專題部分

錨桿受力的光纖光柵測試實(shí)驗(yàn)研究摘要:錨桿支護(hù)現(xiàn)已成為煤礦巷道支護(hù)的主要手段。近些年來，由于巷道地質(zhì)條件復(fù)雜導(dǎo)致的錨桿支護(hù)失效現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。由于巷道圍巖變形將會(huì)在錨桿桿體上產(chǎn)生力的作用，此時(shí)桿體主要受到軸應(yīng)力和剪應(yīng)力。錨桿軸力分布特點(diǎn)直接反映了錨固系統(tǒng)所處的狀態(tài)，即錨固系統(tǒng)的彈性和彈塑性受力狀態(tài)。本論文將通過拉拔實(shí)驗(yàn)對(duì)錨桿拉拔過程中的軸力分布開展研究。本文首先在前人的研究成果基礎(chǔ)上，通過理論分析給出了錨桿端部在集中載荷和分布載荷作用下的錨桿沿全長的軸應(yīng)力和剪應(yīng)力分布，然后在實(shí)驗(yàn)室利用相似模擬實(shí)驗(yàn)來模擬錨桿支護(hù)。通過光纖光柵檢測技術(shù)對(duì)錨桿在拉拔試驗(yàn)過程中桿體的受力情況進(jìn)行測試，能夠測得錨桿拉拔時(shí)桿體上各光柵點(diǎn)波長變化情況，從而得出錨桿工作時(shí)的軸力分布規(guī)律。通過光纖光柵系統(tǒng)對(duì)拉拔實(shí)驗(yàn)中錨桿桿體受力進(jìn)行全過程監(jiān)測，得出錨桿在受拉拔力較小的情況下，錨桿軸力是沿錨固深度逐漸減小的；當(dāng)拉拔力較大時(shí)，錨桿錨固端頭位置軸力將不是最大點(diǎn)，錨桿軸力最大點(diǎn)將逐漸向錨桿遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移，并根據(jù)這一結(jié)論，對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析，從而得出本論文拉拔實(shí)驗(yàn)錨固系統(tǒng)的破壞是錨固劑的斷裂破壞。本論文通過相似模擬實(shí)驗(yàn)深入研究了錨固狀態(tài)下的錨桿工作機(jī)理，通過對(duì)軸力的分析給出了判斷錨固系統(tǒng)發(fā)生破壞的方法，對(duì)現(xiàn)場錨桿支護(hù)監(jiān)測具有重要的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：錨桿；軸力；光纖光柵技術(shù)；實(shí)驗(yàn)研究1緒論1.1問題的提出錨桿支護(hù)是目前煤礦行業(yè)中維護(hù)巷道穩(wěn)定最常用的一種支護(hù)方法。它是一種主動(dòng)支護(hù)方式，能較充分地發(fā)揮和提高巷道圍巖的自身強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，顯著縮小結(jié)構(gòu)物體積和減輕結(jié)構(gòu)的自重，有效控制巷道的變形。加之具有支護(hù)成本低、成巷速度快和經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，所以它代表了煤礦巷道支護(hù)技術(shù)的主要發(fā)展方向【1】。隨著支護(hù)理論的逐漸發(fā)展，錨桿支護(hù)方式越來越多的運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域，例如隧道、公路和邊坡等行業(yè)，給社會(huì)帶來了很大的經(jīng)濟(jì)效益。煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)是打進(jìn)巷道周圍巖體中的錨桿，通過錨固劑將錨桿與巖體緊緊的連鎖在一起，依賴錨桿和巖體之間的抗剪強(qiáng)度傳遞結(jié)構(gòu)物的拉力，從而使巖體自身的不穩(wěn)定部分得到加固，以保持錨固系統(tǒng)(巖體、灌漿體、錨桿桿體和這些介質(zhì)之間的界面)的穩(wěn)定【2】。盡管錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用日臻完善，然而對(duì)于錨桿作用機(jī)理的研究卻仍處于探索階段。錨桿支護(hù)的優(yōu)越性在得到普遍認(rèn)同的同時(shí)，它的一些缺點(diǎn)也暴露出來，人們認(rèn)識(shí)到錨桿支護(hù)并不是萬能的，由于錨桿支護(hù)是隱蔽性工程以及井下巷道所處地層條件、洞壁受力情況復(fù)雜，導(dǎo)致錨桿支護(hù)后錨桿被拉斷以及錨桿與錨固體脫離等錨桿支護(hù)失效現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)巷道安全造成隱患。為了更好的掌握錨桿工作時(shí)的機(jī)理，研究單根全長粘結(jié)錨桿工作機(jī)理是必要的。光纖傳感技術(shù)的存在，可以為我們?cè)谶@方面提供很好的研究方法。光纖具有損耗低、頻帶寬、信息量大、線徑小、無感應(yīng)、對(duì)小變形敏感等特點(diǎn)。目前已在通訊、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、生物醫(yī)學(xué)、計(jì)量測試、交通運(yùn)輸、國防軍工以及家用電器等許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然將光纖光柵傳感技術(shù)用于力學(xué)測試還是近些年發(fā)展起來的一門新技術(shù)。雖然如此，但由于光纖傳感器有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使其發(fā)展很快，特別是在土木工程中的應(yīng)用，如橋梁、超高層建筑、大跨空間結(jié)構(gòu)、大型水壩、核電站、海洋采油平臺(tái)以及輸油、供水、供氣等體積大、跨度長、分布面積大的大型系統(tǒng)。利用光纖傳感器可以測試這些系統(tǒng)的內(nèi)部破壞情況。本論文圍繞錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)開展研究，主要是為了得出錨桿在受拉拔力作用下，錨桿桿體的軸應(yīng)力分布特征，從而對(duì)錨桿拉拔過程進(jìn)行分析。同時(shí)，考慮在普通拉拔實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加“錨固劑”一項(xiàng)，最終比較兩種實(shí)驗(yàn)得出的錨桿桿體應(yīng)力分布是否一致。本文還進(jìn)一步對(duì)錨桿在拉拔過程中對(duì)鄰近一根錨桿的力學(xué)影響特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。1.2錨桿支護(hù)機(jī)理研究現(xiàn)狀1.2.1錨桿的種類，錨固機(jī)理及其支護(hù)的優(yōu)越性巖體錨桿的種類很多。按照是否預(yù)先施加張力分為預(yù)應(yīng)力錨桿和非預(yù)應(yīng)力錨桿；按照錨桿和巖體中傳力是如何實(shí)現(xiàn)的，可分為粘結(jié)型錨桿、摩擦型錨桿和混合型錨桿；按照錨桿內(nèi)部拉筋與粘結(jié)材料之間傳力方式的不同可分為拉力型、壓力型和剪切型三種。按錨固長度的范圍來說，可以分為端頭錨固錨桿和全長錨固錨桿。預(yù)應(yīng)力錨桿和非預(yù)應(yīng)力錨桿：預(yù)應(yīng)力錨桿和非預(yù)應(yīng)力錨桿的結(jié)構(gòu)構(gòu)造與基本原理是不一樣的。前者是通過對(duì)錨桿施加預(yù)應(yīng)力，在受到外荷載之前，錨桿受拉，圍巖受壓，兩者之間是一個(gè)內(nèi)部力平衡機(jī)制；受到外荷載(拉力)作用后，巖體卸除一部分或全部壓力，而錨桿中拉力會(huì)繼續(xù)增長，其合力與外力平衡。而非預(yù)應(yīng)力錨桿在受外載荷作用前，錨桿內(nèi)是沒有力的作用的(不考慮灌漿凝固和徐變所引起內(nèi)應(yīng)力)，在受到外來拉力作用時(shí)，錨桿和巖體中都出現(xiàn)拉應(yīng)力。拉力型錨桿與壓力型錨桿：顯而易見，拉力型與壓力型錨桿的主要區(qū)別在于錨桿受荷后其固定段內(nèi)的粘結(jié)材料分別是處于受拉或受壓狀態(tài)。拉力型錨桿的荷載是依賴其固定段桿體與粘結(jié)材料接觸面上的剪應(yīng)力(粘結(jié)應(yīng)力)來傳遞的；而壓力型錨桿則是借助無粘結(jié)鋼絞線或帶套管鋼筋使之與粘結(jié)材料隔開，并且這種錨桿底部有特制的承載體，受荷時(shí)，固定段的粘結(jié)材料是受壓的。實(shí)際上，粘結(jié)材料除了受到剪應(yīng)力外還有可能受到垂直于錨桿軸線方向的切向應(yīng)力。當(dāng)切向應(yīng)力較大，粘結(jié)材料表現(xiàn)為抗剪切為主，這類錨桿稱之為剪切錨桿。由于錨桿支護(hù)顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，現(xiàn)在已發(fā)展成為世界各國礦業(yè)巷道以及其他一些地下工程支護(hù)的一種主要形式。早在20世紀(jì)40年代，美國和前蘇聯(lián)就已經(jīng)在井下巷道使用錨桿支護(hù)，以后便在各個(gè)行業(yè)中得到了迅速的發(fā)展。我國從1956年開始在煤礦巖巷中使用錨桿支護(hù)技術(shù)，至今有近50年的歷史。經(jīng)過這些年的努力發(fā)展，錨桿支護(hù)技術(shù)取得了很大的成績。錨桿支護(hù)的優(yōu)越性主要有以下幾點(diǎn)：(1)改善圍巖受力狀態(tài)巷道開挖后，圍巖的受力狀態(tài)發(fā)生改變。不同部位的巖體，由于受力狀態(tài)不同，表現(xiàn)的強(qiáng)度特性也不同。當(dāng)打入錨桿后，由于錨桿與圍巖的相互作用，使得巷道圍巖受力狀態(tài)也發(fā)生改變【3、4】。表現(xiàn)在：①錨桿與巖體粘結(jié)在一起，提高了巖體剛度，增強(qiáng)了巖體的并行能力，加強(qiáng)了巖體的整體性。②由于錨桿的抗拉作用，當(dāng)錨桿穿越破碎巖層深入穩(wěn)定巖層時(shí)，對(duì)不穩(wěn)定巖層起著懸吊作用。③對(duì)于層狀巖層，由于錨桿的作用，對(duì)巖層離層的產(chǎn)生有著一定的阻礙作用，并增大了巖層間的摩擦力，錨桿本身的抗剪作用也阻止了巖層間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，從而將各個(gè)巖層夾緊形成組合梁，提高巖層的承載能力。(2)變“被動(dòng)”為“主動(dòng)”一般的棚式支護(hù)基本不具有初阻力，不可能緊貼圍巖或不能全部緊貼圍巖，往往形成點(diǎn)狀受力。只有當(dāng)圍巖破碎、離層后，隨著圍巖變形的增加，支架支護(hù)阻力才隨著增加，才能發(fā)揮棚子的支撐作用，屬于“被動(dòng)”支護(hù)。錨桿支護(hù)是完全不同的一種嶄新支護(hù)方式。它利用錨固劑、錨桿、拖板及各個(gè)構(gòu)件或噴層，給圍巖一定的支護(hù)強(qiáng)度，且隨圍巖變形支護(hù)阻力不斷增加，與圍巖共同組成支護(hù)體系，承受各種圍巖應(yīng)力達(dá)到支護(hù)目的，通常使用的錨桿支護(hù)屬于“主動(dòng)”支護(hù)。(3)減少巷道維修量錨桿支護(hù)能及時(shí)加固圍巖，從而減少圍巖變形，防止頂板早期離層和片幫，更有利于改善巷道維護(hù)狀況。(4)降低支護(hù)成本采用錨桿支護(hù)可以大幅度節(jié)約大量的鋼材、木材等支護(hù)材料，降低支護(hù)成本，有利于節(jié)約自然資源，改善生態(tài)環(huán)境。