锚杆受力的光纤光栅测试实验研究.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 锚杆受力的光纤光栅测试实验研究 姓名柴青平 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师柴敬 20070420 论文题目锚杆受力的光纤光栅测试实验研究 专业采矿工程 硕士生柴青平 指导教师柴敬 摘要 签名 签名 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作用。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的拉拔试验过程中杆体的受力情况进行测 试，能够测得锚杆拉拔时的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。本文完成了相似材料弹性模量测定实验、普通拉拔锚杆轴力测试实验、带有 锚固剂的锚杆拉拔实验和对周围锚杆影响特性实验。 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 研究类型应用研究 S u b j e c tE x p e r i m e n tS t u d yo nt h eA n c h o rB o l tF o r c e dB a s e do nF i b e r B r a g gG r a t i n gS e n s o r S p e c i a l t y M i n i n gE n g i n e e r i n g N a m eC h a iQ i n g p i n g s i g n a t u 旧出垒f 幽 艺 s i g n a t u 旧丝竺竺 趔Z I n s t r u c t o r C h a iJ ingSignarure A B S T R A C T T h er o c kb o l t i n gh a sb e c o m eam a i ns u p p o r t i n gm e t h o do ft h et u n n e lo fc o a lm i n e ．I n r e c e n ty e a r s , t h ef 菌l u r eo ft h er o c kb e l t i n go c c u r sf i e q u e n t l yb e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t e d g e o l o g i c a le n v i r o n m e n to f t h et u n n e l ．1 1 1 ef o r c ew i l lb ee x e r t e do nt h eb o d yo f t h ea n c h o rb o l t b e c a u s eo f t h ed e f o r m a t i o no f t h es u r r o u n d i n gr o c LS Ot h e ne x i s ta x i a lf o r c ea n ds h e a rs f f e 船 o i lt h eb o d yo ft h ea n c h o rb o l t ．T h ed i s t r i b u t i o nt r a i to ft h ea x i a lf o r c eo ft h ea n c h o rb o l t s h o w st h ec o n d i t i o no fa n c h o r a g es y s t e md i r e c t l y t h eS t r e s ss t a t eo fe l a s t i c i t ya n d e l a s t i c i t y - p l a s t i cp r o p e r t yo ft h ea n c h o r a g es y s t e m ．T h i st h e s i si sb a s e do nt h ed r a w i n g e x l x r i m e n tt os t u d yt h ed i s t r i b u t i o no f a x i a lf o r c ei nt h ep r o c e s so f a n c h o rb o l tw h e np l l l l e d ． O nt h eb a s i so ft h es t u d yo fo t h e rs c h o l a r s ，t h i st h e s i s y e st h ed i s t r i b u t i o n so fa x i a l f o r c ea n ds h e a rs t r e s sa l o n gt h ew h o mb o d yo fa n c h o rb o l tw h e nc o n c e n t r a t e dl o a da n d d i s t r i b u t e dl o a da 地e x e r t e do nt h er o o f - b o l th e a dt h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ．