CN105067169A - 一种利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的装置和方法，属于采矿工程领域。监测装置包括上压板、承载体、支撑柱、共振板、下压板；承载体为空心圆柱体结构，承载体套在锚杆外侧，承载体和支撑柱位于上压板、下压板的中间，且与压板垂直设置，四个支撑柱分别设置在方形压板的四个角上，在装置周围分别设有四块共振板，上、下压板的大小、尺寸相同，下压板上设有孔。使用该装置监测锚杆轴力，通过听取声音的大小和频率，来辨别锚杆所承受力的大小，方法简单，可操作性好，易于监测，监测成本低，监测精度满足要求，适合工程实际应用。

Description

一种利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的装置和方法，属于采矿工程领域。

背景技术

锚杆支护作为岩土锚固支护技术的主要方式，广泛应用于水利、水电、交通、铁道、矿山、城市基础设施等工程建设中。锚杆在工程领域内的大量使用，有时会因为岩土的松动或锚杆本身的受力状态发生改变，从而导致锚杆失效发生断裂，为保证人员和财产安全，及时、准确的对锚杆受力状态进行监测，十分必要。

国内外有关人员对锚杆监测进行了大量的研究，中国专利CN101576422A公开了一种光纤光栅锚杆应力传感器，中国专利CN2687643Y公开了一种通过测量扭矩来反映锚杆所受轴向力的装置，中国专利CN203145978U公开了一种带有测力计的锚杆装置，中国专利CN203452813U公开了一种通过观察高强弹簧的位移来判断轴向力的方案，中国专利CN101706334A公布了一种利用低频导波对锚杆工作载荷的监测方法，中国专利CN104198097A公开了一种利用弹性结构来监测锚杆的轴力，中国专利CN2189739Y公开了一种利用压力仪表的监测锚杆轴力的方法。这些装置存在着结构复杂、成本较高、维护困难、不适合大规模使用等一系列问题。

发明内容

本发明旨在提供一种利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的装置和方法，是利用声固耦合和声谱分析对锚杆轴力进行监测的一种新方法，通过人耳来听取声音的大小和频率，来判断锚杆所承受轴力的大小。该方法具有结构简单，成本低廉，操作方便，不会对锚杆杆体产生破坏，适合大规模安装使用的特点。

本发明提供了一种利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的装置，包括上压板、承载体、支撑柱、共振板、下压板；承载体为空心圆柱体结构，承载体套在锚杆外侧，承载体和支撑柱位于上压板、下压板的中间，且与压板垂直设置，上压板、下压板均为方形，四个支撑柱分别设置在方形压板的四个角上，在装置周围分别设有四块共振板，共振板为方形，共振板的两条竖边分别与相邻的支撑柱搭接，两条横边分别与上压板、下压板焊接；上、下压板的大小、尺寸相同，下压板上设有孔。

上述装置中，所述共振板为钢板，共振板与支撑柱搭接的宽度为2mm。

上述装置中，所述承载体与上、下压板粘接。

上述装置中，所述支撑柱为四棱柱结构，其横截面为正方形，四棱柱中心设有圆形通孔。

上述装置中，所述下压板上的孔设在锚杆轴线的平行线上，孔底部采用密封圈封闭。进一步地，所述下压板上的孔的直径为2mm，孔中心距锚杆中心线的横向距离为40mm。

上述无损监测装置在系统中安装的位置：本发明装置安装在锚杆底部，装置套在锚杆外侧，该装置下方设有螺母，由螺母施加一预紧力，装置上方连接调心垫，调心垫上方为托盘，托盘支撑岩体。

本发明装置中各参数的设计原则：所述装置中，各组成部分的最大应力应小于对应材料的屈服强度极限；声源的声压一定时，声压级越大越好，人耳听的会更加清楚；装置的分辨率越高越好，这样会更加准确地反映出锚杆承受力的大小。

本发明提供了一种利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的方法，采用上述监测装置，包括以下步骤：

（1）针对所选锚杆，从初锚力到破断载荷范围内测得频率与声压的关系曲线；

（2）将监测装置套在锚杆上，监测装置上与调心垫相连，下与螺母相连，对锚杆施加预紧力，声源通过压板下的小孔深入到监测装置中间位置，此时人站在距离装置正下方的范围区间为0.92m-1.08m处，开始施加声源，对监测装置进行激励，人耳听取到的最大声压和频率大小，从已有的压力和频率与声压的关系曲线图中，就可以知道锚杆所受轴力的大小。

本发明提供的监测装置，其监测原理为：监测装置安装在锚杆的一端，工作时，监测装置和锚杆会承受相同的轴力，所以获知监测装置承受的轴力大小，即可知道锚杆承受的轴力值。监测过程中，共振板在承受不同的压力时，会具有不同的模态，即共振板的固有频率会发生变化。在进行监测时，声源放进装置中，此时监测装置会形成一个封闭的空腔，通过声源产生的一定声压和一个宽频的声音，装置会产生相应的声音，通过人耳听声音的大小和频率，即可得知锚杆所承受轴力的大小。

本发明的有益效果：本发明提出了采用声学频率进行锚杆轴力监测的方法，通过听取声音的大小和频率，来辨别锚杆所承受力的大小，方法简单，可操作性好，易于监测，监测成本低，监测精度满足要求，适合工程实际应用。

附图说明

图1为锚杆轴力监测装置的安装示意图。

图2为锚杆轴力监测装置的剖视图。

图3为图2中沿A-A的剖视图。

图4为锚杆轴力监测装置的声压级频谱图。

图5为锚杆轴力监测装置的不同受力情况下对应的声压曲线图。

图中1为岩体，2为托盘，3为调心垫，4为监测装置，5为螺母，6为锚杆，7为上压板，8为承载体，9为支撑柱，10为共振板，11为下压板，12为孔。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