除此之外，錨桿支護(hù)還有簡化工作面超前支護(hù)、提高掘進(jìn)速度、消除安全隱患、減小工人勞動(dòng)強(qiáng)度、減小運(yùn)輸量、有利于生產(chǎn)組織等優(yōu)點(diǎn)。1.2.2錨桿支護(hù)機(jī)理研究現(xiàn)狀錨桿支護(hù)一出現(xiàn)，錨桿支護(hù)機(jī)理就成為人們研究的重要內(nèi)容。在很長一段時(shí)間內(nèi)，人們都認(rèn)為錨桿在工作過程中，錨桿軸應(yīng)力由錨固端口向錨固深處逐漸遞減，所受剪應(yīng)力沿錨桿桿體均勻分布，但是通過對(duì)很多工程實(shí)測結(jié)果的分析，得出事實(shí)并非如此。在錨桿所受軸應(yīng)力和剪應(yīng)力方面，人們做了大量的研究。在研究錨桿工作機(jī)理方面，文【5】進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究工作，通過對(duì)錨桿受載荷過程及沿著錨桿應(yīng)力分布的觀測，提出了中性點(diǎn)、錨固長度和拉拔長度的概念。在中性點(diǎn)，錨桿切面剪應(yīng)力為0，而錨桿軸力有最大峰值；所謂拉拔長度是指從錨桿近端(地下工程洞壁上)到中性點(diǎn)的錨桿長度；錨固長度指從中性點(diǎn)到錨桿遠(yuǎn)端(在巖石內(nèi))的錨桿長度。拉拔長度上的剪應(yīng)力給錨桿施加了拉荷載，把錨桿向隧洞壁方向拉伸，而錨固長度上的剪應(yīng)力把錨桿錨固于巖石中。這些概念清楚地勾勒出巷道變形時(shí)巖體中粘結(jié)式錨桿的力學(xué)特性。文【6】認(rèn)為：只有在錨固長度很短的情況下，粘結(jié)應(yīng)力才相對(duì)均勻，而在通常情況下，沿錨桿錨固段的粘結(jié)應(yīng)力是很不均勻的，粘結(jié)應(yīng)力從錨固段的近端逐漸向遠(yuǎn)端減少。隨著張拉力的增加，粘結(jié)應(yīng)力峰值逐漸向遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移。但是轉(zhuǎn)移不大，粘結(jié)應(yīng)力主要分布在錨固段的前某一段的范圍內(nèi)(與錨固體所在的位置和環(huán)境有關(guān))，即使在最大的張拉荷載作用下，錨固段遠(yuǎn)端的相當(dāng)一段長度內(nèi)也幾乎是沒有粘結(jié)應(yīng)力的。粘結(jié)破壞發(fā)生后，荷載仍然能夠繼續(xù)增加，這時(shí)粘結(jié)破壞區(qū)和彈性區(qū)沿錨桿軸線方向向錨固底端移動(dòng)。在荷載逐漸向錨桿底端傳遞的過程中，沿錨桿桿體的粘結(jié)作用將發(fā)生漸進(jìn)性破壞，錨桿的拉拔力不可能隨錨固段的增長而成比例的增加，甚至當(dāng)錨固段超過了一定長度后，拉拔力就不在繼續(xù)增加。文【7】認(rèn)為：巷道中的巖錨界面上具有兩種性質(zhì)的剪應(yīng)力，一種是巖石變形引起的變形剪應(yīng)力，另一種是由于變形剪應(yīng)力的拉拔作用而產(chǎn)生的拉拔剪應(yīng)力，且二者方向相反。對(duì)于全長粘結(jié)式錨桿，某點(diǎn)的拉拔剪應(yīng)力為該點(diǎn)至孔口上變形剪應(yīng)力的積分，基于這樣的觀點(diǎn)，建立了錨桿剪應(yīng)力模型。通過拉拔實(shí)驗(yàn)，可以測定巖錨的錨固力。迄今為止，在各類型的巖石中進(jìn)行了大量的拉拔實(shí)驗(yàn)。其中，在研究拉拔荷載作用下錨桿的力學(xué)行為方面Farmer作了基礎(chǔ)性工作，認(rèn)為在較小拉拔荷載作用下，錨桿的軸應(yīng)力和界面剪應(yīng)力從荷載點(diǎn)到巖錨遠(yuǎn)端以指數(shù)形式衰減。文【8】認(rèn)為：錨桿在端頭處受集中載荷作用下，錨桿軸應(yīng)力是沿著錨桿桿體向錨固深處逐漸遞減的；錨桿剪應(yīng)力在靠近錨固端頭處某一位置有最大值，隨著深度的增加，剪應(yīng)力將逐漸減小。文【9】認(rèn)為：實(shí)際錨桿支護(hù)中，錨桿軸力的產(chǎn)生是由于周圍巖體變形差導(dǎo)致的，通過理論分析得出錨桿在巖體分離處錨桿軸應(yīng)力最大。1.3光纖光柵傳感技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1光纖光柵傳感技術(shù)光纖是70年代為光通信而發(fā)展的一種新型材料，外直徑100～150μm，柔軟，易彎曲。光纖光柵是指光纖纖芯中周期性的折射率變化所形成的光柵效應(yīng)。光纖光柵是基于光纖的光敏特性制成的，是利用石英光纖對(duì)紫外光的光敏特性，將光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)直接做在光纖上形成的光纖波導(dǎo)器件。其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡。光纖光柵是傳感單元，用它制成的光纖傳感器在傳感領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。光纖傳感器自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來，已過去了30多年。通常，我們以十年為周期，將光纖傳感技術(shù)的發(fā)展劃分為以下三個(gè)主要階段【10】。第一階段，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段。光纖的出現(xiàn)，驗(yàn)證了在光纖中傳輸?shù)墓獾奶匦宰兓c外界待測量參量之間的關(guān)系。這一階段的光纖傳感技術(shù)借鑒了傳統(tǒng)光學(xué)傳感器的特點(diǎn)，其代表性的工作包括：C.D.Kissinger等人利用光纖和透鏡改善非接觸的位移測量；W.F.Jacobsen等人利用光纖和光傳感器監(jiān)測液位等。第二階段，技術(shù)開發(fā)階段。20世紀(jì)80年代，單模光纖的出現(xiàn)，促進(jìn)了光纖傳感技術(shù)的發(fā)展。這一時(shí)期的主要特點(diǎn)是強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào)制、波長調(diào)制、偏振調(diào)制、時(shí)分調(diào)制、頻率調(diào)制、光柵調(diào)制等多種光纖調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)的商業(yè)開發(fā)條件也日益成熟，一些光纖傳感器開發(fā)并投入使用。第三階段，工程應(yīng)用階段。20世紀(jì)90年代以后，光纖傳感技術(shù)呈產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，形成了多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。用光纖制成的傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比有許多優(yōu)點(diǎn)：(1)靈敏度高；(2)無源器件，對(duì)被測對(duì)象不產(chǎn)生影響；(3)光纖是電介質(zhì)，耐高溫，耐腐蝕，在易燃、易爆環(huán)境下安全可靠；(4)可以與光纖遙測技術(shù)相配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和控制；(5)在共同的技術(shù)基礎(chǔ)上可以制成傳感物理量不同的傳感器；(6)傳感器體積小，重量輕；(7)可以與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)多功能、智能化的要求；(8)頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大；(9)幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的傳感器和傳感器陣列。1.3.2光纖光柵技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1978年KenHill【11】及其他科研人員首次發(fā)現(xiàn)摻鍺石英光纖紫外光敏特性——光誘導(dǎo)產(chǎn)生Bragg光柵效應(yīng)。1989年GeryMeltz【12】又發(fā)展了紫外光側(cè)面寫入光敏光柵技術(shù)。后來，光纖傳感器一問世便受到極大地重視，幾乎在各個(gè)領(lǐng)域都得到研究和應(yīng)用，成為現(xiàn)代傳感器的先導(dǎo)。光纖光柵傳感器是利用Bragg光纖光柵(BOFG：Braggopticalfibergrating)的波長對(duì)溫度、應(yīng)力參量的敏感特性而制成的一種新型光纖傳感器。與傳統(tǒng)的光纖傳感器相比，BOFG將被測信息轉(zhuǎn)化為共振波長的移動(dòng)，即采用波長調(diào)制方式，同時(shí)還可方便地將多支光柵復(fù)用，這是其它傳感器件無法比擬的。光纖光柵傳感器的出現(xiàn)給光纖傳感領(lǐng)域帶來了新的生機(jī)，這種傳感器適用于特殊結(jié)構(gòu)的傳感網(wǎng)絡(luò)，如：水壩壽命監(jiān)測、橋梁缺陷檢測、大型運(yùn)輸載體的復(fù)合材料等等?，F(xiàn)在，用于信息攝取的光纖光柵傳感器及光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)已成為研究熱點(diǎn)。早在1988年光纖光柵傳感技術(shù)就被成功地應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)域，光纖光柵傳感器還可應(yīng)用于化學(xué)醫(yī)藥、材料工業(yè)、水利電力、船舶、煤礦等各個(gè)領(lǐng)域，目前還在土木工程領(lǐng)域(如建筑物、橋梁、水壩、管線、隧道、容器，高速公路、機(jī)場跑道等)開發(fā)可在混凝土組件和結(jié)構(gòu)中，測定其結(jié)構(gòu)的完整性和內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)的可能技術(shù)，從而建立靈巧結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能建筑。在光纖傳感器所應(yīng)用的領(lǐng)域中，所測試的材料均為高強(qiáng)度的材料，而且光纖可以埋入其中。應(yīng)用比較廣泛的是混凝土結(jié)構(gòu)。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)因?yàn)槭芰蛘邷囟雀淖兌a(chǎn)生變形或微裂的時(shí)，就會(huì)引起埋入其中的光柵產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致通過光柵內(nèi)的光在光強(qiáng)、相位、波長方面發(fā)生變化。1989年美國布朗大學(xué)(BrownUniversity)的門德斯(Mendez)等人首先提出了光纖傳感器用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的檢測【10、11】，并給出部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從此以后，美國、加拿大、英國、德國、日本的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)等投入了大量力量研究埋入式光纖傳感器在機(jī)敏土建結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，其中尤以美國的韋爾蒙特大學(xué)(VermontUniversity)的研究成果最為突出【13、14】。