a n dt h e n u ∞st h es i m i l a r i t ym o d e le x p e r i m e n tt oi m i t a t et h er o c kb o l t i n gi nt h el a b o r a t o r y ．U s i n gt h e d e t ∞t i n gt e c h m q u eo ft h eF i b e rB r a g gG r a t i n gs e n s o rt ot e s tt h es t r e S Ss t a t eo ft h eb e d yo f a n c h o rb o l ti nt h ed r a w i n ge x p e r i m e n t 啪g e tt h ec i r c u m s t a n c e so f t h ev a r i a t i o no f t h ew a v e l e n g t ho fe a c hg r a t i n gp o i n to nt h ea n c h o rb o l tw h e ni ti sp u l l e d ．T h u st h el a wo fa x i a lf o r c e d i s t r i b u t i o ni Sg o tw h e na n c h o rb o l tw o r k s ．n l i st h e s i sf i n i s h e st h ee x p e r i m e n tt od e t e c te l a s t i c m o d u l u su s i n gs i m i l a r i t ym a t e r i a l ，t h ee x p e r i m e n tt od e t e c ta x i a lf o r c eb yd r a w i n ga n c h o rb o k t h ed r a w i n ge x p e r i m e n to fa n c h o rb o l t 、斫t l la n c h o r a g em a t e r i a la n dc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t t ot e s tt h ei n f l u e n c eo f t h es u r r o u n d i n g so f a n c h o rb e l t ． mw h o l ep r o c e s so ft h eb o d yo ft h ea n c h o rb o l tw h e ni ti Sf o r c e di sm o n i t o r e di nt h e d r a w i n ge x p e r i m e mw i t ht h es y s t e mo ft h eF i b e rC w a t i n g , a n dt h ec o n c l u s i o ni sm a d e w h a f l t h ef o r c ee x e r t e do nt h ea n c h o rb o l ti ss m a l l e r , t h ea x i a lf o r c eo ft h ea n c h o rb e l td e c r e a s e s a l o n gt h ea n c h o r a g ed e p t h ；w h e nt h ed r a w i n gs t r e s si sl a r g e r , t h ea x i a lf o r c eo nt h er o o f - b o l t h e a dw i l ln o tb et h em a x i m u m ．a n dt h em a x i m u mo ft h ea x i a lf o r c eo ft h ea n c h o rb o l t 埘U m o v et o w a r d st h eo t h e re n do ft h ea n c h o rb o l tg r a d u a l l y ．A c c o r d i n gt ot h i sc o n c l u s i o n ，t h e t h e s i sg e t st h ec o n c l u s i o nt h a tt h ea n c h o r a g es y s t e mi sd e s t r o y e di nd r a w i n ge x p e r i m e n t b e c a u s eo f t h ef r a c t u r eo f a n c h o r a g em a t e r i a l ． T h et h e s i sm a k e sat h o r o u g hs t u d yf o rw o r k i n gp r i n c i p l eo fa n c h o rb o l tu n d e rt h e a n c h o r a g es t a t e ，a n dg i v e st h em e t h o dt oj u d g et h a tt h ea n c h o r a