專利名稱：一種利用低頻導(dǎo)波對錨桿工作載荷進(jìn)行無損檢測的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用導(dǎo)波對錨桿的工作載荷進(jìn)行無損檢測的方法，可以現(xiàn)場檢測
錨固錨桿的工作載荷，屬于無損檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著采掘業(yè)發(fā)展，地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題日益引起了人們的關(guān)注，對于巷道圍巖 穩(wěn)定性檢測的研究已發(fā)展到一個(gè)新的階段，并有了不少成熟的技術(shù)，諸如巷道表面收斂位 移、深基點(diǎn)位移量測、圍巖松動圈理論及檢測，這些技術(shù)在煤礦巷道圍巖穩(wěn)定性控制方面得 到了廣泛的應(yīng)用。但這些對巷道結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性的研究均以固體力學(xué)中的靜力學(xué)為主要手 段，以圍巖變形為主要研究對象，所采用的觀察手段和儀器設(shè)備均以靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)測試為 主，這就導(dǎo)致了所獲取的反應(yīng)圍巖穩(wěn)定性信息存在滯后性，也就決定了由此做出的圍巖穩(wěn) 定性控制措施和手段的被動性。 錨桿支護(hù)作為一種主動支護(hù)形式，被廣返應(yīng)用于巷道圍巖的支護(hù)系統(tǒng)當(dāng)中。錨桿 的工作載荷與圍巖的地質(zhì)構(gòu)造、斷面尺寸、錨桿布置參數(shù)等多種因素有關(guān)，它是影響圍巖穩(wěn) 定性的關(guān)鍵參數(shù)。通過對錨桿工作載荷的檢測，能夠直接、實(shí)時(shí)地掌握圍巖穩(wěn)定性控制的核 心_圍巖應(yīng)力的活動規(guī)律，從而有可能在巷道圍巖及其支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、垮落之前，采取有效 的加固措施，從而達(dá)到主動控制圍巖穩(wěn)定性的目的。 在工程實(shí)際中，尚未形成一種有效的無損檢測方法來測量錨固錨桿的工作載荷。 因此，對錨桿的工作載荷進(jìn)行無損檢測是對地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決有效測量錨固錨桿的工作載荷的問題，提出一種利用低 頻導(dǎo)波對錨桿工作載荷進(jìn)行無損檢測的方法。導(dǎo)波沿傳播路徑衰減很小，可以沿構(gòu)件傳播 非常遠(yuǎn)的距離，最遠(yuǎn)可達(dá)幾十米。特別是低頻導(dǎo)波，對于錨桿的工作載荷變化敏感，并且低 頻導(dǎo)波在錨桿中的傳播速度與工作載荷呈線性遞減關(guān)系，因此，低頻導(dǎo)波檢測能夠?qū)﹀^桿 的工作載荷進(jìn)行可靠而有效的檢測。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下 步驟一、使用低頻導(dǎo)波信號，對待檢測的錨固錨桿進(jìn)行檢測，確定出能清晰地接收 到端錨錨桿錨固段上界面反射回波時(shí)的激發(fā)導(dǎo)波頻率f 。低頻導(dǎo)波信號的頻率范圍為大于 OkHz，且小于等于300kHz。 較佳的，所使用的低頻導(dǎo)波信號的頻率范圍為20 100kHz。 步驟二、使用經(jīng)步驟一確定出的頻率為f的激發(fā)導(dǎo)波，檢測與待檢測的錨固錨桿 同一批次的另一根自由錨桿，由此確定出此頻率的激發(fā)導(dǎo)波在該自由錨桿中的傳播速度 Vf ; 步驟三、使用經(jīng)步驟一確定出的頻率為f的激發(fā)導(dǎo)波，在未施加工作載荷狀態(tài)下， 對待檢測的錨固錨桿進(jìn)行檢測。根據(jù)激發(fā)導(dǎo)波在未施加工作載荷的端錨錨桿自由段的傳播時(shí)間t，及經(jīng)步驟二確定出的傳播速度Vf，確定出端錨錨桿自由段長度L :