他們將各種光纖傳感器分別埋入到民用建筑、高層建筑、人行天橋、洲際公路橋、鐵路橋及水電大壩中，以檢測結(jié)構(gòu)或建筑物內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、結(jié)構(gòu)振動(dòng)，結(jié)構(gòu)損傷程度，裂縫的發(fā)生與發(fā)展等內(nèi)部狀態(tài)，并取得較好的測試結(jié)果。光纖光柵傳感器應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域，主要集中在橋梁、大壩、隧道等重要結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測。以下是國內(nèi)外光纖光柵傳感器應(yīng)用成功的一些范例。加拿大卡爾加里附近的BeddingtonTrail大橋是最早使用光纖光柵傳感器進(jìn)行測量的橋梁之一(1993年)【15】，16個(gè)光纖光柵傳感器貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增強(qiáng)桿和碳纖維復(fù)合筋上，對(duì)光纖光柵的工程應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。1997年，德國的Meissner等人將布拉格光柵埋入德累斯頓附近A4高速公路上一座跨度72米的預(yù)應(yīng)力混凝土橋上，測量荷載下的線性響應(yīng)，并且與常規(guī)的儀器測試結(jié)果作了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了光纖光柵傳感器的應(yīng)用可行性【16】。Nellen【17】(1997)等人在瑞士Alps的Luzzone水電站大體積混凝土壩中埋布拉格光柵傳感器，用來監(jiān)測混凝土的溫度與應(yīng)變變化。比利時(shí)根特的環(huán)城運(yùn)河上建了一座147m長的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，橋的預(yù)應(yīng)力梁在澆筑時(shí)埋進(jìn)了18個(gè)光纖光柵傳感器，利用光纖光柵傳感器對(duì)橋梁的建設(shè)過程進(jìn)行了監(jiān)視，并將長期監(jiān)測橋梁的結(jié)構(gòu)情況。在國內(nèi)，光纖光柵技術(shù)剛剛興起，國家自然基金、863計(jì)劃等國家基金以及其它部委專項(xiàng)基金給予了大力的支持和資助，許多單位對(duì)其制作研究也都投入了相當(dāng)?shù)木Σ⑷〉昧朔浅ｏ@著的成果。清華大學(xué)、吉林大學(xué)、中科院半導(dǎo)體所、上海光機(jī)所等，對(duì)光纖的光敏性、成柵機(jī)理、光波傳輸規(guī)律等問題進(jìn)行了深入研究。在實(shí)際工程應(yīng)用方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、香港理工大學(xué)、上海紫柵公司己完成將光纖光柵傳感系統(tǒng)用于呼蘭河、青馬、盧浦等橋梁的結(jié)構(gòu)監(jiān)測。清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)、中山大學(xué)等也開展了將光纖光柵用于壓力、溫度、電流等參量的傳感應(yīng)用研究，取得了不少階段性成果【18】。1.4光纖光柵技術(shù)在研究錨桿中的運(yùn)用錨桿支護(hù)是隱蔽性工程，它的危險(xiǎn)前兆往往不容易察覺，這是造成煤礦事故的一個(gè)重要原因，因此采用錨桿支護(hù)的巷道日常中都要對(duì)巷道礦壓和支護(hù)進(jìn)行監(jiān)測。在這方面，光纖光柵傳感技術(shù)無疑是一個(gè)好的監(jiān)測手段，它的優(yōu)點(diǎn)是：一是可以遠(yuǎn)距離和及時(shí)掌握巷道圍巖活動(dòng)情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，可及時(shí)采取措施，保證安全生產(chǎn)；二是可通過監(jiān)測獲得圍巖穩(wěn)定狀況的信息，為修改、完善設(shè)計(jì)提供依據(jù)。經(jīng)研究分析，與巷道兩幫圍巖穩(wěn)定有關(guān)的監(jiān)控指標(biāo)主要有巷道表面收斂、圍巖深部位移、錨桿受力；與巷道頂板穩(wěn)定有關(guān)的監(jiān)控內(nèi)容有頂板下沉量錨固區(qū)內(nèi)外的離層值、圍巖深部位移、錨桿受力及其分布狀況等【19】。光纖光柵傳感監(jiān)測錨桿技術(shù)原理其實(shí)很簡單，就是通過改變外界的應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)光纖光柵中心波長的漂移。利用網(wǎng)絡(luò)分析儀來接收和分析反射光。我們首先將光柵粘貼在錨桿上，當(dāng)錨桿受到外界的壓力、拉力、或剪切力時(shí)，附著在錨桿上的光柵同樣受到這些力的影響，中心波長得到改變。于是可以通過中心波長的改變來分析錨桿受力情況和支護(hù)效果。在國外，有些工作者做了一些研究。瑞士的“材料測試和研究實(shí)驗(yàn)委員會(huì)”的PhilippMNellen、AndreasFrank【20】等人在“布拉格光柵傳感器在巷道監(jiān)測中的運(yùn)用”(OpticalFiberBraggGratingsForTunnelSurveillance)一文報(bào)道了在實(shí)驗(yàn)室做的一些初探。首先做了一些特制的錨桿，錨桿的軸是空的，直徑比光纖光柵的直徑略大一些，然后將光柵通過特殊的方法放進(jìn)去，再用樹脂氧膠將光柵粘合在錨桿上，在光柵對(duì)應(yīng)位置的錨桿表面粘貼應(yīng)變片。封裝完畢，將錨桿放在實(shí)驗(yàn)室的拉伸機(jī)上進(jìn)行加載。加載的方式有拉伸、壓縮以及彈性范圍內(nèi)反復(fù)加載。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了波長的改變量隨著載荷的增加成線性關(guān)系。在反復(fù)載荷作用的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線中，當(dāng)載荷恢復(fù)到初始值的時(shí)候，中心波長改變量因受到溫度的影響卻不能為零。因此，怎樣分離由于溫度和應(yīng)變引起的波長改變量是光柵傳感器作為一種應(yīng)力傳感器最重要的環(huán)節(jié)之一，也是一個(gè)等待解決的難題。德國的MartinSchroeck,WolfgangEcke,AndreaGraupnet【21】等人在論文“FBG(布拉格光柵)傳感器在巖石錨桿中的應(yīng)變測試”中也作了大量的研究，實(shí)驗(yàn)方法和上面的方法大同小異，所不同的是實(shí)驗(yàn)過程是在現(xiàn)場進(jìn)行了測試。他們是將光纖光柵利用一種氧化膠粘貼在錨桿表面，然后將錨桿在煤礦工作面進(jìn)行現(xiàn)場支護(hù)，并對(duì)錨桿的支護(hù)性能進(jìn)行現(xiàn)場的測試。通過現(xiàn)場測試可以知道，當(dāng)對(duì)錨桿施加完預(yù)應(yīng)力后，隨著掘進(jìn)工作面的前移，頂板開始下沉，錨桿受力增大。光纖光柵中心波長的變化量也隨著錨桿的變形而增大。而且通過實(shí)驗(yàn)圖表還可以知道，中心波長的漂移量△λ和錨桿的應(yīng)變△ε占基本上成線性關(guān)系。但是，他們卻沒有明顯的指出在應(yīng)變溫度交叉敏感中心波長漂移量那一部分是因?yàn)闇囟鹊母淖兌鸬?，那一部分是因?yàn)閼?yīng)變的改變引起的。同樣沒有解決作為單一的應(yīng)力傳感器的關(guān)鍵。武漢大學(xué)在武漢“國際會(huì)展中心”深基坑支護(hù)工程中采用光纖傳感技術(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿受力狀態(tài)進(jìn)行了現(xiàn)場測試，并對(duì)實(shí)測資料進(jìn)行了分析【22】。分析資料說明各錨桿均存在有拉應(yīng)力、零應(yīng)力和壓應(yīng)力區(qū)，具有較大的安全系數(shù)。根據(jù)實(shí)測資料減少了原設(shè)計(jì)的錨桿數(shù)量，從而節(jié)約了投資。這也是光纖傳感技術(shù)用于建筑工程中的首要嘗試。武漢理工大學(xué)姜德生教授【23】將光纖光柵傳感器用于武漢某大橋錨索應(yīng)力的測試。研制的新型光纖Bragg光柵錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)錨索的預(yù)應(yīng)力檢測。實(shí)驗(yàn)表明光纖光柵傳感技術(shù)是一種先進(jìn)的檢測技術(shù)，不受惡劣環(huán)境的干擾和影響，具有精度高、長期穩(wěn)定性好、操作簡便迅速的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測。開發(fā)出預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的長期監(jiān)測系統(tǒng)，具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。2全長錨桿桿體受力分析錨桿在巖土介質(zhì)中的受力情況極其復(fù)雜，其支護(hù)設(shè)計(jì)和計(jì)算理論發(fā)展十分緩慢，在實(shí)驗(yàn)室中，我們可以通過相似模擬實(shí)驗(yàn)逐步研究。本論文通過錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)(錨桿相似材料)來模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)中錨桿與巖體的相互作用。與現(xiàn)場錨桿相同，拉拔實(shí)驗(yàn)中的錨桿在工作時(shí)也受軸力和剪力作用。本章將對(duì)錨桿支護(hù)進(jìn)行受力分析。2.1巖土錨固中的錨桿失效形式及影響因素分析錨桿支護(hù)并不是絕對(duì)可靠，大量的現(xiàn)場和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)揭示，錨固系統(tǒng)的錨固作用是由錨固體與巖土體之間的相對(duì)移動(dòng)或相對(duì)移動(dòng)趨勢引發(fā)的。當(dāng)巖土施加于錨固系統(tǒng)上的力達(dá)到一定程度時(shí)，錨固系統(tǒng)將發(fā)生破壞。錨桿與巖土作用時(shí)可能以以下一種形式或者幾種形式破壞：(1)錨桿被拉斷錨桿錨固段在硬質(zhì)巖中時(shí)，錨固段灌漿體和巖體的粘結(jié)強(qiáng)度以及鋼筋和灌漿體之間的粘結(jié)強(qiáng)度足夠，且錨固段長度足夠，主要由鋼筋的屈服強(qiáng)度來決定可以提供錨固力的大小，當(dāng)錨桿所受拉力超過鋼筋的屈服強(qiáng)度時(shí)，錨桿就會(huì)被拉斷。(2)鋼筋和灌漿體的結(jié)合面發(fā)生粘結(jié)破壞錨桿錨固段在硬質(zhì)巖中時(shí)，灌漿體和巖體的粘結(jié)強(qiáng)度可能比灌漿體和鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度還要高，當(dāng)鋼筋和灌漿體的粘結(jié)強(qiáng)度不足以抵抗外荷載時(shí)，鋼筋和灌漿體的結(jié)合面就會(huì)發(fā)生粘結(jié)破壞，導(dǎo)致鋼筋被拔出。