一种多点温补的多功能FRP智能锚杆制造技术

本发明专利技术公开了一种多点温补的多功能FRP智能锚杆，主要包括无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器、FRP锚杆主体；所述无熔接长标距多光栅传感器和光纤光栅多点温度补偿辅助传感器经封装后在生产FRP锚杆时植入，制成一体化多功能FRP智能锚杆；无熔接长标距多光栅传感器包括多个依次串联的长标距光纤光栅传感单元，光纤光栅多点温度补偿辅助传感器包括封装在套管内能自由伸缩滑动的多个光栅传感单元。本发明专利技术既可用于矿产、土木、岩土等相关工程中的锚固加固，亦能对锚杆的承载能力、应力应变、以及损伤情况等的监测，更能用于围岩支护及围岩收敛变形和稳定性等的监测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种针对隧道、岩土和边坡工程的多功能智能监测锚杆，主要用于土木、隧道、矿产等相关工程中的对锚杆的承载能力、应力应变、以及损伤情况等的监测，亦能用于围岩支护及围岩收敛变形和稳定性等的监测，同时，此锚杆本身的锚固加固作用没有改变，此多功能智能监测锚杆在监测的同时，也能起到其本来对围岩、边坡、挡土墙等的锚固加固作用。
技术介绍
锚杆支护是在边坡、岩土深基坑等地表工程及隧道、采场等地下硐室施工中采用的一种加固支护方式。锚杆支护是通过围岩内部的锚杆改变围岩本身的力学状态，在开挖面周围形成一个整体而又稳定的岩石带，利用锚杆与围岩共同作用，达到维护围岩或巷道等稳定的目的。它是一种积极防御的支护方法，是围岩、矿山等支护的重大变革。锚杆不但支护效果好，且用料省、施工简单、有利于机械化操作、施工速度快。因此锚杆已在很多土木、岩土、隧道、采矿等工程中被大量的使用，如基于新奥法的隧道开挖，锚杆使用量动辄几万根，另外如三峡水利工程，亦用了有十几万根各式锚杆。纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastics,FRP)，是以树脂为基体材料，用纤维增强的一种复合材料,具有轻质高强，力学性能佳；材料可设计性好，加工、成型工艺灵活；耐化学腐蚀性强，耐候性好等优点，因此已被广泛于很多土木实际工程中，而纤维增强塑料由于其抗静电性，碰撞不会产生火星等优点，在煤矿等井下应用更是具有很大的优势，目前纤维增强塑料的锚杆进行在实际煤矿等井下大量使用。随着锚杆支护的广泛使用，对于锚杆在围岩中的受力、承载能力、以及可能的损伤等情况进行实时或定期监测，从而对于围岩等的支护情况、变形收敛、以及稳定情况等作出判断显得尤为重要，且已经成为相关领域的重要课题。目前国内外对于锚杆在围岩等支护中的受力、承载、及损伤情况的测试方法基本可归纳为两大类，其中一类是使用测力锚杆、锚杆拉拔计、应变计及应变片通过锚杆“拉拔试验”来测试锚杆在拉拔作用下的受力情况和损伤情况；另一类则采用比较间接的方式，利用电磁波、声波等在不同介质层的反射差异来检测砂浆锚固体的饱和程度，间接评价锚固的受力及损伤情况。但这些方法从总体上看，存在着受环境影响大，耐久性差，长期稳定性差，测试误差大等缺点，对于像岩土、隧道、采矿等环境比较恶劣、施工方式粗放，但测试精度要求高的实际工程应用，其适用性尤显单薄。同时，在土木、岩土、隧道、采矿等工程中，在对于锚杆的受力测试同时，往往还需要测试土体及围岩的位移，甚至是岩层的脱离及其脱开间的程度，如在煤矿采矿中的巷道顶板发生的离层等情况。因此开发一种具有测试锚杆应力及围岩位移，且同时也能起到加固锚固作用的智能锚杆具有非常重要的工程实用意义。近年来发展起来的光纤、光栅传感技术具有耐久性好，性能稳定、抗电磁干扰、便于分布式测量等优点，也对锚杆轴力检测、损伤识别等提出了新的思路。目前已有相关学者基于BOTDR、BOTDA等分布式光纤技术对锚杆支护进行了检测和监测，但是由于目前解调技术的瓶颈限制，其测试精度严重不足，且往往需要有闭合的光纤回路，考虑到如隧道的围岩变形等本身相对很小，且锚杆本身横截面不大，闭合的光纤回路往往由于较大的光纤曲率而带来的很大光损，因此其在实际工程中的实用性很小。而光栅由于精度高，应变测量能达到1με，而且封装后能防水，耐腐蚀，长期性能比较好，不仅能传感，而且也能用于传输数据，利于组网和实时监测，目前已经被广泛应用于桥梁等结构的应变监测中。但目前在锚杆上的应用，都是基于点式应变测试，只能得到非常局部的应变情况，无法准确地描述尺度比较大的锚杆全长的受力和变形状况，且不能对锚杆的损伤给出有效的判断。总的来说，目前的测试方法存在以下几个问题，首先单纯而简单地应用光纤和光栅技术，往往由于不仅其传感部分，而且其引线都容易损坏，不能适应这些实际工程粗放式的施工环境；其次锚杆结构尺度大，损伤分布范围广，传统的点式传感很难准确得捕捉到损伤；再者，传统的监测往往都忽视锚杆不同深度的应力应变变化，而实际围岩由于机械开挖和爆破的原因，往往在靠近开挖面的岩层会出现一些破碎，在围岩受力作用下，其内部将出现内力重分布，因此在锚杆不同深度的位置上，其应力应变很可能是不同的；更为重要的是，目前所已开发出来的智能锚杆都只停留在锚杆轴力及应变本身，而无法获取锚杆变形分布情况，也无法判断围岩等的位移；最后，传统的光栅测试，都是基于光栅与光栅间引线的熔接串联来实现的，但是光纤的熔接更易造成损坏断裂，且大大地增加其光损，从而影响其测试性能。