專利名稱：一種利用低頻導波對錨桿工作載荷進行無損檢測的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用導波對錨桿的工作載荷進行無損檢測的方法，可以現(xiàn)場檢測
錨固錨桿的工作載荷，屬于無損檢測領域。
背景技術：
隨著采掘業(yè)發(fā)展，地下結(jié)構的穩(wěn)定性問題日益引起了人們的關注，對于巷道圍巖 穩(wěn)定性檢測的研究已發(fā)展到一個新的階段，并有了不少成熟的技術，諸如巷道表面收斂位 移、深基點位移量測、圍巖松動圈理論及檢測，這些技術在煤礦巷道圍巖穩(wěn)定性控制方面得 到了廣泛的應用。但這些對巷道結(jié)構圍巖穩(wěn)定性的研究均以固體力學中的靜力學為主要手 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備均以靜態(tài)和準靜態(tài)測試為 主，這就導致了所獲取的反應圍巖穩(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。 錨桿支護作為一種主動支護形式，被廣返應用于巷道圍巖的支護系統(tǒng)當中。錨桿 的工作載荷與圍巖的地質(zhì)構造、斷面尺寸、錨桿布置參數(shù)等多種因素有關，它是影響圍巖穩(wěn) 定性的關鍵參數(shù)。通過對錨桿工作載荷的檢測，能夠直接、實時地掌握圍巖穩(wěn)定性控制的核 心_圍巖應力的活動規(guī)律，從而有可能在巷道圍巖及其支護結(jié)構失穩(wěn)、垮落之前，采取有效 的加固措施，從而達到主動控制圍巖穩(wěn)定性的目的。 在工程實際中，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行無損檢測是對地下結(jié)構穩(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 頻導波對錨桿工作載荷進行無損檢測的方法。導波沿傳播路徑衰減很小，可以沿構件傳播 非常遠的距離，最遠可達幾十米。特別是低頻導波，對于錨桿的工作載荷變化敏感，并且低 頻導波在錨桿中的傳播速度與工作載荷呈線性遞減關系，因此，低頻導波檢測能夠?qū)﹀^桿 的工作載荷進行可靠而有效的檢測。
本發(fā)明所采用的技術方案如下 步驟一、使用低頻導波信號，對待檢測的錨固錨桿進行檢測，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的激發(fā)導波頻率f 。低頻導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)導波，在未施加工作載荷狀態(tài)下， 對待檢測的錨固錨桿進行檢測。根據(jù)激發(fā)導波在未施加工作載荷的端錨錨桿自由段的傳播時間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 由于低頻導波在錨桿中傳播時受界面影響較大，在特定的頻率下，可以清晰地得 到導波在端錨錨桿錨固段上界面的反射回波，并測得導波在端錨錨桿自由段的傳播時間， 與低頻導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的導波在預緊力作用端錨錨桿自由段的傳播時 間At^'，確定出該導波在預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、在任意時刻，測量出頻率為f的導波在工作載荷F作用端錨錨桿自由段傳 播的時間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波對錨桿工作載荷進行無損檢測的工作。通過檢測導 波在端錨錨桿自由段的傳播時間，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，具有以下優(yōu)點 (1)測試深度大，適合檢測工程實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，易于實時監(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)明具體實施方式
中實測波形圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明方法做進一步的詳細說明。 —種利用低頻導波對錨桿工作載荷進行無損檢測的方法，如圖1所示，具體實施 步驟如下 步驟一、使用20 100kHz范圍的低頻導波信號，對待檢測的錨固錨桿進行檢測， 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的激發(fā)導波頻率f。圖2為使用 導波檢測錨固錨桿的時域波形圖，A為激發(fā)波峰值點，B為導波在錨固段上界面反射回波峰 值點，A tAB為導波在錨固段上界面的反射回波與激發(fā)導波的時間差。 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)導波，在未施加工作載荷狀態(tài)下， 對待檢測的錨固錨桿進行檢測。根據(jù)激發(fā)導波在未施加工作載荷的端錨錨桿自由段的傳播 時間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的導波在預緊力作用端錨錨桿自由段的傳播時 間At^'，確定出該導波在預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、在任意時刻，測量出頻率為f的導波在工作載荷F作用端錨錨桿自由段傳 播的時間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波對錨桿工作載荷進行無損檢測的工作。 下面通過實施例對本發(fā)明方法進行說明。 使用20 100kHz頻率導波，對待檢測端錨錨桿進行檢測，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波信號檢測端錨錨桿的工作載荷。
