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西安科技大学 硕士学位论文 基于光纤传感的锚杆轴力监测研究 姓名高冲 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师柴敬 论文题目基于光纤传感的锚杆轴力监测研究 专 业采矿工程 硕 士 生高 冲 （签名） 指导教师柴 敬 （签名） 摘 要 锚杆支护已成为确保矿山巷道、边坡、隧道等工程稳定性的一项主要技术，而锚杆 支护质量监测工作是锚固工程中不可缺少的环节， 提高锚杆监测工作的质量和监测评定 结果的可靠性，对真正地确保锚固工程的质量与安全具有重要意义。 本论文根据锚杆所受剪应力和轴力的分布特征， 介绍了锚杆杆体粘贴传感器对锚杆 受力进行监测的方法，但是这种方法存在制作工艺复杂、安装后不能复用等缺点。结合 均匀轴力下光纤光栅的传感特性， 提出一种传感器安装于锚杆外端头的锚杆受力监测方 法，以及用于锚杆轴向力测试的光纤光栅测力装置。 该装置主要由油缸、 压力表和光纤光栅压力传感器组成。 在实验室对装置进行标定， 得出了装置所受外载荷即锚杆所受轴向力 F 和光通过光栅的波长漂移量△λ 之间的关系 式，根据数据采集系统所采集的波长漂移量即可求出锚杆的轴向力。标定结果表明，光 纤光栅压力传感器比压力表灵敏性高。可利用该测力装置构建锚杆轴力监测系统，为系 统应用于煤矿井下提供实验依据。 监测系统在宁煤集团红柳煤矿进行工业性试验，对 1121 首采工作面回风巷巷帮锚 杆轴向力进行 3 个月的监测。分析安装和监测过程中存在的问题，并提出解决的方法。 监测结果显示随着工作面的开采，锚杆轴向力呈波动性变化，当工作面推进至 61.8m 时锚杆轴向力达到最大值，最大 26kN。为巷道稳定性评价提供参考依据。 该监测系统能够用于煤矿锚杆轴向力的监测，为锚杆受力监测提供一种新方法，给 巷道的维护及安全生产提供科学保障。 关 键 词锚杆支护；光纤光栅传感器；轴力测试；工程应用 研究类型应用研究 Subject The Monitoring Study of Bolt Axial Force Based on Optical Fiber Sensor Specialty Mining Engineering Name Gao Chong （（Signature）） InstructorChai Jing （（Signature）） ABSTRACT Bolting has become a major technology to ensure the mine tunnel, slope, the stability of tunnels, while bolting anchoring quality monitoring is an indispensable part, to improve the quality of bolt monitoring and surveillance Assessment of the reliability of real projects to ensure quality and safety anchorage is important. The paper suffered under the bolt shear stress and axial force distribution, introduced one that sensor pasted on bolt rod to monitor the force of the anchor, but this has complex production process, installation can not be reused. Under combined uni axial force characteristics of fiber grating sensing, another bolt force monitoring is proposed that a sensor mounted on the outer end of the anchor, and the bolt axial force for the fiber grating strain test device. The device consists