锚杆锚固质量无损检测仪器开发研究论文.doc

中图分类号：TD687UDC分类号：531锚杆锚固质量无损检测仪器开发研究 Research on Development of Nondestructive Testing for the Rock Bolts Bonding Integrity矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。Candidate Name：FENG Chunyu School or Department:Mechatronical EngineeringFaculty Mentor:Prof. Wang ChengChair, Thesis Committee：Prof. Shang XinchunDegree Applied:Master of PhilosophyMajor： MechanicsDegree by:Beijing Institute of TechnologyThe Date of Defence：February，2014锚杆锚固质量无损检测仪器开发研究 北京理工大学研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。特此申明。 签 名： 日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。 签 名： 日期： 导师签名： 日期：北京理工大学硕士学位论文摘要锚杆支护技术由于其可显著提高围岩的稳定性，加之具有支护成本低等优点，在边坡、基坑、隧道、矿井巷道及地下工程中得到了广泛的应用。但由于锚杆支护属于隐性支护，对锚固质量的监测和检测并不容易。传统的锚杆锚固质量检测方法主要有：扭矩扳手法、液压千斤顶拉拔试验法、钻孔取芯法和内置测力传感器法。以上四种检测方法普遍存在成本高、检测范围有限、精度差等问题，其中的拉拔试验法和钻孔取芯法属于有损检测方法，将对锚杆的锚固结构造成破坏。目前锚杆锚固质量的无损检测方法主要有应力波反射法和超声导波法，应力波反射法的研究起步较早，而超声导波法目前还处于实验研究阶段。以上两种锚杆锚固质量无损检测方法虽然在理论上已经比较成熟，但在实践应用方面还存在很多问题需要解决。基于此，本文对应力波法锚杆锚固质量无损检测技术的机理进行了研究，建立了理论模型，在理论模型的基础上设计开发了一种锚杆锚固质量无损检测仪。本文主要工作如下：酽锕极額閉镇桧猪訣锥。1.对应力波法在锚杆锚固质量无损检测技术中的理论基础进行了研究，建立了自由锚杆、端锚锚杆在瞬态敲击下的理论模型，分析了导波在锚杆锚固体系中的传播特征。为下一步检测仪的设计开发奠定了理论基础。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。2.设计开发应力波法锚杆锚固质量无损检测仪，其中包括检测仪的硬件设计、软件开发、上位机软件的编制并制作了检测仪样机。制定检测仪与上位机软件之间的通信协议，编制串口通信函数类，保证了数据通信的准确性。在结果处理中，采用估值区间与相位分析相结合的方法，提高了检测精度。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。3.制作自由锚杆模型和端锚锚固锚杆模型，使用检测仪进行自由锚杆和端锚锚杆测量实验，证实检测仪可准确测出锚杆长度、有效锚固长度，算出锚固力，对锚固质量给出评价，并证实检测仪具有较好的工作稳定性。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。关键词：锚杆；无损检测；锚固质量；检测仪；AbstractRock bolts have been widely used in fields of slope, foundation pit, tunnel, mine roadways and underground engineer because they can obviously stabilize surrounding rocks and their cost is low. Traditional ways to detect anchorage quality are: torque wrench method, pullout test method, over-coring method and force transducer method. All these four methods are costly, limited to certain area and their accuracy is poor. Besides, pullout test and over-coring method are destructive testing methods. Recently stress wave reflection method and guided wave method are used to test the anchorage quality. Stress wave reflection method has been used in some projects, but guided wave method is still in research stage. Both these two nondestructive testing methods have difficulties in practice although they are mature theoretically. In this thesis we studied theoretical bases of stress wave method for anchorage quality testing, built theoretical models and developed a nondestructive testing machine. The major contributions in this dissertation are as follows.