一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测装置及方法

摘要

本发明涉及一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测装置及方法，基于连续梁理论，在待测锚杆的外露段增加安装了端面平整、直径大的检测辅助杆，增加了锚杆外露段的长度和截面积；采用激振锤沿检测辅助杆轴向作用于检测辅助杆时，检测辅助杆过滤结构产生的非纵向杂波，而且由于检测辅助杆截面积更大且更加平整，可以同加速度传感器高度耦合，使检测更方便，结果更精准；采用激振锤沿检测辅助杆径向作用于检测辅助杆时，检测辅助杆增加锚杆外露端结构横向挠曲程度和托板盘处弯矩，从而使图像识别度更高，检测结果更精准，同时可以省去以往的滤波手段以及降噪手段。

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测装置及方法。

【背景技术】

锚杆支护技术日益成熟，而锚杆无损检测技术作为工程界锚杆锚固质量的主要检测方法，也逐渐在采矿和岩土工程领域得到广泛应用，然而锚杆无损检测技术仍有较多问题亟待克服。

一方面，在运输、锚固过程中锚杆外露端面容易遭到破坏而不平整，且常用锚杆的直径较小，因此在实际检测工作中，检测结果的准确性受到了制约；另一方面，锚固完成后可能存在锚杆外露段短，激振得到的波形可识别程度低。上述问题导致检测员操作困难且得到的波形杂波多，产生不必要的误差且目前没有物理滤波的技术。

【发明内容】

本发明提出了一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测装置及方法，目的在于解决背景技术中提出的问题。

本发明由以下技术方案实现的：

一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测装置，包括：

锚杆，设于围岩上的锚杆孔内，其一端固定在锚杆孔内，另一端伸出锚杆孔外；

托盘，设于所述锚杆外露段，并由锁紧螺母固定在围岩上；

检测辅助杆，与所述锚杆同轴设置，且与所述锚杆外露段可拆卸连接；

加速度传感器，设于所述检测辅助杆上，且所述加速度传感器轴线与所述检测辅助杆的轴线平行或垂直；

采集分析仪，与所述加速度传感器连接；

激振锤，用于沿检测辅助杆轴向或径向激振检测辅助杆，通过加速度传感器采集信号，并由采集分析仪分析，以检测出锚杆锚固参数。

如上所述一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测装置，所述检测辅助杆与所述锚杆之间设有阻波垫片。

如上所述一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测装置，所述检测辅助杆的长度为所述锚杆外露段的2.5～3.5倍。

如上所述一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测装置，所述检测辅助杆为圆柱体，所述检测辅助杆包括辅助杆体，所述辅助杆体内设有供所述锚杆伸入的安装槽，所述安装槽内壁上设有内螺纹，所述锚杆上设有与所述内螺纹相匹配的外螺纹。

一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测方法，包括如下步骤：

步骤S1：在围岩上开设锚杆孔，将待测锚杆伸入锚杆孔中，其一端采用锚固剂固定，另一端伸出锚杆孔由托盘固定，并通过锁紧螺母锁紧；

步骤S2：选取检测辅助杆并安装在锚杆外露端上；

步骤S3：将加速度传感器安装在检测辅助杆上并与采集分析仪连接，同时保证加速度传感器轴线与检测辅助杆轴线平行，使用激振锤沿检测辅助杆轴向激振检测辅助杆，采集纵向振动信号；

步骤S4：通过采集分析仪分析步骤S3中采集到的纵向振动信号，检测锚杆的锚固长度和锚杆长度。

如上所述一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测方法，步骤S4所述检测锚杆的锚固长度，包括以下步骤：

步骤S401：在波形图上识别出锚固起始端与锚固结束端信号位置，读出锚固起始端反射时间t

步骤S402：实验测量锚杆截面积A

步骤S403：计算锚固段波速c为

步骤S404：计算锚固段长度l

如上所述一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测方法，步骤S4所述检测锚杆的锚杆长度，包括以下步骤：

