柏鑑逵, 李傳明

(安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

1 前言

地下開采活動(dòng)中,錨桿支護(hù)是最常見的支護(hù)形式,由于錨桿主要安裝在圍巖內(nèi)部,其自身的變形以及受力狀態(tài)難以判斷,在危險(xiǎn)發(fā)生之前難以做出準(zhǔn)確預(yù)判。因此,對(duì)錨桿力學(xué)性能的研究顯得尤為重要。由于埋入巖層中的錨桿受力狀態(tài)的復(fù)雜性,且在支護(hù)過程中與圍巖及錨固劑緊密接觸,使得錨桿應(yīng)變的監(jiān)測(cè)非常困難。因此,將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到錨桿軸向變形的研究中,為錨桿軸向應(yīng)變的監(jiān)測(cè)提供新的技術(shù)手段。

光纖傳感技術(shù)是最近幾年新發(fā)展起來的一門新的技術(shù)。隨著分布式光纖傳感技術(shù)的逐漸成熟,其已經(jīng)從理論方面的研究轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ讨械膶?shí)際應(yīng)用。許多學(xué)者對(duì)光纖傳感技術(shù)在錨桿支護(hù)機(jī)理等方面進(jìn)行了大量的研究,為本文的實(shí)驗(yàn)研究提供了基礎(chǔ)。柴敬[1]通過對(duì)比光纖Bragg光柵傳感器與電阻應(yīng)變片兩個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果,得到了光纖Bragg光柵傳感器的分辨率與靈敏度優(yōu)于電阻應(yīng)變片的結(jié)論。林傳年等[2]利用了光纖傳感技術(shù)對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè),得到了錨桿軸力的變形特征,為光纖傳感技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。柴敬、趙文華等[3]通過光纖光柵傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)錨桿支護(hù)過程中的受力情況,驗(yàn)證了光纖光柵端頭式測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。張偉剛等[4]利用光纖布拉格光柵多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)溫度和位移進(jìn)行了試驗(yàn)研究,驗(yàn)證了其結(jié)果與多點(diǎn)傳感理論的一致性。李東升等[5]推導(dǎo)了光纖傳感器測(cè)量的應(yīng)變值與實(shí)際情況中應(yīng)變狀態(tài)的關(guān)系,結(jié)果表明,需要對(duì)光纖傳感器測(cè)量的應(yīng)變值進(jìn)行修正后方能與實(shí)際應(yīng)變狀態(tài)一致。高翔[6]研究了軸向拉應(yīng)力作用下錨桿的變形特點(diǎn)以及應(yīng)力波的傳播特性,揭示了軸向拉應(yīng)力作用下錨桿的變形特點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)力波在錨桿中傳播特性的影響規(guī)律,為本文研究錨桿在軸向載荷作用下的力學(xué)特性提供了理論基礎(chǔ)。高俊啟等[7]對(duì)錨索的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果表明分布式光纖傳感器測(cè)量精度較高,誤差較小。

可見,上述研究成果很大程度提高了人們對(duì)分布式光纖傳感技術(shù)的了解,但是對(duì)于其在地下煤礦錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè)方面的研究有待進(jìn)一步深入。因此,本文通過分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)錨桿在軸向載荷作用下的應(yīng)變特征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并分析試驗(yàn)過程中錨桿的軸向應(yīng)變規(guī)律,為煤礦地下工程安全施工及災(zāi)害防治提供理論依據(jù)和借鑒。

2 分布式光纖的應(yīng)變監(jiān)測(cè)原理

本次試驗(yàn)采用表面黏貼的方式利用分布式光纖傳感器黏貼在錨桿表面來監(jiān)測(cè)應(yīng)變傳遞規(guī)律。孫麗等[8]提出的基片式傳感器監(jiān)測(cè)應(yīng)變與基體結(jié)構(gòu)應(yīng)變之間的計(jì)算規(guī)律表明理論推導(dǎo)的準(zhǔn)確性,所得出的應(yīng)力傳遞方法可廣泛應(yīng)用于實(shí)際工作。

本次試驗(yàn)的分布式光纖傳感器的結(jié)構(gòu)只包括纖芯與護(hù)套層,分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)變感應(yīng)元件為光纖的纖芯部分,錨桿應(yīng)變通過剪應(yīng)力傳遞至纖芯,對(duì)于本次試驗(yàn)錨桿桿體的軸向應(yīng)變與分布式光纖的軸向應(yīng)變關(guān)系見式(1)～式(3)。

εg=εmα(k,L)

(1)

式中,εg為分布式光纖傳感器的軸向應(yīng)變;εm為錨桿的軸向應(yīng)變;α(k,L)表示與光纖傳感器黏貼長(zhǎng)度有關(guān)的應(yīng)變傳遞系數(shù)。

