CN103837399A - 一种基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法，该过程为，根据一维杆波动理论，在锚杆外露端头置一个自激式加速度传感器，利用KMJ-1型矿用锚杆锚固质量检测仪，测得锚杆-围岩相互作用体系在激发荷载作用下的加速度响应，通过波形识别和参数分析，判断锚固端与围岩之间的支撑联接情况，计算其加速度响应的盒维数，并依据相应工作环境及围岩条件下盒维数与工作荷载的关系曲线，确定锚杆的工作荷载。本发明为基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法，其测试过程简单快捷、结果稳定可靠，对锚固体系和围岩结构不产生任何有害扰动，无破坏性。

Description

一种基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法

技术领域

本发明涉及锚杆检测领域，尤其涉及一种基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法。 

背景技术

随着我国各类岩土工程建设事业的蓬勃发展，锚杆锚固技术在边坡稳定工程、地下支护工程和结构抗浮、抗震、抗倾覆等工程领域中得到了广泛应用。作为大型锚固工程中主要的支护手段，预应力锚杆能嵌入稳定的岩体中，对各结构面产生抗剪阻滑作用，强化整体性，并使其自承力大大提高以达到共同承载的目的，确保锚固结构的稳定与安全。现代锚杆作用对象往往是地质条件不良的岩(土)体，在具体施工过程中，总有不可避免的因素成为保障过程安全的潜在威胁，为防止给过程建设带来严重的不利影响，需要对锚杆锚固质量进行检测。 

现在工程界主要的两种手段就是：拉拔试验检测法和钻孔取芯法。液压千斤顶拔出测试法能对一定数量锚杆的极限承载力进行测试，这是一项耗时、费力、破坏性的检测方法，更重要的是对于锚固长度较长的锚杆无法用这种方法进行检测。钻孔取芯法是用取芯钻沿平行锚杆的方向把锚杆、锚固介质以及部分岩石整体取出来，用目测的方法对锚固质量进行评估。虽然可以提供非常有用的信息，但是一个破坏性检测手段，而且受到许多因素的制约，不能成为常规的手段。 

虽然无损检测的结果比较全面，但是很多都是基于对底端反射能准确判定的基础上，对于检测结果的分析也停留在半定性半定量分析的阶段，均没有给出锚固锚杆工作荷载以及锚固力的可靠测定方法。 

拉拔试验检测方法的局限性，目前，只能按设计的锚固力值人为控制，即拉到设计值时终止拉拔；因此小于设计锚固力的锚杆可能被破坏，大于设计值的也无法知晓其极限锚固力，而且只能少量抽检。 

钻孔取芯法需利用专用钻机，虽然可以提供非常有用的信息，但是一个破坏性检测手段，而且受到许多因素的制约：取芯过程很麻烦，并且非常的昂贵；保持取芯钻与锚杆同心很困难；有些地方的锚杆无法接近取芯；基于以上几点钻孔取芯法无法成为常规的检测手段。 

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法，用以克服上述技术缺陷。 

为实现上述目的，本发明提供一种基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法，该过程为： 

根据一维杆波动理论，在锚杆外露端头置一个自激式加速度传感器，利用KMJ-1型矿用锚杆锚固质量检测仪，测得锚杆-围岩相互作用体系在激发荷载作用下的加速度响应，通过波形识别和参数分析，判断锚固端与围岩之间的支撑联接情况，计算其加速度响应的盒维数，并依据相应工作环境及围岩条件下盒维数与工作荷载的关系曲线，确定锚杆的工作荷载。 

上述具体过程为： 

步骤1，制作实验试件； 

步骤2，进行试验操作，施加瞬态冲击；利用矿用拉拔实验机进行拉拔，当锚杆端头受到激发器施加的瞬态冲击作用后，锚杆端头质点产生振动，并以应力波的形式向锚杆底部传播，当波传播到变阻抗界面时发生反射和透射； 

步骤3，测定设定载荷下的加速度响应曲线：利用矿用拉拔实验机，设定间隔级别逐级加载，当加载到某一荷载时，保持该荷载持续约30s，测定在该荷载下的加速度响应曲线，利用KMJ-1型矿用锚杆锚固质量检测仪进行波形识别与盒维数计算； 