(3)灌漿體和巖土的結(jié)合面發(fā)生粘結(jié)破壞粘結(jié)強(qiáng)度很低，這使灌漿體和巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度所能發(fā)揮的摩擦阻力比鋼筋和灌漿體的粘結(jié)強(qiáng)度所能發(fā)揮的摩擦阻力要低，導(dǎo)致破壞首先發(fā)生在灌漿體和巖土的結(jié)合面，錨桿被拔出。(4)灌漿體的破壞當(dāng)施加于鋼筋上的荷載向灌漿體傳遞時(shí)，灌漿體就會(huì)膨脹受壓，進(jìn)一步通過灌漿體將荷載傳遞給巖土。荷載越大，灌漿體所受的壓力越大，當(dāng)壓力超過灌漿體的抗壓強(qiáng)度時(shí)，灌漿體就會(huì)被壓碎破壞，錨桿錨固失效。錨桿作為主要的巖體工程支護(hù)形式廣泛應(yīng)用在巖石工程、地下工程、及結(jié)構(gòu)的抗浮、抗傾等各類工程中，錨桿的抗拔力是該類工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。對(duì)此，國內(nèi)外已做了較多的研究，并取得了很大的進(jìn)展。但是，錨桿抗拔力的大小是錨桿受力過程中巖石、粘結(jié)材料、錨桿等共同作用的結(jié)果，涉及到的因素很多，在這些因素中，目前研究得較多的是錨固長度對(duì)抗拔力的影響，而對(duì)其它一些因素研究較少。特別是巖石性質(zhì)對(duì)錨桿抗拔力的影響，目前的研究成果局限于某種錨桿在不同類巖石中取值范圍上的差異，而對(duì)兩者之間的具體關(guān)系尚不清楚。實(shí)際上，錨桿從開始受力到接近或達(dá)到抗拔極限的過程，是一個(gè)由線彈性階段到巖石或粘結(jié)材料進(jìn)入強(qiáng)非線性的破壞階段的過程【24】。錨桿與灌漿體接觸，其在軸向荷載作用下的抗拔力取決于桿體材料強(qiáng)度、桿體與灌漿體的粘結(jié)力及灌漿體與巖體間的粘結(jié)力三個(gè)方面。桿體材料本身強(qiáng)度特性較易掌握而桿體與灌漿體間的粘結(jié)力和灌漿體與巖體間的粘結(jié)力一般不易掌握，事實(shí)證明錨桿的薄弱環(huán)節(jié)也就在于這兩個(gè)方面【25】。桿體與灌漿體間的粘結(jié)包括以下三個(gè)因素；(1)粘著力即鋼材表面與錨固劑間的物理粘結(jié)。當(dāng)兩種材料由于剪力作用產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，粘著力就構(gòu)成了發(fā)生作用的基本抗力。當(dāng)錨固段發(fā)生位移時(shí)，這種抗力就會(huì)消失。(2)機(jī)械聯(lián)鎖。由于鋼筋有肋節(jié)、螺紋和凸凹等存在，故在灌漿體中形成機(jī)械聯(lián)鎖。這種聯(lián)鎖同粘著力一起發(fā)生作用。(3)摩擦力。這種摩擦力的形成與加緊力及鋼材表面的粗糙程度有關(guān)。而且摩擦力系數(shù)的大小也取決于摩擦力發(fā)生的早晚。如果摩擦力發(fā)生在沿接觸面位移之前，摩擦系數(shù)就比較大；如果是發(fā)生在沿接觸面位移過程中，此時(shí)表面上殘留的摩擦系數(shù)較小。通常我們可以把以上三種力統(tǒng)稱為粘結(jié)應(yīng)力(剪應(yīng)力)，在工程設(shè)計(jì)中，人們經(jīng)常按粘結(jié)應(yīng)力沿錨桿桿體均勻分布進(jìn)行計(jì)算，然而大量的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，桿體與灌漿體間的粘結(jié)應(yīng)力分布是極其不均勻的，隨著對(duì)錨桿施加荷載的增加，粘結(jié)應(yīng)力的最大值移向固定段的下端，并以漸進(jìn)的方式發(fā)生滑動(dòng)和改變著粘結(jié)應(yīng)力的分布。實(shí)際上，錨固失效的過程是錨桿由全錨變成端錨的過程，粘結(jié)應(yīng)力最初在錨固段的近端發(fā)生作用，而遠(yuǎn)端則保持原狀。當(dāng)近端的粘結(jié)應(yīng)力被克服時(shí)就會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，大部分粘結(jié)應(yīng)力就被逐漸傳入錨固段遠(yuǎn)端，而錨固段近端的摩擦力只起到很小的作用。很明顯，粘結(jié)抗力并不作用在整個(gè)錨固段長度上。2.2全長錨桿錨固破壞過程錨桿被置入地下巖體中后，錨桿與巖體成為一個(gè)整體，共同維護(hù)圍巖穩(wěn)定。但是圍巖還必須經(jīng)歷一個(gè)變形過程，才能最終使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到平衡。巷道錨桿受力是由于周圍巖體位移差導(dǎo)致的。根據(jù)有關(guān)研究表明，巷道開掘后，圍巖內(nèi)部的位移一般都是按負(fù)指數(shù)曲線衰減，距巷道表面愈近，圍巖位移愈大；距巷道表面愈遠(yuǎn)，圍巖變形量愈小，到達(dá)一定深度時(shí)位移量為零。圍巖錨固后，錨桿也將隨著圍巖徑向位移而移動(dòng)，由于沿深度各點(diǎn)的徑向位移量不同，使得錨桿與孔壁之間產(chǎn)生相對(duì)位移趨勢從而引起錨固劑粘結(jié)剪切力。巷道圍巖變形是一個(gè)持續(xù)的過程，不同階段它的變形速度不同，對(duì)于錨桿來說，只要巷道圍巖活動(dòng)沒有停止，錨桿承受的載荷就不可能是一個(gè)定值【26】。一般認(rèn)為全長錨桿在受力過程中，隨著荷載的增加，全錨錨固方式將向加長錨固、端錨錨固方式過渡。由于全長錨固錨桿實(shí)現(xiàn)了桿體90%以上錨固，圍巖淺部的變形首先作用在不足10%的錨桿非錨固段桿體上，圍巖淺部的微小不協(xié)調(diào)變形就能夠引起桿體的較大變形，使桿體承受較大拉力。由于金屬桿體與巖石、煤體力學(xué)性質(zhì)相差懸殊，其延伸率遠(yuǎn)大于巖石、煤體，由圍巖變形引起的錨固力增加以后，就導(dǎo)致了錨固段上剪切應(yīng)力的增大，當(dāng)剪切應(yīng)力小于錨固劑或圍巖的剪切強(qiáng)度時(shí)，錨桿在這種受力狀態(tài)下形成暫時(shí)的平衡，約束圍巖的進(jìn)一步變形。當(dāng)剪切應(yīng)力超過錨固劑或圍巖的剪切強(qiáng)度時(shí)，錨固段的淺部就會(huì)出現(xiàn)剪切破壞，導(dǎo)致非錨固段的增大，錨桿這時(shí)處于加長錨固狀態(tài)。如果此時(shí)圍巖變形量沒有繼續(xù)增加，錨桿桿體的拉力將有所降低。如果此時(shí)引起的剪切應(yīng)力仍大于剪切強(qiáng)度，錨固段將進(jìn)一步破壞，直到錨桿處于端錨狀態(tài)。2.3全長錨桿錨固系統(tǒng)受力分析對(duì)于置入地下硐室中的錨桿，在不施加外力的情況下，由于開挖而引起圍巖變形時(shí)要受到己置入其中的錨桿的約束。這樣，由于圍巖變形將使錨桿產(chǎn)生內(nèi)力。圍巖變形后將以剪應(yīng)力的形式施加于錨桿，此時(shí)，對(duì)于錨桿產(chǎn)生軸向應(yīng)力。一般認(rèn)為：地下硐室中的全長粘結(jié)式錨桿所穿過的圍巖依次分為3個(gè)部分：變形區(qū)、過渡區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。變形區(qū)是洞壁附近的圍巖，通常會(huì)對(duì)錨桿施加拉載荷，這些圍巖活動(dòng)范圍比較大。穩(wěn)定區(qū)對(duì)錨桿底端提供粘結(jié)應(yīng)力。在實(shí)驗(yàn)室中，在模擬錨桿在錨固系統(tǒng)中的工作情況時(shí)，我們通常都是利用錨桿拉力計(jì)對(duì)錨桿人工施加端部載荷，本文將錨桿拉拔端的錨桿部分定義為錨桿前端，將遠(yuǎn)離錨桿拉拔處的錨桿部分定義為錨桿尾端。實(shí)際上，錨桿受何種力取決于圍巖變形區(qū)的厚度，如果厚度小，那么錨桿可以近似看作錨桿端部受集中載荷作用；厚度大則可以看作錨桿相當(dāng)一段長度范圍受分布力作用。以下是對(duì)這兩種受力情況下的錨桿桿體受力分析及理論計(jì)算。2.3.1全長錨桿前端部受集中載荷作用例錨桿被應(yīng)用于地下工程后，即受到周圍巖體的作用。錨桿受力是由于周圍巖石變形所引起的，如果圍巖變形區(qū)活動(dòng)范圍不大，則可近似認(rèn)為錨桿僅端部位置受拉。馮仁俊在碩士論文“基于光纖光柵測試的全長錨固錨桿實(shí)驗(yàn)研究”中根據(jù)一些資料得出的剪應(yīng)力及軸力計(jì)算公式如下：1、剪應(yīng)力沿桿體分布公式為：式中：τ——為錨桿所受的剪切力；P——錨桿端部受的拉拔力；．a(chǎn)——錨桿半徑；E——錨桿彈性模量：Ea——巖體彈性模量；U——巖體泊松比；x——錨固深度(O≤x≤L，L為錨固長度)。2、軸力沿桿體分布公式為：該公式應(yīng)用的前提條件是錨固系統(tǒng)必須處于彈性狀態(tài)下。根據(jù)上述公式得出剪應(yīng)力和軸力沿桿體的大概分布圖。分別如圖(2.1)、(2.2)所示；2.3.2全長錨桿前端受分布載荷作用【9】錨桿在巖土中所受拉力往往不只是在端頭某一位置，而是在端頭處某一段位置上，這時(shí)錨桿周圍圍巖變形區(qū)將較大，即可認(rèn)為錨桿此時(shí)前端部分受拉，其軸力和剪應(yīng)力計(jì)算如下。在彈性條件下，洞內(nèi)無襯砌時(shí)，洞內(nèi)徑向位移的表達(dá)式為式中：P——初始地應(yīng)力;k=3-4μ：λ——側(cè)壓力系數(shù)；G——剪切模量；r——距洞中心距離；θ——所求點(diǎn)與洞心之連線與豎直方向夾角。1)錨桿近端的剪應(yīng)力分布在得到圍巖變形表達(dá)式的條件下，就可以探求變形與錨桿內(nèi)力的關(guān)系。在探求圍巖變形與錨桿內(nèi)力的關(guān)系之前，有必要對(duì)設(shè)置在均勻變形巖體之中的錨桿進(jìn)行力學(xué)機(jī)理分析。巖石錨桿抑制圍巖變形的結(jié)果是使其軸力增大，換句話說，正是由于圍巖變形給錨桿施加了荷載。圖2.3為巖體中錨桿剪應(yīng)力分布情況，巖石變形將在錨桿界面上產(chǎn)生剪應(yīng)力。由于錨桿近端圍巖變形較大，因此在該部分產(chǎn)生的剪應(yīng)力把錨桿有拉向洞內(nèi)的趨勢。這樣，錨桿遠(yuǎn)端的剪應(yīng)力應(yīng)該由兩部分組成：(1)圍巖變形產(chǎn)生的剪應(yīng)力；(2)由于錨桿近端剪應(yīng)力對(duì)錨桿遠(yuǎn)端拉拔而產(chǎn)生的剪應(yīng)力?；谶@樣的觀點(diǎn)，本文可以通過分析建立全長粘結(jié)式錨桿力學(xué)模型。如圖2.3所示為一根設(shè)置在巖體中的錨桿。假設(shè)一根錨桿的影響范圍為該根錨桿與鄰近錨桿距離的一半，取一錨固微元體dx來研究錨桿與圍巖體的相互作用關(guān)系，如圖2.4所示。在錨固之前，巖塊dx的變形量為du；在錨固之后，巖塊dx的變形量為dub。如果假設(shè)巖塊與錨桿一起發(fā)生變形，即不解耦，那么錨桿的伸長量也是dub。因此，dub的大小可以從錨桿的伸長量來計(jì)算。圍巖變形量的減小則是由于錨桿作用，使得圍巖中應(yīng)力增加了△σr，的結(jié)果。顯而易見，du=dub+dur，，即對(duì)于左側(cè)垂面，由靜力等效，有式中：A——錨桿橫截面積；S——錨桿影響范圍。把式2.5代入式2.4得式中；db——錨桿的直徑。在洞壁，錨桿的剪應(yīng)力τb(x)可由式2.10求得。由于開挖卸荷，洞壁附近圍巖彈性模量降低，圍巖向洞內(nèi)收斂變形，這部分圍巖變形較大，引起了較大的錨桿界面剪應(yīng)力。