茕桢广鳓鯡选块网羈泪。1. Theoretical bases of stress wave method for anchorage quality testing is studied. Theoretical models of free bolt and cement grouted bolt under transient beat are built. Then characteristics of stress wave spreading in rock bolts system are analyzed.鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。2. The development process of nondestructive testing machine for rock bolts bonding integrity based on stress wave is introduced, including the development of hardware, software and superior machine software. Communications protocol between machine and superior machine and communication function are made to ensure the accuracy of communication process. Estimate range and phase analysis are used to improve the precision of measure.籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。3. Free bolt model and cement grouted bolt model are made. We tested free bolt model and cement grouted bolt model using the nondestructive testing machine. The test proved that the nondestructive testing machine can measure total length and effective anchorage length of rock bolt, estimate anchorage force and evaluate anchorage quality. 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。Key Words: rock bolts; nondestructive testing; anchorage quality; testing machine;渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。目录摘要IABSTRACTII目录III第1章 绪论1铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。1.1 本论文研究的背景和意义1擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。1.1.1 国外锚杆支护技术的发展1贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。1.1.2 国内锚杆支护技术的发展3坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。1.2 锚杆锚固质量检测的重要性及传统的检测方法4蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。1.3锚杆锚固质量无损检测技术的研究进展5買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。1.3.1国外锚杆锚固质量无损检测技术的研究进展5綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。1.3.2国内锚杆锚固质量无损检测技术的研究进展7驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。1.4 本文的目的及意义9猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。1.5本文的主要工作9锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。第2章 应力波法锚杆锚固质量检测技术的机理研究11構氽頑黉碩饨荠龈话骛。