步骤S405：计算自由端长度l

其中，所述B为与检测辅助杆相关的常数；

步骤S406：计算锚杆长度l为

如上所述一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测方法，还包括：

步骤S5：将加速度传感器安装在检测辅助杆上并与采集分析仪连接，同时保证加速度传感器轴线与检测辅助杆轴线垂直，使用激振锤沿检测辅助杆径向激振检测辅助杆，采集横向振动信号；

步骤S6：通过采集分析仪分析步骤S5中采集到的横向振动信号，检测锚杆的轴向力和锚固力。

如上所述一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测方法，步骤S6所述检测锚杆的轴向力，包括以下步骤：

步骤S601：对加速度信号求一阶导数，读取速度极值v

步骤S602：利用采集分析仪进行时频分析，获取结构一阶振动圆频率ω；

步骤S603：计算激振力F

F

其中，z为检测辅助杆波阻抗；

步骤S604：计算轴向力F为

其中，l

如上所述一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测方法，步骤S6所述检测锚杆的锚固力，包括以下步骤：

步骤S605：通过采集分析仪得到反射波能量R；

步骤S606：通过实验检测锚固段第一次完全脱粘位移u

步骤S607：计算锚固力T为

其中，A

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1、本发明提供了一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测装置及方法，基于连续梁理论，在待测锚杆的外露段增加安装了端面平整、直径大的检测辅助杆，增加了锚杆外露段的长度和截面积；采用激振锤沿检测辅助杆轴向作用于检测辅助杆时，检测辅助杆过滤结构产生的非纵向杂波，而且由于检测辅助杆截面积更大且更加平整，可以同加速度传感器高度耦合，使检测更方便，结果更精准；采用激振锤沿检测辅助杆径向作用于检测辅助杆时，检测辅助杆增加锚杆外露端结构横向挠曲程度和托板盘处弯矩，从而使图像识别度更高，检测结果更精准；

2、同时，检测辅助杆自身应力波波形与检测辅助杆连接锚固锚杆得到的应力波波形进行对比、整合，可以起到物理滤波作用，从而使无损检测波形识别过程更简便、快捷；

3、以往得到的锚固系统横向振动频谱数据需要进行降噪处理，本申请利用系统振动基频进行锚固系统轴向荷载计算，通过加长外露段长度，更清晰的定位振动基频，可以省去降噪步骤。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测装置的结构示意图；

图2为本发明一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测装置的结构示意图；

图3为本发明检测辅助杆的局部结构示意图；

图4为本发明检测辅助杆与锚杆连接处的局部结构示意图；

图5为本发明一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测方法的方框流程示意图；

图6为本发明无安装辅助检测杆时，激振锤沿锚杆轴向激振锚杆的激振图；

图7为本发明安装辅助检测杆后，激振锤沿锚杆检测辅助杆轴向激振检测辅助杆的激振图；

图8为本发明无安装辅助检测杆时，激振锤沿锚杆径向激振锚杆的激振图；

图9为本发明安装辅助检测杆后，激振锤沿锚杆检测辅助杆径向激振检测辅助杆的激振图。

【具体实施方式】

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

当本发明实施例提及“第一”、“第二”等序数词时，除非根据上下文其确实表达顺序之意，应当理解为仅仅是起区分之用。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

具体实施例，如图1-9所示的一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测装置，包括：

锚杆2，设于围岩3上的锚杆孔11内，其一端固定在锚杆孔11内，优选地，采用锚固剂1固定，另一端伸出锚杆孔11外；

托盘4，设于所述锚杆2外露段，并由锁紧螺母5固定在围岩3上；

检测辅助杆7，与所述锚杆2同轴设置，且与所述锚杆2外露段可拆卸连接；

加速度传感器8，设于所述检测辅助杆7上，且所述加速度传感器8轴线与所述检测辅助杆7的轴线平行或垂直；

采集分析仪10，与所述加速度传感器8连接；

激振锤9，用于沿检测辅助杆7轴向或径向激振检测辅助杆7，通过加速度传感器8采集信号，并由采集分析仪10分析，以检测出锚杆锚固参数。基于连续梁理论，在待测锚杆的外露段增加安装了端面平整、直径大的检测辅助杆，增加了锚杆外露段的长度和截面积；采用激振锤沿检测辅助杆轴向作用于检测辅助杆时，检测辅助杆过滤结构产生的非纵向杂波，而且由于检测辅助杆截面积更大且更加平整，可以同加速度传感器高度耦合，使检测更方便，结果更精准；采用激振锤沿检测辅助杆径向作用于检测辅助杆时，检测辅助杆增加锚杆外露端结构横向挠曲程度和托板盘处弯矩，从而使图像识别度更高，检测结果更精准。

