基于分布式光纖傳感技術的軸向載荷作用下錨桿力學特性試驗研究

柏鑑逵, 李傳明

(安徽理工大學 礦業工程學院, 安徽 淮南 232001)

1 前言

地下開采活動中,錨桿支護是最常見的支護形式,由于錨桿主要安裝在圍巖內部,其自身的變形以及受力狀態難以判斷,在危險發生之前難以做出準確預判。因此,對錨桿力學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的復雜性,且在支護過程中與圍巖及錨固劑緊密接觸,使得錨桿應變的監測非常困難。因此,將分布式光纖傳感技術應用到錨桿軸向變形的研究中,為錨桿軸向應變的監測提供新的技術手段。

光纖傳感技術是最近幾年新發展起來的一門新的技術。隨著分布式光纖傳感技術的逐漸成熟,其已經從理論方面的研究轉變為工程中的實際應用。許多學者對光纖傳感技術在錨桿支護機理等方面進行了大量的研究,為本文的實驗研究提供了基礎。柴敬[1]通過對比光纖Bragg光柵傳感器與電阻應變片兩個監測系統的結果,得到了光纖Bragg光柵傳感器的分辨率與靈敏度優于電阻應變片的結論。林傳年等[2]利用了光纖傳感技術對隧道現場的檢測,得到了錨桿軸力的變形特征,為光纖傳感技術在巖土工程中的應用奠定了基礎。柴敬、趙文華等[3]通過光纖光柵傳感技術監測錨桿支護過程中的受力情況,驗證了光纖光柵端頭式測力計監測結果的準確性。張偉剛等[4]利用光纖布拉格光柵多點傳感網絡系統對溫度和位移進行了試驗研究,驗證了其結果與多點傳感理論的一致性。李東升等[5]推導了光纖傳感器測量的應變值與實際情況中應變狀態的關系,結果表明,需要對光纖傳感器測量的應變值進行修正后方能與實際應變狀態一致。高翔[6]研究了軸向拉應力作用下錨桿的變形特點以及應力波的傳播特性,揭示了軸向拉應力作用下錨桿的變形特點以及對應力波在錨桿中傳播特性的影響規律,為本文研究錨桿在軸向載荷作用下的力學特性提供了理論基礎。高俊啟等[7]對錨索的應力狀態進行檢測,結果表明分布式光纖傳感器測量精度較高,誤差較小。

可見,上述研究成果很大程度提高了人們對分布式光纖傳感技術的了解,但是對于其在地下煤礦錨桿支護監測方面的研究有待進一步深入。因此,本文通過分布式光纖傳感技術對錨桿在軸向載荷作用下的應變特征進行實時監測,并分析試驗過程中錨桿的軸向應變規律,為煤礦地下工程安全施工及災害防治提供理論依據和借鑒。

2 分布式光纖的應變監測原理

本次試驗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測應變傳遞規律。孫麗等[8]提出的基片式傳感器監測應變與基體結構應變之間的計算規律表明理論推導的準確性,所得出的應力傳遞方法可廣泛應用于實際工作。

本次試驗的分布式光纖傳感器的結構只包括纖芯與護套層,分布式光纖傳感技術的應變感應元件為光纖的纖芯部分,錨桿應變通過剪應力傳遞至纖芯,對于本次試驗錨桿桿體的軸向應變與分布式光纖的軸向應變關系見式(1)～式(3)。

εg=εmα(k,L)

(1)

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

(2)

式中,L為光纖傳感器的黏貼長度;k是與光纖和黏結材料特性有關的參數。

(3)

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

通過以上公式的計算可以得出錨桿的軸向應變εm,可以通過式(4)進一步計算出錨桿的軸向應力。

(4)

式中,Ni為錨桿在第點的軸向應力;D為錨桿直徑;E為錨桿的彈性模量;εi為錨桿在第i點處的應變值。

3 試驗方案

3.1 試驗測試系統

本次試驗系統主要包括錨固拉拔測試系統與光纖監測系統。錨固拉拔測試采用WJM-6500型微機靜載錨固試驗機,將錨桿臥于試驗機上,兩端分別用夾具固定,具體如圖1所示。