2.1 自由锚杆瞬态敲击下理论模型的建立及求解12輒峄陽檉簖疖網儂號泶。2.1.1 理论模型的建立12尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。2.1.2 理论模型的求解14识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。2.2 锚固锚杆在瞬态敲击下理论模型的建立及求解20凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。2.2.1 理论模型的建立20恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。2.2.2 理论模型的求解21鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。2.3 应力波在锚杆体系中的传播特征分析24硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。2.4 本章小结25阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。第3章 锚杆锚固质量无损检测仪的开发26氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。3.1 无损检测仪硬件设计26釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。3.2 无损检测仪软件设计30怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。3.3 无损检测仪上位机软件开发35谚辞調担鈧谄动禪泻類。3.3.1 上位机通信功能的实现36嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。3.3.2 数据处理模块39熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。3.3.3 数据曲线绘制模块40鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。3.4 本章小结45纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。第4章 锚杆锚固质量无损检测仪的实验研究46颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。4.1 无损检测仪的准确性测试46濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。4.1.1 自由锚杆模型实验46銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。4.1.2 端锚锚杆模型实验47挤貼綬电麥结鈺贖哓类。4.2 无损检测仪的稳定性测试49赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。4.3 本章小结50塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。第5章 总结与展望51裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。5.1 内容总结51仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。5.2 研究展望51绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。参考文献53骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。攻读硕士学位期间发表论文与研究成果清单58瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。致谢59鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。69第1章 绪论1.1 本论文研究的背景和意义锚杆支护技术是指利用具有较大刚度、强度等力学性能的锚杆与周围的岩体一起组成锚固体系，以此来加强和支护岩体与土体，同时发挥和调动岩土体的自身强度和自稳能力并最终实现岩土工程结构稳定的锚固工程技术1。如图1.1所示是基本的锚杆进行安装时的示意图。在实际工程中安装锚杆时，先在围岩层钻一个孔，并在孔中放入树脂或水泥胶囊，然后利用机械工具将锚杆旋进孔中，锚杆刺破锚固剂胶囊，锚固剂与锚杆围岩黏结在一起，最后用螺母和托板紧固锚杆末端，通过锚杆向围岩传递工作载荷。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。图1.1 锚固锚杆示意图岩土锚固技术在应用上具有施工简便、成本低廉、安全迅速等特点，因而此项技术在边坡、基坑、隧道、矿井巷道及地下工程中得到了广泛的应用 2。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。1.1.1 国外锚杆支护技术的发展有资料记载的锚杆支护技术应用最早出现在1872年，英国北威尔士露天页岩矿利用钢筋加固边坡岩层3。1905年，在美国的矿山中也出现了类似的钢筋加固工程2。