實施例1 使用頻率為50kHz的激發(fā)導波檢測一 自由錨桿，測得Vf = 5010. 4m/s，根據(jù)步驟三 測得頻率為50kHz導波在未施加工作載荷的端錨錨桿自由段的傳播時間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緊力F' 二40kN，該 導波在預緊力作用端錨錨桿自由段的傳播時間AtAB' = 3.995e-4s，則由步驟四得到該導 波在預緊力作用端錨錨桿自由段的傳播速度V/' = 5008.8m/s.測量出該導波在工作載 荷F作用端錨錨桿自由段傳播的時間A tAB = 4. 001e-4，由步驟五計算得到工作載荷F = 100. 628kN，而工作載荷的實際值為100kN，誤差僅為0. 628%。
實施例2 使用頻率為60kHz的激發(fā)導波檢測一 自由錨桿，測得Vf = 4936m/s，根據(jù)步驟三 測得頻率為60kHz導波在未施加工作載荷的端錨錨桿自由段的傳播時間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緊力F' 二40kN，該 導波在預緊力作用端錨錨桿自由段的傳播時間AtAB' 二 4.055e-4s，則由步驟四得到該導 波在預緊力作用端錨錨桿自由段的傳播速度V/' = 4934.4m/s.測量出該導波在工作載荷 F作用端錨錨桿自由段傳播的時間A tffl = 4. 0615e-4s，由步驟五計算得到工作載荷F = 102. 2kN，而工作載荷的實際值為lOOkN，誤差僅為2. 2%。
權利要求
一種利用低頻導波對錨桿工作載荷進行無損檢測的方法，其特征在于包括以下步驟步驟一、使用低頻導波信號，對待檢測的錨固錨桿進行檢測，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的激發(fā)導波頻率f；低頻導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)導波，在未施加工作載荷狀態(tài)下，對待檢測的錨固錨桿進行檢測，根據(jù)激發(fā)導波在未施加工作載荷的端錨錨桿自由段的傳播時間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的導波在預緊力作用端錨錨桿自由段的傳播時間ΔtAB′，確定出該導波在預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>′</mo> </msup></msup><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac><msup> <mi>F</mi> <mo>′</mo></msup><mrow> <mi>π</mi> <msup><mi>r</mi><mn>2</mn> </msup> <mi>E</mi></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mi>L</mi> </mrow> <mrow><mi>Δ</mi><msup> <msub><mi>t</mi><mi>AB</mi> </msub> <mo>′</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、在任意時刻，測量出頻率為f的導波在工作載荷F作用端錨錨桿自由段傳播的時間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>π</mi><msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msup><mi>EΔ</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>Δ</mi> <msub><mi>t</mi><mi>AB</mi> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>F</mi> <mo>′</mo></msup> </mrow> <mrow><mn>2</mn><mi>L</mi><msup> <mi>F</mi> <mo>′</mo></msup><mo>+</mo><mi>π</mi><msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn></msup><mi>EΔ</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>′</mo></msup> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>
2. 如權利要求l所述的一種利用低頻導波對錨桿工作載荷進行無損檢測的方法，其特征在于，步驟一中所使用的低頻導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波對錨桿的工作載荷進行無損檢測的方法，可以現(xiàn)場檢測錨固錨桿的工作載荷的變化，屬于無損檢測領域。該方法首先確定導波在自由錨桿中的傳播速度和端錨錨桿自由段的長度，然后確定導波在預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波在端錨錨桿自由段傳播時間的關系曲線，在此基礎上，通過檢測導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行檢測，可信度增高，而且方法簡單，操作性強，易于實時監(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