如何检测锚索的张力及锚杆的长度和灌浆密实度.doc

SCIT-PID-SRB-2014-01

岩锚多功能检测仪
《SRB-MATS-S》

(YMJC 1.1)

2014-02-08初稿
2014-07-15修订
2014-08-19修订
2014-11-07修订

四川升拓检测技术有限责任公司

目录
一．产品描述 1
二．仪器参数 1
三．产品特点 2
四．发明专利 3
五．测试原理介绍 3
1.锚杆张力检测 3
2.锚杆长度测试原理 4
3.基于反射特性的灌浆密实度测试方法 6
4.基于振动衰减特性的灌浆密实度测试方法 9
六．产品功能 11
七．产品配置 11
八．部分工程案例 13

岩锚多功能检测仪
《SRB-MATS-S》

一． 产品描述
该仪器主要应用于公路、铁道、水利、港口等大型工程建设项目的隧道、边坡锚杆，锚索的质量检测，可以测试其张力，以及锚杆的长度，对灌浆密实度也可以进行定性的测试。
在锚杆长度、灌浆密实度的测试中，采用了独特的降噪技术和反射信号提取技术，并获得国家发明专利（ZL200910082851.4）；
在锚杆（索）张力测试中，也采用了一种测试预应力锚固体系张力的无损检测方法，并获得国家发明专利（ZL200910177856.5）。
二． 仪器参数
1. 平台：小型一体化平台
2. 显示 分辨率：液晶显示 1280*800
3. 操作系统（主控系统）：windows
4. 工作温度：-10～50℃
5. 工作电压：12V，连续工作8小时以上（电池可更换）
6. 采样精度：浮点插值补偿至24位
7. 最大采集频率：500KHz,可调
8. 最小采样间隔：2us，可调
9. 最大采集点数：20,000个,可调
10. 存储量：本机自带60G硬盘，可扩展
11. 幅值测量级线性：±0.3dB/6dB
12. 采集器带宽：1Hz-30kHz(频带宽度)
13. 声时长度不确定度：＜1.0%(锚杆长度大于1m)
14. 激振方式：人工激振（激振锥、激振锤）；自动激振（智能激振装置）
15. 噪声处理：采用消减冲击弹性波激振残留信号以识别反射波信号的方法，平滑/LPF/BPF/HPF/合成增幅
16. 统计处理：各种平均、偏差处理以及异常信号的自动抽取
17. 信号处理：积分处理、频谱分析、相关分析、积算处理
18. 图形处理：等值线、浓淡图
19. 锚杆长度、灌浆密实度测试方法：按照相关规范
20. 锚杆长度、灌浆密实度测试范围：最大20m
21. 锚索张力的测试方法：等效质量法（TTEM）
22. 锚索张力的测试范围：需事前标定
23. 锚索长度测试范围：0.5m-60m
24. 激振方式：人工激振（激振锥、激振锤）；自动激振（智能激振装置）
25. 数据采集：支持触控、无线双操控，以及单点、连续双模采样
26. 支持GPS定位（选配）
三． 产品特点
1. 功能强大：可测试岩锚杆（索）的长度、张力以及锚头附近的灌浆密实度等；
2. 技术先进：兼容国内外多种技术和本公司独创技术，测试精度较高，操作简便、效率高；
3. 测试范围：从1m~60m，在条件理想时可达100m；
4. 性能可靠：主要元器件均由日美等国家进口，可靠性高，耐久性强；
5. 技术支持：多个大尺寸的模型试验和现场测试，具备雄厚的技术支持能力；
6. 操作简便：触摸屏与遥控操作双重选择，也可一人测试，效率高。

四．发明专利
1) 冲击弹性波激励残留信号的消减及反射信号的抽出技术，ZL200910082851.4；
2) 一种测试预应力锚固体系张力的无损检测方法，ZL200910177856.5。
五．测试原理介绍
1.锚杆张力检测
长期以来，不少学者致力于预应力锚杆张力损失因素探讨，并有学者通过借鉴空悬锚索（如悬索桥、斜拉桥）的张力测试方法试图测试岩体锚索自振频率与张力之间的关系来推算，张力越大，自振频率越高。