1912年，在美国的Friedens煤矿中开始出现锚杆支护顶板；1915年开始，锚杆支护技术在美国的金属矿中得到了推广，并且锚固技术也得到了相应的发展4。1918年，美国西利西安矿山首次使用锚索支护技术2。1934年，在阿尔及利亚的切尔伐斯坝加高工程中首次使用了预应力锚杆来保持坝体的稳定性 2。20世纪50年代，英、法、德、瑞典等西欧国家也开始研究并应用锚杆支护技术。截至1959年英国使用锚杆支护的巷道总长度已经达到60多公里，但由于机械式锚固锚杆不适应英国的煤层条件，上世纪60年代英国锚杆支护技术实际上已经停止使用4。从1949年开始，法国将锚杆应用于铁矿支护工程中，后逐步推广至钾矿和碱矿中。在19591963年间，法国在煤矿中尝试使用锚杆支护技术，但未成功4。1957年，前联邦德国的Bauer公司在深基坑中使用了土层锚杆2。美国因地质和开采条件较好，机械式锚固锚杆得到了大量推广，1951年就有500多个矿井使用锚杆支护，其中煤矿达到450多个，锚杆每月的使用量达260万套4。1966年，前苏联斯科琴斯矿业研究所开发了新型螺纹锚杆；19601970年间，澳大利亚的锚杆使用量每年约130万根。20世纪60年代中期，法国引进试验了德国的发明，进入商品化的树脂全长锚固锚杆。由于法国巷道发生了几起严重的围岩坍塌，促使法国煤炭科学研究院在Lorraine煤田对树脂锚杆进行了深入的研究，使法国锚杆支护技术获得了较快的发展，每千吨煤的锚杆用量从1970年的23根上升到了1982年底的80根4。日本于1950年引进锚杆支护技术，但由于地质条件比较复杂，并且缺乏这方面的知识和经验，在此后的22年里没有推广使用；进入20世纪80年代，日本研究开发了一种新型的锚固技术单孔复合锚固，改善了锚杆的传力机制。英国直到上个世纪80年代中后期才重新发展锚杆支护技术，并在与美国煤炭局（USBM）和澳大利亚煤炭工业研究所（ACIRL）两个部门联手协议的推动下，引进了澳大利亚的锚杆技术，此后，英国的锚杆支护技术获得了迅速的发展。到上世纪90年代中期，英国巷道锚杆支护的使用率已经达到了近80%5。美国和澳大利亚几乎所有的巷道均采用了锚杆支护技术，并认为不能用锚杆支护的煤层，开发是不经济的6-9。汇总起来，从1978年出现锚杆支护技术至今140多年的过程中，世界范围内的锚杆支护技术发展大概经历了以下几个阶段：19451950年间主要集中在对机械式锚杆的研究与应用方面；19511960年期间主要研究锚杆在采矿业的应用，并对锚杆支护系统进行了探讨；19611970年推出了树脂锚杆，并将其应用于矿业工程中；19701980年间，新型锚杆如缝管式和胀管式锚杆等的发明及应用；1981年以后，随着新技术的发展，不同类型的新型锚杆的发明和使用，诸如混合锚头锚杆、组合锚杆、桁架锚杆和特种锚杆等如雨后春笋般出现，随着材料、工艺水平及安装方法等的提高，目前锚杆的应用越来越广泛5。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。1.1.2 国内锚杆支护技术的发展锚杆支护技术在我国的应用最早开始于1956年的煤矿巷道中。在之后的几年中京西矿务局、河北龙烟铁矿和湖南湘潭锰矿等均使用了锚杆支护矿山的围岩巷道10。20世纪60年代以后，砂浆锚杆与喷射混凝土支护技术在矿山巷道、铁路隧道及边坡加固中得到了普及 10。1964年安徽梅山水库为了提高坝基抗滑稳定性，首次采用高承载力的预应力锚索加固坝基 2。20世纪50 60年代这段时间被学者们认为是我国锚杆支护技术发展的初级阶段，在这段时间内以机械端锚锚杆和钢丝绳砂浆无托板锚杆为代表，锚杆相互间缺乏联系,在这种情况下,锚杆只起悬吊作用,被动承载而不与围岩共同作用。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。伴随着我国经济的发展，人们越来越重视工业安全生产，与此同时，锚杆支护技术在我国也得到了快速的发展，不仅支护量不断的增加，而且还涌现出一批新的科研成果：从硬岩到松软和破碎围岩；从小断面到大断面硐室和交叉点；从一般的条件到大冒顶、大淋水、底鼓和构造带复杂的条件；从地下工程支护到地上工程维修；从仅受静压作用的地下工程到受动压影响的地下工程；在矿山、交通、建筑、水利水电、军事人防等工程中得到越来越广泛的应用11。20世纪70年代，在深基坑工程中使用土层锚杆开始在我国出现，如北京国际信托大厦、王府井宾馆、京城大厦、上海展览中心、上海太平洋饭店、沈阳中山大厦等大型基坑工程均采用了预应力土层锚杆进行稳定性维护2。19891992年间，在漫湾水电站建设过程中大规模的使用了边坡锚固加固技术，漫湾水电站的左岸成功布设了两千多根10003000kN的锚索，预锚总吨数位居世界前列12。据统计，在我国仅边坡加固工程和深基坑等工程每年锚杆的使用量就达300至350千米。例如，黄河小浪底水利枢纽工程主厂房最大高度61.4米，宽26.2 米，其拱顶采用长25m、设计拉力值为1500kN的预应力锚杆加固，并取得了良好的效果；举世瞩目的三峡水利工程，其船闸各类锚杆数量共达180276根，其中直立墙普通锚杆8985根、高强度锚杆92657根、锁口锚杆8153根13。我国在煤矿中采用锚杆支护技术开始于1956年，经过50多年的发展，煤矿锚杆支护技术取得了很大的进步。1995年，我国国有重点煤矿在当年新掘巷道中采用锚杆支护技术所占比重达到28.19%，到1998年，煤巷锚杆支护技术的比重提高到了20.14%14。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。