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锚杆质量无损检测技术原理

关注:179发表时间:2013-10-15 00:00:00

       在隧道内锚杆、混凝土砂浆和围岩组成的系统中,密实状态下的锚固剂凝固后,密实度与锚杆杆体的密实度十分相近,在锚杆孔中,其与锚杆杆体紧密握裹,可近似为一个组合杆体。而锚杆与锚固剂的强度明显大于隧道围岩,故可把其组合体近似看作是嵌入围岩的一维杆状体。由锚杆端部发射的声频应力波经杆体向里传播,当遇到存在波阻抗差异的界面(如空洞、锚杆与砂浆等界面),将发生反射、透射或散射。图2.1为应用应力波检测技术测试锚杆锚固质量的原理示意图。在实际工程中透射波不易测得,但反射波可在其传至锚杆顶时,通过固定在锚杆顶部的传感器加速度型或速度型测得,由于反射波携带锚固系统内信息,SET-PB-01锚杆检测仪会将其放大、滤波和数据处理,识别来自不同部位的反射信息。根据这些反射信息,结合其他工程资料,可判断锚固系统不同部位的质量。

图2.1 应力波法锚杆无损检测原理示意图

2.2 分析原理

机械波在介质中传播并在某个界面反射,界面与机械波传播起点厚度为h,则波速Vp与频率f满足如下关系式:

应力波法是基于一维杆件的波动理论。根据波在锚杆中传播的一维波动方程及波在上、下界面处质点位移的连续条件和力的平衡条件,得出:

反射波应力                                  (2.1)

透射波应力                             (2.2)

反射系数                        (2.3)

式中Z1=ρ1c1A1为锚杆与锚固剂组合杆体的波阻抗(杆体密实度ρ1,波速c1和杆体横断面积A1的乘积), Z2=ρ2c2A2为锚杆杆体的波阻抗。

可以看出,在杆中截面面积或材料性质发生变化时,入射波将在该截面上发生反射和透射。其反射波和透射波幅值的大小与截面面积和波阻抗相对变化的程度有关。当锚杆、砂浆和围岩浇灌均匀、密实时,由于三者之间的波阻抗差异不大,因此有大部分能量透射出去,只有小部分能量反射回来。当砂浆浇灌不均匀、不密实时,则在砂浆中出现空隙,在空隙处呈现出强的波阻抗差异,反射波能量大大增强。通过分析反射波与入射波之间的能量关系,可以判断出锚杆、锚固系统的密实程度。同时,当应力波遇到锚固缺陷时,原有的振动发生变化,表现为在缺陷处产生了相位突变,因此可以通过分析反射波的相位变化位置判断出锚固缺陷的位置。从(2.3)式可以看出:

1) 当锚固系统沿锚杆轴向某处波阻抗Z减小,即ρ1c1A1 >ρ2c2A2,则R>0,此时反射波相位与入射波相位相同。

2) 当锚固系统沿锚杆轴向某处波阻抗Z增大,即ρ1c1A1 < ρ2c2A2,则R<0,此时反射波相位与入射波相位相反。

从实测的时域曲线中可以算出锚杆长度或缺陷位置L

                                                      (2.4)

式中,c为纵向应力波平均波速;t为从激振开始到反射波至锚杆顶所需时间


 

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