1、专 题 部 分锚杆受力的光纤光栅测试实验研究摘要:锚杆支护现已成为煤矿巷道支护的主要手段。近些年来，由于巷道地质条件复杂导致的锚杆支护失效现象时有发生。由于巷道围岩变形将会在锚杆杆体上产生力的作用，此时杆体主要受到轴应力和剪应力。锚杆轴力分布特点直接反映了锚固系统所处的状态，即锚固系统的弹性和弹塑性受力状态。本论文将通过拉拔实验对锚杆拉拔过程中的轴力分布开展研究。本文首先在前人的研究成果基础上，通过理论分析给出了锚杆端部在集中载荷和分布载荷作用下的锚杆沿全长的轴应力和剪应力分布，然后在实验室利用相似模拟实验来模拟锚杆支护。通过光纤光栅检测技术对锚杆在拉拔试验过程中杆体的受力情况进行测试，能够测
2、得锚杆拉拔时杆体上各光栅点波长变化情况，从而得出锚杆工作时的轴力分布规律。通过光纤光栅系统对拉拔实验中锚杆杆体受力进行全过程监测，得出锚杆在受拉拔力较小的情况下，锚杆轴力是沿锚固深度逐渐减小的；当拉拔力较大时，锚杆锚固端头位置轴力将不是最大点，锚杆轴力最大点将逐渐向锚杆远端转移，并根据这一结论，对该现象进行了理论分析，从而得出本论文拉拔实验锚固系统的破坏是锚固剂的断裂破坏。本论文通过相似模拟实验深入研究了锚固状态下的锚杆工作机理，通过对轴力的分析给出了判断锚固系统发生破坏的方法，对现场锚杆支护监测具有重要的指导意义。关键词：锚杆；轴力；光纤光栅技术；实验研究1绪论1.1问题的提出锚杆支护是目前
3、煤矿行业中维护巷道稳定最常用的一种支护方法。它是一种主动支护方式，能较充分地发挥和提高巷道围岩的自身强度和自稳能力，显著缩小结构物体积和减轻结构的自重，有效控制巷道的变形。加之具有支护成本低、成巷速度快和经济效益好等优点，所以它代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向【1】。随着支护理论的逐渐发展，锚杆支护方式越来越多的运用在各个领域，例如隧道、公路和边坡等行业，给社会带来了很大的经济效益。煤矿锚杆支护技术是打进巷道周围岩体中的锚杆，通过锚固剂将锚杆与岩体紧紧的连锁在一起，依赖锚杆和岩体之间的抗剪强度传递结构物的拉力，从而使岩体自身的不稳定部分得到加固，以保持锚固系统(岩体、灌浆体、锚杆杆体和这些
4、介质之间的界面)的稳定【2】。尽管锚杆支护技术的应用日臻完善，然而对于锚杆作用机理的研究却仍处于探索阶段。锚杆支护的优越性在得到普遍认同的同时，它的一些缺点也暴露出来，人们认识到锚杆支护并不是万能的，由于锚杆支护是隐蔽性工程以及井下巷道所处地层条件、洞壁受力情况复杂，导致锚杆支护后锚杆被拉断以及锚杆与锚固体脱离等锚杆支护失效现象时有发生，对巷道安全造成隐患。为了更好的掌握锚杆工作时的机理，研究单根全长粘结锚杆工作机理是必要的。光纤传感技术的存在，可以为我们在这方面提供很好的研究方法。光纤具有损耗低、频带宽、信息量大、线径小、无感应、对小变形敏感等特点。目前已在通讯、计算机、自动控制、生物医学、
5、计量测试、交通运输、国防军工以及家用电器等许多领域获得了广泛的应用。当然将光纤光栅传感技术用于力学测试还是近些年发展起来的一门新技术。虽然如此，但由于光纤传感器有其独特的优点，使其发展很快，特别是在土木工程中的应用，如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站、海洋采油平台以及输油、供水、供气等体积大、跨度长、分布面积大的大型系统。利用光纤传感器可以测试这些系统的内部破坏情况。本论文围绕锚杆拉拔实验开展研究，主要是为了得出锚杆在受拉拔力作用下，锚杆杆体的轴应力分布特征，从而对锚杆拉拔过程进行分析。同时，考虑在普通拉拔实验的基础上增加“锚固剂”一项，最终比较两种实验得出的锚杆杆体应力分布是
