申请/专利权人：中冶建筑研究总院有限公司;哈尔滨工业大学;苏州南智传感科技有限公司

申请日：2019-09-02

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN110409524B

主分类号：E02D33/00

分类号：E02D33/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2019.11.29#实质审查的生效;2019.11.05#公开

摘要：本发明公开了一种用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型，包括金属杆、压力端头、套筒、中空杆和光纤光栅。套筒的上端开口，下端封闭。所述压力端头底部为圆盘，顶部设置至少3个圆环，每个圆环与底部圆盘由相等间距布置的4个压力柱相连接。压力端头的压力柱和底部圆盘部分由上端开口处插入所述套筒，并且通过中空杆固定连接底部圆盘和所述套筒底盘。金属杆穿过压力端头顶部最内侧圆环固定连接于压力端头的底部圆盘顶面。在金属杆上、压力端头的各压力柱上和中空杆上分别黏贴有若干个光纤光栅。当整个模型埋置于岩土体内时，直接对金属杆顶端施加拉拔力，可以通过各部位的光纤光栅获得模型各部位的应变，进而计算获得扩体锚杆模型的内力。

主权项：1.一种用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型，其特征在于：包括金属杆、压力端头、套筒、中空杆和光纤光栅；所述金属杆穿过所述压力端头顶端圆环中心孔并固定于所述压力端头的底部圆盘的中心；所述压力端头的压力柱和底部圆盘由所述套筒的上端开口处插入于所述套筒中；所述中空杆的顶部固定连接于压力端头底部圆盘，底部固定连接于套筒底板上；若干个所述光纤光栅分别黏贴于所述金属杆上、所述压力端头的压力柱上和所述中空杆上；所述金属杆为等直径或带螺纹的金属杆；所述套筒为上端开口下端封闭的圆筒。