等效质量法
埋入式锚索在锚头激振时，其诱发的振动体系并非固定不变，而是会随着锚固力的变化而变化。锚固力越大，参与自由振动的质量也就越大。

在此基础上，我们提出了基于“等效质量”原理的有效张力测试理论和测试方法。利用激振锤（力锤）敲击锚头，并通过粘贴在锚头上的传感器拾取锚头的振动响应，从而能够快速、简单地测试锚索（杆）的现有张力。

2.锚杆长度测试原理
在锚杆中间的某处的灌浆出现根据不密实现象时，相当于出现材料的不连续性。这种不连续性可以用机械阻抗来表示。（一般用来表示材料的机械阻抗，，这里的是断面截面积））发生变化的边界面上，传播的弹性波会产生波的反射和透过。
1) 基本理论基础：两种不同媒介垂直入射
这是最简单的一种情况，例如在锚杆的底部，锚杆与周围岩体之间就存在较大的阻抗差。此时，激振产生的弹性波的反射可以分析如下：
入射波↓
反射波↑

透过波↓

图1变化的机械阻抗面发生的反射和通过
这里，，表示单元1的粒子的运动速度（入射和反射），表示单元2的粒子的运动速度。在界面上产生弹性波的反射以及通过，可以表示如下：
反射波：　　　　　　　　　　　　　 　　 (1)
透过波： 　　　　　 　　　　　　 　 (2)
此外，反射波和透过波的大小用振幅率来表示。
振幅反射率：　　　　　　　　 　　　　　 　 (3)
振幅透过率：　　　　　　　　　　　　　　　 　(4)
弹性波的反射和透过具有如下性质。
(1) 媒介的机械阻抗相同（），那么就算材料不同，也不会产生波动；
(2) 两种媒介的机械阻抗相差越大，反射率也越大。对于锚杆检测而言，锚杆的先端是软弱土层时，其反射信号则要比先端是坚硬岩石时更为明显；
(3) 在机械阻抗减少（）时，反射波和入射波符号相同（相位相同）。当锚杆的先端是土层和松散岩体、混凝土时，其反射信号与激振信号同向，而在先端是坚硬岩石，其反射信号有可能与入射信号反向。

充填良好：激振信号呈指数快速衰减，持续时间短
激振信号
杆底反射信号
充填不良：激振信号不规则，衰减慢，持续时间长

激振信号
杆底反射信号

3.基于反射特性的灌浆密实度测试方法
为了在提高测试精度的同时兼顾测试效率，因此我们采用了基于冲击弹性波的两种方法进行测试。具体请参考表1。
灌浆缺陷处

锚杆灌浆不密实示意图
表1锚杆灌浆密实度测试项目一览表
测试方案
方案简介
备注
基于反射特性
在锚杆露出端上激振与受信，根据反射信号的位置和强度来测试灌浆密实度
理论上可测试整个锚杆的灌浆密实度，并能够进行缺陷定位
基于振动衰减特性
在锚杆露出端上激振与受信，根据残留振动的衰减特性来测试灌浆密实度
可测试露出端部附近的灌浆密实度

锚杆灌浆质量无损检测示意图
充填良好：
1） 杆底反射信号微弱
2） 之前无明显反射
激振信号
杆底反射信号
充填不良：
1） 杆底反射信号明显
2） 之前有明显反射
激振信号
杆底反射信号
缺陷反射信号

基于反射特性的原理
2) 基本理论基础：中间有不同夹层的情况
当一种材料中夹有另一种材料，例如在锚杆中有局部灌浆不密实的场合，在媒介1（）和媒介2（）的两个交界处均会产生的透过和反射，如下式所示。
当入射波是调谐波时，
　 　　 (5)
其中，　：振幅的透过率（绝对值）
：媒介-2中的波数
　：媒介-2的长度
媒质-1
媒质-1
媒质-2
入射波
反射波
透过波
灌浆缺陷