随着我国锚固技术的飞速发展，岩土锚固体系的标准化建设也基本完成，GB50086-2001锚杆喷射混凝土支护技术规范15及CECS 22-2005 岩土锚杆(索)的技术规程16等技术标准的实施为锚杆锚固的设计、材料、防腐、施工、试验、监测与验收提供了标准，推动了我国锚杆支护行业的发展。目前，国内外各类金属锚杆已达到600 余种，每年使用的金属锚杆数量已超过3亿根1。胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。1.2 锚杆锚固质量检测的重要性及传统的检测方法我国20世纪60年代以来在各类工程中使用了大量锚杆、锚索以及土钉，总数以亿万记，国外情况亦大体如此。这些锚杆、锚索、土钉在用做永久支护的无数工程中，它们的使用寿命究竟有多长？会否有一天寿终正寝，成为工程中的“定时炸弹”，使工程毁于一旦？这个问题已经引起众多相关专家和学者的关注9。在锚杆支护技术的应用中，施工条件及地质状况的改变都将对锚杆的锚固质量产生影响，而锚固质量的改变直接关系着工程质量的好坏和工程整体的安全性能。如果锚固锚杆发生失效，会具有很大的危险，有可能引发大型的事故，带来巨大的经济损失和灾难性的后果。四川宜宾悬索桥17以及英国威尔士Ynys-Y-Gwas索桥18的垮塌就是由于锚索的失效而造成的；2002年南非煤矿的坍塌19则是因为锚固锚杆的失效，在这场事故中有123人丧生。 类似这样由于锚固失效造成的事故还有很多，在这种形式下，对锚杆锚固质量的检测工作就显得尤为重要。 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。在锚杆锚固质量检测领域，虽然理论研究和工程应用方面都得到了一定的发展，但是无论在理论上还是实践中都还存在很多问题20。传统的锚杆锚固质量检测方法中，较为常用的主要有四种：扭矩扳手法、液压千斤顶拉拔试验法、钻孔取芯法和内置测力传感器法。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。其中，扭矩扳手的精度不高，而且不适用于全长锚固锚杆的检测21-23，例如兖矿集团东宇选矿设备公司生产的MLC型锚杆测力仪的原理是通过摩擦扭紧力矩来控制锚杆轴向预紧力的大小，而通过应变扭力传感器来测量扭紧力矩 24 。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。拉拔试验法中，用液压千斤顶拉拔锚固锚杆，通过压力表的读数掌握锚杆锚固力的大小，并由此定性地确定锚杆锚固质量，不过这种方法耗时、费力、具有破坏性，而且检测锚杆的数量有限，检测效率也不高。对于锚固质量较好的锚杆，一般来说当其锚固长度达到20cm以上时，锚固体的强度就远大于锚杆自身的强度，此种情况下，运用拉拔试验法在测出锚固体的极限承载力之前锚杆已经被拉断 25。如图1.2为液压千斤顶拉拔试验检测锚杆锚固质量的原理示意图26。 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。钻孔取芯法是沿着锚杆轴向将锚杆、锚固剂、以及部分围岩整体取出来，通过肉眼观察对锚固质量进行评价。此方法虽然可以提供较为直观的信息，但成本较高，操作复杂。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。图1.2 液压千斤顶拉拔试验示意图内置测力传感器法是沿着锚杆轴向布置许多应变片，通过应变片测量锚杆的受力变化27，而后对锚杆的锚固质量进行评价。然而埋在岩层中的测力传感器，由于处在潮湿和温差变化较大的地下环境中，检测灵敏度将有所下降。 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。上述四种锚杆锚固质量的检测方法普遍存在成本高、检测范围有限、精度差等问题。其中的拉拔试验法和钻孔取芯法属于有损检测方法(Destructive Testing)，将对锚杆的锚固结构造成破坏。正是由于传统检测方法的不足，许多相关的研究机构逐步将工作的重点转移到锚杆锚固质量的无损检测技术(Nondestructive Testing, NDT)领域中28。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。1.3锚杆锚固质量无损检测技术的研究进展1.3.1国外锚杆锚固质量无损检测技术的研究进展国外的研究人员对锚杆锚固质量无损检测技术的研究开始于20世纪80年代初。1987年，瑞典的Thurner H.F29提出用超声波能量的衰减来确定锚杆锚固质量的理念。Geodynamik公司30据此于1900年推出了锚杆锚固质量检测仪Boltmeter31(如图1.3所示)。Boltmeter仪器工作时，通过超声探头对锚杆发射低频超声信号，而根据从锚杆底端反射回波的幅值来判断灌浆密实度。如果灌浆密实度较高，超声波在锚固锚杆中传播的能量衰减大，这样锚杆底端反射回波信号就比较微弱，甚至没有反射信号；而当灌浆密实度较高时，锚杆底端反射回波信号的幅值大、反射回波明显。此仪器评价锚固质量好坏的关键在于观察是否出现反射回波信号，但是仪器故障或超声探头与锚杆耦合不良同样会引起无反射回波，这将会导致将锚固质量差的锚固锚杆被认为是锚固质量好的锚固锚杆，从而产生误判。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。