具体地，所述检测辅助杆7与所述锚杆2之间设有阻波垫片6。使得采用激振锤9沿检测辅助杆7轴向激振时能够阻挡除纵向应力波外的杂波通过。

另外，所述检测辅助杆7的长度为所述锚杆2外露段的2.5～3.5倍，优选为3倍，采用此比例下检测的数据最为准确稳定。

进一步地，所述检测辅助杆7为圆柱体，所述检测辅助杆7包括辅助杆体71，所述辅助杆体71内设有供所述锚杆2伸入的安装槽72，所述安装槽72内壁上设有内螺纹12，所述锚杆2上设有与所述内螺纹12相匹配的外螺纹11，可拆卸安装，便于更换，而且所述检测辅助杆7为圆柱体，使得采用激振锤9沿检测辅助杆7轴向或径向激振检测辅助杆7时，无需考虑因检测辅助杆7安装时不同的转动角度而产生数据偏差，使得检测数据更加稳定。

如图1-9所示的一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测方法，包括如下步骤：

步骤S1：在围岩3上开设锚杆孔11，将待测锚杆2伸入锚杆孔11中，其一端采用锚固剂1固定，另一端伸出锚杆孔11由托盘4固定，并通过锁紧螺母5锁紧；

步骤S2：选取检测辅助杆7并安装在锚杆2外露端上；

步骤S3：将加速度传感器8安装在检测辅助杆7上并与采集分析仪10连接，同时保证加速度传感器8轴线与检测辅助杆7轴线平行，使用激振锤9沿检测辅助杆7轴向激振检测辅助杆7，采集纵向振动信号；

步骤S4：通过采集分析仪10分析步骤S3中采集到的纵向振动信号，检测锚杆2的锚固长度和锚杆长度。

本申请为综合检测锚固参数提供一种新方法，基于连续梁理论，在待测锚杆的外露段增加安装了端面平整、直径大的检测辅助杆，增加了锚杆外露段的长度和截面积，与现有技术相比，增加检测辅助杆后所获得的测试数据，可以省去以往的滤波手段，所述检测辅助杆波形、波速等物理性质已知且可通过预先激振得到对应该激振条件的已知波形；将已知的辅助杆至外露段截面的一个周期反射波形，进行等比例系数的衰减得到一组波形图称“波形图1”。对检测辅助杆端面进行轴向激振，得到锚固系统的反射波形称“波形图2”。将得到的“波形图2”减去已知的“波形图1”便得到不含外露段反射信号的“波形图3”既物理滤波手段；

相比于现有技术，本申请中激振锤可以完成对检测辅助杆的轴向和横向两种方向的激振，针对不同检测目的采取不同激振手段，采用激振锤沿检测辅助杆轴向作用于检测辅助杆时，检测辅助杆过滤结构产生的非纵向杂波，而且由于检测辅助杆截面积更大且更加平整，可以同加速度传感器高度耦合，使检测更方便，结果更精准；采用激振锤沿检测辅助杆径向作用于检测辅助杆时，检测辅助杆增加锚杆外露端结构横向挠曲程度和托板盘处弯矩，从而使图像识别度更高，检测结果更精准。

