[发明专利]一种微型锚杆FBG传感单元的设制与光纤的封装方法

说明书

技术领域

本发明属于土木工程岩、土体用锚杆加固模型试验技术领域，涉及一种微型锚杆FBG传感单元的设制与光纤的封装方法。 

背景技术

锚杆作为岩、土体工程加固中一种重要的手段，已广泛应用于土木工程的多个领域。但由于锚杆工作环境(岩土体)的复杂性和不确定性，施工工艺的多样性，其在具体工程中的受力特性与大小目前还处在估算阶段。因此，模型试验是现阶段研究与解决这个问题的有效方法之一。 

试验用模型一般都是几何缩尺寸的结构，在模型试验中起关键作用的锚杆按相似准则确定后，其几何尺寸一般都很小，可称之为徽型锚杆。按现有的技术水平，在模型试验中一般只能测岩土工程结构体用微型锚杆加固后的总体效果，对于设计与分析有重要意义的锚杆受力状态，因微型锚杆尺寸太小，无法对其进行内力的测试而降低了模型试验的效能。 

现有技术中，公告号为101358886B的发明专利提出一种光纤光栅锚杆测力装置及监测锚杆应力变化的方法，其要量测锚杆的受力状态，采用了光纤光栅技术量测锚杆的力，但是该发明技术量测的是实际工程中锚杆的外力(杆端集中力)，由于微型锚杆尺寸非常小，量测的难度就相对非常地大。 

现有文献中：(1)《岩石力学与工程学报》2009年5月，文章名称为“软岩隧道锚杆支护作用的模型试验研究”;(2)《岩土力学》2008年 7月，文章名称为“深埋长隧锚杆对围岩支护效应的模型试验研究”；(3)《岩土力学》2011年4月，文章名称为“深埋隧道锚杆支护作用的数值模拟与模型试验研究”。这三篇现有公开的文献都以实际工程为研究对象，分别选用φ2.0mm和φ3.0mm竹签为试验用锚杆资料。获国家自然科学基金资助的第11技术文献还用应变片对锚杆内力进行了量测，试验选用直径为3mm的竹签作为模型用锚杆，在竹签表面粘贴BEl20---3AA电阻应变片测锚杆的内力，但BEl20---3AA电阻应变片的敏感栅尺寸为3*2mm，基底尺寸为6.8*3.8mm，可见量测元件的尺寸大于被测构件的尺寸，若不是实在没办法，这种方式是不可取的。 

如前所述，用锚杆加固岩土体工程技术虽然已在实际中广泛应同，但因受多种因素的影响，目前对锚杆的受力状况还认识不清，计算不准。则对这个问题的研究具有普遍的应用与理论价值。在对这个问题的研究方法上，模型试验是一种重要的方法。与原型试验与理论分析方法相比，模型试验法具有变量可控、结果可信、见效快、用时少、费用低的优点。 

在现阶段，因受多种因素的影响，现有技术中还不能对微型锚杆的内力(应力或应变沿杆长的分布)进行有效的量测。其困难在于： 

1.受相似定律的制约，微型锚杆的几何尺寸很小，现有的常规传感元件几何尺寸相比较大，无法对其进行量测。如前在现有技术文献中所述的采用在试验锚杆上贴电阻应变片的技术，也只是对一定尺寸，比如φ>8mm以上的锚杆才能用，对于φ<2mm的微型锚杆，因现有应变片尺寸相对较大而无法粘贴应用。同时，因电阻应变量测需组成电桥桥路，则不论什么桥路，例如全桥、半桥、1／4桥等，都需绝缘电线与应变 片联结，每个应变片需正负两根电线与其联结，对于相似模型试验来说，从测点引出至少两根以上的联结电线，相当于又给岩土体结构加了一项锚索作用，这种影响是显而易见、不能乎视甚至是不能采用的。 

2.受相似定律的制约，微型锚杆的几何尺寸很小，且其刚度也很小。若为了测锚杆的内力，测试元件的刚度相对较大，也将直接影响测试结果，严格地说是不能这样用的。但目前常规的测量技术，除用应变片自成量测系统外，现成最小的传感元器件.因为都要在弹性状态下工作，其刚度相对比按相似率设计的微型锚杆要大得多，因此还没有见到在锚杆模型试验中采用商业传感元器件量测内力的报道。 

3.受相似定律的制约，微型锚杆的几何尺寸很小，质量也小，对于一些主要受重力作用影响的模型试验，例如土工离心模型试验，测试元器件的质量、甚至包括导线的质量影响是绝对不能忽视的。这也是影响微型锚杆内力量测技术的困难之一。 

4.从结构意义上讲，锚杆的轴向相对刚度大，不易变形，而横向相对容易发生挠曲变形。对于有挠曲变行的细长杆件进行内力和其分布的量测，在模型试验里既有重要意义，又有相当的难度。 

总的来说，要解决在模型试验的微型锚杆上、采用微型几何尺寸传感技术、相应的微型几何尺寸传感技术元件的刚度要小、质量要小、要小到不对被测试件造成过大的物理影响。这就是本发明申请所要解决的总体问题。 

发明内容