图1示出了锚杆轴力无损监测装置在系统中安装的位置：本发明装置安装在锚杆6底部，监测装置4套在锚杆6外侧，监测装置4下方设有螺母5，由螺母5施加一预紧力，监测装置4上方连接调心垫3，调心垫3上方为托盘2，托盘2支撑岩体1。

如图2、图3所示，一种利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的装置，包括上压板7、承载体8、支撑柱9、共振板10、下压板11；承载体8为空心圆柱体结构，承载体8套在锚杆6外侧，承载体8和支撑柱9位于上压板7、下压板11的中间，且与压板垂直设置，上压板7、下压板11均为方形，四个支撑柱9分别设置在方形压板的四个角上，在装置周围分别设有四块共振板10，共振板10为方形，共振板10的两条竖边分别与相邻的支撑柱9搭接，两条横边分别与上压板7、下压板11焊接；上、下压板的大小、尺寸相同，下压板11上设有孔12。

上述装置中，所述共振板10为45#钢板，共振板与压板焊接，共振板10与支撑柱9搭接的宽度为2mm。

上述装置中，所述承载体8与上、下压板粘接。

上述装置中，所述支撑柱9为四棱柱结构，其横截面为正方形，四棱柱中心设有圆形通孔。

所述压板下11上的孔12设在锚杆轴线的平行线上，孔直径为2mm，孔中心距锚杆中心线的横向距离为40mm。下压板留有小孔的目的是在监测锚杆的受力大小时，声源从小孔处伸入装置中，并要采用密封圈对小孔实施封闭处理。

本实施例主要针对矿用锚杆轴力监测，基本参数如下：

（1）锚杆的基本参数：

本实施例针对端头锚固类的树脂锚杆进行监测。锚杆的材质为20MnSi螺纹钢，杆体的公称直径为22mm，其屈服载荷为10.9t，破断载荷为17.8t。根据锚杆的初锚力是屈服载荷的50％-75％，本文设定初锚力为6t。

（2）锚杆轴力监测装置的基本参数

上压板、下压板、承载体、共振板材质为45#，支撑柱材质为尼龙1010。上压板、下压板厚度均为20mm，中心有Φ23mm的孔；承载体的尺寸为外径为Φ65mm，内径为Φ23mm，长为80mm的圆柱；共振板的厚度为0.7mm；支撑柱的外形为10mm*10mm*80mm的长方体，中心是Φ6mm的通孔。

利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的监测方法及结果如下：

针对所选锚杆，从初锚力（6t）到破断载荷（17.8t）范围内测得频率与声压的关系曲线，如图5所示。

监测装置安装在杆体位于岩土体外部的一端，监测装置套在锚杆上，监测装置上与调心垫相连，下与螺母相连，对锚杆施加预紧力，声源通过压板下的小孔深入到监测装置中间位置，此时人站在距离装置正下方的范围区间为0.92m-1.08m处，开始施加声源，对监测装置进行激励，人耳听取到的最大声压和频率大小，从已有的压力和频率与声压的关系中，如图5所示，就可以知道锚杆所受轴力的大小。

根据模态的计算方法得知，板的固定方式不变，在承受不同压力时，板会有不同的模态，即固有频率会发生变化，为详细阐述监测方法，本文以装置承受6t压力为例，进行说明。

实施监测时，如图4所示，施加声压大小为60dB，频率范围为300Hz~1000Hz的声源，此时，板会在480Hz处发生共振，并且声压级达到最大为72dB。监测装置受到的力不同，产生共振的声音大小及频率不同，如图5所示，监测人员通过训练，记住480Hz同时72dB的声音代表的力的大小，从而可以得知被测锚杆受力大小。

Claims (7)

1.一种利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的装置，其特征在于：包括上压板、承载体、支撑柱、共振板、下压板；承载体为空心圆柱体结构，承载体套在锚杆外侧，承载体和支撑柱位于上压板、下压板的中间，且与压板垂直设置，上压板、下压板均为方形，四个支撑柱分别设置在方形压板的四个角上，在装置周围分别设有四块共振板，共振板为方形，共振板的两条竖边分别与相邻的支撑柱搭接，两条横边分别与上压板、下压板焊接；上、下压板的大小、尺寸相同，下压板上设有孔。

2.根据权利要求1所述的利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的装置，其特征在于：所述共振板为钢板，共振板与支撑柱搭接的宽度为2mm。

3.根据权利要求1所述的利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的装置，其特征在于：所述承载体与上、下压板粘接。

4.根据权利要求1所述的利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的装置，其特征在于：所述支撑柱为四棱柱结构，其横截面为正方形，四棱柱中心设有圆形通孔。

5.根据权利要求1所述的利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的装置，其特征在于：所述下压板上的孔设在锚杆轴线的平行线上，孔底部采用密封圈封闭。

6.根据权利要求5所述的利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的装置，其特征在于：所述下压板上的孔的直径为2mm，孔中心距锚杆中心线的横向距离为40mm。

7.一种利用声激励对锚杆轴力进行无损监测的方法，采用权利要求1~6任一项所述的监测装置，其特征在于：包括以下步骤：

（1）针对所选锚杆，从初锚力到破断载荷范围内测得频率与声压的关系曲线；

（2）将监测装置套在锚杆上，监测装置上与调心垫相连，下与螺母相连，对锚杆施加预紧力，声源通过压板下的小孔深入到监测装置中间位置，此时人站在距离装置正下方的范围区间为0.92m-1.08m处，开始施加声源，对监测装置进行激励，人耳听取到的最大声压和频率大小，从已有的压力和频率与声压的关系曲线图中，就可以知道锚杆所受轴力的大小。