振弦式测力结构、锚杆检测装置以及检测方法与流程

本技术涉及岩土应力检测，尤其涉及一种振弦式测力结构、锚杆检测装置以及检测方法。

背景技术：

1、在岩土工程技术领域，应力的检测与检测是保障工程结构安全、掌握地层力学状态的核心环节，对工程设计优化、风险预警及安全运维具有重要意义。目前，岩土工程中常用的应力采集结构主要包括电阻应变式传感器、压电式传感器、光纤式传感器、电容式传感器及振弦式传感器等。

2、具体的，振弦式传感器输出的信号为钢弦的动态频率，通过动态频率计算即可得到锚杆的应力值。由于钢弦的频率值仅取决于钢弦自身的物理特性，而不受电阻、电容、温度、湿度等外界环境参数的干扰，因此振弦式传感器具备优良的测量性能以适用于矿山井下等复杂的检测环境。

3、然而，针对复杂岩性地层，比如高应力硬岩、高应力软岩、破碎岩体时，现有的振弦式传感器因钢弦与工作膜片之间的机械阻抗匹配不佳，继而会导致无法准确响应不同岩性地层的动态应力变化，导致其地层适应性差，且测量线性度与灵敏度均不佳。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种振弦式测力结构、锚杆检测装置以及检测方法，旨在解决如何提高振弦式测力结构的地层适应性、测量线性度和灵敏度的问题。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种振弦式测力结构，包括：

3、半球形的传力盖帽，用于套设在锚杆上且抵顶在所述锚杆上的锚杆螺母和托板之间；其中，所述传力盖帽的朝向所述托板的一面的直径范围为100mm-220mm，所述传力盖帽在沿所述锚杆的轴向上的高度范围为所述传力盖帽的朝向所述托板的一面的直径的四分之一至二分之一；

4、模板组件，位于所述传力盖帽内且分别与所述传力盖帽和所述托板抵顶配合，所述模板组件的部分可在所述传力盖帽的压力作用下变形；

5、钢弦组件，设于所述模板组件的远离所述锚杆螺母的一侧；

6、频率检测元件，设于所述模板组件和所述钢弦组件之间且被配置为检测获取所述钢弦组件在压力作用下的动态频率；

7、以及信息处理单元，与所述频率检测元件电连接，且被配置为接收所述动态频率并结合所述钢弦组件的初始频率计算获取所述锚杆承载的应力值；其中，所述动态频率与应力值满足如下关系：p=a（f动2-f02）-b（f动-f0）；

8、其中，p为应力值，a、b均为曲线常数，f0为初始频率，f动为动态频率。

9、在一些实施例中，所述锚杆插设在高应力硬岩内时，所述传力盖帽的朝向所述托板的一面的直径范围为100mm-120mm，所述传力盖帽在沿所述锚杆的轴向上的高度范围为所述传力盖帽的朝向所述托板的一面的直径的三分之一至二分之一；

10、和/或，所述锚杆插设在高应力软岩内时，所述传力盖帽的朝向所述托板的一面的直径范围为180mm-220mm，所述传力盖帽在沿所述锚杆的轴向上的高度范围为所述传力盖帽的朝向所述托板的一面的直径的三分之一至二分之一；

11、和/或，所述锚杆插设在破碎岩体内时，所述传力盖帽的朝向所述托板的一面的直径范围为180mm-220mm，所述传力盖帽在沿所述锚杆的轴向上的高度范围为所述传力盖帽的朝向所述托板的一面的直径的四分之一至三分之一。

12、在一些实施例中，所述模板组件为至少两个，至少两个所述模板组件分设在所述锚杆的两侧，所述钢弦组件和所述频率检测元件均为至少两个，且至少两个所述钢弦组件和至少两个所述频率检测元件均与至少两个所述模板组件一一对应；

13、所有所述频率检测元件均与所述信息处理单元电连接，所述信息处理单元根据各所述钢弦组件的动态频率与初始频率计算得到至少两个轴力值，且对各轴力值进行偏差校验，并对校验合格的轴力值经算术平均或加权平均得到所述应力值。

14、在一些实施例中，各所述模板组件的靠近所述锚杆螺母的一侧均设置有传压板，且所有所述传压板和所述传力盖帽之间抵顶设置有承压板。

15、在一些实施例中，所述模板组件包括可变形模板以及承载柱，所述可变形模板与所述传力盖帽抵顶配合，所述承载柱位于所述可变形模板的朝向所述托板的一侧且与所述托板抵顶配合；

16、和/或，所述频率检测元件包括磁头；

17、和/或，所述信息处理单元包括信息传输元件和与所述信息传输元件电连接的信息处理显示元件，所述信息传输元件与所述频率检测元件电连接且被配置为将所述动态频率传输至所述信息处理显示元件，所述信息处理显示元件被配置为接收输入的初始频率和动态频率并基于所述动态频率与所述初始频率计算得到应力值后显示；