of cylinders, pressure gauges and FBG sensors. The device is calibrated in the laboratory, suffered the relation between outside the loading device obtained that anchor the axial force F and the light through the grating wavelength shift λ, according △ to the data acquisition system collected the wavelength shift bolt axial force can be obtained. Calibration results show that the fiber grating pressure sensor with high sensitivity than the pressure gauge. Force measuring device can be constructed the system using the bolt axial force monitoring, provide experimental evidence to the system used in underground coal mines. The monitoring system has a industrial test in Hongliu Coal Mine of Ningxia, monitoring the bolt axial force in 1121 face Air Lane for 3 months. Analyze the problems of the process of installing and monitoring and propose solutions. Monitoring results show With the Faces, bolt axial force fluctuation change, when the face advancing to 61.8m bolt axial force when the maximum is 26kN. Give a reference to uation of the roadway stability. The monitoring system can be used to monitor the bolt axial force, provide a new to the anchor force monitoring and the scientific protection to roadway maintenance and safety. Keywords Bolting Fiber Bragg Grating sensor Axis Force Test Engineering Application Thesis Application Study 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景 迄今为止，锚固技术在工程中的应用已经有一百多年的历史了。预应力岩土锚固技 术产生于 20 世纪初的英国，因其巧妙利用了预应力钢材的高抗拉强度和调用并提高了 岩土体自身的强度及自稳能力[1]，充分挖掘了岩土体的潜能，有效地节省了工程费用并 有利于施工安全， 成为提高岩土工程稳定性和解决复杂困难工程问题的最经济最有效的 方法之一。由于锚杆工程具有不开挖滑体、能机械化施工、降低工程造价等优点，所以 被广泛应用[2]。 巷道支护是矿山开采、水利水电隧道、公路交通隧道等地下工程的一项关键技术。 合理的巷道支护技术应该既能确保地下工程的安全， 又具有明显的技术经济效益。 目前， 我国现有的矿山井巷、铁路、水利、公路、国防工程的隧道一般采用锚喷支护、锚索喷 支护、现浇混凝土等支护方式。 在锚杆支护巷道的服务年限内，及时准确的对锚杆支护质量进行监测，对巷道的正 常维护和矿井安全生产具有十分重要的意义。传统的测试手段比较的多，主要有电阻应 变计式、差动电阻应变计式、钢弦式和液压枕式等几类传感器，这些机电类敏感元器件 已大量使用，并已有成熟的技术，尤其是电阻应变计的长期稳定性、温度漂移、零点稳 定和长距离传输问题得到较好的解决。 