CN111562312A - 评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测系统和方法，属于材料检测技术领域。本发明检测系统包括激振系统和信号采集处理系统；本发明检测方法包括如下各步骤：步骤1：选择或加工检测用的金属杆件，使得金属杆件是中空管或带通槽的杆件；步骤2：在金属杆件的中空部或通槽内布设用于采集振动信号的频率传感器；步骤3：金属杆件与被检测介质进行耦合；步骤4：振动信号检测；步骤5：利用信号采集处理系统中的信号采集模块和信号处理模块识别有效波形并计算出对应的频率值；步骤6：根据植入系统内部的频率‑损伤度/强度关系得出介质的损伤度。本发明利用与材料介质相耦合杆件的振动频率来反演材料介质损伤或强度变化。

Description

评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测系统和方法
技术领域
本发明涉及一种岩石及胶凝类材料损伤或强度检测技术，属于岩石及胶凝类材料检测技术领域。
背景技术
在地下工程领域，岩石或类岩石材料的损伤/强度检测对于巷道支护设计、建筑结构稳定性评估具有重要意义。目前，常见的岩石或类岩石材料的损伤/强度检测方法主要有变形模量法、应力应变法、超声波速以及耗散能等方法，但是上述方法往往都难以实现原位、无损检测，其中，超声波法等方法受环境干扰极大、测试困难。
另外，上述方法也难以深入至介质内部实现不同位置处损伤/强度的检测。而目前，在岩土工程以及结构工程中，锚杆、土钉或者钢筋的使用极为普遍，同时大量的实验及研究表明，上述杆件在不同性质的介质中受到的约束情况不同，而约束的变化会引起杆件振动固有频率的变化。很显然，能够发明一种能利用与材料介质相耦合杆件的振动频率来反演材料介质损伤或强度变化的检测系统具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测系统和方法，能利用与材料介质相耦合杆件的振动频率来反演材料介质损伤或强度变化。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测系统，包括激振系统和信号采集处理系统，
所述激振系统包括与被检测介质耦合的金属杆件，金属杆件为中空管或带通槽的杆件，金属杆件的中空部或通槽内装有频率传感器，频率传感器的引线从所述金属杆件的一端伸出连接至所述信号采集处理系统，所述金属杆件的另一端从所述被检测介质伸出形成外露端，激振系统还包括用于敲击所述外露端的激振锤；
所述信号采集处理系统包括：用于采集频率传感器传递的波形信号的信号采集模块，用于识别有效波形信号并计算对应频率值的信号处理模块，用于根据频率值和预存的频率-强度关系函数获得介质强度的结果输出模块，用于存储信号采集模块、信号处理模块、结果输出模块中数据的存储模块。
一种评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测方法，包括如下各步骤：
步骤1：选择或加工检测用的金属杆件，使得金属杆件是中空管或带通槽的杆件；金属杆件的中空部或通槽用于频率传感器沿杆身的布设以及导线的引出；
步骤2：在金属杆件的中空部或通槽内布设用于采集振动信号的频率传感器；频率传感器的引线从金属杆件的一端伸出连接至信号采集处理系统；
步骤3：金属杆件与被检测介质进行耦合：若被检测介质是岩石类材料，利用钻机在被检测介质上钻出与金属杆件直径相适应的孔，保证金属杆件接入岩石材料内部能与周围介质紧密接触；若被检测介质是胶凝材料，将金属杆件直接预埋进被检测介质模具内部；上述两种情况均应保证金属杆件的非引线端从所述被检测介质伸出形成外露端；
步骤4：振动信号检测：
步骤401：将布设在金属杆件内部的频率传感器与信号采集处理系统相连接；
步骤402：根据实际检测情况，设定检测参数；
步骤403：在被检测介质不同的工况下，利用激振锤敲击金属杆件的外露端；
激振锤敲击方向即激振方向与频率传感器振动方向一致，以保证信号有效性；
步骤5：利用信号采集处理系统中的信号采集模块和信号处理模块识别有效波形并计算出对应的频率值；
