无源变色锚杆轴力监测装置的设计与研究.pdf

万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 无源变色锚杆轴力监测装置的设计与研究 摘 要 本文旨在研究一种结构简单、成本低廉、安装方便、不会损害锚杆锚 固质量、适合大规模安装且监测方便的锚杆轴力监测装置。锚杆支护技术 在锚固工程中可以加固、组合和联接围岩，提高围岩的自身强度和自我稳 定能力，在煤矿、水电、冶金和隧道等工程领域得到广泛应用。但是随着 时间推移,锚杆在恶劣的工作环境中时常受到地下水腐蚀、邻区采矿扰动和 围岩应力变化等因素的影响，导致锚杆所受应力增加。一旦锚杆所受应力 达到或超过其强度极限就会导致锚杆的断裂和锚固工程的失效，给岩土锚 固工程造成严重的安全事故隐患。为了维护工程稳定和保证施工安全，必 须对锚杆轴力进行监测。因此，研究锚杆轴力监测装置具有显著的社会经 济效益和意义重大的科研实用价值。然而，现有的锚杆轴力监测装置研究 成果仍存在着需要电源供电或液压密封，难以防水防爆、可靠性差、制造 成本高、安全管理复杂等诸多缺点，难以实现对锚杆锚固工程进行长期有 效的准确监测。 在分析研究现有锚杆轴力监测装置的研究成果的基础上，根据实践经 验，针对目前锚杆轴力监测装置的不足提出了一种新型的锚杆轴力无损监 测方法，将基于等厚干涉原理的光学干涉法创新性的应用到锚杆轴力监测 中来，并设计了相关监测装置。通过分析研究，确定该监测装置由上盖板、 弹性垫、下盖板、承载体和光学膜等部件组成。监测装置在锚杆轴力作用 下，光学膜会发生微小变形。监测装置所受载荷不同，光学膜的变形量不 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 同，在白色光源的垂直照射下，光学膜会产生不同的干涉图案颜色，通过 不同的干涉图案颜色判断锚杆力的大小。 首先，通过对拉力型锚杆的受力分析得出锚杆剪应力与轴应力的分布 规律,选定了所监测锚杆型号，确定了监测装置的安装位置并定义了锚杆三 种不同的受力状态。然后通过分析锚杆在锚固工程中的受力分布特点、监 测装置的实际应用场景及在安装和使用中的受力情况，依据监测装置各部 件的作用和工作原理分别讨论确定了监测装置各部件的材料选择、结构设 计和尺寸选择，并利用 ANSYS 软件对上盖板、下盖板和承载体等结构进 行了强度分析，以保证监测装置在监测范围内安全可靠。然后，针对监测 装置的监测方法对光学干涉原理和光学膜的变形理论进行了相关公式推 导， 并编写了基于 MATLAB 的光学膜变形程序和光学膜仿真干涉程序。 介 绍了干涉图案颜色显示方法，并利用 ANSYS 有限元分析和 MATLAB 软件 对光学膜的干涉图案进行了仿真分析。仿真分析结果显示，在监测范围内 三种设定受力状态下锚杆轴力监测装置光学膜的干涉图案变化了三种颜 色，可以通过不同的颜色判断锚杆的受力状态，证明了该监测装置的可行 性。 关键词锚杆轴力，光学法，变色，监测 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III DESIGN AND RESEARCH ON PASSIVE CHROMISM MONITORING DEVICE OF ROCK BOLTAXIAL FORCE ABSTRACT The paper aims to study a monitoring device for axial force of rock bolt. It is simple in structure, low in cost, easy to install, no damage to anchorage quality, suitable for large-scale installation and convenient monitoring. The bolt supporting technology can be used to reinforce, combine and connect the surrounding rock, improve the strength and stability of the surrounding rock, and is widely used in the fields of coal mine, water power, metallurgy, tunnel and so on. However, as time goes on, the rock bolt axial force is increased as in hostile working environments affected by groundwater corrosion, adjacent mining disturbance and stress change of surrounding rock, and so on. Once the stress of rock bolt reaches or exceeds its strength limit, it will lead to the break of the rock bolt and the failure of the anchor engineering, which will cause serious safety accidents. In order to maintain the stability of the project and ensure the safety of construction, it is necessary to monitor the axial force of the rock bolt. Therefore, the research on the monitoring device of rock bolt axial forcehassignificantsocialeconomicbenefitsandgreatpractical scientificvalue.However,therecentachievementsstillhavemany 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV disadvantages, such as needing power supply or hydraulic seal, difficult to waterproof and explosion-proof, poor reliability, high manufacturing costs, complex security management and so on, difficult to achieve long-term monitoring accurately and efficiently. In view of the shortcomings of the current monitoring device of rock bolt axial force, a new nondestructive monitoring