介入不同的媒介时弹性波的反射
同样，可以得到振幅反射率的绝对值：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (6)
因此，在有不同媒介介入的场合下，
(1) 反射（通过）率与频率相关，通常高频波容易反射。
(2) 在特定的频率下,即

也就是
（7）
时反射波消失。
通常，锚杆的P波波速约为5.1～5.2km/s，若激振信号的频率为5KH时，对长度为0.5、1、1.5米┅左右的灌浆缺陷就会难以检测。
3) 基本理论基础：反射能量
如前所述，根据杆底反射信号的强弱也可以判断锚杆灌浆质量的好坏。而杆底反射信号的强弱可以用下式表示：
（8）
其中，：杆底反射信号的振幅、：基准点的振幅
：因几何衰减造成的振幅比
：因材料粘性衰减造成的振幅比
：因反射衰减造成的振幅比
其中，几何衰减和反射衰减是最主要的能量衰减。
(1) 几何衰减（又叫扩散衰减）：激发的弹性波伴随传播距离的增加，前锋波面增大，单位面积的能量减小。在灌浆密实的锚杆中，弹性波沿着锚杆与灌浆料的接触面向四周逸散，因此其振幅与传播距离接近反比关系。另一方面，如果灌浆质量不好，弹性波无法从空腔部分向四周逸散，因此衰减较小；
(2) 反射衰减：如前所述，杆底的反射与其前端的岩体的力学特性，以及与岩体的粘结程度有很大的关系。当然，岩体约坚硬，越小。
4.基于振动衰减特性的灌浆密实度测试方法
在锚杆顶端激振后，会在锚杆上诱发振动。根据振动的特性，也可以推断锚杆（特别是锚头附件）的灌浆质量。
将锚杆有关的振动部分简化成一个振动系统后，其力学模型如下图所示。在锚杆顶部作用一个冲击力后，系统将产生自由衰减振动（即残留振动）。

振动分析模型
当冲击时间较短时，可以把冲击力简化为一脉冲信号，其冲击力随时间的积分可以表示为：
（9）

图2-2-8 脉冲信号简化图
其中，为德尔塔函数，具有以下性质：
（10）
在该脉冲信号的冲击下，振动系统的响应（即为自由振动或残留振动）可以表示为：
（11）
其中：为角频率，；
为反映系统刚性的弹簧系数；
为衰减比，；
为阻尼系数；
可以看出，衰减比直接影响到振动衰减的快慢。当灌浆质量好时，振动能量衰减小，振动时间变长。
六．产品功能
类别
参数
噪声处理
平滑/LPF/BPF/HPF/合成增幅
统计处理
各种平均、偏差处理以及异常信号的自动抽取
信号处理
积分处理、频谱分析、相关分析、积算处理
图形处理
等值线、浓淡图
锚杆灌浆密实度
测试内容
锚杆灌浆质量
测试方法
反射法
测试范围
最大20m
锚索张力

测试内容
锚头张力（各锚索之和）
测试方法
等效质量法
测试范围
需事前标定
锚杆、锚索长度
测试内容
锚索、锚杆长度
测试方法
反射法
测试范围
锚杆长度0.1-20m,锚索长度0.5-60m
七． 产品配置
岩锚多功能检测仪SRB-MATS-S
序号
部件名称
规格型号
数量
备注
一、仪器主体
1
仪器主机
PC-B-01
1台
含充电器
2
便携式仪器箱

1个

二、工具
1
加速度传感器
S305M-16
3个

2
激振系统

1套

2.1
自动激振系统

1套

2.1.1
激振控制器

1个

2.1.2
智能激振振源

1套

2.2
人工激振系统

1套

3
其他工具

1套

三
软件系统

1套

四
遥控笔
无线采集
1套

五
GPS模块

1套
选配
六
附件

1套

七
备品

1套

17

八．部分工程案例
1. 部分案例一览表
岩锚多功能（SRB-MATS-S）一览表
序号
项目名称
委托单位
测试内容
测试
地点
测试
时间
长度
密实度
锚索张力
1
四川省甘孜州雅江县两河口水电站锚杆长度
中国水利水电第16工程局有限公司
★
★