6、否一致。本文还进一步对锚杆在拉拔过程中对邻近一根锚杆的力学影响特性进行了实验研究。1.2锚杆支护机理研究现状1.2.1锚杆的种类，锚固机理及其支护的优越性岩体锚杆的种类很多。按照是否预先施加张力分为预应力锚杆和非预应力锚杆；按照锚杆和岩体中传力是如何实现的，可分为粘结型锚杆、摩擦型锚杆和混合型锚杆；按照锚杆内部拉筋与粘结材料之间传力方式的不同可分为拉力型、压力型和剪切型三种。按锚固长度的范围来说，可以分为端头锚固锚杆和全长锚固锚杆。预应力锚杆和非预应力锚杆：预应力锚杆和非预应力锚杆的结构构造与基本原理是不一样的。前者是通过对锚杆施加预应力，在受到外荷载之前，锚杆受拉，围岩受压，两者之间是一个内
7、部力平衡机制；受到外荷载(拉力)作用后，岩体卸除一部分或全部压力，而锚杆中拉力会继续增长，其合力与外力平衡。而非预应力锚杆在受外载荷作用前，锚杆内是没有力的作用的(不考虑灌浆凝固和徐变所引起内应力)，在受到外来拉力作用时，锚杆和岩体中都出现拉应力。拉力型锚杆与压力型锚杆：显而易见，拉力型与压力型锚杆的主要区别在于锚杆受荷后其固定段内的粘结材料分别是处于受拉或受压状态。拉力型锚杆的荷载是依赖其固定段杆体与粘结材料接触面上的剪应力(粘结应力)来传递的；而压力型锚杆则是借助无粘结钢绞线或带套管钢筋使之与粘结材料隔开，并且这种锚杆底部有特制的承载体，受荷时，固定段的粘结材料是受压的。实际上，粘结材料除
8、了受到剪应力外还有可能受到垂直于锚杆轴线方向的切向应力。当切向应力较大，粘结材料表现为抗剪切为主，这类锚杆称之为剪切锚杆。由于锚杆支护显著的技术经济优越性，现在已发展成为世界各国矿业巷道以及其他一些地下工程支护的一种主要形式。早在20世纪40年代，美国和前苏联就已经在井下巷道使用锚杆支护，以后便在各个行业中得到了迅速的发展。我国从1956年开始在煤矿岩巷中使用锚杆支护技术，至今有近50年的历史。经过这些年的努力发展，锚杆支护技术取得了很大的成绩。锚杆支护的优越性主要有以下几点：(1)改善围岩受力状态巷道开挖后，围岩的受力状态发生改变。不同部位的岩体，由于受力状态不同，表现的强度特性也不同。当打
9、入锚杆后，由于锚杆与围岩的相互作用，使得巷道围岩受力状态也发生改变【3、4】。表现在：锚杆与岩体粘结在一起，提高了岩体刚度，增强了岩体的并行能力，加强了岩体的整体性。由于锚杆的抗拉作用，当锚杆穿越破碎岩层深入稳定岩层时，对不稳定岩层起着悬吊作用。对于层状岩层，由于锚杆的作用，对岩层离层的产生有着一定的阻碍作用，并增大了岩层间的摩擦力，锚杆本身的抗剪作用也阻止了岩层间产生相对滑动，从而将各个岩层夹紧形成组合梁，提高岩层的承载能力。(2)变“被动”为“主动”一般的棚式支护基本不具有初阻力，不可能紧贴围岩或不能全部紧贴围岩，往往形成点状受力。只有当围岩破碎、离层后，随着围岩变形的增加，支架支护阻力才
10、随着增加，才能发挥棚子的支撑作用，属于“被动”支护。锚杆支护是完全不同的一种崭新支护方式。它利用锚固剂、锚杆、拖板及各个构件或喷层，给围岩一定的支护强度，且随围岩变形支护阻力不断增加，与围岩共同组成支护体系，承受各种围岩应力达到支护目的，通常使用的锚杆支护属于“主动”支护。(3)减少巷道维修量锚杆支护能及时加固围岩，从而减少围岩变形，防止顶板早期离层和片帮，更有利于改善巷道维护状况。(4)降低支护成本采用锚杆支护可以大幅度节约大量的钢材、木材等支护材料，降低支护成本，有利于节约自然资源，改善生态环境。除此之外，锚杆支护还有简化工作面超前支护、提高掘进速度、消除安全隐患、减小工人劳动强度、减小运
11、输量、有利于生产组织等优点。1.2.2锚杆支护机理研究现状锚杆支护一出现，锚杆支护机理就成为人们研究的重要内容。在很长一段时间内，人们都认为锚杆在工作过程中，锚杆轴应力由锚固端口向锚固深处逐渐递减，所受剪应力沿锚杆杆体均匀分布，但是通过对很多工程实测结果的分析，得出事实并非如此。在锚杆所受轴应力和剪应力方面，人们做了大量的研究。在研究锚杆工作机理方面，文【5】进行了开创性的研究工作，通过对锚杆受载荷过程及沿着锚杆应力分布的观测，提出了中性点、锚固长度和拉拔长度的概念。在中性点，锚杆切面剪应力为0，而锚杆轴力有最大峰值；所谓拉拔长度是指从锚杆近端(地下工程洞壁上)到中性点的锚杆长度；锚固长度指从