全文数据：一种用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型技术领域本发明涉及岩土工程技术领域，特别是涉及一种用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型。背景技术岩土工程中的扩体锚杆由于存在端阻力这一显著区别于传统摩擦型岩土锚杆的特点，其承载机理显得比较复杂。为了明确地获得扩体锚杆的抗拔承载力确定方法和变形性能，采用试验方法直接观测其荷载传递机制和破坏模式是扩体锚杆的失效原因解释、工程设计标准和工程服役有效性评价的科学基础。模型试验应用于岩土工程领域，可以用于研究岩土工程材料、岩土工程构件和岩土工程建构筑物的工程力学性质，用小的成本解决理论与实际中的难题。模型试验可以严格控制试验对象的主要参数，不易受外界条件的限制和干扰，结果准确，试验结果的同一性和可比性较强，还可以在复杂条件下突出研究对象的主要矛盾，把握和发现试验现象的内在联系，与现场试验的结果进行对比、验证。岩土工程扩体锚杆的体型复杂，其在岩土层中的普通锚杆钻孔底端还存在一个直径扩大的孔穴。由于整个扩体锚杆结构埋置于岩土体内部，其杆体的变形和轴力均十分难以获得。因此，由于试验手段的限制，截至目前扩体锚杆的承载力分布都没有被准确的获取，更没有相关报道。为了获得扩体锚杆的承载力分布状态进而对其力学性能进行深入研究，采用对扩体锚杆进行几何缩尺的方法进行模型试验是一个力学合理、技术可行的研究方法。而对扩体锚杆几何缩尺后，采用传统的应变传感器又难以在小的空间内对量值较小的应变量进行准确获取。近年来光纤传感技术在世界范围内引起了广泛的关注，并得到了快速的发展，其中以光纤光栅传感技术的发展最为迅速。与传统的机械、电子传感器相比，光纤光栅传感器具有以下优点：1尺寸小、质量轻，2传输损耗低、带宽高，3免疫电磁干扰，4耐腐蚀，5使用寿命长，6可以使用多路复用技术进行分布式测量。因此，将光纤光栅应变测量技术应用于扩体锚杆的杆体应变测量，发明一种用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型，以解决岩土扩体锚杆由于体型复杂难以获得承载力分布进而导致其承载机理研究缺失的难题。发明内容本发明为了克服现有岩土扩体锚杆的体型复杂而导致的杆体应力分布不易获得的难题而提供一种用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型。为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：一种用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型，包括金属杆、压力端头、套筒、中空杆和光纤光栅；所述金属杆穿过所述压力端头顶端圆环中心孔并固定于所述压力端头的底部圆盘的中心；所述压力端头的压力柱和底部圆盘由所述套筒的上端开口处插入于所述套筒中；所述中空杆的顶部固定连接于压力端头底部圆盘，底部固定连接于套筒底板上；若干个所述光纤光栅分别黏贴于所述金属杆上、所述压力端头的压力柱上和所述中空杆上。其中，所述金属杆为等直径或带螺纹的金属杆，其顶端为自由端，用于与外部加载装置连接；其底端穿过所述压力端头顶部最内侧圆环的中心孔并与所述压力端头底部圆盘固定连接；在所述金属杆上靠近顶端的侧表面黏贴有至少1个光纤光栅，在所述金属杆上靠近压力端头顶部圆环位置的侧面黏贴有至少1个光纤光栅。其中，所述压力端头包括三层，其顶层设置至少3个同心非等直径的圆环，其底层设置有1个底部圆盘，每个圆环与底部圆盘通过至少4个等间距布置的压力柱连接，在每个所述压力柱上黏贴有至少1个光纤光栅；在每2个相邻的圆环之间和最内侧圆环与所述金属杆之间设置有柔性隔离环以使相邻圆环不直接接触；所述顶部最外侧圆环的外径大于所述底部圆盘的外径。其中，所述套筒为上端开口下端封闭的圆筒，所述套筒的内径略大于所述压力端头的底部圆盘的外径，所述套筒的外径等于所述压力端头顶部最外侧圆盘的外径。其中，所述中空杆位于所述套筒内部，并与所述套筒的对称轴重合；所述中空杆的顶端与所述压力端头的底部圆盘的底端固定连接，所述中空杆的底端与所述套筒底盘的顶面固定连接；所述中空杆上黏贴有至少1个光纤光栅。其中，所述压力端头的压力柱和底部圆盘通过所述套筒的上端开口插入于所述套筒中，并且通过所述中空杆与所述套筒固定连接；所述压力端头的压力柱长度、所述压力端头的底部圆盘的厚度、所述中空杆的长度与所述套筒的底盘厚度之和略大于所述套筒的总高度。其中，所述压力端头包含的所述压力柱上黏贴的所属光纤光栅的导线通过所述压力端头的所述底部圆盘上预留的若干个开孔引向所述套筒内部。所述压力柱上黏贴的所述光纤光栅和所述中空杆上黏贴的所述光纤光栅的导线均通过所述套筒底盘上的预留穿出模型。所述金属杆上黏贴的所述光纤光栅的导线在所述金属杆的顶端引出模型。如图6所示，本发明实现的原理是：岩土扩体锚杆的承载力由普通锚固段侧阻力Qsd、扩体锚固段侧阻力QsD和端阻力Qe组成。在对埋设于砂土地基模型的扩体锚杆模型的普通锚固段顶端施加拉拔荷载时，压力传感端头的顶面由于受到砂土地基的压力而产生端阻力，3个压力环的压力柱在地基反力的作用下分别产生竖向变形，此时通过光纤光栅解调仪获得的每根压力柱上光纤布拉格应变传感器的波长变化值可以获得每根压力柱的变形量，再通过每个压力环上的4个压力柱的变形量获得该压力环的平均变形量和力值，最后将3个压力环上的压力值相加就是该工况下扩体锚杆的端阻力值Qe，并且通过分析3个环上的压力值除以相应圆环的面积可以获得扩体锚杆端阻力的分布情况。