隨著離洞壁距離的增加，圍巖變形程度降低，其徑向位移減小，施加于錨桿的剪應(yīng)力也隨之減小，剪應(yīng)力以指數(shù)形式減小至0，也就是到中性點(diǎn)位置。該段錨桿界面的剪應(yīng)力可表示為：式中：τA——錨桿近端頭的剪應(yīng)力；X——離洞壁距離；L——錨桿長度；α——衰減系數(shù)；當(dāng)τA=0時(shí)，得到的x即為中心點(diǎn)離洞壁的距離。2)錨桿中性點(diǎn)到終端的剪應(yīng)力分布過了中性點(diǎn)之后，圍巖徑向位移繼續(xù)減小，錨桿進(jìn)入巖層過渡區(qū)，因圍巖發(fā)生變形而引起剪應(yīng)力減小。此時(shí)，由于松動(dòng)區(qū)產(chǎn)生的錨桿界面外向剪應(yīng)力對(duì)錨桿的拉拔作用，使得在該部位產(chǎn)生較大的背離洞壁的拉拔剪應(yīng)力。二者的共同作用使錨桿界面體現(xiàn)為背離洞壁的剪應(yīng)力。在這一區(qū)域內(nèi)，錨桿背離洞壁的拉拔剪應(yīng)力將逐漸增加直至錨桿進(jìn)入圍巖穩(wěn)定區(qū)。進(jìn)入圍巖穩(wěn)定區(qū)后，由于圍巖變形的進(jìn)一步減小，同時(shí)，過渡區(qū)錨桿界面上的內(nèi)向剪應(yīng)力對(duì)中性點(diǎn)外錨桿界面外向剪應(yīng)力拉拔作用的削弱，使得穩(wěn)定區(qū)內(nèi)錨桿界面內(nèi)向剪應(yīng)力迅速衰減直至錨桿終端。自中性點(diǎn)之后，錨桿所承受的界面剪應(yīng)力由兩部分組成：一部分是圍巖發(fā)生變形而產(chǎn)生的剪應(yīng)力方向指向洞壁；另一部分是由于洞壁至中性點(diǎn)錨桿界面外向剪應(yīng)力對(duì)于中性點(diǎn)以內(nèi)錨桿引起拉拔而產(chǎn)生的剪應(yīng)力，方向指向錨桿遠(yuǎn)端。對(duì)于錨桿因拉拔而產(chǎn)生的內(nèi)向剪應(yīng)力，首先計(jì)算出中性點(diǎn)上的軸力，然后由半無限體受集中載荷作用的Mindlin解可導(dǎo)出中性點(diǎn)以內(nèi)錨桿界面剪應(yīng)力τb2滿足的常微分方程為式中：Ea——為錨桿桿體的彈性模量；μ——錨固體的泊松比。求解上述微分方程并利用邊界條件，r→∞，τB=0，最后可得錨桿所承受的剪應(yīng)力沿桿體分布公式為：式中：a—錨桿桿體半徑；Nz—錨桿中性點(diǎn)軸力。由上述軸力和剪應(yīng)力分布公式可以得出錨桿軸應(yīng)力和剪應(yīng)力分布規(guī)律，實(shí)驗(yàn)室中的拉拔實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場錨桿支護(hù)中的錨桿受力方式上是有區(qū)別的，實(shí)驗(yàn)室中采用的是用錨桿拉力計(jì)直接作用于錨桿，此時(shí)錨桿受主動(dòng)力作用，可認(rèn)為錨桿前端頭處受到集中載荷作用；而現(xiàn)場錨桿支護(hù)中，錨桿受力是由于圍巖變形差導(dǎo)致的，圍巖之間變形差導(dǎo)致巖石將剪應(yīng)力作用于錨桿前端，錨桿因此沿軸線方向產(chǎn)生軸力作用，錨桿前端通常受分布載荷作用。對(duì)于錨桿前端受分布載荷作用的錨桿，可依據(jù)中性點(diǎn)的位置將該錨桿分為三部分：中性點(diǎn)、中性點(diǎn)之前的是拉拔部分、中性點(diǎn)之后的則是錨固部分。錨桿前端受集中載荷和受分布載荷時(shí)的軸應(yīng)力和剪應(yīng)力分布是不相同的，但錨桿前端在受分布載荷時(shí)中性點(diǎn)之后的軸應(yīng)力和剪應(yīng)力分布曲線與前端受集中載荷時(shí)的軸應(yīng)力和剪應(yīng)力分布曲線形狀是基本相同的。由于拉拔實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)機(jī)理與錨桿端頭受集中載荷作用是完全一致的，其軸應(yīng)力和剪應(yīng)力分布規(guī)律應(yīng)是相同的，因此可以說拉拔實(shí)驗(yàn)中的錨桿桿體只能模擬錨桿“中性點(diǎn)”之后長度上桿體的受力。本文將在實(shí)驗(yàn)室中通過拉拔實(shí)驗(yàn)來研究“中性點(diǎn)”之后的桿體受力規(guī)律。2.4本章小結(jié)本章對(duì)巖土錨固中的錨桿失效形式及影響因素作了分析，理論上分析了拉力型全長粘結(jié)式錨桿在工作狀態(tài)下桿體的軸應(yīng)力、剪應(yīng)力以及兩者變化規(guī)律與錨固介質(zhì)參數(shù)變化規(guī)律之間的關(guān)系并根據(jù)一些資料得出錨桿在端頭受集中拉力及端部受分布剪力時(shí)的錨桿沿桿體軸力理論計(jì)算分布公式。3錨桿測試的光纖Bragg光柵方法目前，用于錨桿測試的方法有許多，其中最具有代表性的是測力錨桿。測力錨桿是測量錨桿全長錨固工作狀態(tài)下受力的大小及其分布的專用錨桿，其作用主要是：實(shí)測錨桿受力，確定支護(hù)強(qiáng)度，為錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；判斷錨桿是否屈服，對(duì)頂板穩(wěn)定性做出預(yù)測，避免頂板冒落事故的發(fā)生。該測試方法存在一些不足，首先，這種方法誤差較大，不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)信息化處理；其次不能記錄錨桿全過程桿體軸力變化情況【27】。本文將采用一種新型的錨桿測力工具，即Bragg光纖傳感器測試方法，它克服了該方法存在的不足，能夠準(zhǔn)確的反映錨桿在拉拔過程中的受力情況。Bragg光纖傳感器具有其它傳感設(shè)備所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，具有準(zhǔn)確性高、抗干擾能力強(qiáng)、耐高溫、傳輸遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛用在監(jiān)測應(yīng)力、應(yīng)變、溫度，壓力、振動(dòng)、電流等方向上。本文利用光纖Bragg光柵監(jiān)測方法的原理通過對(duì)錨桿進(jìn)行拉拔得出錨桿在被拉時(shí)的五個(gè)光柵點(diǎn)波長漂移情況，從而了解錨桿工作時(shí)的受力情況。3.1光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱，是工作在光波波段的一種介質(zhì)波導(dǎo)，通常是圓柱形，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸。由于光纖具有數(shù)據(jù)容量大、傳輸快、耐久性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為通信領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)。光纖的基本結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，由纖芯(sore)、包層(cladding)、涂敷層(coating)(亦稱保護(hù)層)、增強(qiáng)纖維和保護(hù)套組成。其中纖芯和包層是光纖的主體，主要成分是二氧化硅，約為125μm左右，對(duì)光波的傳輸起決定性作用。涂敷層、增強(qiáng)纖維和保護(hù)套主要起隔離雜光、提高光纖強(qiáng)度和保護(hù)作用。光纖可以按多種方式來分類：按傳輸模式分為單模和多模光纖；按纖芯折射率分布可分為階躍型和剃度型光纖；按偏振裝態(tài)分為保偏光纖和非保偏光纖；按制造材料分為石英光纖、玻璃光纖、塑料光纖、液芯光纖、晶體光纖、特種光纖等。光纖工作的基本原理基于光的全反射現(xiàn)象，即由于纖芯折射率(n1)大于包層折射率(n2)，當(dāng)滿足數(shù)值孔徑(NA=n0sinψ0，n0為空氣折射率)要求的光線傳播到光纖界面時(shí)，根據(jù)菲涅耳(Fvesnel)折射定律可知，ψ>ψ0時(shí)，入射光將不發(fā)生折射，全部沿著纖芯反射向前傳播。因此，光纖能把以光的形式出現(xiàn)的電磁波能量利用全反射的原理約束在其纖芯內(nèi)，并引導(dǎo)光波沿著光纖軸線的方向前進(jìn)。3.2Bragg光纖傳感器3.2.1光纖Bragg光柵傳感原理光纖Bragg光柵是最早發(fā)展出來的光纖光柵，也是應(yīng)用最廣泛的光纖光柵。光纖Bragg光柵的折射率呈現(xiàn)固定的周期性調(diào)制分布，即調(diào)制深度與光柵周期均為常數(shù)，光柵波矢方向與光纖軸線方向相一致。當(dāng)光經(jīng)過光纖Bragg光柵時(shí)，對(duì)滿足Bragg相位匹配條件的光產(chǎn)生很強(qiáng)的反射；對(duì)不滿足Bragg條件的光，由于相位不匹配，只有很微弱的部分被反射回來【28】。光柵是光纖通過特殊刻寫而形成的。最常用的就是布拉格光柵，它是利用光纖中摻雜物質(zhì)具有的光敏感特性，將光纖在呈周期性分布的紫外激光場中曝光，可以在纖芯內(nèi)形成折射率為n呈周期性分布的三維位相光柵，其作用實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡，此光柵被稱之為纖內(nèi)Bragg光柵【29】。當(dāng)一束寬帶入射光在纖芯內(nèi)傳輸時(shí)，就會(huì)在柵距為Α的位相光柵內(nèi)產(chǎn)生Bragg衍射窄帶光，并且該衍射窄帶光沿原路返回。Bragg光柵傳感是通過對(duì)光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射Bragg波長光譜的檢測，實(shí)現(xiàn)被測對(duì)象應(yīng)變的絕對(duì)測量【30】，其光柵周期與折射率調(diào)制深度(亦稱為有效折射率)均為常數(shù)，光柵波矢方向與光纖軸線一致。它是一種性能優(yōu)異的窄帶反射濾波無源器件。光纖布拉格光柵的結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。當(dāng)光波傳輸通過光纖布拉格光柵時(shí)，滿足布拉格光柵波長條件(λb=2neA)的光波矢將被反射回來，這樣入射光柵波矢就會(huì)分成兩部分：投射光波矢和反射光波矢。這就是光纖布拉格光柵的基本工作原理。光纖布拉格光柵的這種特性基于光柵折射率的周期分布，而這種周期性的折射率分布來自光柵的特殊寫入工藝技術(shù)，即利用外界能量改變裸光纖上的折射率，所利用的為光纖的光敏特性。所謂光纖的光敏性是指光纖的折射率在某些波長的光照射下，隨光強(qiáng)發(fā)生永久性變化的特性。圖3.2光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵傳感器的基本原理是：光柵周圍的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力或其它待測物理量發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率的變化，從而產(chǎn)生光柵Bragg信號(hào)的波長位移，通過監(jiān)測Bragg波長位移情況，即可獲得待測物理量的變化情況。3.2.2光纖Bragg光柵傳感信號(hào)的檢測【31】信號(hào)檢測是傳感系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳感解調(diào)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)信息轉(zhuǎn)換和傳遞的檢測系統(tǒng)，它能準(zhǔn)確、迅速的測量出信號(hào)幅度的大小并無失真的再現(xiàn)被測信號(hào)隨時(shí)間的變化過程，待測信息不僅要精確地測量其幅值，而且還需要記錄和跟蹤整個(gè)變化過程。