步骤4，根据逐级加载所测得的加速度响应曲线，获取盒维数与工作荷载的关系曲线。 

进一步，在上述步骤1中，在外径为100mm、壁厚3mm、长40cm的钢管内浇注与实测现场特性相近的混凝土，中间预留直径为40mm圆孔，混凝土的配比及水灰比依据现场围岩性质通过相似模拟试验确定。 

待试件达到标准龄期强度后，分别用水泥砂浆或矿用树脂锚固剂，在中间预留孔中安装测试现场所用的锚杆。 

进一步，上述所述锚杆为测试现场所用工程锚杆。 

进一步，在上述步骤2中，在锚固段的上界面，可近似地认为锚杆轴向广义波阻抗增大；在锚固段的下界面，可以近似认为波阻抗减小；当波传播到锚固段的上界面时发生反射，波阻抗增大，反射系数R＞0，反射波与入射波同相，反射波到达锚杆外露端头时又要发生全反射，故所述锚杆端头传感器记录的波与初始波反相。 

进一步，在上述步骤4中，将采集的曲线导入锚杆无损检测专用软件进行计算分析，得出了盒维数与工作荷载的关系，利用通用绘图软件得出相应的响应曲线。 

进一步，利用KMJ-1型矿用锚杆锚固质量检测仪在现场实测锚杆的加速度响应，通过上述工作分析确定锚固锚杆的实时工作荷载。 

与现有技术相比较本发明的有益效果在于：本发明基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法，利用应力波理论和无损检测技术，得出锚杆工作荷载与盒维数的关系曲线，可在现场实施大规模的锚杆无损检测，并对围岩及锚固结构的稳定性进行实时预测及评估。测试过程简单快捷、结果可靠。对围岩和锚固结构无有害扰动、无破坏性。 

附图说明

图1为本发明基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法的试件结构示意图； 

图2为本发明盒维数与工作荷载的曲线图。 

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。 

本发明基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法的过程为：根据一维杆波动理论，在锚杆外露端头置一个自激式加速度传感器，利用KMJ-1型矿用锚杆锚固质量检测仪测得锚杆-围岩相互作用体系在激发荷载作用下的速度响应，判断锚固端与围岩之间的支撑联接情况，通过波形识别和参数分析，确定测定锚杆的有效锚固长度，，估算锚杆的极限承载力，获取 盒维数与工作荷载之间的关系曲，实时确定锚杆的工作荷载。并获取以下数据：固端反射时间、底端反射时间、锚固长度、极限承载力和适时工作荷载几个重要的参数。 

该具体过程为： 

步骤1，制作实验试件； 

为了模拟现场的端锚锚杆，在外径为100mm、壁厚3mm、长40cm的钢管内浇注与实测现场特性相近的混凝土，中间预留直径为40mm圆孔，混凝土的配比及水灰比依据现场围岩性质通过相似模拟试验确定。 

用水泥砂浆或矿用树脂固剂，在中间预留孔中安装拟测试现场所用规格的锚杆(图例中直径为16mm、长1.6m的普通建筑圆钢，其中锚杆全长L＝160cm，锚杆自由段长度L1＝120cm)。请参阅图1所示，其为本发明的试件结构示意图。 

步骤2，进行试验操作，施加瞬态冲击； 

利用矿用拉拔实验机进行拉拔，当锚杆端头受到激发器施加的瞬态冲击作用后，锚杆头质点产生振动，并以应力波的形式向锚杆底部传播，当波传播到变阻抗界面时发生反射和透射； 

在锚固段的上界面，可近似地认为锚杆轴向广义波阻抗增大；在锚固段的下界面，可以近似认为波阻抗减小。当波传播到锚固段的上界面时发生反射，波阻抗增大，反射系数R＞0，反射波与入射波同相，反射波到达锚杆外露端头时又要发生全反射，故所述锚杆端头传感器记录的波与初始波反相；同理底端反射与初始波同相； 

步骤3，测定设定载荷下的加速度响应曲线； 

在实验过程中，利用矿用拉拔实验机，认为设定间隔级别逐级加载，当力口载到某一荷载时，保持该荷载持续约30s，利用KMJ-1型矿用锚杆锚固质量检测仪测定在该荷载下的加速度响应曲线并进行波形识别。 