图 1.3 Boltometer锚固质量检测仪澳大利亚Queensland大学采矿研究中心的Djordjevic教授32提出了使用锚固锚杆结构的频率响应来衡量锚杆的锚固质量。他将测试信号与激励信号的频率比定义为结构的频率响应函数。这样自由锚杆由于锚固质量最差，它具有最大的频率响应函数值，而锚固质量优的锚杆则具有最小的频率响应函数值，其他锚固质量情况的锚固锚杆的频率响应函数值则介于这两者之间。这种方法的不足在于无法确定锚杆长度以及锚杆缺陷的具体位置。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。Vrkljan33沿锚杆轴向安装了一个加速度传感器，使用铁锤对锚固锚杆的顶端进行敲击，对加速度传感器接收到的振动信号做频谱分析，提取其中的主频，找到信号主频与锚杆锚固段锚固密实度之间的关系。Vrkljan使用此项技术对硬岩矿井中的水泥砂浆锚固锚杆进行了检测，但这项技术同样无法检测锚杆的长度。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。英国Aberdeen大学的Roger课题组34-40研制了一种名为GRANIT41的锚杆锚固质量检测系统，这个系统主要包括气动脉冲激发装置和信号采集装置两个部分。系统工作时，先通过该系统的空气锤对锚固锚杆的顶端进行敲击，然后采集锚固系统的振动响应信号，并作频谱分析。经过研究发现，随着锚固锚杆的轴向承载能力的增大，锚固系统的固有频率也随着不断增大。 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。Zou等42-45实验研究了超声纵向导波在混凝土锚固锚杆中的传播规律。Zou首先研究了25kHz100kHz低频超声纵向导波L（0，1）模态在不同龄期混凝土锚固锚杆中的传播速度变化，并指出20kHz75kHz的超声纵向导波对混凝土龄期变化敏感，而75kHz100kHz的超声纵向导波对混凝土龄期变化不敏感，Zou还研究25kHz到100kHz超声纵向导波在不同混凝土锚固长度段传播的衰减问题，随着频率的增加，超声导波的衰减增大；频率越高，能量损失越大。Zou所做的实验皆基于透射传输方法，与实际工程中的检测还有一定差距。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。1.3.2国内锚杆锚固质量无损检测技术的研究进展从上世纪八十年代开始，我国有许多单位进行了锚杆锚固质量的无损检测技术研究。铁道科学研究院46曾模仿瑞典公司的Boltometer仪器，推出了M-10A型锚杆测试仪，并对砂浆锚固锚杆的砂浆灌注饱满程度进行了检测。但因为存在检测机理不明确以及仪器采集到信号的信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）较低等原因而未投入应用。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。19951998年，郭世明等47在大朝山水电站采用应力波法对近千根锚杆进行了质量检测。通过对检测结果的对比分析，取得了一定的检测效果，开启采用应力波法对锚杆锚固质量进行检测的先河。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。应力波法检测锚杆锚固质量的理论依据是一维杆体中的弹性波理论。在锚杆顶部触发弹性应力波，在锚固锚杆体系中，由于锚杆和锚杆末端的岩层的波阻抗不同，所以弹性应力波传播到锚杆底部时将发生反射，并将返回锚杆顶端。根据反射波的走时和锚杆中应力波的波速就可以计算出锚杆的长度。再根据锚固锚杆体系中的灌浆饱满程度与应力波的衰减情况，即可判断出锚杆的锚固质量。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。汪明武等48-50 对锚杆锚固质量进行检测采用的是声频应力波检测技术。他们提出使用应力波在锚杆锚固体系中传播时的相位变化以及能量衰减情况等特征来评价锚杆的锚固质量，并基于此原理在1996年推出了MT-1型锚杆质量检测仪。这种方法取决于对锚杆底端的反射波的识别上，但是由于在实际中应力波在锚固锚杆中传播时能量衰减会很大，经常无法采集到来自锚杆底端的应力波反射信号，导致该检测仪的可测深度较小。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。李义等51-53经过大量的实验研究，得到了应力波在端锚锚杆锚固段的上界面和锚杆底端的反射波规律，并得出了相应的经验公式；同时，李义提出使用锚固锚杆中应力波传播的固结波速来评价锚杆锚固体系的锚固强度。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。王成等1对应力波法检测锚杆锚固质量方面做了大量的研究，提出了评价锚固质量的六个主要特征参数：有效锚固长度、幅值比、衰减系数、单位动刚度、基频和频率比。并且在理论研究方面，王成等借鉴了桩基振动理论54-56，建立了一维锚杆锚固系统的振动模型，计算了基于简谐波和瞬态敲击法两种不同的激励方式，不同的边界条件下，端锚锚杆和全锚锚杆中应力波的加速度动态响应，并且与实验结果吻合较好。在实验方面，王成等设计了一种锚杆锚固质量检测仪（如图1.4），利用高频和低频应力波相结合的方法对锚杆的锚固质量进行检测57。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。图1.4 锚杆锚固质量检测仪近年来随着计算机处理能力的提高和科学计算方法的发展，数值模拟技术也被引入到锚杆锚固质量检测中来。