CN100416269C - 一种用于锚杆锚固系统的无损探伤检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锚杆锚固系统的无损探伤检测方法，其特征在于：其特征在于：该方法含以下步骤：(1)应力波发生器将激发的声波信号作用于锚杆顶部；(2)应力波传感器获取从锚杆锚固系统反射回的动测信号并传送给信号接收装置；(3)信号接收装置将信号传送到微处理机进行小波包分析；(4)将处理后的信号进行智能信号处理分析。本发明根据锚杆锚固系统的工程实际情况，灵活地用应力波来代替常用的超声波检测，有效地克服了超声波检测中存在的传播距离短、衰减速度快，信号接受困难等技术难题，将检测深度(超声波一般为1.5米)延伸到20米以上。可广泛应用于锚固系统质量无损检测和智能诊断，应用前景远大。

Description

一种用于锚杆锚固系统的无损探伤检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于锚杆锚固系统的无损探伤检测方法。

背景技术

传统的锚杆锚固状态的检测手段，主要依靠对锚杆的抗拔力测试，这种方法虽然适用于某些场合，但却存在着许多不足，该方法不仅是一种破坏性检测而且所测定的抗拔力并不能完全反映锚杆的锚固状态。无损探伤技术用于岩土锚固安全评价是近年来伴随数字电子技术和计算机技术的巨大发展而发展起来的，经几十年的研究和应用，发展起了多种多样的方法，可主要归纳为电磁波法和震动(地震波)～超声波探测法。电磁波法的探测范围有限、价格昂贵；超声波探测法的传播距离短、信号衰减速度快、信号接受困难、探测深度有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、探测范围广、操作方便的用于锚杆锚固系统的无损探伤检测方法。

本发明的目的是这样实现的：一种用于锚杆锚固系统的无损探伤检测方法，其特征在于：该方法含以下步骤：

(1)、应力波发生器将激发的声波信号作用于锚杆顶部；

(2)、应力波传感器获取从锚杆锚固系统反射回的动测信号并传送给信号接收装置；

(3)、信号接收装置将信号传送到微处理机进行小波包分析；

(4)、将处理后的信号进行智能信号处理分析。

上述智能信号处理分析为锚杆缺陷位置分析或锚杆锚固系统锚固质量的定量分析。

上述锚杆缺陷位置分析包含以下步骤：

(1)、对所测得的缺陷锚杆时域信号用小波进行三层小波包分解，得各层低频和高频系数；

(2)、对信号的高频系数进行阈值消噪处理；

(3)、对信号的高频系数部分进行单支重构，并画出重构后的波形图；

(4)、识别入射波、杆底反射波及信号突变处位置t₀、t_e、t_j；

(5)、计算锚杆长度L＝C·(t_e-t₀)/2，锚杆缺陷位置L_i＝C·(t_i-t₀)/2，其中C为波速， $C=\sqrt{\mathrm{\ρ}/E}=5054m/s.$

为了对锚杆锚固系统的锚固状态进行综合评价，本发明采用锚固质量定量分析方法，包括以下步骤：

(1)、计算实际锚杆系统的锚固质量M_s：

①、对测试所得的杆顶动力响应信号进行小波包分析后，得到表征锚杆结构系统的特征向量；

②、将所获得的特征向量作为网络输入对所测的锚杆系统(锚杆-围岩结构系统)进行识别，得到沿杆长的每段的杆侧刚度因子；

③、根据锚杆的几何参数，由各段刚度因子换算各段刚度系数，计算实际锚杆系统的锚固质量 $M_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i{k}_i,$ 式中，M_s——实际锚杆锚固结构系统的锚固量；k_i——实际锚杆锚固结构系统杆侧各段的刚度系数；l_i——实际锚杆锚固结构系统各段的长度；

(2)、计算对应的完整的锚杆系统的锚固量M_w：

①、根据地勘资料获得各类围岩沿锚杆杆侧的分布情况及各类围岩的力学特性；

②、根据拟合公式 $k_s=-0.000972E_s^2+0.331E_s+0.582$ 计算对应各类围岩的刚度系数；

③、根据锚杆杆侧围岩分布情况计算对应完整的锚杆系统的锚固量 $M_w=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{L}_j{K}_j;$ 式中，M_w——对应完整锚杆锚固结构系统的锚固量；K_j——根据杆侧实际围岩情况锚杆杆侧各段的刚度系数；L_j——根据杆侧实际围岩情况锚杆杆侧各段的长度；

(3)、将步骤(1)、(2)中计算出的M_s、M_w相除，得到实际锚杆结构系统的锚固度： $Q=M_s/M_w=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i{k}_i/\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{L}_j{K}_j.$

(4)、根据计算出的锚固度Q对锚杆锚固系统的锚固质量进行综合评价：当Q＝1时，锚杆系统完全锚固；当Q＜1时，锚杆系统不完全锚固即存在缺陷；当Q＝0时，锚杆系统彻底失效。