更具体地，步骤S4所述检测锚杆2的锚固长度，包括以下步骤：

步骤S401：在波形图上识别出锚固起始端与锚固结束端信号位置，读出锚固起始端反射时间t

步骤S402：实验测量锚杆截面积A

步骤S403：计算锚固段波速c为

步骤S404：计算锚固段长度l

进一步地，步骤S4所述检测锚杆2的锚杆长度，包括以下步骤：

步骤S405：计算自由端长度l

其中，所述B为与检测辅助杆7相关的常数；

步骤S406：计算锚杆长度l为

再进一步地，一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测方法，还包括：

步骤S5：将加速度传感器8安装在检测辅助杆7上并与采集分析仪10连接，同时保证加速度传感器8轴线与检测辅助杆7轴线垂直，使用激振锤9沿检测辅助杆7径向激振检测辅助杆7，采集横向振动信号；

步骤S6：通过采集分析仪10分析步骤S5中采集到的横向振动信号，检测锚杆2的轴向力和锚固力。

具体地，步骤S6所述检测锚杆2的轴向力，包括以下步骤：

步骤S601：对加速度信号求一阶导数，读取速度极值v

步骤S602：利用采集分析仪10进行时频分析，获取结构一阶振动圆频率ω；

步骤S603：计算激振力F

F

其中，z为检测辅助杆7波阻抗；

步骤S604：计算轴向力F为

其中，l

更具体地，步骤S6所述检测锚杆2的锚固力，包括以下步骤：

步骤S605：通过采集分析仪10得到反射波能量R；提取已采集信号中速度值序列中每个点的速度绝对值乘以计算时间间隔再乘以波阻抗；

步骤S606：通过实验检测锚固段第一次完全脱粘位移u

步骤S607：计算锚固力T为

其中，A

如图6和图7分别为本发明在提供50KN预应力下，无安装辅助检测杆时，激振锤沿锚杆轴向激振锚杆的激振图(速度-时间)、以及安装辅助检测杆后，激振锤沿锚杆检测辅助杆轴向激振检测辅助杆的激振图(速度-时间)，图中a为锚固起始位置的反射信号，b为锚固结束位置的反射信号，由图中可以发现，添加辅助检测杆后，反射信号中锚固起始位置与锚固结束位置的反射更容易被识别。

如图8和图9分别为本发明无安装辅助检测杆时，激振锤沿锚杆径向激振锚杆的激振图(频率-幅度)、以及安装辅助检测杆后，激振锤沿锚杆检测辅助杆径向激振检测辅助杆的激振图(频率-幅度)，由图所示，安装辅助检测杆后系统的振动基频比未安装辅助检测杆后系统的振动基频更加精确，因此相比以往得到的锚固系统横向振动频谱数据需要进行降噪处理，本申请利用系统振动基频进行锚固系统轴向荷载计算，通过加长外露段长度，更清晰的定位振动基频，可以省去降噪手段。

本发明的一种基于连续梁振动的锚杆锚固参数无损检测装置及方法，基于连续梁理论，在待测锚杆的外露段增加安装了端面平整、直径大的检测辅助杆，增加了锚杆外露段的长度和截面积；采用激振锤沿检测辅助杆轴向作用于检测辅助杆时，检测辅助杆过滤结构产生的非纵向杂波，而且由于检测辅助杆截面积更大且更加平整，可以同加速度传感器高度耦合，使检测更方便，结果更精准；采用激振锤沿检测辅助杆径向作用于检测辅助杆时，检测辅助杆增加锚杆外露端结构横向挠曲程度和托板盘处弯矩，从而使图像识别度更高，检测结果更精准；同时，检测辅助杆自身应力波波形与检测辅助杆连接锚固锚杆得到的应力波波形进行对比、整合，可以起到物理滤波作用，从而使无损检测波形识别过程更简便、快捷；以往得到的锚固系统横向振动频谱数据需要进行降噪处理，本申请利用系统振动基频进行锚固系统轴向荷载计算，通过加长外露段长度，更清晰的定位振动基频，可以省去降噪步骤。

如上所述是结合具体内容提供的一种实施方式，并不认定本发明的具体实施只局限于这些说明，同时由于行业命名不一样，不限于以上命名，不限于英文命名。凡与本发明的方法、结构等近似、雷同，或是对于本发明构思前提下做出若干技术推演或替换，都应当视为本发明的保护范围。