锚杆锚固质量的超声导波检测技术研究

采用低频超声纵向导波检测了锚杆的锚固质量.首先研究了调制波类型及激励信号周期数对信号频谱的影响,优选出汉宁窗调制的正弦波信号作为检测信号,然后数值模拟研究了20~100 kHz纵向导波在锚杆锚固段上界面的反射情况,进行了纵向导波在锚杆底端与锚固段上界面反射回波的时间差确定锚固锚杆的脱锚长度,进而确定锚杆的粘结密实度的理论与试验研究,结果表明:随着频率的增大,锚固段上界面的反射回波系数逐渐减小.锚固段上界面反射回波系数的试验与数值模拟结果变化趋势差异较大,原因为传感器具有谐振频率及传感器与锚杆接触面耦合存在能量损失.粘结密实度测定的试验与理论结果吻合较好.      

锚杆锚固结构中导波传播的数值模拟

用理论分析、数值模拟和实验测试的方法研究了自由锚杆和锚固锚杆中的波传播特性.研究结果显示在测试激发波的频率范围内(10～100 kHz),锚杆中传播的波是一个和边界条件相关的导波,不同频率的波在锚杆中传播的速度不同.同时分析了采用有限元模拟锚杆中传播的导波时网格密度对模拟结果精度的影响.模拟体波时一般要求在波传播方向上的N值(一个波长内的单元数)大于20,但模拟杆状结构中的导波传播时N值要大于30,并且径向(垂直波传播方向)的N要求比轴向(波传播方向)N值更大.而且模拟不同频散特性的波需要用不同的N值,也就是说对于同一频率的波,频散越大,所需要的N值亦越大.实验室对自由锚杆和锚固锚杆的测试结果与数值模拟的结果取得了很好的一致性.     

超声导波在锚杆锚固无损监测中的应用研究

通过试验测试,分析了超声导波在锚杆锚固体系中的反射相位特征和能量衰减变化规律,为锚杆无损检测提供了一种新方法。     

锚杆-锚固介质-围岩系统瞬态激励的响应分析

将锚杆的振动波动方程考虑为线性的 ,而将锚入岩土中的锚杆一端的边界条件看作为非线性的 ,用摄动法对瞬态激励进行响应分析 ,从而求出了锚杆 -锚固介质 -围岩系统的动力学方程的近似解 ,这一理论对锚杆锚固质量检测、桩基无损检测及地震分析具有重大的意义。     

不同围岩级别和锚固介质下锚杆动测波形特征分析

基于应力波反射法,通过不同围岩级别和锚固介质中锚杆的瞬态动力响应实验研究,对锚杆的加速度响应曲线的波形特征进行分析.结果表明,随着龄期的增长,固端反射信号非常强烈,而底端反射信号越来越微弱,甚至很难识别;围岩和锚杆介质均匀密实的锚杆其信号相对平缓一些.     

自由锚杆中超声导波的衰减特征

为了研究自由锚杆中超声导波的衰减规律,分别制作了长度为800mm、900mm、1100mm、1300mm、1500mm、1800衄、2000mm和2500mm的锚杆。采用虚拟综合测试仪、声发射放大系统、R6et直传感探头和计算机,组装了超声导波无损检测系统。利用该系统分别对制作的锚杆进行了系统的导波测试。结果表明：自由锚杆中超声导波振幅呈负指数分布;不同频率的激发导波在测试频率段内（40-100kHz）波包平均振幅的振幅比均在0．7左右,表明频率对导波衰减的影响不大;不同长度锚杆中波包平均振幅的振幅比也在0．7左右,表明锚杆长度对导波衰减的影响也不大;自由锚杆中导波的衰减,除与材料性质有关外,主要来自于设备本身的系统衰减。研究发现,导波振幅比比振幅绝对值更加稳定、可靠,可用来定量地表示导波振幅的衰减情况。     

锚杆中纵向超声导波传播特性数值模拟研究

针对导波在锚杆检测中的应用,分析了纵向导波在锚杆中的传播特性,利用Matlab求解了纵向导波传播的频散方程,用有限元数值方法模拟了不同频率的L(0,1)模态导波在锚杆中的传播特性,并对其杆顶响应信号进行了分析。通过理论和数值模拟分析对比验证了数值模拟方法的可行性,对于工程中应用导波对锚杆进行检测时,应选择适当频率的导波,并结合各频率导波在锚杆中的传播特性才能得到可靠的结果,进而对锚杆顶端对称与非对称激励震源在锚杆顶端产生的响应进行了分析。     

自由锚杆中超声导波的最优激发波研究

为了选择自由锚杆中超声导波的最优激发波,利用组装的超声导波无损检测系统,用R6和R3组成不同组合的探头对1.3 m的自由锚杆进行了40～100 kHz频率导波测试,周期为1～5.结果表明,最佳探头组合是R6-R6,最优激发波周期为5,最佳测试波频率范围为40～50 kHz;再用R6-R6组合5个周期激发波在40～50 kHz频率范围进行检测,确定最优激发波频率为45 kHz.结果与理论分析基本吻合,可为锚固锚杆和缺陷检测提供依据.     

导波模态类型对锚固锚杆无损检测的影响

纵向模态、扭转模态和弯曲模态超声导波在锚固锚杆结构中衰减的差异性巨大,研究这3种模态超声导波的传播规律对无损检测中测试波的选择具有重要指导意义.应用全局矩阵法的理论计算方法和数值模拟方法分别对这3种模态导波的频散规律和传播规律进行研究,两种方法的研究结果吻合较好.研究结果表明,纵向模态在高频范围内存在衰减为20~44 dB/m的超声导波;扭转模态的所有导波衰减都大于180 dB/m;弯曲模态的导波衰减也大于50 dB/m.因此,纵向模态高频范围的超声导波由于衰减小、易激发等优点可以作为无损检测中的首选测试波.      

基于软岩流变特性的“围岩-锚杆”系统稳定性模拟研究

针对新河煤矿-760 m软岩巷道变形大且持久的特点,采用三维数值模拟方法,分析了软岩巷道的流变特性对“围岩-锚杆”系统的影响,研究了流变软岩巷道围岩位移以及锚杆受力的发展变化特征.研究结果表明：锚杆轴应力与剪应力符合中性点理论,并且岩体弹性模量越小,锚杆剪应力越小,分布范围越大、越均匀,岩体弹性模量越大,剪应力越大,其作用范围越小、越集中,并且围岩位移会随着岩体弹性模量的减小而增大,即岩体越软,围岩位移越大.但通过锚注加固作用,该类软岩巷道围岩位移都得到了有效的控制,锚杆剪应力的分布特征研究为锚杆锚固形式在不同强度岩体中的选择提供了依据.