圖1 試驗測試系統

光纖監測系統采用高精度分布式光頻域應變溫度分析儀,可在一根光纖上可同時測量數千萬個傳感點,在高分辨率、高精度傳感領域得到廣泛應用。

3.2 試驗材料準備

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

表1 錨桿參數

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 試驗步驟

試驗開始之前,首先在拉拔儀的操控系統內填寫試驗的具體方案,具體如圖4所示。預加載指令的目的是將試件與拉拔測試系統的各部分緊密接觸,并且此過程中產生的數據不作為有效數據。在預加載完成后,利用高精度分布式光頻域應變溫度分析儀對錨桿的應變初始值進行監測并記錄。錨桿拉拔測試系統按照設置好的加載速度對錨桿施加軸向載荷,直到錨桿發生斷裂破壞,系統會自動判斷試驗結束。

圖4 試驗指令方案

在整個錨桿拉拔測試的過程中,位移與載荷的數據分別通過位移傳感器和壓力傳感器實時輸出到測試系統的顯示器。試驗加載的過程中,在錨桿達到塑性變形階段之前,每10 kN測量一次錨桿的應變值。在錨桿的塑性變形階段結束之后,每5 kN測量一次錨桿的應變值。直至錨桿破壞,測量結束。

4 結果分析

4.1 軸向載荷作用下錨桿的力學特性分析

由靜載錨固試驗機輸出的數據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,應力-應變成正比關系并逐漸增加,此時如果將軸向載荷卸掉,錨桿將恢復到原有的樣子;第二階段(a～b)為屈服階段,應力與應變不構成比例關系,錨桿在此階段發生了不可逆的塑性變形,應變增量大于應力增量;第三階段(b～c)為強化階段,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點到達拉拔負荷的最大值;第四階段(d點以后)為損傷失效階段,此階段的錨桿會在軸向載荷的作用下發生斷裂破壞。本文主要針對錨桿在發生斷裂破壞時的應力-應變狀態進行研究。

圖5 錨桿拉拔位移-負荷曲線圖

根據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的時間越長,所表現出的抵抗彈性變形的能力越強,并且斷裂破壞時的載荷更大。

4.2 軸向載荷作用下錨桿的應變特征分析

受外力作用的物體產生變形的程度叫做應變。應變可以用來反映物體的剛度、強度、穩定性和韌性。根據試驗所測得錨桿在拉拔過程中的應變數據,并結合錨桿的破壞變形狀態進行分析。根據試驗結果可知,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,可以看出錨桿發生斷裂的位置會產生頸縮現象,同時也表明伴隨著錨桿頸縮現象的發生,越靠近頸縮斷裂位置錨桿的應變增量越明顯,并且錨桿在該位置的應變也逐漸達到最大值。MG1和MG2兩根錨桿的應變特征如圖8、圖9所示。

圖6 MG1破壞圖

圖7 MG2破壞圖

圖8 MG1應變曲線圖

圖9 MG2應變曲線圖

如圖8和圖9所示,橫軸是錨桿延伸后的總長度,橫坐標表示錨桿的位置;縱坐標表示錨桿的應變值。圖10所示為錨桿頸縮位置關系圖,可以看出,隨著拉拔載荷的增大錨桿自身的整體應變狀態會出現增大的趨勢,而在錨桿發生斷裂的位置應變值的增量最大。

圖10 錨桿頸縮位置應變-負荷關系圖

MG1和MG2兩根錨桿的斷裂位置發生在不同的地方,同時表明錨桿頸縮現象發生的位置存在一定的隨機性。根據MG1的應變曲線圖可以看出錨桿左端的應變增量較大,表明其發生斷裂破壞的位置大約在距離端口0.21～0.42 m,斷裂時的最大載荷為258.3 kN。同時MG1在1.25～1.36 m區間內的應變增量也發生了小幅度變化,說明MG1在此區間內也發生了一定程度的變形,但是遠沒達到拉斷的程度。同理,根據MG2的應變曲線圖可以看出在靠近錨桿中間的位置應變增量較大,MG2發生斷裂破壞的位置大約在距離端口0.4～0.7 m區間內,斷裂時的最大載荷為189 kN。

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

5 結論

本文旨在探討分布式光纖傳感技術在錨桿軸向變形中的應用研究。通過分布式光纖傳感技術對兩根不同直徑的錨桿在軸向載荷作用下的變形特征進行實時監測,并結合二者的破壞狀態分析了錨桿在軸向變形過程中的應變規律。主要結論如下:

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

(2)錨桿隨軸向載荷增大應變逐漸增大,錨桿發生斷裂前會產生頸縮現象,錨桿頸縮斷裂位置附近應變增量較其他位置更大。

(3)分布式光纖傳感技術可以實時監測錨桿在軸向載荷作用下的應力-應變狀態,并且可以判斷錨桿斷裂破壞時頸縮現象產生的具體位置。