g es y s t e mi sd e s t r o y e do rn o t ， w h i c hh a v et h ec o n s t r u c t i v em e a n i n gt od e t e c tt h es c e n eo fr o c kb o l t i n g ． K e yw o r d s R o c kB o l t i n g A x i a lF o r c e t h eF i b e rB r a g gG r a t i n gS e n s o rT e c h n o l o g y t h eS t u d yo f E x p e r i m e m T h e s i s A p p l i c a t i o nR e s e a r c h 西妻料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名兰嚣臻备日期2 彬厂 ．／夕 I 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定。即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位敝作者躲并喜卒指导教师繇鞭 ’ 年, E 1日 1 绪论 1 绪论 1 ．1 问题的提出 锚杆支护是目前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【l J 。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通过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、锚杆杆体和这些介质之间的 界面 的稳定1 2 1 。 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、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。 西安科技大学硕士学位论文 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，锚杆在受荷后，杆体总是处于受拉状态的。 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2 0 世纪4 0 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1 9 5 6 年开始在煤矿岩巷中使用锚杆支护技术，至今有近5 0 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①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。②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。③对于层状岩层，由于锚杆的作用，对岩层 2 1 绪论 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，与锚杆本身的抗剪作用阻 止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刚才，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。在很长一段时问内， 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 杆界面剪应力为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 1 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 3 西安科技大学硕士学位论文 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杆的力学行 为方面F a r m e r 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7 0 年代为光通信而发展的一种新型材料，外直径1 0 0 ～1 5 0 I lm ，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2 0 世纪7 0 年代出现以来，已过去了3 0 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0 0 1 。 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 ．K i s s i n g e r 等人利用光纤和透镜改善非接触的位移测量； W ．E J a c o b s e n 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。2 0 世纪8 0 年代，单模光纤的出现，促进了光纤传感技 4 1 绪论 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。