從解調(diào)的光波信號(hào)來看，光纖光柵傳感信號(hào)的解調(diào)方案包括強(qiáng)度解調(diào)、相位解調(diào)、頻率解調(diào)、偏振解調(diào)和波長解調(diào)等。這些方案各有所長，適用于不同傳感系統(tǒng)的需求，其中，波長解調(diào)技術(shù)具有將感測的信息進(jìn)行波長編碼，中心波長處窄帶反射，不必對(duì)光纖連接器和耦合器損耗以及光源輸出功率起伏進(jìn)行補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。圖3.3所示為光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的功能。解調(diào)系統(tǒng)由光源(如寬帶譜、調(diào)諧譜、脈沖、激光等)、連接器(如耦合器、環(huán)形器等)、傳感光柵(光纖Bragg光柵)和光電探測器等部分組成。圖3.3光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的功能在傳感過程中，光源發(fā)出的光波由傳輸通道經(jīng)連接器(或直接)進(jìn)入傳感光柵，傳感光柵在外場的作用下。對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制；接著，帶有外場信息的調(diào)制光波被傳感光柵反射(或透射)，由連接器(或直接)進(jìn)入接收通道而被探測器接收解調(diào)并輸出。3.3光纖Bragg光柵檢測錨桿原理將不同波長的光纖Bragg光柵準(zhǔn)確的分布在錨桿桿體不同的點(diǎn)上，不同光纖Bragg光柵的反射光波長(λ1，．．．，λn)，與待測結(jié)構(gòu)中各測量點(diǎn)(1，．．．，n)相對(duì)應(yīng)，在拉拔錨固系統(tǒng)中的錨桿時(shí)，錨桿上各光柵點(diǎn)將會(huì)檢測出各點(diǎn)的波長漂移量。入射光通過寬帶光源入射到應(yīng)交場中，當(dāng)待測點(diǎn)由于受外力而發(fā)生形變的時(shí)候，其反射光的波長發(fā)生改變，改變的反射光經(jīng)傳輸光纖從測量現(xiàn)場傳出。通過光纖Bragg光柵解調(diào)器探測其波長改變量的大小，并將之轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由二次儀表計(jì)算出待測結(jié)構(gòu)中各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變的大小及在整個(gè)待測結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)。本文實(shí)驗(yàn)，我們采用的是北京品傲光電科技有限公司生產(chǎn)的光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器，接頭采用通用的光纖FC/PC跳線頭。Bragg中心波長識(shí)別采用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀，光傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部寬帶光源發(fā)出的光，經(jīng)過3dB耦合器到達(dá)光纖光柵傳感鏈，然后經(jīng)過Bragg光柵(反射式光柵)反射，再通過傳輸光纖和3dB耦合器返回到光傳射譜中心波感網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部探測器。該儀器基于F-P(Fabry-Pet)干涉原理對(duì)Bragg波長進(jìn)行解調(diào)，波長分辨率為1pm，掃描范圍為1525-1565nm，掃描頻率50Hz。采用的光纖光柵的也是北京品傲公司生產(chǎn)，其原始波長分別為1537.346、1541.764，1546.523、1551.551、1556.308，在封裝過程中分別對(duì)應(yīng)了1、2、3、4、5號(hào)位置。中心波長之間相差5nm。利用光纖光柵檢測到桿體波長移動(dòng)值后，就可以利用公式計(jì)算錨桿桿體上各光柵點(diǎn)位置的軸力?？梢钥闯?，封裝在錨桿表面的光柵所監(jiān)測到某點(diǎn)中心波長的變化量與該點(diǎn)的應(yīng)力也是成正比的，因此，我們可以用光纖光柵檢測的中心波長漂移曲線來反映錨桿錨固段軸力分布變化情況。3.4本章小結(jié)本章著重對(duì)光纖光柵的工作原理作了闡述說明，并指出光纖光柵具有對(duì)應(yīng)變、應(yīng)力和溫度敏感的特性，給出了光柵在均勻軸向應(yīng)力、均勻橫向應(yīng)力以及溫度條件下光柵的形變特點(diǎn)。4全長錨固錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)錨桿在巖石介質(zhì)中受力的復(fù)雜性，使得錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)一直停留在經(jīng)驗(yàn)上，人們對(duì)錨桿與巖土介質(zhì)作用時(shí)的受力狀況了解的不是很多，對(duì)其計(jì)算往往作一些粗糙的假設(shè)，這使得錨桿受力計(jì)算公式很不準(zhǔn)確，給安全生產(chǎn)帶來隱患，有必要采用新的有效的方法對(duì)錨桿受力進(jìn)行進(jìn)一步分析。按照錨桿內(nèi)部拉筋與水泥漿體間傳力方式的不同，可將注漿錨桿分為拉力型、壓力型和剪切型3種，目前大部分工程中采用的是拉力型注漿錨桿，這類錨桿的傳力方式是通過拉筋與水泥漿體以及水泥漿體與巖土體間的粘結(jié)將外力依次傳遞到巖土中的【32】，本文將對(duì)拉力型全長錨固錨桿展開實(shí)驗(yàn)研究。近些年來，人們?cè)谕ㄟ^拉拔實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場錨桿支護(hù)方面做了大量工作，并取得了一些成績。但是還有很多地方并不完善。馮仁俊【28】在他的碩士論文“基于光纖光柵測試的全長錨固錨桿實(shí)驗(yàn)研究”一文中對(duì)光纖Bragg光柵檢測錨桿應(yīng)變做了大量工作，本論文將在該論文基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步通過相似材料彈性模量測量、錨桿軸力拉拔測試、錨桿拉拔對(duì)周圍影響特性等實(shí)驗(yàn)對(duì)錨桿工作原理展開更深入的研究。4.1相似材料彈性模量測定4.1.1相似材料配比的選擇在實(shí)驗(yàn)室中，我們通常用沙子、大白粉、石膏、水泥和水按照不同的配比加以混合來模擬不同的巖層性質(zhì)。本論文拉拔實(shí)驗(yàn)中的介質(zhì)，是用相似材料按照一定的比例混合的。由于錨桿的彈性模量十分的大，要使封裝在錨桿上的光纖光柵能比較敏感的測試到桿體的變形，需要介質(zhì)的彈性模量也應(yīng)較大，這樣錨桿桿體與相似材料之間產(chǎn)生的粘結(jié)力將達(dá)到一定數(shù)值。為了要分析拉拔實(shí)驗(yàn)中錨桿與相似材料作用時(shí)的錨桿受力情況，采用的相似比是1：1。即相似材料的彈性模量要和現(xiàn)場的巖石一樣。在實(shí)際工程中，巖層性質(zhì)是很復(fù)雜的，但是多數(shù)還是以砂巖礫巖為主。在本實(shí)驗(yàn)中，我們選擇以砂巖的巖石參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)參照，在工程使用中，砂巖的彈性模量通常在3400～3900MPa，泊松比為0.14～0.20之間。這就要求我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中相似材料的彈性模量和泊松比也在在這個(gè)范圍之內(nèi)。根據(jù)文獻(xiàn)【33】得出配比為砂：硅膠水泥：石膏：水=25：3：2：2的相似材料滿足上述要求。不同的相似材料配比有不同的彈性模量值和泊松比，由于實(shí)驗(yàn)室中缺少硅膠水泥，我們使用的是425號(hào)普通硅酸鹽水泥，按照配比為砂：水泥：石膏：水=25：3：2：2的比例制作三個(gè)實(shí)驗(yàn)試件，試件高度為10cm，直徑為5cm。4.1.2彈性模量的確定其實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)將制作好的試件在常溫下放置一個(gè)星期左右，直至試件完全干透，在每個(gè)試件表面貼4個(gè)應(yīng)變片，2個(gè)測軸向應(yīng)變，2個(gè)測徑向應(yīng)變。其試件形狀如圖4.1所示。圖4.1實(shí)驗(yàn)試件(2)將磨好的試件放在壓力機(jī)上進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)。在加載過程中，一定要注意加載速度十分的緩慢：如果加載速度過大，不能觀察出試件破壞的初始點(diǎn)，無法準(zhǔn)確的找出試件能承受的最大壓力。(3)壓力機(jī)壓到一定數(shù)值后，記錄應(yīng)變儀上顯示的數(shù)據(jù)。試件破壞后，記錄其最大抗壓強(qiáng)度。相似材料配比1彈性模量測定(1)彈性模量測定(數(shù)據(jù)處理過程省略)在制作的三個(gè)試件中，有一試件損壞，根據(jù)剩余兩個(gè)試件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Excel做出趨勢線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4.1。表4.1配比1試件物理性質(zhì)試件彈性模量（MPa）泊松比最大抗壓強(qiáng)度第一試件15000.061.73第二試件25000.201.83根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得相似材料彈性模量E為2.0×103MPa，泊松比μ為0.13，最大抗壓強(qiáng)度為1.78MPa。(2)結(jié)果分析1)第一試件與第二試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差很大，其原因主要是因?yàn)樵谥谱髟嚰倪^程中存在缺陷，材料混合不均勻、試件外型不完整等都是造成結(jié)果相差大的原因。2)試件的彈性模量和抗壓強(qiáng)度都沒有達(dá)到砂巖的要求。在實(shí)驗(yàn)室中，由于沒有硅膠水泥，所以我們只能用普通425號(hào)硅酸鹽水泥代替硅膠水泥，另外，水泥在存放了一年時(shí)間后有可能失效，這些都是造成試件的彈性模量和抗壓強(qiáng)度小的原因。盡管相似模擬材料在性質(zhì)上達(dá)不到砂巖的要求，但是在拉拔實(shí)驗(yàn)中，我們的目的是找出錨桿軸力沿桿體分布的規(guī)律，相似材料是不是砂巖，對(duì)錨桿軸力分布無影響，彈性模量實(shí)驗(yàn)的目的僅是測得相似材料彈性模量。4.2普通拉拔實(shí)驗(yàn)錨桿軸力測試實(shí)驗(yàn)現(xiàn)有關(guān)于錨桿的拉拔實(shí)驗(yàn)多側(cè)重于對(duì)桿體極限拉拔力進(jìn)行測試，而較少有對(duì)錨桿沿長度方向軸力分布進(jìn)行測試的實(shí)驗(yàn)。光纖光柵在這方面為我們提供了先進(jìn)的檢測技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)室中，人們?yōu)榱搜芯糠奖?