[发明专利]荷载-位移转换装置及其应用方法

说明书

技术领域

本发明涉及地下工程锚固结构健康检测领域，具体地说是一种用于锚杆或锚索的荷载-位移转换装置及其应用方法。

背景技术

近年来，锚杆在地下工程支护领域获得了广泛的应用，对于降低支护成本和减少事故发挥了重要作用。由于锚杆埋置于围岩内部，属于隐蔽结构，其健康诊断以及支护作用评价较为困难。为了评估锚杆的支护作用和健康状态，一般将锚杆轴力作为重要评价指标，但是锚杆轴力的测量却非常困难。目前国内外采用的锚杆轴力测量方法主要包括：应变测量法、压力传感器测量法和振弦式锚杆测力计。

应变测量法是指在锚杆安装前，在锚杆轴向布设应变片或者光纤光栅，锚杆受力后产生一定的变形，可以测量锚杆的轴向应变，根据测得的应变计算锚杆的轴力。这种方法中采用的应变片和光纤光栅极易损坏，对周围环境要求较高，测量结果不稳定，测量结果一般只能作为参考。另外，光纤光栅应变测量系统成本较高。

压力传感器测量法是指在锚杆托盘处预先安装一个压力传感器，通过压力传感器直接测量锚杆轴力。这种方法测量精度可以保证，但是成本较高，单个压力传感器的成本达到上万元，如果不回收利用的话会造成极大的浪费，回收的话则会造成锚杆失效，威胁工程安全。

振弦式锚杆测力计首先将锚杆变形传递给振弦，从而改变振弦的振动频率。通过振弦频率检测可以得到振弦的变形，进而得到锚杆的变形，进而求得锚杆的轴力。这种方法需要预先将振弦的两端焊接在锚杆上，不仅操作复杂，焊接质量难以保证，而且还大大增加了锚杆的安装难度。

发明内容

本发明的目的在于将锚杆或锚索轴力的测量转化为位移的测量，从而降低轴力测量成本，提供一种荷载-位移转换装置及其应用方法。

其技术解决方案是：一种荷载-位移转换装置，其特征在于主要包括：异形钢、下垫板和上垫板，异形钢位于下垫板和上垫板之间，三者的中心位于同一轴线上；所述的异形钢，具有非平面结构，其中心设有孔洞，锚杆或锚索可以从该孔洞穿过，该异形钢具有不小于锚杆或锚索的最大轴力的法向承载力，随着异形钢所受荷载增加，其逐渐被压扁，异形钢所受荷载与产生的位移之间具有单调递增的关系；所述的下垫板和上垫板均为表面平整，中心设有孔洞的钢板，锚杆或锚索可以从孔洞穿过。

所述的异形钢几何形状有多种形式，以下仅列举两种：1）异型钢的外围形状为圆形，立体形状呈碗型；2）异型钢的外围形状为正方形，立体形状呈“M”曲面型。

本发明的应用方法是：

①对所述的荷载-位移转换装置进行力学和变形特性测试；通过压力机在法向对其进行压缩实验，得到荷载-位移转换装置的荷载-位移曲线；

②安装锚杆或锚索；采用常规方法将锚杆的内锚固段固定在锚孔之后，依次安装下垫板、异型钢和上垫板，使锚杆或锚索穿过它们预留的孔洞，然后紧固螺母；测量上垫板上表面和下垫板上表面之间的垂直距离；

③锚杆或锚索开始受力后，锚杆轴力通过螺母反作用在荷载-位移转换装置上，异型钢受力后产生变形；再次测量上垫板上表面和下垫板上表面之间的垂直距离，从而得到荷载-位移转换装置受压产生的相对位移；

④根据步骤①测得的荷载-位移转换装置的荷载-位移曲线，以及步骤③测得的相对位移，换算即可得到荷载-位移转换装置所受荷载，该荷载等于锚杆或锚索的轴力。

本发明的基本原理是：由于直接测量锚杆的轴力较为困难，根据本申请异型钢所受荷载和变形之间的关系，将荷载的测量转化为位移的测量，进而求得锚杆或锚索的轴力。

本发明的有益效果是：本申请提出的荷载-位移转换装置及其应用方法，使锚杆轴力测量变得简单易行，大大降低了测量成本，对于工程现场的动态反馈支护设计具有重要意义。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明所述的荷载-位移转换装置及其应用方法的原理示意图；

图2为所述异型钢一种优选实施方式的俯视示意图；

图3为图2沿MM面的剖面示意图；

图4为所述荷载-位移转换装置的荷载-位移曲线的一种。

具体实施方式