2 0 世纪9 0 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 可以与计算机连接，实现多功能、智能化的要求； 8 频带宽，动态范围大； 9 几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的传感器和传感器阵列。 1 ．3 ．2 光纤光栅技术的国内外发展现状 1 9 7 8 年K e n H i l l [ u l 及其他科研人员首次发现掺锗石英光纤紫外光敏特性光 诱导产生B r a g g 光栅效应。1 9 8 9 年G e r y M e l t z 【1 2 】又发展了紫外光侧面写入光敏光栅技 术。后来，光纤传感器一问世便受到极大地重视，几乎在各个领域都得到研究和应用， 成为现代传感器的先导。光纤光栅传感器是利用B r a g g 光纤光栅 B O F O B r a g go p t i c a l f i b e rg r a t i n g 的波长对温度、应力参量的敏感特性而制成的一种新型光纤传感器。与传 统的光纤传感器相比，B O F G 将被测信息转化为共振波长的移动，即采用波长调制方式， 同时还可方便地将多只光栅复用，这是其它传感器件无法比拟的。光纤光栅传感器的出 现给光纤传感领域带来了新的生机，这种传感器适用于特殊结构的传感网络，如水坝 寿命监测、桥梁缺陷检测、大型运输载体的复合材料等等。现在，用于信息摄取的光纤 光栅传感器及光纤光栅传感网络已成为研究热点。 早在1 9 8 8 年光纤光栅传感技术就被成功地应用在航空、航天领域，光纤光栅传感 器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域，目前还在土木 工程领域 如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器，高速公路、机场跑道等 开发 可在混凝土组件和结构中，测定其结构的完整性和内部应变状态的可能技术，从而建立 灵巧结构，并进一步实现智能建筑。在光纤传感器所应用的领域中，所测试的材料均为 高强度的材料，而且光纤可以埋入其中。应用比较广泛的是混泥土结构。当混泥土结构 因为受力或者温度改变而产生变形或微裂的时，就会引起埋入其中的光栅产生变形，从 5 西安科技大学硕士学位论文 而导致通过光栅内的光在光强、相位、波长方面发生变化。1 9 8 9 年美国布朗大学 B r o w n U n i v e r s i t y 的门德斯 M e n d e z 等人首先提出了光纤传感器用于钢筋混凝土结构的检 测【1 0 ．1 ，并给出部分实验结果。从此以后，美国、加拿大、英国、德国、日本的大学、 研究机构等投入了大量力量研究埋入式光纤传感器在机敏土建结构中的应用，其中尤以 美国的韦尔蒙特大学 V e r m o n tU n i v e r s i t y 的研究成果最为突出[ t 3 , 1 4 ] 。他们将各种光 纤传感器分别埋入到民用建筑、高层建筑、人行天桥、洲际公路桥、铁路桥及水电大坝 中，以检测结构或建筑物内部的应力、应变、结构振动，结构损伤程度，裂缝的发生与 发展等内部状态，并取得较好的测试结果。 光纤光栅传感器应用最活跃的领域，主要集中在桥梁、大坝、隧道等重要结构的健 康监测。以下是国内外光纤光栅传感器应用成功的一些范例。 加拿大卡尔加里附近的B e d d i n g t o nT r a i l 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量 的桥梁之- - 1 9 9 3 年 【1 5 1 ，1 6 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和碳纤 维复合筋上，对光纤光栅的工程应用进行了有益的探索。1 9 9 7 年，德国的M e i s s n e r 等 人将布拉格光栅埋入德累斯顿附近A 4 高速公路上一座跨度7 2 米的预应力混凝土桥上， 测量荷载下的线性响应，并且与常规的仪器测试结果作了对比实验，证实了光纤光栅传 感器的应用可行性【1 6 1 。N e l l e n [ 1 7 1 1 9 9 7 等人在瑞士A l p s 的L u z z o n e 水电站大体积混凝 土坝中埋布拉格光栅传感器，用来监测混凝土的温度与应变变化。比利时根特的环城运 河上建了一座1 4 7 m 长的预应力混凝土桥梁，桥的预应力梁在浇筑时埋进了1 8 个光纤光 栅传感器，利用光纤光栅传感器对桥梁的建设过程进行了监视，并将长期监测桥梁的结 构情况。 在国内，光纤光栅技术刚刚兴起，国家自然基金、8 6 3 计划等国家基金以及其它部 委专项基金给予了大力的支持和资助，许多单位对其制作研究也都投入了相当的精力并 取得了非常显著的成果。清华大学、吉林大学、中科院半导体所、上海光机所等，对光 纤的光敏性、成栅机理、光波传输规律等问题进行了深入研究。在实际工程应用方面， 哈尔滨工业大学、香港理工大学、上海紫栅公司己完成将光纤光栅传感系统用于呼兰河、 青马、卢浦等桥梁的结构监测。清华大学、武汉理工大学、中山大学等也开展了将光纤 光栅用于压力、温度、电流等参量的传感应用研究，取得了不少阶段性成果【⋯。 1 9 9 8 年蔡德所【1 9 1 等人基于O T D R 原理，用斜交分布式光纤传感技术对三峡古洞1 3 面板堆石坝工程进行了现场实验，对其裂缝进行了检测。2 0 0 1 年欧进萍和周智1 2 0 l 等人 在黑龙江呼兰河预应力箱形梁大桥上成功布设了1 2 个光纤光栅应变传感器和3 个温度 传感器，并进行了施工与运营监测。 