[发明专利]一种高精度锚杆预应力施加测量装置及其使用方法

权利要求书

1.一种高精度锚杆预应力施加测量装置，其特征在于：包括套在锚杆(1)上的传感器套筒(5)，锚杆(1)尾部设有高强螺母(2)，传感器套筒(5)与高强螺母(2)之间设有高弹性压块(3)，传感器套筒(5)的后端设有用以抵在钻孔外侧围岩(16)上的翼缘，其中位于传感器套筒(5)内侧的锚杆(1)外表面包裹有弹性网(21)，弹性网(21)为多网格结构，每个网格结构的交点为金属位移感应结点(20)，传感器套筒(5)内壁上围绕弹性网(21)设有位移传感器(19)，位移传感器(19)与弹性网(21)不接触，位移传感器(19)通过设置在传感器套筒(5)内的数据线通道(17)设有数据线(18)并从传感器套筒(5)后端的接线口(8)延伸出去，金属位移感应结点(20)的位置信息能被置于传感器套筒(5)内的位移传感器(19)转化成数据，数据线(18)延伸出接线口(8)的部分通过数据线端口(24)与综合型数据读出机(15)连接，并将数据输送给综合型数据读出机(15)；

高弹性压块(3)上连接有环向应变计，环向应变计包括围绕高弹性压块(3)外侧设置的由多个节点串联构成的环向应变计链条(4)，环向应变计链条(4)上设有用以固定位置的应变计夹扣(9)，应变计夹扣(9)中间设有弹簧(7)，使得环向应变计链条(4)能够适应高弹性压块(3)的侧面周长并与其紧紧贴合，高弹性压块(3)被安装在传感器套筒(5)与高强螺母(2)之间，当高强螺母(2)向锚孔(22)方向拧时，高弹性压块(3)发生变形并产生预应力；应变计夹扣(9)能夹住环向应变计链条(4)的两个节点，其中一个节点能够通过联动轴心转杆(11)发生角位移，另一个节点则通过固定杆(10)与表盘(6)背面的圆心处固定位置，固定杆(10)与表盘(6)接触的位置设有3个用以固定表盘(6)与固定杆(10)的小尺寸固定螺栓(12)，所述的表盘(6)正面设有指针和刻度，位于表盘(6)中心位置的转轴因轴心转杆(11)发生角位移转动时指针发生偏转；所述的表盘(6)背面周围设有多个用以与传感器套筒(5)吸附固定的支脚(13)，支脚(13)上设有吸盘。

2.根据权利要求1所述的高精度锚杆预应力施加测量装置，其特征在于：锚杆(1)的尾端上设有远距离抗金属标签(14)，远距离抗金属标签(14)设置在锚杆(1)端头圆面中心位置，远距离抗金属标签(14)包括芯片和天线，所述的芯片可被综合型数据读出机(15)发送的信号激活工作，工作时其内部天线向被检测锚杆(1)发送声波，声波遇到锚固剂(23)硬化体后发生反射并由天线接收，同时返还声波传递时间数据至综合型数据读出机(15)，所述的标签选用型号为Impinj Monze 4QT无源标签芯片。

3.一种使用权利要求2所述一种高精度锚杆预应力施加测量装置的使用方法，其特征在于步骤如下：

步骤一，在围岩(16)设计锚孔(22)位置，对锚孔(22)端部0.5～1.0m处进行扩孔以形成安装大孔，安装大孔的尺寸与传感器套筒(5)尺寸匹配，从而使得传感器套筒(5)与安装大孔紧密接触，并且保证翼缘抵住锚孔(22)的外壁；

步骤二，将弹性网(21)套在锚杆(1)外端头指定位置，调整弹性网(21)上的金属位移感应结点(20)的位置使其在锚杆(1)外侧分布整齐，再将传感器套筒(5)套入锚杆(1)；

步骤三，将锚杆(1)连同传感器套筒(5)一起放入安装大孔后的锚孔(22)，传感器套筒(5)的翼缘紧贴于围岩(16)表面，发挥托盘作用；再将从接线口(8)延伸出的数据线(18)与综合型数据读出机(15)上的数据线端口(24)连接，操作综合型数据读出机(15)初始化，然后准备记录初始数据；

步骤四，将高弹性压块(3)套入锚杆(1)尾部的外露段，直到与传感器套筒(5)表面接触，随后在高弹性压块(3)侧面安装环向应变计链条(4)，调整轴心转杆(11)使得表盘(6)指针对应刻度为0，再用应变计夹扣(9)将环向应变计链条(4)固定，使得环向应变计链条(4)与高弹性压块(3)侧面紧密贴合，之后将表盘(6)后面的支脚(13)利用橡胶吸盘吸附在传感器套筒(5)表面，从而固定表盘(6)的位置，最后从锚杆(1)外露段旋转高强螺母(2)至高弹性压块(3)附近，并与高弹性压块(3)保持1～3mm的间距；

步骤五，将远距离抗金属标签(14)置于锚杆(1)外露段端头平面中心，远距离抗金属标签(14)内部设置的天线的目标阻抗在中心频点处与芯片的阻抗共轭匹配，随后使用综合型数据读出机(15)向远距离抗金属标签(14)内部芯片发送信号，控制其通过天线向锚杆(1)发送声波，声波顺着锚杆(1)传递并在锚固剂(23)处发生反射，反射的信号通过天线接收，基于声波从发射到被接收所需的时间，远距离抗金属标签(14)的芯片处理声波数据并将数据通过天线传输至综合型数据读出机(15)，综合型数据读出机(15)记录其为初始数据；

步骤六，用扭矩扳手将高强螺母(2)向锚孔(22)方向拧紧，对锚杆(1)施加设计大小的预应力40～90kN，根据高弹性压块(3)材料的弹性模量以及表盘(6)所反映的数据即可轻易地判断出预应力施加情况以及后续预应力损失情况；

步骤七，待预应力施加完毕后，任何时间想要获得预应力情况，只需将综合型数据读出机(15)连接至接线口(8)的数据线(18)，弹性网(21)上金属位移感应结点(20)位置变化数据能够反映锚杆轴向预应力、剪应力及完整性情况的信息，信息经由综合型数据读出机(15)记录并处理，其中反映锚杆(1)预应力情况的数据记作数据A；综合型数据读出机(15)再向远距离抗金属标签(14)发送特定激活功率，基于声波从发射到接收所用时长进行计算，可推算出锚杆(1)除包裹在锚固剂(23)中的锚固段长度变化，经由综合型数据读出机(15)处理后得到可以反映锚杆(1)整体预应力情况的数据C；同时高强螺母(2)挤压高弹性压块(3)，使得高弹性压块(3)发生轴向变形和环向变形，高弹性压块(3)所产生的环向变形以角位移的形式反映到表盘(6)上，记录表盘(6)上的指针位置变化，通过分析计算得到可以反映锚杆(1)预应力情况的数据B；

步骤八，将数据A、数据B、数据C进行相互对比验证，数据A反映的是土体内锚杆局部的预应力情况，数据B反映的是锚杆外露段施力预应力的情况，数据C反映的是锚杆除锚固段的整体预应力情况，结合上述情况综合考虑：当三组数据都符合预应力设计要求时，预应力锚杆支护的效果最为可靠；当只有一组数据不符合预应力设计要求时，预应力锚杆支护的效果较为可靠，但需要加强监测；当有两组数据不符合预应力设计要求时，预应力锚杆支护的效果不可靠，需要采取补强措施，通过实时监测锚杆预应力，动态反馈锚杆的实际预应力大小，用以确保预应力情况符合施工设计要求，避免发生安全事故。