is proposed based on the analysis of the existing research results and practical experience. Through analysis and research, it is determined that the monitoring device is mainly composed by the upper cover plate, the elastic cushion, the lower cover plate, the bearing body and the optical film. Under the action of rock bolt axial force, the optical film of monitoring device will generate tiny deation. According to the linear relationship between the stress and strain of the optical film, the change of the thickness of the optical film under the white light source will cause the change of the color of the interference pattern. Determine the security status of the anchor with the different color of optical film. First of all, the distribution rule of shear stress and axial stress of rock bolt is obtained according to the force analysis of tension-type rock bolt. The model of the anchor bolt is selected, the installation position of the monitoring device is determined and three different stress states are defined. Then material selection, structure design and size selection of each component are discussed anddeterminedaccordingtotheanalysisofthestressdistribution characteristics, practical application scenarios, basis function and working 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V principle of each component monitoring device. The strength of the upper cover, the lower cover and the bearing body are analyzed and validated by ANSYS to ensure the safety and reliability of the monitoring device in the stress measuring ranges. Then the related programs based on MATLAB are written through ula derivation of principle of optical interference and deation theory of optical film. And then introduces color display of the interference pattern and simulates the interference pattern of optical film by ANSYS finite element analysis and MATLAB. The analysis and simulation results show that the interference pattern of the optical film changes three colors under three defined stress states in the stress measuring ranges, so can judge the stress state of rock bolt by different colors. The feasibility of the monitoring device is proved. KEYWORDS axial force of rock bolt， optical ， chromism， monitoring 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目录 摘 要..............................................................................................................................I ABSTRACT................................................................................................................III 第一章 绪论.................................................................................................................1 1.1 课题研究背景及意义......................................................................................1 1.2 锚杆支护技术研究现状..................................................................................2 1.2.1 锚杆支护理论发展现状........................................................................2 1.2.2 锚杆支护质量监测的研究动态............................................................6 1.3 