步骤6：根据植入系统内部的频率-损伤度/强度关系，结果输出模块给出介质的强度值并根据换算公式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
计算出损伤度，式中
Figure 83503DEST_PATH_IMAGE002
为损伤度；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为试件无损/原始/设计强度；
Figure 374807DEST_PATH_IMAGE004
为采用本方法的实测强度。
所述金属杆件是两侧带通槽的锚杆。
所述步骤402中的检测参数是采样频率或信号触发门槛值。
所述步骤403中的不同的工况是指：岩石材料受扰动损伤或胶凝材料的养护条件、时间发生变化。
所述步骤2中采用的频率传感器与所述金属杆件的连接关系是一次性固定或可拆式固定。
所述一次性固定为粘接，所述可拆式固定是磁铁吸附连接。
所述步骤3的中金属杆件的外露端的长度为5cm至10cm。
所述步骤4中的振动信号检测为多次重复执行。
所述频率传感器是应变片或光栅光纤。
本发明的有益效果是：与现有技术相比较，现有技术中对岩石或胶凝类材料的损伤检测方法主要有变形模量法、应力应变法、超声波速以及耗散能等方法，上述方法往往都难以实现原位、无损检测，而且超声波法等受环境干扰极大、测试困难。另外上述方法也难以深入至介质内部实现不同位置处损伤/强度的检测。
1. 本发明是基于岩土工程、结构工程中大量使用的锚杆、土钉或钢筋等金属杆件作为“信号发生器”及频率传感器载体与所测岩石及类岩石材料耦合，根据材料力学性质的变化对杆件的约束不同从而引起杆件的振动频率发生变化进行的检测，故本发明具有原位检测、无损检测的优点；另外杆件振动频率受环境的影响也较小。
2. 本发明利用杆件作为频率传感器载体可以深入到所测介质内部，从而可实现不同位置处损伤/强度的检测。另外，测试过程具有时间短（仅持续数秒）、可重复的优点，涉及的测试元件（如应变片）价格低廉，节约检测成本。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明检测系统示意图；
图2是一种带通槽的金属杆件横截面及应变片布置示意图；
图3是金属杆件与被检测介质布置示意图，同时显示应变片布置；
图4是检测得到的振动波形图，图中养护时间为第8天、信号取自试件中部的应变片；
图5是单轴抗压强度与振动频率的前测关系函数图像。
图中，1、金属杆件，2、激振锤，3、频率传感器，4、引线，5、通槽，6、应变片。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于本领域技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
如图1所示的一种评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测系统，包括激振系统和信号采集处理系统，
所述激振系统包括与被检测介质耦合的金属杆件1，金属杆件1为中空管或带通槽5的杆件，金属杆件1的中空部或通槽5内装有频率传感器3，频率传感器3的引线4从所述金属杆件1的一端伸出连接至所述信号采集处理系统，所述金属杆件1的另一端从所述被检测介质伸出形成外露端，激振系统还包括用于敲击所述外露端的激振锤2；
所述信号采集处理系统包括：用于采集频率传感器3传递的波形信号的信号采集模块，用于识别有效波形信号并计算对应频率值的信号处理模块，用于根据频率值和预存的频率-强度关系函数获得介质强度的结果输出模块，用于存储信号采集模块、信号处理模块、结果输出模块中数据的存储模块。
一种评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测方法，包括如下各步骤：
步骤1：选择或加工检测用的金属杆件1，使得金属杆件1是中空管或带通槽5的杆件；金属杆件1的中空部或通槽5用于频率传感器3沿杆身的布设以及导线的引出；
步骤2：在金属杆件1的中空部或通槽5内布设用于采集振动信号的频率传感器3；频率传感器3的引线4从金属杆件1的一端伸出连接至信号采集处理系统；