对于扩体锚杆的侧阻力Qs，首先在锚杆受上拔荷载时，扩体锚杆模型的中空扩体锚固体侧壁由于受到砂土地基的摩擦作用而产生背离压力传感端头的运动趋势，这时中空扩体锚固体内部的中空杆产生拉应变，通过光纤光栅解调仪获得中空杆上的FBG传感器波长的变化值就可以获得中空杆的应变值，进而获得中空杆的拉力值，该拉力值即为中空扩体锚固体侧壁受到砂土地基的摩擦阻力，也就是锚杆扩体锚固段的侧阻力值QsD。在获得扩体锚杆的端阻力值和扩体锚固段的侧阻力值的基础上，通过该工况下锚杆受到的总拉力值Q，减去扩体锚杆端阻力值Qe和扩体锚固段侧阻力值QsD就可以获得扩体锚杆的普通锚固段的侧阻力值Qsd。因此通过本发明中的扩体锚杆模型就可以获得扩体锚杆受拉拔力条件下的杆体应变值，进而获得锚杆上的荷载分布情况。同现有技术相比，本发明的突出效果在于：本发明适用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型，能够直接在扩体锚杆的模型试验中通过测量本发明模型上布设的光纤光栅应变值获得扩体锚杆的内力分布，大幅度提高扩体锚杆模型应变测量的准确性和稳定性，并且测量元件不受模型试验模拟地层中的土、水条件影响。能够在扩体锚杆模型小比例缩尺的情况下实现精准、可重复的扩体锚杆内力分布模型试验，节省了试验成本，克服了传统扩体锚杆试验中杆体内力分布不易获取的难题。同时，本发明的模型力学概念明确，模型结构简单，模型安装及模型尺寸更换简便。下面结合附图说明和具体实施例对本发明的用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型作进一步说明。附图说明图1是本发明的用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型的总体结构示意图。图2是本发明的用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型的结构拆分示意图。图3是本发明的用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型的传感端头结构示意图。图4是本发明的用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型的传感端头的俯视图。图5是本发明的用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型的总体外观图。图6是本发明的用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型的力学原理图。具体实施方式结合图1-图5，一种用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型，包括金属杆1、压力端头2、套筒4、中空杆3和光纤光栅9；金属杆1穿过压力端头2顶端圆环中心孔并固定于压力端头2的底部圆盘5的中心；压力端头2的压力柱7和底部圆盘5由套筒4的上端开口处插入于套筒4中；中空杆3的顶部固定连接于压力端头底部圆盘5，底部固定连接于套筒底盘8上；若干个光纤光栅9分别黏贴于金属杆1上、压力端头2的压力柱7上和中空杆3上。金属杆1为等直径或带螺纹的金属杆，其顶端为自由端，用于与外部加载装置连接；其底端穿过压力端头2顶部最内侧圆环6的中心孔并与压力端头底部圆盘5固定连接；在金属杆1上靠近顶端的侧表面黏贴有至少1个光纤光栅9，在金属杆1上靠近压力端头2顶部圆环6位置的侧面黏贴有至少1个光纤光栅9。如图3-4所示，压力端头2包括三层，其顶层设置至少3个同心非等直径的圆环6，其底层设置有1个底部圆盘5，每个圆环6与底部圆盘5通过至少4个等间距布置的压力柱7连接，在每个压力柱7上黏贴有至少1个光纤光栅9；在每2个相邻的圆环6之间和最内侧圆环6与金属杆1之间设置有柔性隔离环10以使相邻圆环6不直接接触；顶部最外侧圆环6的外径大于底部圆盘5的外径。套筒4为上端开口下端封闭的圆筒，套筒的内径略大于压力端头2的底部圆盘5的外径，套筒4的外径等于压力端头2顶部最外侧圆盘6的外径。中空杆3位于套筒4内部，并与套筒4的对称轴重合；中空杆3的顶端与压力端头2的底部圆盘5的底端固定连接，中空杆3的底端与套筒底盘8的顶面固定连接；中空杆3上黏贴有至少1个光纤光栅9。压力端头2的压力柱7和底部圆盘5通过套筒4的上端开口插入于套筒4中，并且通过中空杆3与套筒4固定连接；压力端头2的压力柱7长度、压力端头2的底部圆盘5的厚度、中空杆3的长度与套筒4的底盘8厚度之和略大于套筒4的总高度，整个模型组装完成后，所属压力端头2与套筒4之间存在缝隙14。压力端头2包含的压力柱7上黏贴的所属光纤光栅9的导线13通过压力端头2的底部圆盘5上预留的若干个开孔11引向套筒4内部。压力柱7上黏贴的光纤光栅9和中空杆3上黏贴的光纤光栅9的导线13均通过套筒4的底盘8上的预留孔12穿出模型。金属杆1上黏贴的光纤光栅9的导线13在金属杆1的顶端引出模型。本发明的用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型经反复试验验证，取得了满意的应用效果。以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