18、和/或，所述钢弦组件包括至少两个设于所述模板组件的远离所述锚杆螺母的一侧的安装柱以及设于所述安装柱之间的钢弦，所述频率检测元件用于检测获取所述钢弦的动态频率。

19、第二方面，本技术实施例提供一种锚杆检测装置，包括锚杆、锚杆螺母、托板以及振弦式测力结构；

20、所述锚杆的一端用于插设至岩体内且所述锚杆的另一端位于所述岩体外，所述锚杆螺母设置在所述锚杆的另一端，所述托板设于所述锚杆的另一端且位于所述锚杆螺母的靠近所述锚杆的一端的一侧。

21、在一些实施例中，所述岩体为高应力硬岩时，所述托板的长度尺寸范围为100mm-200mm，所述托板的宽度尺寸范围为100mm-200mm，所述托板的厚度尺寸范围为10mm-15mm：

22、和/或，所述岩体为高应力软岩时，所述托板的长度尺寸范围为200mm-300mm，所述托板的宽度尺寸范围为200mm-300mm，所述托板的厚度尺寸范围为10mm-15mm：

23、和/或，所述岩体为破碎岩体时，所述托板的长度尺寸范围为200mm-300mm，所述托板的宽度尺寸范围为200mm-300mm，所述托板的厚度尺寸范围为10mm-15mm。

24、第三方面，本技术实施例提供一种利用锚杆检测装置对锚杆进行受力检测的检测方法，包括：

25、步骤s1、将锚杆检测装置安装在预设的岩体上；

26、步骤s2、通过频率检测元件检测获取钢弦组件的动态频率；

27、步骤s3、通过信息处理单元接收所述动态频率，并基于所述动态频率以及所述钢弦组件的初始频率计算获取所述锚杆承载的应力值。

28、在一些实施例中，步骤s1包括：

29、在预设的岩体上钻孔，且对钻孔进行清孔；

30、将锚杆的一端插设在所述钻孔内，并在所述钻孔内注入锚固剂，待所述锚固剂固化后将所述锚杆固定在所述钻孔内；

31、将托板、振弦式测力结构依次安装在所述锚杆的另一端上，并在所述锚杆的另一端安装锚杆螺母进行紧固；

32、和/或，在步骤s1之前，所述检测方法还包括：

33、对所述振弦式测力结构进行刚性加载标定，以获取曲线常数a1和曲线常数b1；

34、对所述振弦式测力结构进行柔性加载标定，以获取曲线常数a2和曲线常数b2；

35、对a1和a2取均值得到曲线常数a，对b1和b2取均值得到曲线常数b。

36、在一些实施例中，当设置所述模板组件、所述钢弦组件和所述频率检测元件均包括至少两个时，步骤s3包括：

37、通过所述信息处理单元接收各所述钢弦组件的动态频率和初始频率并计算得到至少两个轴力值；

38、将所有所述轴力值进行偏差校验，并对校验合格的轴力值经算术平均或加权平均得到所述应力值。

39、在一些实施例中，将所有所述轴力值进行偏差校验，并对校验合格的轴力值经算术平均或加权平均得到所述应力值的方法包括：

40、对任意两个轴力值进行偏差计算得到相对偏差率，并与预设偏差率阈值对比；

41、若相对偏差率小于预设偏差率阈值的下限，则认定校验合格且对所述轴力值取均值得到所述应力值；

42、若相对偏差率处于预设偏差率阈值的范围内，则认定校验合格且对所述轴力值进行加权平均得到所述应力值；

43、若相对偏差率大于预设偏差率阈值的上限，则认定校验不合格且轴力值无效。

44、本发明的有益效果是：

45、本技术提供一种振弦式测力结构、锚杆检测装置以及检测方法，该振弦式测力结构包括半球形的传力盖帽、模板组件、钢弦组件、频率检测元件以及信息处理单元。半球形的传力盖帽用于套设在锚杆上且抵顶在锚杆上的锚杆螺母和托板之间。其中，传力盖帽的朝向托板的一面的直径范围为100mm-220mm，传力盖帽在沿锚杆的轴向上的高度范围为传力盖帽的朝向所述托板的一面的直径的四分之一至二分之一。模板组件位于传力盖帽内且分别与传力盖帽和托板抵顶配合，模板组件的部分可在传力盖帽的压力作用下变形，钢弦组件设于模板组件的远离锚杆螺母的一侧。频率检测元件设于模板组件和钢弦组件之间且被配置为检测获取钢弦组件在压力作用下的动态频率，信息处理单元与频率检测元件电连接，且被配置为接收动态频率并基于钢弦组件的初始频率计算获取锚杆承载的应力值，以此实现锚杆承载的应力的精确检测。

46、与此同时，本技术通过合理设置传力盖帽的尺寸范围，从而可以根据锚杆所支撑的岩体的岩性进行合理的尺寸设定，以调节整个振弦式测力结构的综合刚度和应力传递特性，继而起到优化模板组件与钢弦组件的机械阻抗匹配的目的，以提升整个振弦式测力结构的地层适应性、测量线性度与灵敏度。