但这些传感器仍存在防潮、 防水、 抗干扰性能差， 不能实现分布式测量等缺点，不能很好满足工程的实时监测需要。加之具有整个监测过 程周期较长、设备安装极其繁琐，无法对整个过程进行长期有效的监测。 近些年，光纤、应力波、红外等新技术开始探索用于锚固质量的监测。因此，改变 监测理念，研制新型的锚杆监测传感器，是锚杆支护安全利用的必然要求。 1.2 研究意义 根据锚杆剪应力和轴力的分布特征，以光纤光栅传感原理为基础，介绍一种新型的 锚杆轴力监测系统，并将该系统在煤矿进行工业性试验，为矿井锚杆受力监测提供一种 新方法。 1.3 锚杆支护研究现状 1.3.1 锚杆支护理论 锚杆支护与传统的支护有着根本的不同， 传统的支护常常是被动的承受破坏岩体所 西安科技大学硕士学位论文 2 产生的荷载，而锚杆可以主动的加固围岩土体，有效地控制其变形，防止岩土体坍塌破 坏的发生。 锚杆支护理论发展到现在， 归纳起来有以 Louis A.Panek[3]、 T.L.V.Rabcewicz[4] 和 T.A.Lang[5]为代表的支撑理论，以美国 P.P.Oreste 为代表的加固理论，以南非 M.D.Salamon 为代表的能量学理论，以中科院地质研究所王思敬[6]为代表的突破点理 论。锚杆支护作用理论主要表现在以下几个方面 （1）支撑理论 ① 悬吊理论 悬吊理论认为锚杆支护通过锚杆将软弱、松动、不稳定的岩土体悬吊于稳定的岩 土体中，以防止其离层脱落。这种作用在地下工程中尤为突出。 ② 组合梁理论 这种理论是把薄层状岩体看成一种梁（简支梁） ，在没有锚固前，它们只是简单的 叠合在一起。由于层间抗剪力不足，在荷载下，单个梁均产生各自的弯曲变形，上下缘 分别处于受压和受拉状态。锚杆支护后相当于用螺栓将它们紧固成组合梁，各层便在相 互挤压层间摩擦阻力大为增加， 内应力和挠度大为减少， 于是增加了组合梁的抗弯强度。 当把锚杆打入岩土体一定深度，相当于将简单的数层梁叠合变成组合梁，从而提高了岩 土体的承载能力。锚杆提供的锚固力越大，各层岩土层面的摩擦阻力越大，组合梁整体 化程度越高，其强度也越大。 ③ 组合拱（压缩拱）理论 当锚杆承受预应力时，锚杆两端为顶点的压缩带当以适当的间距排列锚杆时，相邻 的锚杆的锥形压缩区就会相互重叠，便形成了一定厚度的连续压缩带。 ④ 最大水平应力理论 该理论是由澳大利亚学者 W.J.Gale 提出。 它认为矿井岩层的水平应力通常大于铅直 应力，巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响。围岩层状特征比较突出的回采巷道 开挖后引起应力重新分布时，铅直应力向两帮转移，水平应力向顶底板转移。铅直应力 的影响主要显现于两帮，导致两帮的破坏；水平应力的影响主要显现于顶底板岩层。锚 杆的作用是沿锚杆轴向约束岩层膨胀和在垂直锚杆轴向方向约束岩层剪切错动。 ⑤ 围岩强度强化理论 改善锚固区岩体的力学参数， 强化锚固区围岩强度， 特别是强化围岩破裂后的强度， 从而保持地下工程的稳定性。 （2）加固理论 加固理论的基础是岩体工程地质力学。岩体无论其软硬程度、强度大小和岩体块状 如何，都有一定的强度。只要适当加固和重点加固，危岩块体群都可以更加稳定，这是 加固理论的根据。 锚杆加固的实质是改变了围岩的受力状况，增加了围压，提高了岩石的力学参数， 1 绪论 3 改善了被锚固岩体的力学性能。锚杆预紧力使锚杆作用范围内的岩体产生压应力，增加 岩体间节理裂隙的摩擦力，改善压缩区岩体的应力状态。巷道围岩存在着破碎区、塑性 区和弹性区，锚固区域内岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度都能得到强化，从而提 高了岩体强度和自身承载能力。锚杆加固能较好的控制围岩破碎区、塑性区的发展，抑 制围岩变形，从而更有利于保持的稳定性。 （3）能量学理论 能量学理论以能量守恒相互转化为理论基础。锚杆和岩体锚固在一起相互作用、共 同工作，锚杆吸收围岩的一部分能量，又释放吸收不完的能量，总能量不变。故锚杆于 围岩具有能量自动补偿作用。 （4）突破点理论 在正常情况下，岩体在破坏之前，总是从一处或几处先开始破坏作为突破点。这个 突破点又使相邻岩体产生新的突破点，可能导致另一些部位的破坏，发展到一定程度将 引起整体失稳。