一种盘式锚索应力状态光纤智能监测与预警技术的制作方法

1.本发明专利涉及隧道、地基、边坡等工程加固与安全状态监测一体化技术，是工程动态施工加固与监测及安全运营中安全状态集成监控技术，尤其是采用光纤精密监测技术与盘式锚索加固构建了一体化技术体系。


背景技术：

2.在岩体工程施工与运营中，因岩土工程体受到荷载、雨水侵蚀及风化等外力作用导致岩土体的流变或破坏，再加上环境荷载与地震等外力作用及杆体自身的腐蚀效应等多因素的综合影响，锚索的锚固力逐渐产生衰减和退化，导致加固的结构体产生局部或整体失稳破坏，甚至诱发灾难性事故的发生。又因锚固工程的隐蔽性，支护结构的可靠性无法直接判断，如何实时、准确的监测锚索应力状态与工程的安全性，实现工程的实时监测和预警，是工程设计者和安全运营所面临的核心技术难题。
3.岩土工程在建设或灾害治理中盘式锚索加固技术可以充分发挥围岩的自身强度用于支护或加固岩土工程，确保其安全运营，同时还可以用于灾害的治理加固工程，本发明通过在盘式锚索上融入光纤传感器技术可以实时掌握其受力状态，同时建立岩体bieniawski地质力学 (rmr)分类法和gsi分类法的耦合计算方法，确定岩体破坏值域，由此可依据监测结果和对工程的安全性或灾变进行预测预警；因此本发明可广泛应用于隧道结构、地基及边坡等工程中。目前锚固工程较为主流的监测技术主要有动力检测法及电阻应变片监测技术等，但这些技术使用的测力计普遍存在抗腐蚀性差、测定结果不稳定，特别是在长距离监测时受制技术条件无法完成，并且监测部位是某一个点位或几个点位，无法进行全尺度监测，不能辨识不同深度锚杆分层应力状态监测任务。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对过去监测技术中的不足，将具有轻质、高灵敏度、耐腐蚀等优点的光纤传感技术应用于盘式锚索应力状态监测，提出一种盘式锚索应力状态光纤智能监测技术，并利用rmr法和gsi耦合分析法确定围岩破坏阈值，为预测预警提供计算方法。
5.本发明首次将光纤光栅测力计应用到盘式锚索的应力监测中，对于锚盘直径300mm，盘高340mm，钢筋支架4肢，钢绞线直径28mm的盘式锚索，光纤波长与锚索拉拔力呈线性对应关系，并创建了荷载-波长线性转换关系表达式；同时建立岩体强度耦合分析方法确定其阈值用于辨识其灾变的可能性。
6.现有盘式锚索监测技术相比，本发明提出的光纤智能监测技术具有灵敏度高、耐久性高、耐腐蚀性强等优点，并且监测精度高，经室内和现场试验验证其承载力值与拉拔仪数值误差在5％以内，为盘式锚索的应力监测提供了理论依据，从而为实现加固工程安全状态的实时监测和预警提供了可靠支撑。
附图说明
7.无
具体实施方式
8.1.盘式锚索(主杆28mm)的荷载-波长对应公式由下式确定：
9.f＝16.502k(λ
1-1567.323)-37.955(λ
t1-λ
t0
)
10.式中：λ1为应变光栅当前的波长值，单位nm；λ
t1
为温补光栅当前的波长值，单位nm；λ
t0
为温补光栅初始的波长值，单位nm；k为材料修正系数。


技术特征：
1.一种盘式锚索应力状态光纤智能监测技术，其特征在于将光纤光栅传感器与新型盘式锚索结合在一起，测定盘式锚索在加固后的实时应力状态及其全寿命周期内加固工程的安全性，并能够依据应力状态进行安全风险的预测预警。主要原理是光纤波长与锚索拉拔力呈线性对应关系，并由此创建了荷载-波长线性转换关系计算方法。2.根据权利要求1所述，适用盘式锚索的锚盘直径300mm，盘高340mm，钢筋支架4肢，主筋直径28mm。应用在盘式锚索加固工程中，盘式锚索的荷载-波长对应计算函数关系由式(1)确定。f＝16.502k(λ
1-1567.323)-37.955(λ
t1-λ
t0
)
ꢀꢀ
(1)式中：λ1为应变光栅当前的波长值，单位nm；λ
t1
为温补光栅当前的波长值，单位nm；λ
t0
为温补光栅初始的波长值，单位nm；k为材料修正系数。3.依据式(1)可以实时掌握隧道或边坡等工程的动态演化情况，并依据围岩体强度确定阈值和监测数据进行灾变预测预警。阈值确定方法如下：由rmr法和gsi耦合分析法确定围岩破坏阈值，两种方法考虑了岩石强度、质量指标、节理间距与倾角及状态、地下水分布六个影响因素。根据每个参数对应的岩体强度影响不同设定其不同的权重。系统设为离散型变量，自变量为各岩性的名称，分别设序号为1至n；系统为剖面地层；对离散型变量用连续函数描述。依据前述假定建立数学模型。由此自变量x与函数对应关系为式(2)。
①
rmr分布耦合曲线函数本发明应用最小二乘法求等间距点，设y＝f(x)函数等距点x
k
＝x0+kh(k＝0,1,
…
,n)，函数值f
k
＝f(x
k
)已知，设步长，b为变量定义域内的最大值，a为变量量定义域内的最小值。δf
k
＝f
k+1-f
k
为一阶差分；对一阶差分进行二次差分：δ2f
k
＝δf
k+1-δf
k
。则等间距点计算式(3)为：余项函数式：
由式(3)、式(4)可求出rmr法和gsi法分布曲线的函数与最小差值；再应用最小二乘法求出两条曲线最佳均值曲线。设曲线f(x)为两个样条曲线的距离最短，则g(x)为：g(x)＝[f2(x)-f(x)]2+[f1(x)-f(x)]2ꢀꢀ
(5)若使g(x)最小，即g'(x)＝0，则其曲线最为最佳曲线。当时，g'(x)＝0，求出最佳参数分布函数。

技术总结
本发明开发了一种盘式锚索应力状态光纤智能监测与预警技术，并建立了光纤波长与锚索拉拔力线性转换函数关系表达式和岩体强度值域的耦合计算方法；可实时测定盘式锚索在加固后的应力状态及其全寿命周期内加固工程的动态安全性，能够为应力状态与安全风险的预测预警提供依据。盘式锚索应力状态光纤智能监测技术适用于锚盘直径300mm，盘高340mm，钢筋支架4肢，钢绞线直径28mm的盘式锚索。本发明的新技术成果提升了盘式锚杆应力监测的灵敏度、耐久性、耐腐蚀性，并且提高了监测精度，经室内外试验验证承载力值与拉拔仪数值误差在5％以内，为实现了加固工程安全状态的实时监测和预警提供了技术支撑。提供了技术支撑。


技术研发人员：孙晓鲲 肖剑 白士新 金松丽 赵雪芳 孙世国 冯少杰 贾欣欣 谢远东 张聿尧 宋辉 宋腾飞 闫淏轩 江俊 邵树森 胡哲 邓王倩 方晓楠
受保护的技术使用者：中冶交通建设集团有限公司
技术研发日：2021.10.19
技术公布日：2022/10/28