课题研究内容与方法....................................................................................11 第二章 锚杆受力传递分析.......................................................................................13 2.1 引言................................................................................................................13 2.2 锚杆的受力类型............................................................................................13 2.3 拉力型锚杆受力传递分析............................................................................14 2.4 锚杆的三种受力状态....................................................................................17 2.5 本章小结........................................................................................................18 第三章 锚杆轴力监测装置的设计与分析...............................................................19 3.1 引言................................................................................................................19 3.2 锚杆轴力监测装置的整体结构及工作原理................................................19 3.3 上盖板的设计................................................................................................21 3.3.1 上盖板材料的选择..............................................................................21 3.3.2 上盖板结构的设计..............................................................................21 3.3.3 上盖板有限元仿真计算分析..............................................................24 3.4 下盖板的设计................................................................................................26 3.4.1 下盖板材料的选择..............................................................................26 3.4.2 下盖板结构的设计..............................................................................27 3.4.3 下盖板有限元计算分析......................................................................28 3.5 弹性垫的设计................................................................................................30 3.5.1 弹性垫材料的选择..............................................................................30 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 3.5.2 弹性垫结构设计与实验分析..............................................................31 3.6 承载体的设计................................................................................................34 3.6.1 承载体材料的选择..............................................................................34 3.6.2 承载体结构的设计..............................................................................34 3.6.3 承载体有限元计算分析......................................................................36 3.7 光学膜的设计................................................................................................39 3.7.1 光学膜材料的选择..............................................................................39 3.7.2 光学膜结构设计..................................................................................39 3.8 本章小结........................................................................................................40 第四章 监测装置仿真计算结果分析.......................................................................41 4.1 引言................................................................................................................41 