而锚杆支护可以利用自身优点，使岩体充分发挥支撑作用，以消除突破 点或及时控制破坏过程，使其较快地向稳定状态。 1.3.2 国内外锚杆支护理论研究现状 迄今为止，锚固技术在工程中的应用已经有一百多年的历史了。预应力岩土锚固技 术产生于 20 世纪初的英国，因其巧妙利用了预应力钢材的高抗拉强度和调用并提高了 岩土体自身的强度及自稳能力[7]，充分挖掘了岩土体的潜能，有效地节省了工程费用并 有利于施工安全， 成为提高岩土工程稳定性和解决复杂困难工程问题的最经济最有效的 方法之一。由于锚索（杆）工程具有不开挖滑体、能机械化施工、降低工程造价等优点， 所以被广泛应用[8] 。 20 世纪 80 年代以后，一些曾以 U 型钢或工字钢支架为煤巷主要支护形式的国家 （如英国、法国、德国、前苏联、波兰、日本等） ，也大力发展并应用了锚固技术。在 此期间，英国和日本等国研究开发了一种新型锚固技术单孔复合锚固技术，改善了锚 杆的传力机制，大大提高了锚杆的承载力和耐久性。上一世纪 90 年代起，各国纷纷将 一些理论研究引入到锚杆设计中， 同时， 积极地发展能够充分利用岩层强度的锚杆体系。 如瑞典和日本开发出带端头膨胀体的锚杆。就目前而言，国外锚固技术以澳大利亚、美 国发展最为迅速，两国锚杆支护比重已接近 100，其锚固技术水平居于世界前列[9]。 自 1912 年谢列兹矿最先采用锚杆支护井下巷道以来，锚杆支护技术至今已有一百 多年的历史，已经成为地下工程建设常用的一种较新型技术。Panek、Jacobio、 T.L.V.Rabcewicz 和 T.A.Lang 等人相继提出了悬吊、组合梁和组合拱理论，进一步促进 了锚杆支护技术的推广应用。随着锚杆支护技术的广泛应用以及岩体的复杂性、应力环 境的多变性，以往的悬吊和组合拱理论以远远不能解释锚杆在岩体中的工作机制，也不 西安科技大学硕士学位论文 4 能满足工程设计的要求。为此，广大学者对锚杆支护理论不断进行研究，对锚杆作用机 制进行了深入广泛的分析。为了适应工程实践的需要，提出了许多新的锚杆支护设计方 法。 英国的 Pande 等人的研究成果较为系统；Egger 对加锚岩体的力学性质做过大量的 实验研究；马来西亚 L.P.Yap（1984 年）利用有限元方法分析了在拉拔力作用下岩体灌 浆锚杆的荷载传递机理，指出锚杆侧剪应力的均匀分布假设是错误的；印度 K.G.Sharma （1988 年） 采用等效介质的方法应用粘弹塑力学理论分析了锚杆在岩质边坡中的加固作 用；加拿大 A.J.Hyett（1992 年） 、S.yazict、P.K.Kaiser（1992 年）对影响锚杆破坏形式 和影响锚固强度的因素作了全面深入的实验研究；南韩 T.F.Cho（1993 年）提出了与节 理单元配合使用的二维锚杆单元离散模型；加拿大 B.Benmokran（1995 年）利用室内模 型实验分析了锚杆的抗拔机理。瑞典 C.L（1999 年）针对锚杆安装在均匀变形岩体中、 受拉拔力的作用和节理的张开作用三种情况，分别提出了相应的锚杆分析模型，并探讨 了锚杆在三种情况下的应力分布和变形特点[10]。 我国 50 年代后期开始将锚杆应用于工程中。7080 年代，我国的“七五”和“八五” 科技攻关将锚杆支护定为软岩巷道支护的主攻方向之一，使锚杆支护技术有了新的发 展，进入了以钢带网和锚梁网为代表的组合锚杆支护阶段。20 世纪 80 年代后，我国开 始研究和在实际工程中对锚杆（索）钢筋施加预应力，岩体锚固技术逐渐步入高强度预 应力锚杆体系阶段。 国内李家峡电站在对滑坡体的加固[11]中应用到的预应力锚杆的承载 力设计值达到了 10000kN，我国高承载力锚固体系的设计和施工开始进入世界先进行 列。并且在这一阶段，开始考虑地应力对支护体系的作用，以地应力为基础的锚杆支护 设计方法已初见效果并渐渐发展成熟。 在锚杆作用机制的研究中，许多学者利用各种力学理论进行了解析分析。在推导过 程中，Gunnar Wijk（Sweden,1978 年）应用弹性理论中的 Mindlin 解分析了预应力锚杆 加固机理；A.P.S.Selvadurai （Canada,1979 年）和中科院武汉岩土力学研究所的林世胜 （1983 年）利用了粘弹性力学；H.Stille（Sweden,1989 年） 、B.Inderaratne（Canada,1990 年）和株洲工学院的汤伯森（1991 年）运用了弹塑性理论；中科院武汉岩土力学研究所 的张玉军（1994 年）利用了各向异性弹性力学理论[12] P.P.Oreste（U.S.A,1996 年）和山 东矿业学院的徐恩虎（1999 年）利用了复合材料力学理论。