L = (tXVf)/2 由于低頻導(dǎo)波在錨桿中傳播時(shí)受界面影響較大，在特定的頻率下，可以清晰地得 到導(dǎo)波在端錨錨桿錨固段上界面的反射回波，并測得導(dǎo)波在端錨錨桿自由段的傳播時(shí)間， 與低頻導(dǎo)波在自由錨桿中的傳播速度既可求得端錨錨桿自由段的長度。
步驟四、對待檢測的錨固錨桿施加預(yù)緊力F'，其值由加載儀器讀出，根據(jù)經(jīng)步驟三 確定的端錨錨桿自由段長度L，及頻率為f的導(dǎo)波在預(yù)緊力作用端錨錨桿自由段的傳播時(shí) 間At^'，確定出該導(dǎo)波在預(yù)緊力作用端錨錨桿自由段的傳播速度V/': <formula>formula see original document page 4</formula> 上式中，E為錨桿的彈性模量，r為錨桿的半徑。 步驟五、在任意時(shí)刻，測量出頻率為f的導(dǎo)波在工作載荷F作用端錨錨桿自由段傳 播的時(shí)間At^根據(jù)前述各步驟的結(jié)果，確定出錨固錨桿的工作載荷f =_a^s
—2丄F'+ ;r,五A^(7/ -
至此，就完成了利用低頻導(dǎo)波對錨桿工作載荷進(jìn)行無損檢測的工作。通過檢測導(dǎo) 波在端錨錨桿自由段的傳播時(shí)間，可以監(jiān)測工作載荷的變化。
有益效果 本發(fā)明對比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)測試深度大，適合檢測工程實(shí)際中錨桿的工作載荷；
(2)檢測精度高，誤差能夠滿足工程要求；
(3)檢測方法簡單，操作性強(qiáng)，易于實(shí)時(shí)監(jiān)控；
(4)檢測成本低。


圖1為本發(fā)明方法的流程示意圖； 圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式
中實(shí)測波形圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對本發(fā)明方法做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。 —種利用低頻導(dǎo)波對錨桿工作載荷進(jìn)行無損檢測的方法，如圖1所示，具體實(shí)施 步驟如下 步驟一、使用20 100kHz范圍的低頻導(dǎo)波信號，對待檢測的錨固錨桿進(jìn)行檢測， 確定出能清晰地接收到端錨錨桿錨固段上界面反射回波時(shí)的激發(fā)導(dǎo)波頻率f。圖2為使用 導(dǎo)波檢測錨固錨桿的時(shí)域波形圖，A為激發(fā)波峰值點(diǎn)，B為導(dǎo)波在錨固段上界面反射回波峰 值點(diǎn)，A tAB為導(dǎo)波在錨固段上界面的反射回波與激發(fā)導(dǎo)波的時(shí)間差。 步驟二、使用經(jīng)步驟一確定出的頻率為f的激發(fā)導(dǎo)波，檢測與待檢測的錨固錨桿同一批次的另一根自由錨桿，由此確定出此頻率的激發(fā)導(dǎo)波在該自由錨桿中的傳播速度 Vf ; 步驟三、使用經(jīng)步驟一確定出的頻率為f的激發(fā)導(dǎo)波，在未施加工作載荷狀態(tài)下， 對待檢測的錨固錨桿進(jìn)行檢測。根據(jù)激發(fā)導(dǎo)波在未施加工作載荷的端錨錨桿自由段的傳播 時(shí)間t，及經(jīng)步驟二確定出的傳播速度Vf，確定出端錨錨桿自由段長度L :
L = (tXVf)/2 步驟四、對待檢測的錨固錨桿施加預(yù)緊力F'，其值由加載儀器讀出，根據(jù)經(jīng)步驟三 確定的端錨錨桿自由段長度L，及頻率為f的導(dǎo)波在預(yù)緊力作用端錨錨桿自由段的傳播時(shí) 間At^'，確定出該導(dǎo)波在預(yù)緊力作用端錨錨桿自由段的傳播速度V/': F F, = ;r,五 上式中，E為錨桿的彈性模量，r為錨桿的半徑。 步驟五、在任意時(shí)刻，測量出頻率為f的導(dǎo)波在工作載荷F作用端錨錨桿自由段傳 播的時(shí)間At^根據(jù)前述各步驟的結(jié)果，確定出錨固錨桿的工作載荷 f =_至此，就完成了利用低頻導(dǎo)波對錨桿工作載荷進(jìn)行無損檢測的工作。 下面通過實(shí)施例對本發(fā)明方法進(jìn)行說明。 使用20 100kHz頻率導(dǎo)波，對待檢測端錨錨桿進(jìn)行檢測，錨桿的半徑為20mrn，彈 性模量E為210e9Pa。由測試波形，確定50kHz和60kHz導(dǎo)波在端錨錨桿錨固端上界面有明