权利要求：1.一种用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型，其特征在于：包括金属杆、压力端头、套筒、中空杆和光纤光栅；所述金属杆穿过所述压力端头顶端圆环中心孔并固定于所述压力端头的底部圆盘的中心；所述压力端头的压力柱和底部圆盘由所述套筒的上端开口处插入于所述套筒中；所述中空杆的顶部固定连接于压力端头底部圆盘，底部固定连接于套筒底板上；若干个所述光纤光栅分别黏贴于所述金属杆上、所述压力端头的压力柱上和所述中空杆上。2.根据权利要求1所述的用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型，其特征在于：所述金属杆为等直径或带螺纹的金属杆，其顶端为自由端，用于与外部加载装置连接；其底端穿过所述压力端头顶部最内侧圆环的中心孔并与所述压力端头底部圆盘固定连接；在所述金属杆上靠近顶端的侧表面黏贴有至少1个光纤光栅，在所述金属杆上靠近压力端头顶部圆环位置的侧面黏贴有至少1个光纤光栅。3.根据权利要求1所述的用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型，其特征在于：所述压力端头包括三层，其顶层设置至少3个同心非等直径的圆环，其底层设置有1个底部圆盘，每个圆环与底部圆盘通过至少4个等间距布置的压力柱连接，在每个所述压力柱上黏贴有至少1个光纤光栅；在每2个相邻的圆环之间和最内侧圆环与所述金属杆之间设置有柔性隔离环以使相邻圆环不直接接触；所述顶部最外侧圆环的外径大于所述底部圆盘的外径。4.根据权利要求1所述的用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型，其特征在于：所述套筒为上端开口下端封闭的圆筒，所述套筒的内径略大于所述压力端头的底部圆盘的外径，所述套筒的外径等于所述压力端头顶部最外侧圆盘的外径。5.根据权利要求1所述的用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型，其特征在于：所述中空杆位于所述套筒内部，并与所述套筒的对称轴重合；所述中空杆的顶端与所述压力端头的底部圆盘的底端固定连接，所述中空杆的底端与所述套筒底盘的顶面固定连接；所述中空杆上黏贴有至少1个光纤光栅。6.根据权利要求1所述的用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型，其特征在于：所述压力端头的压力柱和底部圆盘通过所述套筒的上端开口插入于所述套筒中，并且通过所述中空杆与所述套筒固定连接；所述压力端头的压力柱长度、所述压力端头的底部圆盘的厚度、所述中空杆的长度与所述套筒的底盘厚度之和略大于所述套筒的总高度。7.根据权利要求1所述的用于岩土扩体锚杆的光纤光栅应变测量模型，其特征在于：所述压力端头包含的所述压力柱上黏贴的所属光纤光栅的导线通过所述压力端头的所述底部圆盘上预留的若干个开孔引向所述套筒内部；所述压力柱上黏贴的所述光纤光栅和所述中空杆上黏贴的所述光纤光栅的导线均通过所述套筒底盘上的预留穿出模型；所述金属杆上黏贴的所述光纤光栅的导线在所述金属杆的顶端引出模型。

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