本发明用于锚杆锚固系统的无损探伤检测方法的优点：

本项技术根据锚杆锚固系统的工程实际情况，灵活地用应力波来代替常用的超声波检测，有效地克服了超声波检测中存在的传播距离短、衰减速度快，信号接受困难等技术难题，将检测深度(超声波一般为1.5米)延伸到20米以上。仅以低应变试验测得的锚头加速度响应为输入数据，却可以获得定量的分析结论，能够比较准确的识别各种缺陷，从技术上解决了锚固系统的非线形动态过程的诊断问题。

本技术有效地解决了锚杆缺陷识别及锚固质量评价等技术，可广泛应用于自然边坡、道路边坡、建筑边坡、地基基础、危岩治理、滑坡治理、危岩加固、隧道工程、基坑支护、桥梁工程、矿山等工程中的锚固系统质量无损检测和智能诊断，应用前景远大。

附图说明

图1为本发明实施例的原理框图；

图2为本发明实施例所采用锚杆缺陷位置分析的流程框图；

图3为本发明实施例所采用锚固质量的定量分析的流程框图。

具体实施方式

参见图1，一种用于锚杆锚固系统的无损探伤检测方法，其特征在于：该方法含以下步骤：

(1)、应力波发生器将激发的声波信号作用于锚杆顶部；

(2)、应力波传感器获取从锚杆锚固系统反射回的动测信号并传送给信号接收装置；

(3)、信号接收装置将信号传送到微处理机进行小波包分析；

(4)、将处理后的信号进行智能信号处理分析。

上述智能信号处理分析为锚杆缺陷位置分析或锚杆锚固系统锚固质量的定量分析。

锚杆系统的缺陷通常会导致系统的观测信号发生变化，若能采取一定的措施消除因外界因素造成的噪声影响，直接利用小波分解变换检测观测信号的奇异点就可以检测出锚杆缺陷位置，可以利用小波变换中奇异点与小波变换的模极大值的关系来确定奇异点，小波变换的模极大值都是出现在信号有突变的地方，并且突变点处的高频成分较多，所以函数的奇异点可以从其小波变换的高频部分的模极大值检测出来。若信号中包含瞬态信号，则在信号的到达时刻和所在尺度(频率)段，信号能量将有一个突变，表现在小波变换尺度谱图上就是在相应的时间-尺度位置上有尖峰突起。因此，通过检测小波变换尺度一谱图上突起的尖峰时刻，就可以实现对瞬态信号到达时刻的检测。

依据以上分析，参见图2，锚杆缺陷位置识别步骤如下：

上述锚杆缺陷位置分析包含以下步骤：

(1)、对所测得的缺陷锚杆时域信号用小波进行三层小波包分解，得各层低频和高频系数；

(2)、对信号的高频系数进行阈值消噪处理；

(3)、对信号的高频系数部分进行单支重构，并画出重构后的波形图；

(4)、识别入射波、杆底反射波及信号突变处位置t₀、t_e、t_i；

(5)、计算锚杆长度L＝C·(t_e-t₀)/2，锚杆缺陷位置L_i＝C·(t_i-t₀)/2，其中C为波速， $C=\sqrt{\mathrm{\ρ}/E}=5054m/s.$

为了对锚杆锚固系统的锚固状态进行综合评价，参见图3，本发明采用锚固质量定量分析方法，包括以下步骤：

(1)、计算实际锚杆系统的锚固质量M_s：

①、对测试所得的杆顶动力响应信号进行小波包分析后，得到表征锚杆结构系统的特征向量；

②、将所获得的特征向量作为网络输入对所测的锚杆系统(锚杆-围岩结构系统)进行识别，得到沿杆长均布的每段的杆侧刚度因子；

③、根据锚杆的几何参数，由各段刚度因子换算各段刚度系数，计算实际锚杆系统的锚固质量 $M_s=L\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i/5;$ 式中，M_s——实际锚杆锚固结构系统的锚固量；k_i——实际锚杆锚固结构系统杆侧各段的刚度系数；l_i——实际锚杆锚固结构系统各段的长度；

(2)、计算对应的完整的锚杆系统的锚固量M_w：

①、根据地勘资料获得各类围岩沿锚杆杆侧的分布情况及各类围岩的力学特性；

②、根据拟合公式 $k_s=-0.000972E_s^2+0.331E_s+0.582$ 计算对应各类围岩的刚度系数；

③、根据锚杆杆侧围岩分布情况计算对应完整的锚杆系统的锚固量 $M_w=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{L}_l{K}_i;$ 式中，M_w——对应完整锚杆锚固结构系统的锚固量；K_i——根据杆侧实际围岩情况锚杆杆侧各段的刚度系数；L_j——根据杆侧实际围岩情况锚杆杆侧各段的长度；