步骤3：金属杆件1与被检测介质进行耦合：若被检测介质是岩石类材料，利用钻机在被检测介质上钻出与金属杆件1直径相适应的孔，保证金属杆件1接入岩石材料内部能与周围介质紧密接触；若被检测介质是胶凝材料，将金属杆件1直接预埋进被检测介质模具内部；上述两种情况均应保证金属杆件1的非引线端从所述被检测介质伸出形成外露端；
步骤4：振动信号检测：
步骤401：将布设在金属杆件1内部的频率传感器3与信号采集处理系统相连接；
步骤402：根据实际检测情况，设定检测参数；
步骤403：在被检测介质不同的工况下，利用激振锤2敲击金属杆件1的外露端；激振锤2敲击方向即激振方向与频率传感器3振动方向一致，以保证信号有效性；
步骤5：利用信号采集处理系统中的信号采集模块和信号处理模块识别有效波形并计算出对应的频率值；
步骤6：根据植入系统内部的频率-损伤度/强度关系，结果输出模块给出介质的强度值并根据换算公式
Figure 641841DEST_PATH_IMAGE001
计算出损伤度，式中
Figure 309582DEST_PATH_IMAGE002
为损伤度；
Figure 978461DEST_PATH_IMAGE003
为试件无损/原始/设计强度；
Figure 689934DEST_PATH_IMAGE004
为采用本方法的实测强度。
所述金属杆件1是两侧带通槽5的锚杆、土钉或者钢筋。
所述步骤402中的检测参数是采样频率或信号触发门槛值。
所述步骤403中的不同的工况是指：岩石材料受扰动损伤或胶凝材料的养护条件、时间发生变化。
所述步骤2中采用的频率传感器3与所述金属杆件1的连接关系是一次性固定或可拆式固定。
所述一次性固定为粘接，所述可拆式固定是磁铁吸附连接。
所述步骤3的中金属杆件1的外露端的长度为5cm至10cm。
所述步骤4中的振动信号检测为多次重复执行。
所述频率传感器3是应变片或光栅光纤等。
本发明的一种具体实施例为：
步骤1：选择直径为22cm、长度为70cm、强度级别为HRB235的锚杆，在锚杆两侧对称切出通槽5，垂直于轴向的锚杆截面如图2所示。
步骤2：在锚杆通槽5部位或中空部位布设应变片6及其引线4，引线4从通槽5导出。
步骤3：制作尺寸为50cm(长)、40 cm（宽）、40 cm（高）的模具，进行水泥砂浆砂浆的浇筑（配比为水泥：砂：水=1: 4.03: 0.75），同时将布有应变片6等传感元件的锚杆预埋进水泥砂浆中，锚杆两端外露，两端的外露端的长度皆为10 cm。然后对试件进行覆盖，浇水养护。试件结构示意图如图3所示。
步骤4：振动信号检测：
步骤401：将布设在锚杆内部的应变片6等传感元件与信号检测分析设备相连接。
步骤402：设定采样频率为1 MHz，信号负、正延迟分别为0.005 s及0.06 s。
步骤403：当试件养护时间分别为2天、5天、8天及13天时，利用激振锤敲击锚杆外露端，为了减小信号感染，激振端为非引线端。
步骤404：选择触发正常且有效的波形信号进行保存，如图4所示。
步骤5：利用检测系统（见图1）中的信号处理模块识别有效波形并计算出对应的频率值，如根据图4进行小波变换与频谱分析（现有技术），可获得频率为4802 Hz。
步骤6：根据前期量测获得锚杆振动频率与介质单轴抗压强度（标准试件）的关系如图5所示，将其植入到检测系统（见图1），即可获得步骤5所测频率对应的介质强度为8.59MPa，由可对介质力学特性进行评价。另外，步骤3中的采用的配比对应的水泥砂浆型号为M25，即可认为此时的材料损伤程度D=(25-8.59)/25=0.67。
以上所述仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测系统，其特征在于：包括激振系统和信号采集处理系统，所述激振系统包括与被检测介质耦合的金属杆件（1），金属杆件（1）为中空管或带通槽（5）的杆件，金属杆件（1）的中空部或通槽（5）内装有频率传感器（3），频率传感器（3）的引线（4）从所述金属杆件（1）的一端伸出连接至所述信号采集处理系统，所述金属杆件（1）的另一端从所述被检测介质伸出形成外露端，激振系统还包括用于敲击所述外露端的激振锤（2）；