12、中性点到锚杆远端(在岩石内)的锚杆长度。拉拔长度上的剪应力给锚杆施加了拉荷载，把锚杆向隧洞壁方向拉伸，而锚固长度上的剪应力把锚杆锚固于岩石中。这些概念清楚地勾勒出巷道变形时岩体中粘结式锚杆的力学特性。文【6】认为：只有在锚固长度很短的情况下，粘结应力才相对均匀，而在通常情况下，沿锚杆锚固段的粘结应力是很不均匀的，粘结应力从锚固段的近端逐渐向远端减少。随着张拉力的增加，粘结应力峰值逐渐向远端转移。但是转移不大，粘结应力主要分布在锚固段的前某一段的范围内(与锚固体所在的位置和环境有关)，即使在最大的张拉荷载作用下，锚固段远端的相当一段长度内也几乎是没有粘结应力的。粘结破坏发生后，荷载仍然能够继续增
13、加，这时粘结破坏区和弹性区沿锚杆轴线方向向锚固底端移动。在荷载逐渐向锚杆底端传递的过程中，沿锚杆杆体的粘结作用将发生渐进性破坏，锚杆的拉拔力不可能随锚固段的增长而成比例的增加，甚至当锚固段超过了一定长度后，拉拔力就不在继续增加。文【7】认为：巷道中的岩锚界面上具有两种性质的剪应力，一种是岩石变形引起的变形剪应力，另一种是由于变形剪应力的拉拔作用而产生的拉拔剪应力，且二者方向相反。对于全长粘结式锚杆，某点的拉拔剪应力为该点至孔口上变形剪应力的积分，基于这样的观点，建立了锚杆剪应力模型。通过拉拔实验，可以测定岩锚的锚固力。迄今为止，在各类型的岩石中进行了大量的拉拔实验。其中，在研究拉拔荷载作用下锚
14、杆的力学行为方面Farmer作了基础性工作，认为在较小拉拔荷载作用下，锚杆的轴应力和界面剪应力从荷载点到岩锚远端以指数形式衰减。文【8】认为：锚杆在端头处受集中载荷作用下，锚杆轴应力是沿着锚杆杆体向锚固深处逐渐递减的；锚杆剪应力在靠近锚固端头处某一位置有最大值，随着深度的增加，剪应力将逐渐减小。文【9】认为：实际锚杆支护中，锚杆轴力的产生是由于周围岩体变形差导致的，通过理论分析得出锚杆在岩体分离处锚杆轴应力最大。1.3光纤光栅传感技术的国内外发展现状1.3.1光纤光栅传感技术光纤是70年代为光通信而发展的一种新型材料，外直径100150m，柔软，易弯曲。光纤光栅是指光纤纤芯中周期性的折射率变化
15、所形成的光栅效应。光纤光栅是基于光纤的光敏特性制成的，是利用石英光纤对紫外光的光敏特性，将光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导器件。其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。光纤光栅是传感单元，用它制成的光纤传感器在传感领域有着广阔的应用前景。光纤传感器自20世纪70年代出现以来，已过去了30多年。通常，我们以十年为周期，将光纤传感技术的发展划分为以下三个主要阶段【10】。第一阶段，基础实验阶段。光纤的出现，验证了在光纤中传输的光的特性变化与外界待测量参量之间的关系。这一阶段的光纤传感技术借鉴了传统光学传感器的特点，其代表性的工作包括：C.D.Kissinger等人利用光纤和透镜改
16、善非接触的位移测量；W.F.Jacobsen等人利用光纤和光传感器监测液位等。第二阶段，技术开发阶段。20世纪80年代，单模光纤的出现，促进了光纤传感技术的发展。这一时期的主要特点是强度调制、相位调制、波长调制、偏振调制、时分调制、频率调制、光栅调制等多种光纤调制技术的发展，光纤传感技术的商业开发条件也日益成熟，一些光纤传感器开发并投入使用。第三阶段，工程应用阶段。20世纪90年代以后，光纤传感技术呈产业化发展，形成了多个应用领域。用光纤制成的传感器与传统的传感器相比有许多优点：(1)灵敏度高；(2)无源器件，对被测对象不产生影响；(3)光纤是电介质，耐高温，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠；(4)可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制；(5)在共同的技术基础上可以制成传感物理量不同的传感器；(6)传感器体积小，重量轻；(7