导波法检测锚杆锚固质量是继应力波法之后国内兴起的一种新的无损检测技术58。为数不多的国内研究人员开展了基于导波技术锚杆锚固质量无损检测方法的系统研究。其中具有代表性的有北京理工大学的王成、太原理工大学的张昌锁以及北京工业大学的何存富和吴斌。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。王成等59-62分析了锚固锚杆中导波的产生机理，并通过数值模拟的方法，研究了低频导波在锚固锚杆中的传播特性，确定了在端锚锚杆锚固段上界面有明显反射回波信号的频率范围。緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。张昌锁等63-64详细地分析了数值仿真时，网格的尺寸对锚固锚杆中纵向导波传播的影响，并建立了网格细化标准。与此同时，他利用数值模拟的方法确定了低频导波检测锚固锚杆（锚杆直径20mm）的最优激发波频率值25kHz。騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。何存富等64-66通过对锚固锚杆中导波频散曲线的理论分析，得到了高频导波检测锚杆长度的最优频率值。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。 1.4 本文的目的及意义虽然应力波法检测锚杆锚固质量的理论研究比较成熟，但在实践中还有很多问题没有解决。本文对应力波法用于锚杆锚固质量检测进行了系统的研究，并在课题组研究成果67的基础上开发了一种锚杆锚固质量无损检测仪。可以对多种工况下的锚杆锚固质量进行检测，具有很大经济和社会意义。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。1.5本文的主要工作 本文的研究主要可以分为三个部分，第一部分是通过理论推导，对应力波法用于锚杆锚固质量检测进行系统研究，研究应力波在锚杆体系中的传播规律和应力波法检测锚杆锚固质量的机理，为锚杆锚固质量应力波无损检测仪的开发提供理论基础。第二部分是检测仪的设计与开发，包括硬件设计，软件设计，以及上位机软件的开发。第三部分是在开发出检测仪之后，制作锚杆模型，对检测仪进行实验测试。本文的研究内容如下：榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。第一章，全文绪论。首先介绍国内外锚杆支护技术的发展，然后对锚杆锚固质量检测的重要性以及传统的锚杆锚固质量检测方法做简要分析，之后介绍了国内外锚杆锚固质量无损检测技术，最后说明了本文的目的、意义及主要工作。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。第二章，应力波法锚杆锚固质量检测技术的理论基础。对应力波无损检测技术的机理进行研究，建立锚杆锚固体系的理论模型并进行求解，研究应力波在锚固体系中的传播规律。嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。第三章，锚杆锚固质量无损检测仪的设计与开发。系统讲述了检测仪的设计与开发过程，包括硬件设计、软件设计和上位机的软件的开发。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。第四章，实验研究。在实验室制作锚杆模型，对检测仪进行准确性测试和工作稳定性测试。第五章，总结与展望。对全文所作的工作进行总结，并对今后的工作方向做出展望。第2章 应力波法锚杆锚固质量检测技术的机理研究波是某一物理量的扰动(例如力或者位移的扰动)以一定的速度在介质中传播，而介质包括固体、液体和气体。波在介质中传播要受到多种因素的影响，例如介质的材料属性，尺寸，频率等。一般将波分为纵波和横波。纵波(Longitudinal wave)在介质中传播时，介质中质点的震动方向和纵波的传播方向一致，并且振源不断向外传播出疏密相间的震动。纵波又被称为压缩波，疏密波，无旋波，第一波，P波等。横波(Transverse wave)，在介质中传播时，介质中质点的震动方向和横波的传播方向垂直，横波又被称等体积波，畸变波，第二波，剪切波，S波等。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。在有限尺寸中传播的弹性波称为导波(Guided Wave)。例如杆，管，板等结构(称为波导)中的波均为导波。当频率大于20kHz时，导波又称为超声导波。图2.1演示了板中导波的形成过程。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。 图2.1板中导波的形成过程图2.1的板被置于真空中。在板的一端入射一纵波，根据Snell反射定 （2.1）式中和分别为纵波和横波的入射角，可知：当波到达板的一侧界面时，将会产生反射，这是一个多次往复反射的过程，期间伴随着波形的转换。此时弹性波在板中将不在以单独的纵波或横波的形态传播，而是以导波的形态传播。鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。桩基动测法中的小应变法是基于一维杆的波动理论，借鉴桩基质量检测的原理，从而达到锚杆锚固质量检测的技术。无论从几何形状、受力情况、及材料的性质，相比于桩基，锚杆更符合一维弹性杆的波动理论。当工程构件的形状为圆柱体且其直径远小于其长度时(一般认为长径比超过20)，可将构件作为一维弹性杆状体建立数学模型，由于激发波产生的纵波波长远远大于构件直径，因而横向位移可以忽略。