，通常?huì)直接用相似材料將錨桿錨固，我們可以稱這種拉拔實(shí)驗(yàn)為普通拉拔實(shí)驗(yàn)。本論文是通過布于錨桿上的5個(gè)光柵檢測錨桿在受拉時(shí)的相應(yīng)位置波長漂移值，最終通過兩次實(shí)驗(yàn)來得出錨桿桿體軸力分布特點(diǎn)。4.2.1拉拔實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定及模型安裝錨桿、錨固長度及錨固外殼的確定、光纖光柵個(gè)數(shù)和位置的確定，光纖光柵在錨桿上的封裝過程以及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b參見文獻(xiàn)【27】。4.2.2實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)裝置見表4.2和圖4.2所示。表4.2實(shí)驗(yàn)儀器表圖4.2實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)前，用酒精將光纖光柵傳感器的各個(gè)接頭清洗一遍，以保證光的傳輸不受影響。然后將各實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接好，開始對(duì)錨桿進(jìn)行手動(dòng)加壓，加壓速度要保持很慢的節(jié)奏。拉力計(jì)讀數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，通過連接網(wǎng)絡(luò)分析儀的電腦記錄一次波長值。在加壓的過程中，由于錨桿與相似材料交接處被鋼蓋遮住，我們無法對(duì)交接處進(jìn)行觀察。在用拉力計(jì)加壓到一定數(shù)值后，拉力表讀數(shù)不再上升或者錨固系統(tǒng)出現(xiàn)“砰”的一聲，此時(shí)電腦所顯示的各光柵點(diǎn)波長不斷減小，說明錨固系統(tǒng)已經(jīng)破壞，錨桿已經(jīng)被拔出。4.3帶有錨固劑的錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)4.3.1實(shí)驗(yàn)方法拉拔實(shí)驗(yàn)均為普通拉拔實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b階段只是把錨桿簡單的封裝到巖石相似材料中，為了能真實(shí)的模擬現(xiàn)場，我們將對(duì)帶有錨固劑的錨桿進(jìn)行拉拔，從中找出兩種類型拉拔實(shí)驗(yàn)之間的差別。封裝外殼采用直徑ψ為30cm，長度L為120cm的鋼管。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b階段，將一根直徑ψ為26mm的錨桿置于相似材料中，當(dāng)鋼管被填充滿一段時(shí)間后，我們將該錨桿拔出。經(jīng)過十天左右，相似材料已經(jīng)干透，此時(shí)將帶有光纖光柵的直徑ψ為18mm的錨桿裝入已形成的孔洞中，并充填流體狀，配比為砂:水泥:水=4:4:1的水泥砂漿，該做法可以用來模擬水泥錨桿。待水泥砂漿完全凝固干透后，實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行。4.3.2實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)過程與普通錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)過程相同，其實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)見表4.3。表4.3錨桿桿體上各光柵點(diǎn)波長漂移量序號(hào)加載噸位12345初值000000120.2300.1840.01500240.3540.3290.05600360.4390.5210.1060.0630.021480.5120.6030.1720.0840.0215100.5990.7060.2470.1680.0216120.6820.8180.3200.2520.1057140.7341.0820.3390.2650.054為了能夠直觀的表現(xiàn)出錨桿桿體上各光柵點(diǎn)波長漂移量與錨固深度的關(guān)系，我們將表4.3中的數(shù)據(jù)在excel下處理，得到圖4.3。圖4.3錨桿桿體各光柵點(diǎn)中心波長漂移量隨錨固深度變化從該圖可以看出：(1)外加拉載荷在4MPa以下時(shí)，錨桿桿體上第4光柵點(diǎn)以后波長漂移量均為0，第一光柵點(diǎn)波長漂移量為最大，隨著錨固深度增加，波長漂移量將逐漸遞減。(2)外加載荷在6MPa以上時(shí)，第一光柵點(diǎn)波長漂移量小于第二光柵點(diǎn)波長漂移量最大，隨著錨固深度的增加，波長漂移量依次減小。各光柵點(diǎn)波長漂移量隨載荷變化曲線如圖4.4所示。圖4.4錨桿桿體各光柵點(diǎn)中心波長漂移量隨載荷變化從該圖可以看出，各光柵點(diǎn)波長漂移量隨著載荷的增加也在逐漸增加。4.4對(duì)周圍錨桿影響特性實(shí)驗(yàn)地下巷道工程采用錨桿支護(hù)后，很多錨桿將共同作用維護(hù)巷道的穩(wěn)定，當(dāng)一根錨桿錨固失效后，是否會(huì)對(duì)周圍錨桿產(chǎn)生影響是一個(gè)需要研究的問題。本文將利用拉拔實(shí)驗(yàn)來研究錨桿在拉拔時(shí)對(duì)鄰近一根錨桿的影響情況。本次實(shí)驗(yàn)為了使光纖光柵能夠較好的測得相似材料內(nèi)部的受力情況，我們將提高相似材料中的水泥含量，用以增大錨固系統(tǒng)的錨固力，采用的相似材料配比為砂：水泥：水=20：10：3。錨桿拉力計(jì)型號(hào)為ML-200型，最大拉力為200kN，拉力計(jì)表的最小單位為2MPa，該拉力計(jì)MPa與t的關(guān)系式為：1MPa=0.294t。封裝外殼依然采用直徑為30cm，長度L為120cm的鋼管。安裝模型時(shí)，將兩根(其中一根錨桿帶有光纖光柵傳感器)ψ為18mm的錨桿錨固于相似材料中，錨桿間隔6.9cm。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們將用錨桿拉力計(jì)拉拔錨桿，以測試帶有光纖光柵的錨桿受力情況。每間隔2MPa在電腦上記錄一次數(shù)據(jù)，最終錨桿拉力計(jì)加載到60MPa，一共記錄30組數(shù)據(jù)，表4.4是其中的七組數(shù)據(jù)。表4.4錨桿桿體上各光柵點(diǎn)波長值序號(hào)加載噸位12345初值01537.1701541.4261546.8641551.5601556.7051101537.1701541.4241546.8651551.5561556.7042201536.1671541.4201546.8631551.5541556.7043301536.1661542.4181546.8621551.5521556.7054401536.1661542.4181546.8621551.5521556.7055501536.1661542.4181546.8621551.5521556.7046601536.1661542.4181546.8621551.5521556.7044.5本章小結(jié)本章對(duì)兩種相似材料配比下的普通拉拔實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)做了說明，同時(shí)根據(jù)本論文實(shí)驗(yàn)?zāi)康男枰肿隽藥в绣^固劑的錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)及錨桿拉拔過程中對(duì)周圍桿體的影響特性實(shí)驗(yàn)。通過數(shù)據(jù)做出了普通拉拔實(shí)驗(yàn)與帶有錨固劑的實(shí)驗(yàn)中錨桿桿體上各光柵點(diǎn)隨錨固深度及載荷變化的關(guān)系曲線。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析5.1普通錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)結(jié)論及分析(1)錨桿受力分布特征通過第三章的計(jì)算，可以得知軸力與波長的關(guān)系式為N=△λ·(EA/αε)，一旦光纖光柵和錨桿確定，αε、E和A均為常數(shù)，則EA/αε也為常數(shù)，因此得出軸力與波長漂移是成正比的。我們可以利用該關(guān)系式，通過波長漂移與外加載荷的關(guān)系來說明外加載荷與錨桿桿體軸力分布之間的關(guān)系。從以上拉拔實(shí)驗(yàn)所得錨桿各光柵點(diǎn)中心波長隨深度變化曲線中得出以下錨桿桿體受力規(guī)律。1、外加載荷比較小的情況下，拉拔實(shí)驗(yàn)錨桿軸力沿桿體不斷減小，錨桿前端處軸力最大，第五光柵點(diǎn)附近幾乎不受力，錨桿受力范圍集中于端頭處。2、隨著錨桿受外加載荷的增加，錨桿受力范圍在增加，錨桿端頭處不再是軸力最大點(diǎn)，軸力最大點(diǎn)將沿著錨桿向深處轉(zhuǎn)移。除了錨桿尾部所受軸力前后變化不大外，錨桿深處各點(diǎn)所受軸力均比錨桿受較小載荷時(shí)所受的軸力有所增加。同時(shí)，隨著載荷的增加，錨桿桿體上各點(diǎn)軸力分布越來越不均勻，端頭處將成為高應(yīng)力集中區(qū)。3、當(dāng)外加載荷增大到一定數(shù)值時(shí)，錨桿軸力最大位置基本上將保持在錨桿某一深度附近。錨桿軸力最大點(diǎn)之后，軸力將逐漸減小。錨桿軸力最大點(diǎn)與最小點(diǎn)差值比較大。4、在波長漂移最大值向錨固深處轉(zhuǎn)移的曲線中，波長漂移最大點(diǎn)并不一定代表錨桿軸力最大點(diǎn)，最大點(diǎn)應(yīng)該在該點(diǎn)左右。5、在重復(fù)拉拔實(shí)驗(yàn)中，外加載荷增大到一定程度后，錨桿軸力最大點(diǎn)又向錨固深處轉(zhuǎn)移，第一光柵點(diǎn)波長隨載荷的增加在逐漸增加。6、拉拔實(shí)驗(yàn)相似材料彈性模量為2×103MPa，相似材料彈性模量大，則錨桿桿體軸力分布越不均勻。軸應(yīng)力σ和軸力N的關(guān)系式為：式中：N——錨桿軸力；S——錨桿橫截面積。由上式可以看出，在錨桿拉拔時(shí)，錨桿橫截面積幾乎是不變的，可以看成一定值，因此錨桿軸力和軸應(yīng)力成正比關(guān)系，軸應(yīng)力變化規(guī)律是可以用軸力變化規(guī)律來反映的。根據(jù)軸力分布特征，結(jié)合錨桿桿體受力分布理論，可做出錨桿軸應(yīng)力分布如圖5.1所示。圖中，橫坐標(biāo)x代表錨固深度，縱坐標(biāo)σ代表軸應(yīng)力。圖5.1錨桿軸應(yīng)力隨錨固深度分布(2)彈性拉拔狀態(tài)下桿體軸力分布特點(diǎn)本文的拉拔實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢杂孟聢D表示，如圖5.2所示。圖5.2拉拔實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趫D5.2中的錨桿桿體上依次取兩點(diǎn)A和B，設(shè)A點(diǎn)所受軸力和剪力分別為NA、QA，B點(diǎn)所受軸力和剪力為NB、QB，A和B之間剪力為QAB。當(dāng)在錨桿端頭施加外載荷P時(shí)，錨桿桿體所受軸力剪力均與拉力P方向相反。由此對(duì)A和B點(diǎn)列出平衡方程。將上述兩式整理得式5.4中，各量方向均相同，由該式可以看出，A點(diǎn)軸力是大于B點(diǎn)的。