4.2 基于 MATLAB 的光学膜仿真干涉原理......................................................41 4.2.1 光学干涉法原理..................................................................................41 4.2.2 光学膜变形理论..................................................................................45 4.2.3 光学膜仿真干涉图案颜色显示原理..................................................48 4.3 光学膜厚度的选取........................................................................................51 4.4 监测装置仿真计算结果分析........................................................................55 4.5 本章小结........................................................................................................61 第五章 影响监测性能的相关因素分析...................................................................63 5.1 引言................................................................................................................63 5.2 承载体厚度对监测性能的影响....................................................................63 5.3 光学膜宽度对监测性能的影响....................................................................69 5.4 干涉图案可见度分析....................................................................................75 5.5 本章小结........................................................................................................76 第六章 总结与展望...................................................................................................77 6.1 本文总结........................................................................................................77 6.2 不足与展望....................................................................................................78 参考文献.....................................................................................................................79 附 录...........................................................................................................................83 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IX 致 谢...........................................................................................................................85 攻读硕士学位期间的科研成果.................................................................................87 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 X 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 岩土锚固技术是指通过埋入岩体内部的锚杆， 将结构物与地层紧密链接在一起， 从 而使锚杆和周围岩体组成稳定的承载圈以改善岩体的受力状态并提高围岩的强度， 进而 维护巷道安全[1][2]。岩体锚固技术凭借其施工快、占地小和经济安全可靠等诸多优点, 在边坡、基坑、矿井、隧洞、水利水电及抗倾、抗浮结构等基础设施工程建设和矿产开 采中获得了广泛的应用，取得了良好的社会经济效益[3][4]。锚杆支护作为岩土锚固技术 主要支护方式之一,可以强化围岩强度、提高围岩稳定性、减小支护成本、降低作业强 度、简化端面维护工作、改善劳动作业环境与生产条件[5]。锚杆锚固支护技术作为巷道 支护的发展方向， 是世界各国巷道支护的主要形式， 倾注了世界各国相关技术人员的巨 大科研努力。 然而由于锚杆支护是隐蔽性工程， 地下岩体的应力分布很难预知， 影响岩体稳定性 的因素比较复杂。 岩体稳定性与周围岩体的强度及其破碎状况、 岩体结构面的性质及其 组合状况、岩体初始应力状况（自重应力、构造应力或地应力）和岩石本身的强度等诸 多因素密切相关。同时也可能受到地下水侵蚀、工人施工及邻区巷道扰动的影响。由于 锚杆的支护期较长， 随着时间的推移在上述相关因素的共同影响下导致围岩中锚杆的应 力发生剧烈或缓慢的变化。 一旦锚杆所受应力达到或超过锚杆的强度极限， 必然会导致 锚杆的失效甚至断裂，进而引起巷道塌方的危险，造成严重的人员财产安全事故。为了 切实有效的避免安全事故， 提高锚固工程的稳定和巷道安全， 对锚杆轴力的监测十分必 要。 目前普遍应用的锚杆质量检测工具主要有锚杆拉拔计和扭矩扳手等。 但这些工具对 锚杆质量的检测较为局限， 无法对锚杆支护的整个锚杆力强度范围内进行有效监测。 所 以， 研究一种能够准确快速监测锚杆各个受力状态的非接触无损质量的锚杆轴力监测装 置具有意义深远的科研实用价值。 