一种利用低频导波对锚杆工作载荷进行无损检测的方法

摘要

本发明涉及一种利用低频导波对锚杆的工作载荷进行无损检测的方法，可以现场检测锚固锚杆的工作载荷的变化，属于无损检测领域。该方法首先确定导波在自由锚杆中的传播速度和端锚锚杆自由段的长度，然后确定导波在预紧力作用端锚锚杆自由段中的传播速度，最后建立工作载荷与导波在端锚锚杆自由段传播时间的关系曲线，在此基础上，通过检测导波在端锚锚杆锚固段上界面的反射回波及在自由段的传播时间，即能确定工作载荷的大小。该方法可以对锚固锚杆的工作载荷进行检测，可信度增高，而且方法简单，操作性强，易于实时监控。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用导波对锚杆的工作载荷进行无损检测的方法，可以现场检测锚固锚杆的工作载荷，属于无损检测领域。

背景技术

随着采掘业发展，地下结构的稳定性问题日益引起了人们的关注，对于巷道围岩稳定性检测的研究已发展到一个新的阶段，并有了不少成熟的技术，诸如巷道表面收敛位移、深基点位移量测、围岩松动圈理论及检测，这些技术在煤矿巷道围岩稳定性控制方面得到了广泛的应用。但这些对巷道结构围岩稳定性的研究均以固体力学中的静力学为主要手段，以围岩变形为主要研究对象，所采用的观察手段和仪器设备均以静态和准静态测试为主，这就导致了所获取的反应围岩稳定性信息存在滞后性，也就决定了由此做出的围岩稳定性控制措施和手段的被动性。

锚杆支护作为一种主动支护形式，被广返应用于巷道围岩的支护系统当中。锚杆的工作载荷与围岩的地质构造、断面尺寸、锚杆布置参数等多种因素有关，它是影响围岩稳定性的关键参数。通过对锚杆工作载荷的检测，能够直接、实时地掌握围岩稳定性控制的核心-围岩应力的活动规律，从而有可能在巷道围岩及其支护结构失稳、垮落之前，采取有效的加固措施，从而达到主动控制围岩稳定性的目的。

在工程实际中，尚未形成一种有效的无损检测方法来测量锚固锚杆的工作载荷。因此，对锚杆的工作载荷进行无损检测是对地下结构稳定性分析亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决有效测量锚固锚杆的工作载荷的问题，提出一种利用低频导波对锚杆工作载荷进行无损检测的方法。导波沿传播路径衰减很小，可以沿构件传播非常远的距离，最远可达几十米。特别是低频导波，对于锚杆的工作载荷变化敏感，并且低频导波在锚杆中的传播速度与工作载荷呈线性递减关系，因此，低频导波检测能够对锚杆的工作载荷进行可靠而有效的检测。

本发明所采用的技术方案如下：

步骤一、使用低频导波信号，对待检测的锚固锚杆进行检测，确定出能清晰地接收到端锚锚杆锚固段上界面反射回波时的激发导波频率f。低频导波信号的频率范围为大于0kHz，且小于等于300kHz。

较佳的，所使用的低频导波信号的频率范围为20～100kHz。

步骤二、使用经步骤一确定出的频率为f的激发导波，检测与待检测的锚固锚杆同一批次的另一根自由锚杆，由此确定出此频率的激发导波在该自由锚杆中的传播速度V_f；

步骤三、使用经步骤一确定出的频率为f的激发导波，在未施加工作载荷状态下，对待检测的锚固锚杆进行检测.根据激发导波在未施加工作载荷的端锚锚杆自由段的传播时间t，及经步骤二确定出的传播速度V_f，确定出端锚锚杆自由段长度L：

L＝(t×V_f)/2

由于低频导波在锚杆中传播时受界面影响较大，在特定的频率下，可以清晰地得到导波在端锚锚杆锚固段上界面的反射回波，并测得导波在端锚锚杆自由段的传播时间，与低频导波在自由锚杆中的传播速度既可求得端锚锚杆自由段的长度。

步骤四、对待检测的锚固锚杆施加预紧力F’，其值由加载仪器读出，根据经步骤三确定的端锚锚杆自由段长度L，及频率为f的导波在预紧力作用端锚锚杆自由段的传播时间Δt_AB′，确定出该导波在预紧力作用端锚锚杆自由段的传播速度V_f^F′：

${V_f}^{F^{\prime }}=\frac{2(1+\frac{F^{\prime }}{\pi r^{2}E})L}{\Delta {t_{\mathrm{AB}}}^{\prime }}$

上式中，E为锚杆的弹性模量，r为锚杆的半径。

步骤五、在任意时刻，测量出频率为f的导波在工作载荷F作用端锚锚杆自由段传播的时间Δt_AB，根据前述各步骤的结果，确定出锚固锚杆的工作载荷：

$F=\frac{\pi r^2\mathrm{E\Delta }{t}_{\mathrm{AB}}(V_f-\frac{2L}{{\mathrm{\Delta t}}_{\mathrm{AB}}})F^{\prime }}{2{\mathrm{LF}}^{\prime }+{\mathrm{\pi r}}^2\mathrm{E\Delta }{t}_{\mathrm{AB}}(V_f-{V_f}^{F^{\prime }})}$