A點(diǎn)是靠近錨桿拉拔端頭，因此可以說，錨桿在拉拔過程中，如果錨固系統(tǒng)一直處于彈性狀態(tài)，則錨桿桿體軸力將沿錨固深度逐漸遞減。(3)錨桿彈性拉拔狀態(tài)破壞過程分析在普通錨桿的三次拉拔過程中，錨桿桿體上第一光柵點(diǎn)位置波長隨載荷變化的規(guī)律是：當(dāng)外加載荷在小范圍內(nèi)逐漸增加時(shí)，其波長漂移也是在逐漸增加的；當(dāng)外加載荷達(dá)到一定值后，其波長漂移將隨載荷的增加而減小。按照第二章分析，錨固系統(tǒng)在彈性狀態(tài)下，在外加載荷逐漸增大的受拉情況下，錨桿上各點(diǎn)所受軸力均是增加的，因此可以說在錨桿受拉時(shí)，軸上第一光柵點(diǎn)位置狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生改變，錨固系統(tǒng)彈性狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生破壞。很多學(xué)者對(duì)拉拔狀態(tài)下的錨桿軸力分布特點(diǎn)做了大量研究，楊雙鎖【35】在“回采巷道圍巖控制理論及錨固結(jié)構(gòu)支護(hù)原理”一書中對(duì)該問題也做了詳細(xì)說明。他認(rèn)為在彈性拉拔狀態(tài)下，錨桿桿體軸力分布呈遞減趨勢，軸力分布如圖5.3所示。圖5.3彈性拉拔狀態(tài)下錨桿軸應(yīng)力分布隨著拉拔力的增大，錨固系統(tǒng)彈性狀態(tài)將會(huì)破壞，認(rèn)為錨桿與巖體前端結(jié)合處將會(huì)發(fā)生滑移或者解耦，此時(shí)前端粘結(jié)力將會(huì)被削弱，甚至消失，該破壞區(qū)內(nèi)的軸力均成為最大值，此時(shí)錨桿軸力分布可用圖5.4表示。圖5.4非彈性拉拔狀態(tài)下錨桿軸應(yīng)力分布胡利文和戴宇文【36】也認(rèn)為，錨桿在受到較小的拉拔力時(shí)，系統(tǒng)是處于彈性狀態(tài)的，當(dāng)拉拔力較大時(shí)，錨桿端口處錨固砂漿將與錨桿分離，出現(xiàn)錨固塑性區(qū)，導(dǎo)致錨桿軸力最大點(diǎn)向錨桿深處轉(zhuǎn)移。本文的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)拉拔力較小時(shí)，其軸力規(guī)律均與彈性狀態(tài)下的軸力分布規(guī)律相同的，說明錨固是處于彈性拉拔狀態(tài)的；當(dāng)拉拔力較大時(shí)，第一光柵點(diǎn)波長漂移急劇下降，反而比第二光柵點(diǎn)波長漂移小，這與以上文獻(xiàn)中的桿體前端軸力均為最大點(diǎn)是矛盾的。由于實(shí)驗(yàn)條件的不同，將會(huì)導(dǎo)致不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，下面我們將對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行分析。在彈性拉拔狀態(tài)下，錨桿所受軸應(yīng)力表達(dá)式為：式中：σ——軸應(yīng)力；N——軸力；S——受力面積。由上式可以看出，在N增大，軸應(yīng)力減小的情況下，受力面積S一定增加，錨桿面積是一定的，面積增加的部分只能來自于相似材料。因此可以說，在拉拔過程中，當(dāng)拉拔力達(dá)到一定程度時(shí)，相似材料前端某一部位將被拉斷，拉斷的部分將與錨桿成為一體，共同承擔(dān)外載荷作用，因此軸力出現(xiàn)減小現(xiàn)象。本論文拉拔實(shí)驗(yàn)當(dāng)外界拉力較大時(shí)的錨桿拉拔狀態(tài)可用圖5.5表示。圖5.5相似材料某界面被拉斷示意圖該圖形也證明了上述分析的正確性，因此我們可以對(duì)以往的拉拔實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行完整的補(bǔ)充說明。錨桿在受拉過程中受粘著力、機(jī)械鏈鎖力和摩擦力作用，當(dāng)外界拉力P很小時(shí)，錨固段內(nèi)這三種力都在發(fā)揮作用，錨固系統(tǒng)處于彈性拉拔狀態(tài)，這時(shí)原點(diǎn)處(錨固端頭處)錨桿軸力為最大，隨著錨固深度增加，軸力將以指數(shù)形式遞減；錨桿荷載P增加到一定值時(shí)，錨固前端的一段范圍內(nèi)，錨桿前端與相似材料間將發(fā)生滑移或者相似材料前端出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。前一種情況造成的結(jié)果是：錨桿部分粘著力消失，錨桿與相似材料進(jìn)入塑性狀態(tài)，錨桿前端發(fā)生滑移的位置均為桿體軸力最大點(diǎn)，軸力最大點(diǎn)之后軸力呈遞減趨勢；后一種情況造成的結(jié)果是，錨桿前端斷裂之前的位置軸力急劇降低，軸力最大點(diǎn)向錨固深處轉(zhuǎn)移。由以上分析可知，錨桿在整個(gè)拉拔過程中：(1)當(dāng)錨桿桿體軸力由端頭向端尾遞減時(shí)，說明錨桿此時(shí)處于彈性拉拔狀態(tài)，錨固系統(tǒng)沒有破壞；(2)當(dāng)錨桿拉拔端某一段位置均為軸力最大點(diǎn)時(shí)，說明錨固系統(tǒng)靠近拉拔端的位景錨桿與相似材料已經(jīng)出現(xiàn)滑移：(3)當(dāng)錨桿前端一段位置上的軸力小于其后面桿體上的軸力時(shí)，說明錨桿錨固系統(tǒng)前端相似材料或者錨固劑已出現(xiàn)被拉斷的現(xiàn)象。5.2帶有錨固劑的錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)分析本次實(shí)驗(yàn)得到錨桿桿體上各光柵點(diǎn)中心波長隨深度變化曲線（見圖4.3）反映了錨桿在受外界拉力逐漸增大的過程中，錨桿錨固段各點(diǎn)波長漂移量都是在不斷增加的。各光柵點(diǎn)波長漂移隨載荷變化曲線（見圖4.4）規(guī)律性很強(qiáng)，這與普通拉拔實(shí)驗(yàn)中第一次拉拔出現(xiàn)的第一光柵點(diǎn)波長無規(guī)律變化現(xiàn)象不同。根據(jù)上節(jié)分析可以知道，如果第一光柵點(diǎn)波長漂移小于第二光柵點(diǎn)波長漂移，說明第一光柵點(diǎn)桿體受力面積增加。通過2.1節(jié)可以知道，錨固系統(tǒng)破壞形式有4種，就本文的普通拉拔實(shí)驗(yàn)而言，其破壞形式只有錨桿與相似材料結(jié)合面發(fā)生破壞一種；帶有錨固劑的拉拔實(shí)驗(yàn)破壞形式有兩種：一種是錨桿與錨固劑結(jié)合面脫離，另外一種是錨固劑與相似材料粘結(jié)面發(fā)生破壞。經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)研究，錨固系統(tǒng)失效主要是發(fā)生在錨固劑與相似材料的結(jié)合面上。圖4.3中，當(dāng)拉拔力小于4MPa時(shí)，錨桿、錨固劑和相似材料之間是處于彈性拉拔狀態(tài)的；當(dāng)拉拔力大于6MPa時(shí)，桿體軸力最大點(diǎn)將向錨固深處移動(dòng)，且最大軸力大于第一光柵處的軸力，隨著拉拔力的增加第一光柵點(diǎn)位置軸力是逐漸增加的，這與普通拉拔實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同。從圖4.3中可以看出，拉力大于6MPa時(shí)，第一光柵點(diǎn)與第二光柵點(diǎn)軸力差并不是很大，而圖4.4中該差值卻是很大，由公式5.5可以得知，帶有錨固劑的錨桿在受外界拉力達(dá)到一定值后，其第一光柵點(diǎn)受力面積增加不是很大，這說明錨固劑出現(xiàn)斷裂面，而不是相似材料出現(xiàn)斷裂面，此時(shí)端頭處的將與錨桿成為一個(gè)整體，共同承擔(dān)外載荷，由此導(dǎo)致第一光柵點(diǎn)波長漂移減小。5.3對(duì)周圍桿體影響特性實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)際上，巷道錨桿支護(hù)中的單根錨桿受力對(duì)周圍的錨桿影響程度取決于很多方面，它跟巖層的層數(shù)、距離的大小等因素都有關(guān)系。本文的相似模擬實(shí)驗(yàn)中，錨桿周圍的“巖體”屬于單一巖層，受力方式為采取主動(dòng)加載的辦法，錨固方式為全長錨固型，在該實(shí)驗(yàn)錨桿拉拔的整個(gè)過程中，錨桿桿體上帶有光纖光柵傳感器的5個(gè)光柵點(diǎn)波長幾乎沒有變化，說明錨桿在拉拔過程中，對(duì)6.9cm范圍以外的錨桿幾乎沒有影響。該實(shí)驗(yàn)說明，巷道內(nèi)的某根錨桿受力突然改變時(shí)，不會(huì)對(duì)周圍錨桿產(chǎn)生很大影響。由于實(shí)驗(yàn)條件所限制，本文沒有對(duì)其它情況下的錨桿影響范圍做出測試。5.4本章小結(jié)本章對(duì)拉拔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，通過錨桿桿體上中心波長隨錨固深度及外加載荷變化曲線，從而得出錨桿在拉拔過程中的軸力分布規(guī)律。隨后，又對(duì)帶有錨固劑的錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，最終得出錨桿拉拔過程不僅有滑移破壞過程，而且還有錨固劑斷裂破壞過程。6結(jié)論本論文通過室內(nèi)錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)，借助先進(jìn)的光纖光柵研究手段，對(duì)錨桿的軸力分布特點(diǎn)以及對(duì)錨桿受拉后是否會(huì)對(duì)鄰近錨桿產(chǎn)生影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。(1)通過錨桿桿體上各光柵點(diǎn)中心波長漂移量隨荷載變化的測試，可以得出錨桿在拉拔力作用下的錨桿軸力分布特點(diǎn)，即在外加載荷較小的情況下，錨桿軸力主要集中于錨固前端，錨固尾部很長一部分桿體軸力為0，且錨桿軸力沿錨固深度呈逐漸減小趨勢；當(dāng)拉拔力較大時(shí)，錨桿軸應(yīng)力最大點(diǎn)逐漸向錨桿深處轉(zhuǎn)移，第一光柵點(diǎn)位置軸力會(huì)出現(xiàn)小于第二光柵點(diǎn)軸力的情況。(2)在拉拔過程中，當(dāng)拉拔力達(dá)到一定數(shù)值后，第一光柵點(diǎn)位置波長漂移量突然下降，其它光柵點(diǎn)波長漂移量逐漸增加，這說明錨固系統(tǒng)此時(shí)彈性狀態(tài)已經(jīng)破壞，錨桿外部的相似材料或者錨固劑已經(jīng)斷裂。(3)通過對(duì)相似材料彈性模量的測定以及錨桿桿體上各光柵點(diǎn)中心波長漂移隨載荷變化規(guī)律的研究，可以得知：相似材料彈性模量越大，錨桿軸力分布越不均勻；相似材料彈性模量越小，錨桿軸力分布范圍大，且相對(duì)均勻。(4)帶有錨固劑的錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)與普通錨桿拉拔實(shí)驗(yàn)錨桿破壞過程是有區(qū)別的，其錨桿在外界拉拔力較小時(shí)也是處于彈性拉拔狀態(tài)的，當(dāng)拉拔力較大時(shí)，錨固劑前端將會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，而不是相似材料出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。(5)在對(duì)周圍桿體影響特性實(shí)驗(yàn)中，利用帶有光纖光柵的錨桿