基于时频分析技术的锚杆无损检测试验研究与应用

摘要

随着地表及地下工程大规模建设的展开，锚杆锚固技术在各类工程中的应用越来越广泛。各类涉及到围岩支护的地表工程（如高边坡、深基坑等）一般都会见到锚杆的身影。目前，锚杆锚固技术也正向着地下发展，逐步在隧道、采矿等一些围岩支护工程中得到应用。由于锚杆支护属于隐蔽工程，锚固结构一旦起作用后，其锚固质量及其受力状态很难进行评价。目前，锚杆锚固质量及其受力状态的检测大多仍停留在破坏性拉拔试验阶段，这种检测手段确实行之有效，但耗费很大，而且会对锚杆加固的围岩造成扰动，甚至会严重降低锚杆的锚固作用。因此，迫切需要开发出一种既简便经济又可靠的检测锚杆施工质量、工作状态的方法，并制定与之相匹配的评价标准，为锚杆锚固质量的控制和可靠性的检测提供保障。在不对围岩造成过度扰动的前提下对锚杆铺固质量作出评价，以弥补传统检测方法的不足，适应大规模工程施工的需要。
　　本文首先介绍了锚杆无损检测方法在国内外的研究进展。介绍了超声波检测在锚杆无损检测方面的应用，并分析了超声波检测的弊端。随着技术的发展，国外率先采用锚杆的频率响应函数来评价锚杆的锚固质量，但由于技术不成熟，其检查方法也存在缺陷。后也有研究人员利用导向超声波原理进行锚杆的无损检测，但效果也不理想。二十世纪末，国内研究人员提出用应力波发射法检测锚杆的锚固质量，此方法可以做粗略评价，且评价时主观性较大。国内外的研究人员在这方面做出了很多贡献，他们的研究一般都基于一维杆件的波动理论。
　　一维杆件的波动理论是锚杆无损检测的理论基础，现行的理论一般都基于此理论。本文分别介绍了锚杆在轴向作用下的振动规律，锚杆—围岩系统的无损检测—维弹性应力波传播的规律、锚杆—围岩系统三维非均匀各向同性弹性体波动方程、锚杆—围岩系统的三维波动方程解法及锚杆无损检测信号的时频分析技术。在此基础理论之上根据前人的经验利用自主研发的的软件系统和测试设备建立锚杆模型试验，对不同规格的锚杆试验模型进行测试性研究，并对其波谱特征进行分析，最后通过模型试验结果建立起锚杆无损检测的评价标准。
　　根据以上论文内容得出了如下的研究成果:
　　(1)研究了锚杆声波检测反射的机理、反射波的时频域分析和信号的拟合方法。
　　(2)研究了锚杆—围岩系统瞬态激励响应的数学模型并给出了其波动方程的数值解法。
　　(3)首次利用HHT变换来提高锚杆信号分析的精度，将反射波在不同频段的波形特征进行EMD分解，提高了分析的准确性。介绍了Hilbert变换理论，根据瞬时频率、幅度、频率与时间的函数关系，可画出三维坐标下的Hilbert谱。
　　(4)通过锚杆试验模型首次建立了锚杆锚固质量无损检测的评价标准，具有一定的创新性和实用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文选题的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究技术路线

第2章 锚杆无损检测的理论基础

2．1 锚杆在轴向荷载作用下的振动规律

2．1．1 锚杆的一维纵向振动规律

2．1．2 不同边界条件下锚杆的一维纵向振动模型

2．1．3 锚杆在瞬态力作用下的振动

2．2 锚杆—围岩系统的无损检测一维弹性应力波传播的规律

2．3 锚杆—围岩系统三维非均匀各向同性弹性体波动方程

2．4 锚杆—围岩系统的三维波动方程解法

第3章 锚杆无损检测信号时频分析技术

3．1 时频分析技术

3．2 HHT理论简介

3．2．1 EMD分解

3．2．2 Hilbert谱

第4章 锚杆模型试验及测试研究

4．1 试验锚杆设计与制作

4．2 测试设备

4．3 锚杆测试影响因素

4．4 模型锚杆测试研究

4．4．1 长度为3米不同注浆程度的锚杆波谱特征分析

4．4．2 长度为4．5米不同注浆程度的锚杆波谱特征分析

4．4．3 长度为9米不同注浆程度的锚杆波谱特征分析

第5章 锚杆无损检测评价标准研究

5．1 评价锚杆质量的参数

5．2 评价依据和标准

5．3 检测结果及评价

结论

致谢

参考文献