众多学者和研究单位还通过 现场测试、模型实验和数值模拟等方法对锚杆支护的作用机制进行了广泛而深入地研 究，得出了许多有意义的结论，促进了锚杆的推广应用。在锚杆支护参数的设计方面， 除了可以利用许多力学理论以外，在工程实践中主要采用经验法、工程类比法以及现场 监测法。随着锚杆支护技术的推广应用，也发展了许多新的锚杆支护设计理论，北京科 技大学的高谦（1997 年）提出了可靠度分析法，太原理工大学的韩凤山（1998 年）利 用了神经网络技术，淮南工业大学的孟祥瑞提出了专家决策支持系统[13]。 1 绪论 5 1.3.3 国内外锚固支护技术现状 从世界范围来看，自 20 世纪 90 年代以来，国内外岩体锚固技术无论在理论研究、 技术创新或工程应用方面都得到了突飞猛进发展。 近二十年来岩体锚固的主要成就和最 新发展集中表现在以下几个方面。 （1）应用领域日趋广泛，工程规模不断扩大，社会和经济效益明显。岩体锚固技 术除了在地下工程、边坡工程、结构抗浮等工程中继续保持着良好的发展势头外，在坝 基加固、 桥梁工程以及抗震工程中有着长足的进展。 从 1993 年到 1999 年， 据初步统计， 仅在边坡工程与深基坑工程中，锚杆的年用量约为 3000～3500km。举世瞩目的三峡工 程双线五级永久船闸的直立高边坡及薄衬砌墙稳定加固中，共使用了 17 万根锚杆，它 们对改善边坡的应力状态，阻止不稳定块体的坍塌和滑动，抑制塑性区的扩展，提高边 坡的整体稳定性发挥了重要作用[14]。小浪底水利枢纽工程主厂房宽 26.2m，长 251.5m， 最大高度为 61.44m，其顶拱采用设计拉力值为 1500kN、长 25m、间距 4.5m6.0m 的预 应力锚杆与长 6～8m、间距为 3.0m3.0m 的系统张拉锚杆进行加固，取得了良好的效果 [15]。 （2）锚杆材料、结构和施工机具、施工工艺不断革新，提高了锚杆在不同条件下 的适应性， 且提高了工程质量。 为了改善锚杆在软弱的塑性变形明显的岩体中的适应性， 包括我国在内的很多国家都先后开发了能全长摩擦锚固的钢管锚杆，包括缝管锚杆 （Split Set） 、水胀式锚杆（Swellex dowel）和我国独创的楔管式锚杆[16]。这种锚杆在被 强制推压入钻孔中时立即对周围岩体施加径向和轴向的预压力，其延性好，随时间推移 在经受爆破震动或岩体发生变形之后锚固力会大幅度地增长。 为了解决在松软破碎的地 层中成孔困难、钻孔拔出即塌孔的问题，发展了自钻式（Perfo bolts）锚杆。这种锚杆 的杆体是中空的钢管，全长为国际标准的波形螺纹。其最大的特点在于锚杆的杆体即为 钻进的钻杆， 也是注浆管， 能有效保证质量。 针对大变形和受采动作用的矿山巷洞工程， 发展了可伸缩式锚杆（或称屈服锚杆、卸压锚杆） （Telescopicanchor bolts）[17]。这种锚 杆具有很大的自伸长变形能力， 通过锚杆的摩擦滑移或在杆体中部与端头加用附加的屈 服元件，或采用延伸率高（1520）的钢材，来实现在大的矿压作用下主动卸压，从 而更好地维护了围岩的稳定。另外，高承载力的预应力锚杆（索）技术也是近几年发展 的热点。 在材料方面，首先是粘结剂材料的发展。积极开发研制了高强度的树脂卷材和水泥 卷材，而且，根据工程的需要，在凝结速度等其他性能上都有明显的改善。另外，锚杆 杆体材料也有所发展。例如，由冶金部建筑研究总院研制成的精轧螺纹钢筋，直径为 Φ26mm 和 Φ32mm，屈服极限可达到 750-870MPa。另外，发展单孔复合锚固体系、将 锚杆杆体加工成锯齿型、 采用二次灌浆的施工工艺等， 都积极地改善了锚杆的传力机制， 西安科技大学硕士学位论文 6 提高了锚杆的锚固力。 锚网喷支护软岩巷道的锚固区围岩承载体稳定性和良好的抗流变特性是巷道稳定 的关键。 锚杆做为一次支护保证了围岩应力峰值向深部转移过程中顶板安全及巷道表面 围岩的整体性，充分调动了围岩体的承载能力，使巷道变形速率逐步向较低变形速率状 态转化。若刚度较高，二次支护应力重新分配后，巷道锚固区外的围岩体切向应力值降 低，利于巷道围岩趋于稳定；若刚度较低，锚固区围岩体随应力增高、时间增加易变形， 二次支护后巷道的后续变形引起的围岩应力重新分配， 导致巷道锚固区外的周边岩体切 向应力值升高，不利于巷道围岩快速趋于稳定状态。