四川·甘孜州
2011.11
2
某隧道锚杆长度
甘肃省交通科学研究院有限公司
★
★

甘肃·兰州
2012.01
3
某边坡锚索长度张力
云南建科院
★

★
云南·昆明
2012.03
4
永川岩锚长度
中铁8局
★
★

重庆·永川
2012.04
5
锚杆长度实验
成都理工土木工程学院综合实验室
★

四川·成都
2012.04
6
温岭隧道锚杆长度
安徽公路检测中心
★

安徽·宁国
2012.04
7
某隧道锚杆
贵州交通科学研究院
★
★

贵州·贵阳
2012.05
8
世园会工程现场
青岛轨道市政检测中心
★

山东·青岛
2012.06
9
某基坑锚索长度
成都建工
★

四川·成都
2012.06
10
某隧道锚杆
福州岩土所
★

福建·福州
2012.07
11
锚杆长度
福建省煤田地质岩土测试中心
★

福建·福州
2012.07
12
锚索长度
贵州桥梁设计院
★
★

贵州·贵阳
2012.08
13
某边坡锚杆长度
杭州市公路管理局检测试验中心
★
★

浙江·杭州
2012.08
14
某边坡锚杆长度
杭州大正建设工程检测有限公司
★
★

浙江·杭州
2012.08
15
某水电站锚杆
水电七局
★
★

四川·乐山
2012.11
16
某基坑锚索长度
云南建筑科学研究院
★

云南·昆明
2012.12
17
某边坡锚索长度
中交第一公路勘察设计研究院
★

陕西
2012.12
18
某高速边坡
四川交投广甘高速项目部
★
★
★
四川·广元
2013.2
19
某隧道锚杆
甘肃交科院
★
★

陇南·徽县
2013.4
20
锚杆长度检测
德阳禾力检测有限公司
★

四川·德阳
2013.07
21
某边坡锚索长度检测
四川路桥贵州项目部
★
★

贵州·六盘水
2013.09
22
试验室内锚杆长度检测
温州永嘉交通局
★

浙江·永嘉
2013.10
23
某在建住房边坡施工现场的锚索长度、密实度、预应力检测
福建林业勘察设计院
★
★
★
福建·福州
2013.11
24
煤矿矿井巷道内锚索（杆）长度检测
皖北煤电集团山西下会煤矿
★

山西
2013.11
25
锚索检测
武警水电
★

★
四川·康定
2014.01
26
广州梅大高速边坡锚索检测
重庆交科院
★
★

广州·梅州
2014.02
27
贵州市惠水县索力检测
贵州顺康路桥

★
贵州·贵阳
2014.02
28
岩锚电话技术支持
山东科技大学

★
★
山东
2014.02
29
某处边坡锚杆长度检测
贵州交通科学研究院
★

贵州·贵阳
2014.03
30
岩锚灌浆质量检测
中交第二公路工程局有限公司

★

陕西·西安
2014.02
31
锚杆质量检测
中交四公局北京桥隧道分公司

★
北京
2014.04
32
锚杆质量、密实度、长度检测
重庆市交通工程质量检测有限公司
★
★
★
重庆
2014.08
33
锚杆长度、密实度演示
贵州路桥集团工程试验检测
有限公司
★
★

贵州·贵阳
2014.09

2.部分工程案例

测试地点：天津质检站
锚固静载机张力实验

测试地点：安徽高速
锚杆长度检测

测试地点：天津北运河桥
锚杆张力检测

测试地点：昆明
边坡锚索张力测试

测试地点：四川·广元
边坡锚索（杆）张力、长度、灌浆密实度测试