的錨固點位置，并在套管上根據錨固位置切出多個缺口，穿入帶有多個光柵的單模光纖，調整光柵與套管缺口的位置;套管具有一定的長度，穿入套管的光纖應包括一定長度的尾纖； (a3)將套管的一端設置為溫補端，并將此端頭用膠封閉，同時將刻好的含有多個光柵的光纖在溫補單元一端剪短，然后插入套管內，使其中的光柵的位置處于設計好的某個位置附近，且剪短光纖側的光纖縮在套管內部且距離套管的封閉端頭有一定距離； (a4)先將離套管封閉端頭最近的一個缺口注入固結膠水形成錨固，這樣使得溫補段的光纖一端縮在套管內呈自由狀態(tài)，而另一端與套管錨固，此段內的光纖可以自由滑動； (a5)待注入膠水已經固結的情況下，通過牽引裝置在光纖尾纖處張拉對光纖施加一定的預應力，同時在其余套管缺口處注入固結膠水形成錨固，固結后將牽引裝置放開，從而封裝出含多個連續(xù)的長標距光纖光柵傳感單元，對于每個長標距光纖光柵傳感單元來說，套管內的光纖的兩端分別通過固結膠與套管相固定，其余部分的光纖與套管內壁無接觸，或在后期隨錨桿變形后雖有少許接觸但摩擦力極小可忽略不計； (2)制作一體化多功能FRP智能錨桿 (bl)在無熔接長標距多光柵傳感器的尾纖端，將尾纖沿細套管端口剪斷，并在端口涂上一薄層膠或樹脂進行端口封閉； (b2)將封裝好的核心傳感器和纖維在生產線上分別就位傳送，核心傳感器置于中心軸位置，而纖維則以核心傳感器為中心進行放線浸膠、纏裹，并通過拉擠模具進行擠壓成型，再進行固化，形成纖維復合材料錨桿桿體； (b3)當纖維放線至錨桿體形成至尾纖部分時，剪斷纖維，余下已放線的纖維繼續(xù)在生產線上浸膠、纏裹，在錨桿尾纖套管處形成保護錐，形成最終的一體化纖維復合材料多功能智能錨桿。 (b4)在錨桿使用時，將尾纖端頭的封閉段剪掉，然后用剝線鉗將尾纖的套管剪斷，抽出剪下的套管，露出引出光纖，再與傳輸光纖連接。
【文檔編號】E21D21/00GK105971647SQ201610559640
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月15日
【發(fā)明人】萬春風, 夏呈, 吳智深, 吳剛
【申請人】東南大學