1 ．4 光纤光栅技术在研究锚杆中的运用 锚杆支护是隐蔽性工程，它的危险前兆往往不容易察觉，这是造成煤矿事故的一个 6 l 绪论 重要原因，因此采用锚杆支护的巷道日常中都要对巷道矿压和支护进行监测。在这方面， 光纤光栅传感技术无疑是一个好的监测手段，它的优点是一是可以远距离和及时掌握 巷道围岩活动情况，一旦发现异常，可及时采取措施，保证安全生产；二是可通过监测 获得围岩稳定状况的信息，为修改、完善设计提供依据。经研究分析，与巷道两帮围岩 稳定有关的监控指标主要有巷道表面收敛、围岩深部位移、锚杆受力；与巷道顶板稳定 有关的监控内容有顶板下沉量锚固区内外的离层值、围岩深部位移、锚杆受力及其分布 状况等团 。 光纤光栅传感监测锚杆技术原理其实很简单，就是通过改变外界的应力来实现光纤 光栅中心波长的漂移。利用网络分析仪来接收和分析反射光。我们首先将光栅粘贴在锚 杆上，当锚杆受到外界的压力、拉力、或剪切力时，附着在锚杆上的光栅同样受到这些 力的影响，中心波长得到改变。于是可以通过中心波长的改变来分析锚杆受力情况和支 护效果。 在国外，有些工作者做了一些研究。 瑞士的“材料测试和研究实验委员会”的P h i l i p pM N e l l c n 、A n d r e a sF 删咄圈等人 在“布拉格光栅传感器在巷道监测中的运用” 叫i c a lF i b e rB m g gG r a t i n g sF o rT u n n e l S u r v e i l l a n c e 一文报道了在实验室做的一些初探。首先做了一些特制的锚杆，锚杆的轴 是空的，直径比光纤光栅的直径略大一些，然后将光栅通过特殊的方法放进去，再用树 脂氧胶将光栅粘合在锚杆上，在光栅对应位置的锚杆表面粘贴应变片。封转完毕，将锚 杆放在实验室的拉伸机上进行加载。加载的方式有拉伸，压缩以及弹性范围内反复加载。 实验结果证明了波长的改变量随着载荷的增加成线性关系。在反复载荷作用的实验结果 曲线中，当载荷恢复到初始值的时候，中心波长改变量因为受到温度的影响却不能为零。 因此，怎样分离由于温度和应变引起的波长改变量是光栅传感器作为一种应力传感器最 重要的环节之一，也是一个等待解决的难题。 德国的M a r t i nS c h r o e c k , W o l f g a n gE c k e , A n d r e aG 埘l p 玎“乃J 等人在论文“F B G 布拉 格光栅 传感器在岩石锚杆中的应变测试”中也作了大量的研究，实验方法和上面的方 法大同小异，所不同的是实验过程是在现场进行了测试。他们是将光纤光栅利用一种氧 化胶粘贴在锚杆表面，然后将锚杆在煤矿一工作面进行现场支护，并对锚杆的支护性能 进行现场的测试。通过现场测试可以知道，当对锚杆施加完预应力后，随着掘进工作面 的前移，顶板开始下沉，锚杆受力增大。光纤光栅中心波长的变化量也随着锚杆的变形 而增大。而且通过实验图表还可以知道，中心波长的漂移量△五和锚杆的应变△占基本上 成线性关系。但是，他们却没有明显的指出在在应变温度交叉敏感中中心波长漂移量那 一部分是因为温度的改变而一起的，那一部分是因为应变的改变一起的。同样没有解决 做为单一的应力传感器的关键。 武汉大学在武汉“国际会展中心”深基坑支护工程中采用光纤传感技术对预应力锚 7 西安科技大学硕士学住论文 杆受力状态进行了现场测试，并对实测资料进行了分析[ 2 4 1 。分析资料说明各锚杆均存在 有拉应力、零应力和压应力区，具有较大的安全系数。根据实测资料减少了原设计的锚 杆数量，从而节约了投资。这也是光纤传感技术用于建筑工程中的首要尝试。 武汉理工大学姜德生教授【2 5 ％光纤光栅传感器用于武汉某大桥锚索应力的测试。研 制的新型光纤B r a g g 光栅锚索预应力监测系统，初步实现了对锚索的预应力检测。实验 表明光纤光栅传感技术是一种先进的检测技术，不受恶劣环境的干扰和影响，具有精度 高、长期稳定性好、操作简便迅速的优点，实现了在线监测。开发出预应力结构整体状 态的长期监测系统，具有重大的社会效益和经济效益。 西安科技大学的柴敬教授1 2 6 ] ，除了将布拉格光纤光栅传感技术用于相似模型实验中 以外，也对光栅传感在锚杆中的应用做了初步性的研究。通过对封装有光纤光栅和应变 片的锚杆做拉伸实验，得出了光纤光栅测试的精度比应变片高，证明了光栅传感器在锚 杆支护系统应用的可行性。研制的布拉格光纤光栅锚杆检测系统，初步实现了对锚杆受 力过程中杆体内变形和全过程的检测。对光栅传感技术在锚杆支护系统中的应用又迈进 了一步。 1 ．5 本论文研究的目的和意义 1 ．5 ．1 研究目的 锚杆在岩体中工作时，周围介质将会对其施加集中载荷或者分布载荷的作用。本文 将在实验室中，利用光纤光栅检测技术，通过对锚杆施加集中载荷来分析锚杆在工作时 的波长漂移情况，从而得以分析出锚杆拉拔过程中锚固系统状态的变化情况，并比较在 普通拉拔实验与带有锚固剂的拉拔实验中锚杆受力的差别。最后将对单根锚杆在拉拔时 对周围某一范围内的锚杆是否有影响做进一步的研究。 1 ．5 ．2 研究意义 1 研究本课题可以更加深入的了解锚杆在工作时的杆体受力分布情况，为锚杆 支护设计提供参考依据。还可以为锚杆监测提供新的、可靠的、更安全的监测方法。 2 从锚杆拉拔实验中得出的锚杆受力结论以及锚固系统破坏时的轴力分布特点 可以为将来锚杆应用于井下巷道监测提供理论依据。 3 通过对普通拉拔实验和带有锚固剂的锚杆拉拔实验锚杆轴力进行分析，可以 得出两者之间的区别