同时，锚网索支护巷道出现较大变 形，会导致巷道表面围岩体破坏，锚杆承载能力难以发挥，甚至降低、丧失；及锚固区 岩体的整体性遭到削弱、破坏，围岩稳定性下降。 1.3.4 锚杆支护质量检测的发展 随着岩体锚固技术在工程应用方面的飞速发展，要保证整个工程的稳定性，锚杆锚 固质量的检测就成为一个必不可少的环节。国内外有关科研、院校、厂矿等单位对锚杆 支护质量检测进行了大量的研究，提出许多检测方法，并研制了一些检测仪器仪表。 （1）测力锚杆 测力锚杆是测量锚杆全长锚固工作状态下受力的大小及分布状况的专用锚杆， 在煤 巷中安装测力锚杆，其目的有三点 ① 分析锚杆和围岩的相互作用关系，研究全长锚固机理。 ② 实测锚杆受力，确定支护强度，分析围岩的强化程度，为锚杆支护设计提供依 据。 ③ 根据锚杆受力变化，判断锚杆是否屈服，对顶板稳定做出预测，当锚杆受力突 然增大或大范围屈服时，提示人们及时采取措施，避免顶板冒落事故发生。 锚杆受力监测是锚杆支护技术的重要组成部分，美国、澳大利亚等国都十分重视测 力锚杆的研究、开发，我国也开展了测力锚杆的研制。 （2）检测仪器 ① 多点位移计 多点位移计是监测巷道在掘进和受采动影响的整个服务期间内深部围岩变形随时 间变化情况的一种仪器。安设多点位移计的目的是a.了解巷道围岩各部分不同深度的 位移，岩层弱化和破坏的范围（离层情况、塑性区、破碎区的分布等） ；b.判断锚杆与围 岩之间是否发生脱离，锚杆应变是否超过极限应变量； c.为修改锚杆支护设计提供依据。 国内外围岩深部多点位移计的种类很多，尽管它们具有不同的结构参数、组成和适 用条件，但其目的都一样，如中国矿业大学研制的 KDW-l 型机械式多点位移计，煤炭 科学研究总院北京建井所研制的 DW 机械式多点位移计， 澳大利亚研制的声波多点位移 1 绪论 7 计等。 ② 顶板离层指示仪 顶板离层指示仪是监测顶板锚固范围内及锚固范围外离层值变化大小的一种监测 装置。 ③ 锚杆拉力计、液压枕 检测锚杆锚固力是了解锚杆实际受力状况和锚固质量，是否达到了设计锚固力，以 及是否出现了预应力松弛的量测工作。检测锚杆锚固力通常使用锚杆拉力计进行，必要 时进行锚杆拉拨试验，确定锚杆的最大锚固力；了解端锚锚杆的真实受力状态通常采用 锚杆测力计。 （3）应力波检测法 随着土木工程的发展，我国锚杆锚固技术得以迅速发展，随之而来的是锚杆锚固质 量无损检测方法在理论和实际应用方面发展迅速， 应力波类检测方法不断得以深入研究 和广泛运用。李义、王成等人对应力反射波法用于锚杆检测进行了理论探讨、模型试验 研究和实际应用[18-23]。 该方法是基于一维杆件的波动理论[24]。因为在工程中一般地讲，锚杆都具有杆长远 大于锚杆直径的条件，故可将锚杆等价于一维杆件当锚杆头受瞬态力激振后，引起锚杆 头质点振动，并以应力波的形式向锚杆底传播。当波在均匀介质中传播时，波的传播速 度、幅度和类型均保持不变但当波在不均匀介质波阻抗发生变化中传播时，它将产生反 射、透射或散射现象，波的强度将发生突变，导致扰动能量重新分配，一部分能量穿过 界面向前传播称为透射波，而另一部分能量反射回原介质，称为反射波。在实际工程中 透射波不易测得，但反射波可在其传至锚杆顶时由安装于锚杆顶的传感器（加速度计或 速度计）测得由于反射波带锚杆体内的信息，利用反射波内所含的息，就可以对锚杆的 锚固质量进行分析。 彭斌等在锚杆锚固质量检测采集数据的分析和处理方法做了探讨； 杨湖等对弹性波 在锚杆中的传播和衰减规律进行了分析和研究， 邬钢等在龙滩水电站开展了锚杆锚固质 量的现场无损检测。 汪天翼等在水布垭水电站进行了锚杆锚固质量的声频应力波法检测 试验和研究。 皮开荣等采用声频应力波法在贵州省内乌江某水电站的锚杆质量进行了实 际检测，朱自强等对全长锚杆的检测进行了一定研究[25]。 1.3.5 锚杆检测技术中存在的问题 锚杆锚固质量无损检测方法，具有快速、无损、全面、科学等优点，近年来发展速 度迅猛。但该方法仍处于不断总结、不断完善的阶段，所以理论和实测过程中存在的问 题有待解决。 （1）传统的拉拔试验测定的抗拔力只是反映锚杆的整体抗拔能力，它不能指明锚 西安科技大学硕士学位论文 8 杆各段的锚固力。传统的检测锚杆锚固质量采用拉拔试验，包括基本试验、蠕变试验、 验收试验，主要是确定锚杆的极限承载力、变形特征。