步骤4，获取盒维数与工作荷载的关系曲线。 

将采集的曲线导入锚杆无损检测专用软件进行计算分析，得出了盒维数与工作荷载的关系，利用通用绘图软件得出相应的响应曲线。 

请参阅图2所示，其为本发明盒维数与工作荷载的曲线图，图中。横坐标代表工作荷载，单位KN，纵坐标代表盒维数。 

利用KMJ-1型矿用锚杆锚固质量检测仪在现场实测锚杆的加速度响应，用专用程序计算其相应的分形盒数，对照相应围岩条件下盒维数与工 作荷载曲线，确定检测锚杆的实时工作荷载。 

通过上述工作分析可确定：锚杆的锚固长度；极限的承载力；实时工作荷载。上述工作过程可能过测试仪器内嵌程序在检测现场实时完成。 

其中，在分析锚杆纵向振动时，为了简化计算，做出如下的假设： 

(1)锚杆的受激振动在弹性限度内，锚杆振动时，杆体内各质点的位移、应力和应变之间的关系都服从弹性虎克定律；低应变动力测试中，由于激振力很小，并且是可以控制的，故锚杆的振动完全满足这一假设条件。 

(2)锚杆材料均匀或分段均匀且各向同性，在低应变情况下，近似满足这一假设条件。 

(3)受激振动时，其截面保持为平面，锚杆受激振动时，同一截面上所有质点位移的方向和大小都是一致的，不存在相位的差别或振动的超前或滞后现象。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。 

Claims (8)

1.一种基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法，其特征在于，该过程为，根据一维杆波动理论，在锚杆外露端头置一个自激式加速度传感器，利用KMJ-1型矿用锚杆锚固质量检测仪，测得锚杆-围岩相互作用体系在激发荷载作用下的加速度响应，通过波形识别和参数分析，判断锚固端与围岩之间的支撑联接情况，计算其加速度响应的盒维，并依据相应工作环境及围岩条件下盒维数与工作荷载的关系曲线，确定锚杆的工作荷载。

2.根据权利要求1所述的基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法，其特征在于其检测方法上述具体过程为：

步骤1，制作实验试件；

步骤2，进行试验操作，施加瞬态冲击；利用矿用拉拔实验机进行拉拔，当锚杆端头受到激发器施加的瞬态冲击作用后，锚杆端头质点产生振动，并以应力波的形式向锚杆底部传播，当波传播到变阻抗界面时发生反射和透射；

步骤3，测定设定载荷下的加速度响应曲线：利用矿用拉拔实验机，设定间隔级别逐级加载，当加载到某一荷载时，保持该荷载持续约30s，测定在该荷载下的加速度响应曲线，利用KMJ-1型矿用锚杆锚固质量检测仪进行波形识别与盒维数计算；

步骤4，根据逐级加载所测得的加速度响应曲线，获取盒维数与工作荷载的关系曲线。

3.根据权利要求2所述的基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法，其特征在于，在上述步骤1中，在外径为100mm、壁厚3mm、长40cm的钢管内浇注与实测现场特性相近的混凝土，中间预留直径为40mm圆孔，混凝土的配比及水灰比依据现场围岩性质通过相似模拟试验确定；

待试件达到标准龄期强度后，分别用水泥砂浆或矿用树脂锚固剂，在中间预留孔中安装测试现场所用的锚杆。

4.根据权利要求3所述的基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法，其特征在于，所述锚杆为测试现场所用工程锚杆。

5.根据权利要求2所述的基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法，其特征在于，在上述步骤2中，在锚固段的上界面，可近似地认为锚杆轴向广义波阻抗增大；在锚固段的下界面，可以近似认为波阻抗减小；当波传播到锚固段的上界面时发生反射，波阻抗增大，反射系数R＞0，反射波与入射波同相，反射波到达锚杆外露端头时又要发生全反射，故所述锚杆端头传感器记录的波与初始波反相。

6.根据权利要求2所述的基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法，其特征在于，在上述步骤4中，将采集的曲线导入锚杆无损检测专用软件进行计算分析，得出了盒维数与工作荷载的关系，利用通用绘图软件得出相应的响应曲线。

7.根据权利要求6所述的基于盒维数的锚杆工作荷载无损检测方法，其特征在于，利用KMJ-1型矿用锚杆锚固质量检测仪在现场实测锚杆的加速度响应，通过上述工作分析确定：锚固锚杆的实时工作荷载。

8.根据权利要求6或7所述的检测方法可用KMJ-1型矿用锚杆锚固质量检测仪在测试现场实时完成。