(2)

式中,L為光纖傳感器的黏貼長(zhǎng)度;k是與光纖和黏結(jié)材料特性有關(guān)的參數(shù)。

(3)

式中,vc為黏結(jié)材料的泊松比;Ec為黏結(jié)材料的彈性模量;Eg為光纖的彈性模量;rg為光纖的外徑;rc為黏結(jié)材料的外徑。

通過以上公式的計(jì)算可以得出錨桿的軸向應(yīng)變?chǔ)舖,可以通過式(4)進(jìn)一步計(jì)算出錨桿的軸向應(yīng)力。

(4)

式中,Ni為錨桿在第點(diǎn)的軸向應(yīng)力;D為錨桿直徑;E為錨桿的彈性模量;εi為錨桿在第i點(diǎn)處的應(yīng)變值。

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

本次試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括錨固拉拔測(cè)試系統(tǒng)與光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。錨固拉拔測(cè)試采用WJM-6500型微機(jī)靜載錨固試驗(yàn)機(jī),將錨桿臥于試驗(yàn)機(jī)上,兩端分別用夾具固定,具體如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用高精度分布式光頻域應(yīng)變溫度分析儀,可在一根光纖上可同時(shí)測(cè)量數(shù)千萬個(gè)傳感點(diǎn),在高分辨率、高精度傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3.2 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)采取平行試驗(yàn)方法,分別選用規(guī)格為φ22 mm×1 300 mm和φ20 mm×1 300 mm的相同材質(zhì)礦用左旋螺紋鋼錨桿。錨桿的具體參數(shù)見表1。光纖傳感器選擇0.9 mm分布式應(yīng)變光纜。

表1 錨桿參數(shù)

每根錨桿分別在表面黏貼兩根分布式光纖傳感器,并在夾具需要夾緊的位置刻上長(zhǎng)度為5 cm、深度為1 mm的凹槽,以防止錨桿安裝夾具后在拉伸過程中將黏貼在錨桿上的分布式光纖傳感器夾斷,錨桿試件如圖2所示,光纖傳感器如圖3所示。

圖2 錨桿試件

圖3 光纖傳感器黏貼

3.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)開始之前,首先在拉拔儀的操控系統(tǒng)內(nèi)填寫試驗(yàn)的具體方案,具體如圖4所示。預(yù)加載指令的目的是將試件與拉拔測(cè)試系統(tǒng)的各部分緊密接觸,并且此過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不作為有效數(shù)據(jù)。在預(yù)加載完成后,利用高精度分布式光頻域應(yīng)變溫度分析儀對(duì)錨桿的應(yīng)變初始值進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄。錨桿拉拔測(cè)試系統(tǒng)按照設(shè)置好的加載速度對(duì)錨桿施加軸向載荷,直到錨桿發(fā)生斷裂破壞,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷試驗(yàn)結(jié)束。

圖4 試驗(yàn)指令方案

在整個(gè)錨桿拉拔測(cè)試的過程中,位移與載荷的數(shù)據(jù)分別通過位移傳感器和壓力傳感器實(shí)時(shí)輸出到測(cè)試系統(tǒng)的顯示器。試驗(yàn)加載的過程中,在錨桿達(dá)到塑性變形階段之前,每10 kN測(cè)量一次錨桿的應(yīng)變值。在錨桿的塑性變形階段結(jié)束之后,每5 kN測(cè)量一次錨桿的應(yīng)變值。直至錨桿破壞,測(cè)量結(jié)束。

4 結(jié)果分析

4.1 軸向載荷作用下錨桿的力學(xué)特性分析

由靜載錨固試驗(yàn)機(jī)輸出的數(shù)據(jù)可得錨桿拉拔過程中的位移-載荷特征曲線,兩組錨桿的曲線如圖5所示。由圖可知,錨桿在拉拔過程中,第一階段(0～a)為彈性階段,隨著軸向荷載的增加,應(yīng)力-應(yīng)變成正比關(guān)系并逐漸增加,此時(shí)如果將軸向載荷卸掉,錨桿將恢復(fù)到原有的樣子;第二階段(a～b)為屈服階段,應(yīng)力與應(yīng)變不構(gòu)成比例關(guān)系,錨桿在此階段發(fā)生了不可逆的塑性變形,應(yīng)變?cè)隽看笥趹?yīng)力增量;第三階段(b～c)為強(qiáng)化階段,錨桿在該階段的抵抗塑性變形的能力又得到了提高,變形程度加快,c點(diǎn)到達(dá)拉拔負(fù)荷的最大值;第四階段(d點(diǎn)以后)為損傷失效階段,此階段的錨桿會(huì)在軸向載荷的作用下發(fā)生斷裂破壞。本文主要針對(duì)錨桿在發(fā)生斷裂破壞時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行研究。