顯回波信號，下面使用這兩種頻率導(dǎo)波信號檢測端錨錨桿的工作載荷。
實(shí)施例1 使用頻率為50kHz的激發(fā)導(dǎo)波檢測一 自由錨桿，測得Vf = 5010. 4m/s，根據(jù)步驟三 測得頻率為50kHz導(dǎo)波在未施加工作載荷的端錨錨桿自由段的傳播時(shí)間t = 3. 992e-4s， 然后確定出端錨錨桿自由段長度L二 lm。對待檢測的錨固錨桿施加預(yù)緊力F' 二40kN，該 導(dǎo)波在預(yù)緊力作用端錨錨桿自由段的傳播時(shí)間AtAB' = 3.995e-4s，則由步驟四得到該導(dǎo) 波在預(yù)緊力作用端錨錨桿自由段的傳播速度V/' = 5008.8m/s.測量出該導(dǎo)波在工作載 荷F作用端錨錨桿自由段傳播的時(shí)間A tAB = 4. 001e-4，由步驟五計(jì)算得到工作載荷F = 100. 628kN，而工作載荷的實(shí)際值為100kN，誤差僅為0. 628%。
實(shí)施例2 使用頻率為60kHz的激發(fā)導(dǎo)波檢測一 自由錨桿，測得Vf = 4936m/s，根據(jù)步驟三 測得頻率為60kHz導(dǎo)波在未施加工作載荷的端錨錨桿自由段的傳播時(shí)間t = 4. 051e-4s， 然后確定出端錨錨桿自由段長度L二 lm。對待檢測的錨固錨桿施加預(yù)緊力F' 二40kN，該 導(dǎo)波在預(yù)緊力作用端錨錨桿自由段的傳播時(shí)間AtAB' 二 4.055e-4s，則由步驟四得到該導(dǎo) 波在預(yù)緊力作用端錨錨桿自由段的傳播速度V/' = 4934.4m/s.測量出該導(dǎo)波在工作載荷 F作用端錨錨桿自由段傳播的時(shí)間A tffl = 4. 0615e-4s，由步驟五計(jì)算得到工作載荷F = 102. 2kN，而工作載荷的實(shí)際值為lOOkN，誤差僅為2. 2%。
權(quán)利要求
一種利用低頻導(dǎo)波對錨桿工作載荷進(jìn)行無損檢測的方法，其特征在于包括以下步驟步驟一、使用低頻導(dǎo)波信號，對待檢測的錨固錨桿進(jìn)行檢測，確定出能清晰地接收到端錨錨桿錨固段上界面反射回波時(shí)的激發(fā)導(dǎo)波頻率f；低頻導(dǎo)波信號的頻率范圍為大于0kHz，且小于等于300kHz；步驟二、使用經(jīng)步驟一確定出的頻率為f的激發(fā)導(dǎo)波，檢測與待檢測的錨固錨桿同一批次的另一根自由錨桿，由此確定出此頻率的激發(fā)導(dǎo)波在該自由錨桿中的傳播速度Vf；步驟三、使用經(jīng)步驟一確定出的頻率為f的激發(fā)導(dǎo)波，在未施加工作載荷狀態(tài)下，對待檢測的錨固錨桿進(jìn)行檢測，根據(jù)激發(fā)導(dǎo)波在未施加工作載荷的端錨錨桿自由段的傳播時(shí)間t，及經(jīng)步驟二確定出的傳播速度Vf，確定出端錨錨桿自由段長度LL＝(t×Vf)/2步驟四、對待檢測的錨固錨桿施加預(yù)緊力F’，其值由加載儀器讀出，根據(jù)經(jīng)步驟三確定的端錨錨桿自由段長度L，及頻率為f的導(dǎo)波在預(yù)緊力作用端錨錨桿自由段的傳播時(shí)間ΔtAB′，確定出該導(dǎo)波在預(yù)緊力作用端錨錨桿自由段的傳播速度VfF′ <mrow><msup> <msub><mi>V</mi><mi>f</mi> </msub> <msup><mi>F</mi><mo>&prime;</mo> </msup></msup><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac><msup> <mi>F</mi> <mo>&prime;</mo></msup><mrow> <mi>&pi;</mi> <msup><mi>r</mi><mn>2</mn> </msup> <mi>E</mi></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mi>L</mi> </mrow> <mrow><mi>&Delta;</mi><msup> <msub><mi>t</mi><mi>AB</mi> </msub> <mo>&prime;</mo></msup> </mrow></mfrac> </mrow>上式中，E為錨桿的彈性模量，r為錨桿的半徑；步驟五、在任意時(shí)刻，測量出頻率為f的導(dǎo)波在工作載荷F作用端錨錨桿自由段傳播的時(shí)間ΔtAB，根據(jù)前述各步驟的結(jié)果，確定出錨固錨桿的工作載荷 <mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>&pi;</mi><msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msup><mi>E&Delta;</mi><msub> <mi>t</mi> <mi>AB</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>V</mi><mi>f</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mi>L</mi></mrow><mrow> <mi>&Delta;</mi> <msub><mi>t</mi><mi>AB</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>F</mi> <mo>&prime;</mo></msup> </mrow> <mrow><mn>2</mn><mi>L</mi><msup> <mi>F</mi> <mo>&prime;</mo></msup><mo>+</mo><mi>&pi;</mi><msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msup><mi>E&Delta;</mi><msub> <mi>t</mi> <mi>AB</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>V</mi><mi>f</mi> </msub> <mo>-</mo> <msup><msub> <mi>V</mi> <mi>f</mi></msub><msup> <mi>F</mi> <mo>&prime;</mo></msup> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>
2. 如權(quán)利要求l所述的一種利用低頻導(dǎo)波對錨桿工作載荷進(jìn)行無損檢測的方法，其特征在于，步驟一中所使用的低頻導(dǎo)波信號的頻率范圍為20 100kHz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用低頻導(dǎo)波對錨桿的工作載荷進(jìn)行無損檢測的方法，可以現(xiàn)場檢測錨固錨桿的工作載荷的變化，屬于無損檢測領(lǐng)域。該方法首先確定導(dǎo)波在自由錨桿中的傳播速度和端錨錨桿自由段的長度，然后確定導(dǎo)波在預(yù)緊力作用端錨錨桿自由段中的傳播速度，最后建立工作載荷與導(dǎo)波在端錨錨桿自由段傳播時(shí)間的關(guān)系曲線，在此基礎(chǔ)上，通過檢測導(dǎo)波在端錨錨桿錨固段上界面的反射回波及在自由段的傳播時(shí)間，即能確定工作載荷的大小。該方法可以對錨固錨桿的工作載荷進(jìn)行檢測，可信度增高，而且方法簡單，操作性強(qiáng)，易于實(shí)時(shí)監(jiān)控。
文檔編號G01L1/25GK101706334SQ20091023848
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者何文, 唐永剛, 寧建國, 王成 申請人:北京理工大學(xué)