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。在将锚杆中应力波的传播作为一维弹性杆的波动理论进行研究前，需要做以下几个假设：首先假设材料的性能与坐标无关，即锚杆的材料均匀且各向同性；然后假设锚杆的振动是弹性的，不涉及到塑性范围；最后须满足波阵面为平面，忽略横向效应67。隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。2.1 自由锚杆瞬态敲击下理论模型的建立及求解2.1.1 理论模型的建立分析瞬态敲击下的自由锚杆，图2.2所示为自由锚杆在瞬态敲击状态下的力学模型，将锚杆底端设为坐标原点，为锚杆长度，敲击力作用于锚杆的顶端。采用动静隔离法，在锚杆中取微元，图2.2（b）对其变形和受力进行了分析。和分别表示微元上下截面在时刻的位移，和则分别表示在时刻作用于坐标为和两个截面的轴向力，表示微元的内阻尼力。浹繢腻叢着駕骠構砀湊。 （a）自由锚杆模型 （b）微元隔离体模型图2.2 自由锚杆力学模型假设时刻，锚杆受到敲击力作用，微元上下截面的位置坐标分别为和，那么 （2.2）由于是一个微小量，所以可对位移和轴向力做泰勒展开，0，则 （2.3） （2.4）微元应变 （2.5）将（2.2）式、（2.3）式代入（2.5）式，得 （2.6）轴向力即可表示为 （2.7）其中，为锚杆横截面的面积，为锚杆材料的弹性模量。可以近似认为，内阻尼力与微元速度和周身面积成正比，故 （2.8）上式中，负号表示内阻尼力的方向与速度的方向相反，是单位面积上内阻尼力系数的等效值，为微元截面周长，表示周身面积。鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。根据动静平衡达朗贝尔原理可知， （2.9）微元质量为，其中为微元材料密度，为微元截面面积，则惯性力为 （2.10）将（2.4）式、（2.5）式和（2.10）式代入（2.9）式并整理可得 （2.11）再将式（2.7）代入式（2.11），则 （2.12）式中，为锚杆的等效内阻尼系数，为锚杆半径；为波在锚杆体内沿轴向方向速度大小。式（2.12）就是自由锚杆在瞬态敲击下的波动方程，它既包含振动，并且还包含着振动的传播即应力波。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。2.1.2 理论模型的求解自由锚杆对冲击载荷的响应可分为两个阶段：第一阶段称为强迫振动阶段，也就是冲击载荷作用阶段，这一阶段；第二阶段称为自由振动阶段，发生于瞬态冲击载荷撤销之后，该阶段。瞬态冲击载荷对锚杆作用后，系统获得初始位移和初始速度，然后进入自由振动阶段。贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。想要求出以上波动方程的解，须给出初始条件和边界条件。对于自由锚杆，其初始条件和边界条件如下。在下面的讨论中，除有特殊说明外，否则位移，应变，轴向力，质点速度，质点加速度均表示轴向方向即方向的分量。嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。初始条件：对于整个锚杆在初始时刻冲击载荷加载之前的位移和速度均为零。当时 （2.13）边界条件锚杆为自由状态，因而锚杆底端不会产生应变；而瞬态冲击力消失以后，锚杆顶端会恢复到自由状态，瞬态冲击力作用截至时间为，由此，边界条件为薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。 （2.14） (2.15) 用分离变量的方法对上述定解问题进行求解，在时，因为边界条件的非齐次性，顾需先将边界条件齐次化。首先求解强迫振动阶段，取函数，令其满足非齐次边界条件式（2.14）及式（2.15）的第一式，即齡践砚语蜗铸转絹攤濼。 （2.16）令，为辅助函数，这样使得函数满足齐次边界条件的定解问题。由于函数满足式（2.16），因此可将看作变量的一元函数，将看作是关于的直线，设，则绅薮疮颧訝标販繯轅赛。 (2.17)将式（2.17）代入定解问题中有(2.18)根据叠加原理，满足齐次边界条件下波动方程定解问题 （2.19） 采用分离变量法对式（2.19）进行求解，设，将其代入式（2.19）波动方程的齐次方程中，得到常微分方程及定解条件。饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。 （2.20） （2.21）式中，是分离常数。式（2.21）是一个典型的特征值问题69，则对于特征值，特征函数，因此式（2.19）的解展开为傅里叶余弦级数烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。 （2.22）为求解函数，将式（2.21）代入（2.19)的波动方程和初始条件，有由于上面各式左边都是傅里叶（Fourier）余弦级数，对各式等号右边各项进行傅里叶余弦级数展开，比较两边的系数，分离出和的常微分方程鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。 （2.23）（2.24） 对非齐次方程（2.23）求解，可知由通解和特解两部分组成，假设将特解代入非齐次方程（2.23）中，得其中， ， 又由式（2.23）的定解条件得到和的值，则之后再求解非齐次常微分方程（2.24），同样由通解和特解两部分组成，其