为了提高结构应变测试的真实性、可靠性以及噪声鲁棒性，东南大学推出了长标距应变测试理念，以获取传感器标距内的平均应变，并成功运用于桥梁结构的健康监测中。但目前对于利用长标距光纤光栅进行锚杆承载情况、应力应变情况、损伤探测、以及围岩收敛变形和稳定性的测试和监测等研究在国内外检索尚无相关专利及相关文献。且至今开发的长标距应变传感器都是基于单个光栅独立封装而成，在需要多个传感器时，必须要通过光纤熔接机将传感器的引出光纤熔接起来，才能实现其串联目的。本专利技术将基于一体化集成多个传感单元的无熔接长标距多光栅传感器及多点温补传感器，提出一种新型的多功能FRP智能锚杆。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有高精确度、高耐久性、结构简单、造价低廉的基于纤维增强塑料和长标距光纤光栅的多功能FRP智能锚杆。本专利技术采用的技术方案为：一种多点温补的多功能FRP智能锚杆，包括无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器、FRP锚杆主体、引出光纤和软塑料套管；所述无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器经封装后植入在FRP锚杆主体生产过程中，制成一体化多点温补的多功能FRP智能锚杆；所述无熔接长标距多光栅传感器包括多个依次串联的长标距光纤光栅传感单元，所述长标距光纤光栅传感单元包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的两端分别固定在套管的锚固段；所述光纤光栅多点温度补偿辅助传感器包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的一端固定在套管的锚固段，另一端自由，套管两端封闭；所述无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器的引出光纤引从FRP锚杆主体内引出，并设在软塑料套管内。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术的智能锚杆原理简单可靠，结构设计新颖巧妙。本专利技术主要是利用与FRP锚杆于一体的光纤光栅传感器测量智能锚杆在不同深度的应变值，从而推算锚杆在不同深度的轴力，从而对锚杆的承载能力以及其锚固力作出判断和评价，同时也能对围岩在荷载等的作用下内部产生变形和位移变化作出一定的判断；(2)本专利技术的无熔接长标距多光栅传感器由多个串联的长标距光纤光栅传感单元组成，因此不仅测量不同深度的锚杆的应变和轴力情况，还能测量锚杆轴向的变形量，获取围岩等的沉降或滑移的位移；(3)本专利技术的测试精度高，多点温度补偿的设置可以实现精确的温度补偿，其测试精度可达1με；(4)本专利技术可对围岩多个位置的锚杆同时进行监测，可按照监测需求，在多个位置植入智能锚杆，实现一个区域的整体监测。(5)由于本专利技术的无熔接长标距多光栅传感器本身采用了复合材料和环氧树脂封装，其耐水防锈、耐腐蚀等性能优越，且不怕电磁屏蔽和干扰，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多点温补的多功能FRP智能锚杆，其特征在于：包括无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器、FRP锚杆主体、引出光纤和软塑料套管；所述无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器经封装后植入在FRP锚杆主体生产过程中，制成一体化多点温补的多功能FRP智能锚杆；所述无熔接长标距多光栅传感器包括多个依次串联的长标距光纤光栅传感单元，所述长标距光纤光栅传感单元包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的两端分别固定在套管的锚固段；所述光纤光栅多点温度补偿辅助传感器包括套管、封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅，光纤的一端固定在套管的锚固段，另一端自由，套管两端封闭；所述无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器的引出光纤引从FRP锚杆主体内引出，并设在软塑料套管内。

【技术特征摘要】
1.一种多点温补的多功能FRP智能锚杆，其特征在于：包括无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器、FRP锚杆主体、引出光纤和软塑料套管；所述无熔接长标距多光栅传感器、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器经封装后植入在FRP锚杆主体生产过程中，制成一体化多点温补的多功能FRP智能锚杆；所述无熔接长标距多光栅传感器包括多个依次串联的长标距光纤光栅传感单元，...

【专利技术属性】
技术研发人员：万春风，夏呈，吴智深，吴刚，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32