(3)、将步骤(1)、(2)中计算出的M_s、M_w相除，得到实际锚杆结构系统的锚固度： $Q=M_s/M_w=L\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i/5\underset{j=I}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{L}_j{K}_j.$

(4)、根据计算出的锚固度Q对锚杆锚固系统的锚固质量进行综合评价：当Q＝1时，锚杆系统完全锚固；当Q＜1时，锚杆系统不完全锚固即存在缺陷；当Q＝0时，锚杆系统彻底失效。可见锚固度Q很好地描述了锚杆-围岩结构系统的锚固状态。

在进行实际锚杆系统的锚固质量M_s的计算过程中，对测试所得的杆顶动力响应信号进行小波包分析后，得到表征锚杆结构系统的特征向量，该特征向量采作以下方法得到：

把锚杆沿长度均分为5段，所要识别的参数只有14个，所以对信号进行3层小波包分解就足够了，然后对各频带上的小波分量实施特征提取，提取参数为各频带范围内体现能量分布的功率谱均值和反映频率变换快慢的方差，具体步骤如下：

①、对信号的采样序列利用db6小波进行三层小波包分解，得到8个小波包分解系数序列{CAAA₃，CDAA₃，CADA₃，CDDA₃，CAAD₃，CDAD₃，CADD₃，CDDD₃}；

②、对小波包分解系数进行重构，得到各频带上的信号分量X₃₀、X₃₁、X₃₂、X₃₃、X₃₄、X₃₅、X₃₆、X₃₇；

③、对各信号分量采用Welch法进行功率谱分析；

④、特征向量的构成，以8个信号分量的功率谱均值和方差组成特征向量F＝{E₁、E₂、E₃、E₄、E₅、E₆、E₇、E₈、S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈}。

Claims (2)

1. 一种用于锚杆锚固系统的无损探伤检测方法，其特征在于：该方法含以下步骤：

(1)、应力波发生器将激发的声波信号作用于锚杆顶部；

(2)、应力波传感器获取从锚杆锚固系统反射回的动测信号并传送给信号接收装置；

(3)、信号接收装置将信号传送到微处理机进行小波包分析；

(4)、将处理后的信号进行智能信号处理分析；

其中所述智能信号处理分析为锚杆缺陷位置分析或锚杆锚固系统锚固质量的定量分析；

所述锚杆缺陷位置分析包含以下步骤：

(a)、对所测得的缺陷锚杆时域信号用小波进行三层小波包分解，得各层低频和高频系数；

(b)、对信号的高频系数进行阈值消噪处理；

(c)、对信号的高频系数部分进行单支重构，并画出重构后的波形图；

(d)、识别入射波、杆底反射波及信号突变处位置t₀、t_e、t_i；

(e)、计算锚杆长度L＝C·(t_e-t₀)/2，锚杆缺陷位置L_i＝C·(t_i-t₀)/2，其中C为波速， $C=\sqrt{\mathrm{\ρ}/E}=5054m/s.$

2. 如权利要求1所述的用于锚杆锚固系统的无损探伤检测方法，其特征在于：所述锚杆锚固系统锚固质量的定量分析包括以下步骤：

(1)、计算实际锚杆系统的锚固质量M_s：

①、对测试所得的杆顶动力响应信号进行小波包分析后，得到表征锚杆结构系统的特征向量；

②、将所获得的特征向量作为网络输入对所测的锚杆系统进行识别，得到沿杆长的每段的杆侧刚度因子；

③、根据锚杆的几何参数，由各段刚度因子换算各段刚度系数，计算实际锚杆系统的锚固质量 $M_s=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i{k}_i,$ 式中，M_s——实际锚杆锚固结构系统的锚固量；k_i——实际锚杆锚固结构系统杆侧各段的刚度系数；l_i——实际锚杆锚固结构系统各段的长度；

(2)、计算对应的完整的锚杆系统的锚固量M_w：

①、根据地勘资料获得各类围岩沿锚杆杆侧的分布情况及各类围岩的力学特性；

②、根据拟合公式 $k_s=-0.000972E_s^2+0.331E_s+0.582$ 计算对应各类围岩的刚度系数；

③、根据锚杆杆侧围岩分布情况计算对应完整的锚杆系统的锚固量 $M_w=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{L}_j{K}_j,$ 式中，M_w——对应完整锚杆锚固结构系统的锚固量；K_j——根据杆侧实际围岩情况锚杆杆侧各段的刚度系数；L_j——根据杆侧实际围岩情况锚杆杆侧各段的长度；

(3)、将步骤(1)、(2)中计算出的M_s、M_w相除，得到实际锚杆结构系统的锚固度： $Q=M_s/M_w=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i{k}_i/\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{L}_j{K}_j;$

(4)、根据计算出的锚固度Q对锚杆锚固系统的锚固质量进行综合评价：当Q＝1时，锚杆系统完全锚固；当Q＜1时，锚杆系统不完全锚固即存在缺陷；当Q＝0时，锚杆系统彻底失效。

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