應(yīng)變式測(cè)力錨桿設(shè)計(jì)及在煤礦巷道中的應(yīng)用

　　摘 要：錨桿支護(hù)在礦山錨固工程中占有著重要的地位，為了解錨桿在施工過(guò)程中的受力狀態(tài)，需對(duì)錨桿的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文詳細(xì)介紹了應(yīng)變測(cè)力錨桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，礦用數(shù)字錨桿監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)原理及其應(yīng)用，并將該測(cè)力系統(tǒng)應(yīng)用于某煤礦，用其所測(cè)試的數(shù)據(jù)對(duì)錨桿的工作狀態(tài)以及圍巖安全狀況進(jìn)行分析，結(jié)果實(shí)時(shí)，可靠。該系統(tǒng)為煤礦實(shí)現(xiàn)信息化作業(yè)提供了一種可靠的手段，也為錨桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：測(cè)力錨桿 應(yīng)變測(cè)試 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　中圖分類(lèi)號(hào)：TD353文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791(2011)04(a)-0000-00
　　
　　1 引言
　　巖土錨固技術(shù)是近代巖土工程領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，由于它的安全、經(jīng)濟(jì)和有效，已愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域。其中，錨桿以它的主動(dòng)支護(hù)、有效強(qiáng)化圍巖強(qiáng)度、保持圍巖穩(wěn)定、施工簡(jiǎn)單、成本低、安全可靠、改善作業(yè)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，躍然成為世界各國(guó)巷道支護(hù)的首選支護(hù)手段，在礦山、交通、水電等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1]。
　　為了深入了解錨桿支護(hù)的受力狀態(tài)及應(yīng)變特點(diǎn)，通常需要對(duì)錨桿支護(hù)工程進(jìn)行試驗(yàn)研究和應(yīng)變參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)全長(zhǎng)錨固式支護(hù)錨桿在工作時(shí)期桿體不同深度處的受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便弄清錨桿在工作時(shí)的受力特性，而應(yīng)變測(cè)力錨桿使這些問(wèn)題迎刃而解[3]。
　　2 應(yīng)變式測(cè)力錨桿設(shè)計(jì)原理
　　實(shí)際工程當(dāng)中，為了更好的了解錨桿的受力狀態(tài)，通常我們會(huì)將一部分錨桿作為實(shí)驗(yàn)錨桿（應(yīng)變式測(cè)力錨桿）來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。由于測(cè)力錨桿不僅能作為測(cè)力裝置對(duì)錨桿受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且還要作為支護(hù)材料對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，因此，應(yīng)變式測(cè)力錨桿的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能與實(shí)際使用的錨桿相同。但為了對(duì)這些錨桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，必須對(duì)這些錨桿進(jìn)行特殊處理。為此在原錨桿桿體兩側(cè)各對(duì)稱(chēng)開(kāi)一矩形斷面溝槽[2]，如圖1所示。
　　
　　
　　該測(cè)力錨桿采用粘貼在錨桿矩形斷面溝槽上的電阻應(yīng)變片做傳感器來(lái)測(cè)定錨桿的受力狀態(tài)。當(dāng)錨桿所在區(qū)間圍巖變形時(shí)，由于粘結(jié)力或摩擦力使錨桿變形。因錨桿的彈性模量大于圍巖的彈性模量，錨桿束縛圍巖變形，使錨桿產(chǎn)生軸向力。當(dāng)錨桿端部的螺母拉緊后又產(chǎn)生附加軸向力，錨桿受力表面產(chǎn)生微小變形（伸長(zhǎng)或縮短），貼在其上的應(yīng)變片線(xiàn)柵亦隨之發(fā)生變形。應(yīng)變片的粘貼如圖2所示。
　　由于金屬線(xiàn)材的應(yīng)變效應(yīng)，線(xiàn)柵的電阻發(fā)生變化（增大或縮?。娮枳兓实拇笮∨c應(yīng)變片粘貼在錨桿位置處的應(yīng)變的大小成正比關(guān)系，再利用應(yīng)變儀測(cè)出各應(yīng)變片不同時(shí)間的應(yīng)變值。其關(guān)系式為：
　　 (1)
　　式中：為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。
　　因此，只要測(cè)出的變化率就可得出貼片處的應(yīng)變值。根據(jù)彈性力學(xué)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系或標(biāo)定的曲線(xiàn)可得出應(yīng)力值，按應(yīng)變值理論計(jì)算出貼片處所承受的軸向力即：
　　 (2)
　　式中：為應(yīng)變值；為鋼彈性模量；為測(cè)力錨桿的截面積。
　　3 應(yīng)變測(cè)力錨桿的標(biāo)定
　　錨桿在投入使用前，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。由于不同材質(zhì)、不同尺寸甚至不同加工工藝制作的錨桿桿體，其變形特征也不相同，所以必須對(duì)測(cè)力錨桿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定。將現(xiàn)場(chǎng)用的錨桿用上述方法在螺紋鋼上開(kāi)槽，槽的寬度、深度與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)力錨桿的相同，然后在槽內(nèi)對(duì)稱(chēng)粘貼2片工作應(yīng)變片，最后用導(dǎo)線(xiàn)將應(yīng)變片腳線(xiàn)引出來(lái)[6]。
　　將溫度補(bǔ)償應(yīng)變片貼在溫度補(bǔ)償上，然后將工作應(yīng)變片和溫度補(bǔ)償片按半橋的方式結(jié)成電橋，接橋線(xiàn)路如圖3所示（R2溫度補(bǔ)償應(yīng)變片，R1測(cè)試應(yīng)變片）。
　　
　　
　　在壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)上分別對(duì)錨桿進(jìn)行拉伸標(biāo)定，利用礦用數(shù)字錨桿監(jiān)測(cè)儀記錄錨桿在不同拉力下的應(yīng)變值。圖4為本文對(duì)其中的一根錨桿進(jìn)行的標(biāo)定曲線(xiàn)。從圖4我們可以看出，當(dāng)拉力達(dá)到170kN時(shí)，錨桿產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力就是該錨桿的屈服應(yīng)力，同時(shí)我們還可以根據(jù)此標(biāo)定曲線(xiàn)得出錨桿的彈性模量，最終可以得出錨桿的許用軸向拉應(yīng)力。
　　測(cè)力錨桿的安裝方法與一般錨桿的安裝方法基