设计合理性、施工质量等。 （2）锚杆锚固质量检测的能量消耗法，存在探头能量较小，有效检测长度较短， 以及激发条件苛刻和衰减快的缺点，且其检测结果仍为锚杆的抗拔力，没有和锚杆的锚 固长度、密实度建立起联系。 （3）目前，采用弹性波反射法、应力波法等在国内外锚杆质量检测中应用广泛， 但这类方法的理论机理分析不够深入， 不少限于简单理论描述及应用和实际检测经验的 总结， 或者是某方面的理论探讨。 总体来讲， 超声应力波法的理论机理研究尚不够系统、 深入，理论体系不完善。 （4）各种无损检测方法在检测方法、观测技术、激发接受设备方面都并非完善和 成熟，方法在实际应用中效果并不十分令人满意，还有进一步研究的问题。 （5）对锚杆检测方法的观测信号数字处理缺乏系统研究和探讨。 （6）对数据的正反演拟合探讨较少，成功的例证更难见到。 1.4 光纤传感技术的发展 1.4.1 光纤光栅技术的国内外研究现状 光纤光栅技术也是近几年发展起来的一门新技术。由于它独特的优点，在光纤通讯 和光纤传感等领域具有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，使光纤光 栅成为目前最具有挑战性和最有发展前途的光纤无源器件之一， 它的出现将极大地促进 全球光纤通讯和光纤传感技术的发展。 所谓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， 是利用石英光纤折紫外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。 光纤光栅的类型很多，用途很广，其分类也五花八门。光纤光栅从结构上可分周期 性结构和非周期性结构两类； 光纤光栅从功能上可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅两 类，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为惆啾光栅；根据结构的对称性可分为对称光 栅和倾斜光栅；根据传输模式祸合方式可分为导模之间的祸合光栅、导模与包层模间的 祸合光栅、包模与辐射模间的祸合光栅；根据光栅周期的长短可分为长周期光栅和短周 期光栅。但就目前研究应用的最多以及从其应用特点来看，光纤光栅可分为两大类一 类是光纤布拉格光栅，也称为反射光栅，属于短周期光栅，周期为几百纳米的数量级， 对于 1550mn 的光通信窗口而言，约为 550nm。反射光栅的作用，相当于一种波长可以 选择（通过控制光栅折射率变化周期）和带宽可以调节（控制折射率变化周期及幅度） 窄带反射元件。另一类为光纤传输光栅，也称为光纤长周期光栅，光纤传输光栅的周期 1 绪论 9 约为几百微米，其主要作用相当于一个传输特性（透射率、带宽、形状）可以调节的滤 波元件。光纤布拉格（Bragg）光栅和光纤传输（Trasmission）光栅在光纤通信和光纤 传感技术中有着广泛的应用， 布拉格光栅和传输光栅的周期相差几个数量级它们相应的 光学特性有着不同的特点， 通过选择合适的光栅参数和组合形式使它们在光纤技术中得 到应用。 1978 年 KenHill[26]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 Bragg 光栅效应。 1989 年 GeryMeltz[27]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 Bragg 光纤光栅 BOFG（Bragg optical fiber grating） 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，BOFG 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己成为研究热点。 随着光栅刻写技术的提高和布拉格光栅传感器的传感机理研究已经逐步成熟， 布拉 格光栅传感器已经从目前的研究走向实际工程中的应用。 通过大量的文献可以看出布拉 格光栅传感器在很多领域得到了广泛的应用，如航空航天、民用土木工程、船舶工程、 电力工业、核工业、医学等。 民用工程是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。