为实现准确有效的监测锚杆轴力， 广大科研人员经过多年的努力提出了大量的监测 原理和方法并试制了一些监测装置。 目前， 锚杆轴力监测装置的研究成果主要有光纤光 栅式、液压枕式、电阻应变计式、钢弦式、应力波式、机械式、锤击声学式和压敏显色 剂式等。同时，一些融合声、光、电、热、力、磁等两种或多种方法的新的监测原理和 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 方法也在不断涌现。 但这些监测装置普遍存在着需要电源供电或者液压密封、 难以防水 防爆和安全管理复杂、生产制造成本高可靠性低、结构复杂加工困难、监测准确度较低 等诸多缺点。 而且有些监测设备使用的技术十分复杂， 必须是专业的技术人员才可操作 使用，给监测与维修带来极大的不便，很难大规模安装和监测；有些监测装置则需要安 装在锚杆内部，对锚杆本身的强度和锚固质量都会产生较大的损害而不宜使用。 因此， 本文提出了一种新型的锚杆轴力无损监测方法， 将光学干涉法创新性的应用 到锚杆轴力监测中来。并设计一种无需电源供电和液压密封、结构简单、成本低廉、操 作简便、 监测结果直观简洁， 不会损害锚杆锚固质量且适合大规模安装使用的锚杆轴力 监测装置。 该监测装置的研究设计对工程建设的顺利进行和保障生产作业人员的生命财 产安全具有十分重大的意义。 1.2 锚杆支护技术研究现状 1.2.1 锚杆支护理论发展现状 锚杆支护可以主动加固围岩以维护巷道安全， 锚杆支护理论则可以合理的解释锚杆 锚固支护技术对不同围岩状态的加固作用机理。 因此， 对于研究锚杆锚固支护技术方面 的人员来说如果能够比较全面的认识和了解锚杆锚固支护理论则可以产生事半功倍的 效果。锚杆锚固技术支护理论主要包括悬吊、组合梁、组合拱和最大水平应力等传统的 锚杆锚固支护理论和围岩松动圈支护理论以及锚杆在锚固中的作用机理分析等相关理 论[6][7]。 自 1872 年英国首次使用金属锚杆[8]，到 1945 年在工程文献中开始出现将锚杆锚固 作为一种系统支护工程的有价值文章。 此后， 锚杆支护理论及相关技术获得了极大的发 展和迅速推广。 1952 年 Louis A. Panek 等研究人员通过分析研究提出了锚杆锚固支护的 悬吊支护理论，如图 1-1 所示。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 图 1-1 锚杆的悬吊作用 Fig.1-1 Rock bolt suspension function 该理论认为 如果巷道开挖后由于岩体应力重新分布导致顶板出现松动区， 则锚杆 可以通过将易冒落岩体固定在未松动岩层上进而达到悬吊作用[9][10][11]。 虽然悬吊理论比 较简明的阐述了悬吊作用，但围岩的自我承受能力在分析过程中没能考虑到。同时，悬 吊理论在分析过程中将岩体与锚固体分开， 不能很好的符合实际情况。 所以悬吊理论的 计算数据存在一定误差。此外，悬吊理论对顶板缺少稳定岩层、有较厚松动层及有较大 的顶板破碎区等情况不能适用， 并且此理论对巷道顶板适用较好， 难适用于巷道两帮和 巷道底部，存在一定的局限性。 在悬吊支护理论出现的同期，德国的研究人员Jacobio等人发表了组合梁支护理论， 如图 1-2 所示。 a未打锚杆b布置顶板锚杆 图 1-2 顶板锚杆的组合梁作用 Fig.1-2 Combination beam action of roof rock bolt 这种组合梁理论虽然利用通过锚杆将岩层固定在一起会增大各岩层间摩擦的原理 [12][13][14]较好的揭示了顶板岩层被锚杆固定为厚岩层的情况，但仍存在着和悬吊理论相 同的缺陷。 随着时间的发展，TALang和Pender等人通过光弹试验又提出了组合拱（压缩拱） 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 理论[12]，如图 1-3 所示。 图 1-3 锚杆的组合拱理论示意图 Fig.1-3 Combination arch theory sketch of rock bolt 组合拱理论[15]认为预应力锚杆安装在拱形巷道围岩的破裂区域中能限制和约束周围 岩体的变形， 在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力， 从而将地层外表面岩土体由二维 应力状态变为三维应力状态； 只要在巷道周边布置间距足够小的锚杆群使其在圆形洞室 中形成承载环并在拱形洞室中形成承载拱， 通过承载拱承受其上部破碎岩石施加的径向 和切向载荷，就能有效制止周围岩体强度的恶化。 组合拱支护理论由于在分析过程中只是将各个支护力进行简单的相加， 没有着重考 虑周围岩体与锚杆杆体之间的相互作用和详细探究岩体本身力学行为。 所以与实际情况 存在一定差距只能做定性设计， 一般不作为精确的定量设计使用。 但是组合拱作用理论 阐明了锚杆支护作用的机理，是锚杆加固设计及施工的重要参考。 20 世纪 90 年代初，鉴于澳大利亚在煤矿巷道支护方面取得的举世瞩目的成就， W.J.Gale 等研究人员提出了最大水平应力理论[7]也获得锚杆支护领域学术界的广泛认 同。 该理论在设计方法上通过计算机模拟在不同情况下锚杆对围岩的效果， 在使用中注 重监测的重要性，在修改完善中注重根据监测结果进行优化设计。所以，最大水平应力 支护理论比较合理的解释了锚杆锚固支护在维护巷道稳定方面的积极作用[16]。 锚杆锚固支护技术围岩松动圈支护理论主要由松动圈支护、 松动圈分类方法和松动 圈锚喷支护技术三个部分组成。 围岩松动圈支护理论由于对主要支护对象的精准把握和 符合大多数现场实际情况的分类方法及支护形式而受到了广大现场技术人员的热烈欢 迎，获得了良好的社会经济效益。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 此外， 国内外的很多科研人员也对锚杆支护理论做了大量的研究。 Ren.F.F、 Yang.Z.J 和 Chen.J.F 等人利用锚杆锚固体的三线性剪切滑移理论推导了锚固段在全塑性和全弹 性及弹塑性状态下剪应力和轴力分布的解析解并研究了拉拔过程中锚杆锚固体的荷载 分布规律[17]。Huang.M.H、Zhou.Z 和 Ou.J.P 利用内嵌光纤全尺度自监测智能系统方法 对锚杆载荷在不同工况下的分布传递规律和均质及局部脱空的岩土体中的锚杆荷载受 力传递机理进行了一系列拉拔试验， 通过研究分析得出锚杆剪应力和轴力在各种工况下 的分布规律[18][19]。Chen S、Fu C 和 Shahrour I 通过考虑锚杆、岩体和砂浆及其相互接触 面的多重影响提出锚杆锚固的复合单元概念并对全长粘结式锚杆建立了分析模型 [20][21]。加拿大的 S.Yazict、P.K.Kaiser 和 A.J. Hyett 等研究人员[22]通过进行大量实验对锚 杆锚固强度和锚杆破坏形式的相关因素进行了研究。Zhao.Y.M 和 Yang.M.J 对锚杆在脱 空混凝土中的受力特性进行研究以了解其局部脱空特征[23]。 Ma.S.Q、 Nemcik.J 和 Aziz.Z 运用非线性滑移剪切模型，通过借鉴 Dai.J 和 Zhou.Y.W 等人的外部粘贴 FRP 板材的非 线性分析