所述信号采集处理系统包括：用于采集频率传感器（3）传递的波形信号的信号采集模块，用于识别有效波形信号并计算对应频率值的信号处理模块，用于根据频率值和预存的频率-强度关系函数获得介质强度的结果输出模块，用于存储信号采集模块、信号处理模块、结果输出模块中数据的存储模块。
2.一种评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测方法，其特征在于：包括如下各步骤：
步骤1：选择或加工检测用的金属杆件（1），使得金属杆件（1）是中空管或带通槽（5）的杆件；金属杆件（1）的中空部或通槽（5）用于频率传感器（3）沿杆身的布设以及导线的引出；
步骤2：在金属杆件（1）的中空部或通槽（5）内布设用于采集振动信号的频率传感器（3）；频率传感器（3）的引线（4）从金属杆件（1）的一端伸出连接至信号采集处理系统；
步骤3：金属杆件（1）与被检测介质进行耦合：若被检测介质是岩石类材料，利用钻机在被检测介质上钻出与金属杆件（1）直径相适应的孔，保证金属杆件（1）接入岩石材料内部能与周围介质紧密接触；若被检测介质是胶凝材料，将金属杆件（1）直接预埋进被检测介质模具内部；上述两种情况均应保证金属杆件（1）的非引线端从所述被检测介质伸出形成外露端；
步骤4：振动信号检测：
步骤401：将布设在金属杆件（1）内部的频率传感器（3）与信号采集处理系统相连接；
步骤402：根据实际检测情况，设定检测参数；
步骤403：在被检测介质不同的工况下，利用激振锤（2）敲击金属杆件（1）的外露端；激振锤（2）敲击方向即激振方向与频率传感器（3）振动方向一致，以保证信号有效性；
步骤5：利用信号采集处理系统中的信号采集模块和信号处理模块识别有效波形并计算出对应的频率值；
步骤6：根据植入系统内部的频率-损伤度/强度关系，结果输出模块给出介质的强度值并根据换算公式
Figure 967098DEST_PATH_IMAGE001
计算出损伤度，式中为损伤度；为试件无损/原始/设计强度；为采用本方法的实测强度。
3.根据权利要求2所述的评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测方法，其特征在于：所述金属杆件（1）是两侧带通槽（5）的锚杆。
4.根据权利要求2所述的评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测方法，其特征在于：所述步骤402中的检测参数是采样频率或信号触发门槛值。
5.根据权利要求2所述的评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测方法，其特征在于：所述步骤403中的不同的工况是指：岩石材料受扰动损伤或胶凝材料的养护条件、时间发生变化。
6.根据权利要求2所述的评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测方法，其特征在于：所述步骤2中采用的频率传感器（3）与所述金属杆件（1）的连接关系是一次性固定或可拆式固定。
7.根据权利要求6所述的评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测方法，其特征在于：所述一次性固定为粘接，所述可拆式固定是磁铁吸附连接。
8.根据权利要求2所述的评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测方法，其特征在于：所述步骤3的中金属杆件（1）的外露端的长度为5cm至10cm。
9.根据权利要求2所述的评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测方法，其特征在于：所述步骤4中的振动信号检测为多次重复执行。
10.根据权利要求2所述的评价岩石及胶凝类材料损伤情况的检测方法，其特征在于：所述频率传感器（3）是应变片或光栅光纤。
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