圖5 錨桿拉拔位移-負(fù)荷曲線圖

根據(jù)錨桿拉拔過程中的位移-載荷特征曲線可知,直徑越大的錨桿在彈性階段持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng),所表現(xiàn)出的抵抗彈性變形的能力越強(qiáng),并且斷裂破壞時(shí)的載荷更大。

4.2 軸向載荷作用下錨桿的應(yīng)變特征分析

受外力作用的物體產(chǎn)生變形的程度叫做應(yīng)變。應(yīng)變可以用來反映物體的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性和韌性。根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)得錨桿在拉拔過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù),并結(jié)合錨桿的破壞變形狀態(tài)進(jìn)行分析。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知,MG1在拉拔之后的延伸率為18.9%,MG2在拉拔之后的延伸率為15.8%。

圖6、圖7所示為錨桿試件斷裂之后的破壞狀態(tài),可以看出錨桿發(fā)生斷裂的位置會(huì)產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象,同時(shí)也表明伴隨著錨桿頸縮現(xiàn)象的發(fā)生,越靠近頸縮斷裂位置錨桿的應(yīng)變?cè)隽吭矫黠@,并且錨桿在該位置的應(yīng)變也逐漸達(dá)到最大值。MG1和MG2兩根錨桿的應(yīng)變特征如圖8、圖9所示。

圖6 MG1破壞圖

圖7 MG2破壞圖

圖8 MG1應(yīng)變曲線圖

圖9 MG2應(yīng)變曲線圖

如圖8和圖9所示,橫軸是錨桿延伸后的總長(zhǎng)度,橫坐標(biāo)表示錨桿的位置;縱坐標(biāo)表示錨桿的應(yīng)變值。圖10所示為錨桿頸縮位置關(guān)系圖,可以看出,隨著拉拔載荷的增大錨桿自身的整體應(yīng)變狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)增大的趨勢(shì),而在錨桿發(fā)生斷裂的位置應(yīng)變值的增量最大。

圖10 錨桿頸縮位置應(yīng)變-負(fù)荷關(guān)系圖

MG1和MG2兩根錨桿的斷裂位置發(fā)生在不同的地方,同時(shí)表明錨桿頸縮現(xiàn)象發(fā)生的位置存在一定的隨機(jī)性。根據(jù)MG1的應(yīng)變曲線圖可以看出錨桿左端的應(yīng)變?cè)隽枯^大,表明其發(fā)生斷裂破壞的位置大約在距離端口0.21～0.42 m,斷裂時(shí)的最大載荷為258.3 kN。同時(shí)MG1在1.25～1.36 m區(qū)間內(nèi)的應(yīng)變?cè)隽恳舶l(fā)生了小幅度變化,說明MG1在此區(qū)間內(nèi)也發(fā)生了一定程度的變形,但是遠(yuǎn)沒達(dá)到拉斷的程度。同理,根據(jù)MG2的應(yīng)變曲線圖可以看出在靠近錨桿中間的位置應(yīng)變?cè)隽枯^大,MG2發(fā)生斷裂破壞的位置大約在距離端口0.4～0.7 m區(qū)間內(nèi),斷裂時(shí)的最大載荷為189 kN。

通過對(duì)比兩根不同直徑的錨桿在軸向拉拔載荷作用下的應(yīng)變規(guī)律,不同之處是直徑大的錨桿發(fā)生斷裂位置的應(yīng)變值較大;相同點(diǎn)在于兩者的應(yīng)變規(guī)律基本一致,且錨桿在兩個(gè)夾具固定的中間位置的整體應(yīng)變都有增大的趨勢(shì)。

5 結(jié)論

本文旨在探討分布式光纖傳感技術(shù)在錨桿軸向變形中的應(yīng)用研究。通過分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)兩根不同直徑的錨桿在軸向載荷作用下的變形特征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并結(jié)合二者的破壞狀態(tài)分析了錨桿在軸向變形過程中的應(yīng)變規(guī)律。主要結(jié)論如下:

(1)軸向載荷作用下,錨桿位移-負(fù)荷曲線的整體規(guī)律基本一致,但直徑越大的錨桿在彈性階段所表現(xiàn)出的抵抗彈性變形的能力越強(qiáng),并且斷裂破壞時(shí)的極限載荷更大。

(2)錨桿隨軸向載荷增大應(yīng)變逐漸增大,錨桿發(fā)生斷裂前會(huì)產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象,錨桿頸縮斷裂位置附近應(yīng)變?cè)隽枯^其他位置更大。

(3)分布式光纖傳感技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錨桿在軸向載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài),并且可以判斷錨桿斷裂破壞時(shí)頸縮現(xiàn)象產(chǎn)生的具體位置。