1989 年美国布朗大学（Brown University）的门德斯（Mendez）等 人首先提出了光纤传感器用于钢筋混凝土结构的检测[28,29],并给出部分实验结果。 加拿大 卡尔加里附近的 Beddington Trail 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一 （1993 年）[30]，16 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。1997 年，德国的 Meissner 等人将布 拉格光栅埋入德累斯顿附近 A4 高速公路上一座跨度 72 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试验，证实了光纤光栅传感器的 应用可行性[31]。Nellen[32]（1997）等人在瑞典 Winterhur Storck 桥的两根碳纤维索上布 置了布拉格光栅和标准电阻应变计，实测数据表明两者吻合很好。他们还在瑞士 Alps 的 Luzzone 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。Nellen[33]（1999）等人分别在瑞典 Sargan 附近的隧道岩栓和用于 Lucerne 桥预 应力索上布置了光纤布拉格光栅传感器。隧道岩栓是用玻璃纤维聚合物制成的，布置布 拉格光栅的目的是监测隧道建造与运行状态下砾石的活动状况。 后者是用碳纤维聚合物 制成的，在制造过程中就埋入了布拉格光栅传感器，用来探测索的应力松弛情况，结果 西安科技大学硕士学位论文 10 表明布拉格光栅可以监测碳纤维高达 8000με 的应变值。Fuh[34]（1997）在美国 Winooski 河上的 Waterbury 娜大桥的面板上埋入了 8 个布拉格光栅传感器。其中三个直接粘贴到 桥面板的钢筋上， 两个预先在实验室粘贴到一根钢筋上， 然后到现场固定到面板钢筋上， 另外三个预先用分层的聚合物材料封装好，再放到钢筋之间。他们对埋入的工艺进行了 探讨，认为这些方法是可行的，认为只要光栅能够在埋入过程成活，就能实现预定的目 的。他们还探测到了 50με 的应变值。Seim、Udd[35]（1999）等人为了确证纤维增强材 料能否真正适于结构加固与探究复合材料的长期服役状况，他们在美国 Columbia 河峡 里的具有历史意义的 Horsetail Falls 桥上复合材料加固过程中布设了 28 个布拉格传感 器，以备长达两年的健康监测。 比利时根特的环城运河上建了一座 147m 长的预应力混凝土桥梁，桥的预应力梁在 浇筑时埋进了 18 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。 在欧洲的 STABILOS 计划中， 一种基于宽带掺饵光纤光源和可调法一泊滤波器的光 纤光栅传感系统设计用于矿井主梁的长期静态位移测量； 另一个用滚动干涉滤波器进行 解调的光纤光栅传感网络用来监视瑞士的 Mont-Terri 隧道。还有一个欧洲的 COSMUS 计划，于 1996 年开始，旨在改善民用工程建设的安全，具体目标为在建造地下运输系 统时，监控 1mm 以内的地下运动，光纤光栅被用来制作带温度补偿的静态分布式应变 传感器。瑞士联邦材料测试和研究实验室将光纤光栅传感器安装在 Luzzone 大坝中，对 大坝进行安全监测。 目前用于民用工程结构监测的光纤光栅传感器己经开始商品化，例如，美国的 Blue Road Research 在美国海军研究实验室的资助下开发的多轴光纤光栅传感器、 横向光纤光 栅传感器、灵巧垫圈埋有光纤光栅传感器等，并得到成功的应用。 光纤传感技术在国内也得到迅速的发展。主要研究领域有桥梁、隧道、矿山、边坡 等土木工程中。 BOTDR 是布里渊散射光时域反射测量计（Brillouin optic time-domain reflectometer） 的缩写， 其基本原理是利用光纤中的自然布里渊散射光的频率变化量与光纤所受的轴向 应变之间的线性关系，得到光纤的轴向应变[36]。应用 BOTDR 技术对构筑物的变形监测 是属于分布式、连续监测，光纤既是传导介质，又是传感介质，将其植入构筑物好象植 入了“神经系统”，使构筑物“活”起来了，变得有“知觉”了。目前，应用这一技术可以监 测最长 80km 光纤