至此，就完成了利用低频导波对锚杆工作载荷进行无损检测的工作。通过检测导波在端锚锚杆自由段的传播时间，可以监测工作载荷的变化。

有益效果

本发明对比现有技术，具有以下优点：

(1)测试深度大，适合检测工程实际中锚杆的工作载荷；

(2)检测精度高，误差能够满足工程要求；

(3)检测方法简单，操作性强，易于实时监控；

(4)检测成本低。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明具体实施方式中实测波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明方法做进一步的详细说明。

一种利用低频导波对锚杆工作载荷进行无损检测的方法，如图1所示，具体实施步骤如下：

步骤一、使用20～100kHz范围的低频导波信号，对待检测的锚固锚杆进行检测，确定出能清晰地接收到端锚锚杆锚固段上界面反射回波时的激发导波频率f。图2为使用导波检测锚固锚杆的时域波形图，A为激发波峰值点，B为导波在锚固段上界面反射回波峰值点，Δt_AB为导波在锚固段上界面的反射回波与激发导波的时间差。

步骤二、使用经步骤一确定出的频率为f的激发导波，检测与待检测的锚固锚杆同一批次的另一根自由锚杆，由此确定出此频率的激发导波在该自由锚杆中的传播速度V_f；

步骤三、使用经步骤一确定出的频率为f的激发导波，在未施加工作载荷状态下，对待检测的锚固锚杆进行检测。根据激发导波在未施加工作载荷的端锚锚杆自由段的传播时间t，及经步骤二确定出的传播速度V_f，确定出端锚锚杆自由段长度L：

L＝(t×V_f)/2

步骤四、对待检测的锚固锚杆施加预紧力F’，其值由加载仪器读出，根据经步骤三确定的端锚锚杆自由段长度L，及频率为f的导波在预紧力作用端锚锚杆自由段的传播时间Δt_AB′，确定出该导波在预紧力作用端锚锚杆自由段的传播速度V_f^F′：

${V_f}^{F^{\prime }}=\frac{2(1+\frac{F^{\prime }}{\pi r^{2}E})L}{\Delta {t_{\mathrm{AB}}}^{\prime }}$

上式中，E为锚杆的弹性模量，r为锚杆的半径。

步骤五、在任意时刻，测量出频率为f的导波在工作载荷F作用端锚锚杆自由段传播的时间Δt_AB，根据前述各步骤的结果，确定出锚固锚杆的工作载荷：

$F=\frac{\pi r^2\mathrm{E\Delta }{t}_{\mathrm{AB}}(V_f-\frac{2L}{{\mathrm{\Delta t}}_{\mathrm{AB}}})F^{\prime }}{2{\mathrm{LF}}^{\prime }+{\mathrm{\pi r}}^2\mathrm{E\Delta }{t}_{\mathrm{AB}}(V_f-{V_f}^{F^{\prime }})}$

至此，就完成了利用低频导波对锚杆工作载荷进行无损检测的工作。

下面通过实施例对本发明方法进行说明。

使用20～100kHz频率导波，对待检测端锚锚杆进行检测，锚杆的半径为20mm，弹性模量E为210e9Pa。由测试波形，确定50kHz和60kHz导波在端锚锚杆锚固端上界面有明显回波信号，下面使用这两种频率导波信号检测端锚锚杆的工作载荷。

实施例1

使用频率为50kHz的激发导波检测一自由锚杆，测得V_f＝5010.4m/s，根据步骤三测得频率为50kHz导波在未施加工作载荷的端锚锚杆自由段的传播时间t＝3.992e-4s，然后确定出端锚锚杆自由段长度L＝1m。对待检测的锚固锚杆施加预紧力F’＝40kN，该导波在预紧力作用端锚锚杆自由段的传播时间Δt_AB′＝3.995e-4s，则由步骤四得到该导波在预紧力作用端锚锚杆自由段的传播速度V_f^F′＝5008.8m/s.测量出该导波在工作载荷F作用端锚锚杆自由段传播的时间Δt_AB＝4.001e-4，由步骤五计算得到工作载荷F＝100.628kN，而工作载荷的实际值为100kN，误差仅为0.628％。

实施例2

使用频率为60kHz的激发导波检测一自由锚杆，测得V_f＝4936m/s，根据步骤三测得频率为60kHz导波在未施加工作载荷的端锚锚杆自由段的传播时间t＝4.051e-4s，然后确定出端锚锚杆自由段长度L＝1m。对待检测的锚固锚杆施加预紧力F’＝40kN，该导波在预紧力作用端锚锚杆自由段的传播时间Δt_AB′＝4.055e-4s，则由步骤四得到该导波在预紧力作用端锚锚杆自由段的传播速度V_f^F′＝4934.4m/s.测量出该导波在工作载荷F作用端锚锚杆自由段传播的时间Δt_AB＝4.0615e-4s，由步骤五计算得到工作载荷F＝102.2kN，而工作载荷的实际值为100kN，误差仅为2.2％。