一種長錨索錨固質量檢測方法及裝置的製作方法

2023-05-21 14:25:11

專利名稱：一種長錨索錨固質量檢測方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於應用地球物理學彈性波振動探測技術領域，涉及彈性波反射法技術用於硐室和高陡邊坡巖體加固處理的一種長錨索錨固質量檢測方法及裝置。
背景技術：
巖土工程中，採用錨索錨固技術，利用錨索將破碎或者不穩定巖土體與穩定巖土體連接在一起，來提高工程巖體的整體穩定性，顯著節約工程材料，有利於施工安全，已經成為提高巖土工程穩定性和解決複雜的巖土工程問題最有效的方法之一。與噴錨掛網等傳統支護方法相比，錨索支護可以在巖土體開挖後能及時和快速地提供支護，主動地加固巖土體，有效地控制巖土體變形，保護地層的原有強度、提高軟弱或潛在滑動面的抗剪強度，使巖土體應力狀態朝穩定方向發展，能有效地防止巖土體坍塌破壞等優點。因此，錨索錨固技術廣泛應用於礦山、交通、水利水電、地質等隧道、邊坡、山體加固工程中。 傳統錨索質量檢測的方法主要有拉拔試驗、鑽孔取芯法。兩種方法在錨索質量檢測中發揮了重要作用，但是它們均為破壞性檢測，對分段錨固力、缺陷位置、注漿密實度和錨固長度等錨固質量的關鍵指標不能檢測等缺點，使其不能滿足錨索質量評價的要求和工程快速化施工的要求。電法、電磁法和磁法等非彈性波無損檢測技術從理論上可以對錨索質量進行評價，但由於其自身的局限性，該技術難以全面評價錨索質量，如脈衝電磁波反射法能檢測錨杆長度，但檢測錨杆注漿密實度精度低；磁法能對錨杆應力狀態進行評價，但對錨杆長度、缺陷位置等指標不能進行評價。彈性波反射法是利用波動參數振幅、波動能量與錨杆質量指標如注漿密實度具有一定相關性的參數指標對錨索質量進行檢測，具有無損、快速、簡便和成本低等優點，是錨杆質量檢測的主要方法。彈性波反射法已在錨杆質量檢測中得到了廣泛的應用，應用對象局限於IOm左右的短錨杆。但隨著工程的巨型化和快速化，要求長大距離錨固，錨索的錨固技術得到了相應發展與應用，錨索長度在交通、礦山等工程均為30m左右，特別在水電工程中，錨索長度則更大，一般為50-80m。而長度較大的錨索，尤其是60m以上的超長錨索的應用。由於錨索施工工藝的複雜性、圍巖結構的複雜性、施工的快速化以及錨索施工的隱蔽性等因素，錨索工程勢必會存在不同程度的質量缺陷，難以滿足工程設計所要求的加固效果，為了保證錨索錨固質量工程質量，工程技術人員致力於長錨索錨固質量無損檢測技術和方法研究。由此，針對長錨索錨固質量的檢測遇到接收的信號比較微弱，有較大的幹擾信號問題，我們研究和開發一種適用於長錨索錨固質量檢測的方法及專用傳感器，試圖將原始信號底端反射波經濾波、放大處理後，有效壓制幹擾信號，識別和提取有效弱反射波信號。

發明內容
本發明的目的之一是解決錨索錨固質量檢測有效信號能量弱和高頻幹擾信號能量大的問題，提出一種以計量錨索長度和錨固體注漿密實度，對錨索錨固體質量進行檢測和判別的方法，通過對彈性波信號進行垂直疊加技術採集及數據處理技術和步驟，輸出檢測成果圖，獲取對錨索錨固質量判斷的識別參數。本發明的目的之二是提出一種長錨索錨固質量檢測裝置，採用錨索鋼絞線外露端安裝錨索傳感器，在該外露杆端頭設置磁致探頭且激發裝置多次瞬態激發，對在錨索中產生的彈性波信號採用垂直疊加技術進行採集，有效採集到錨索錨固體深部微弱的有效反射波信號，並能從採集到的複雜信號識別和提取該反射波信號，獲取定量錨索長度和注漿密實度定性判別結果來檢測錨索錨固體質量。本發明解決其技術問題採用以下技術方案一種長錨索錨固質量檢測方法，主要是定量計算錨索長度和定性給出錨固體注漿密實度級別，對錨索錨固體質量進行檢測和判另IJ，具體步驟如下I)錨索檢測信號採集；
2)錨索錨固體波速實驗；3)錨索錨固原始數據的信號處理過程；4)錨索錨固質量檢測結果判定。其中，步驟1，在錨索注漿後至錨索張拉前這一時間段，在錨索鋼絞線外露端採集檢測信號，傳感器安裝位置在錨索外露端，用螺絲壓緊錨索傳感器使錨索傳感器和鋼絞線成為一個彈性體，激發位置在外露端，用一個超磁致探頭激發產生波形基本一致的振動信號；錨索傳感器接收到鋼絞線的振動，並將機械信號轉為電信號；其中，步驟2，在錨索穿索時，在錨索體內不同深度安裝預埋傳感器，錨索注漿後在不同時期進行觀測，利用傳感器拾取的透射波的到達時間來獲取波在錨固體內的傳播速度；其中，步驟3，對檢測信號採集的原始數據進行歸一化處理，使檢測波形信號處於同一量級水平，進行波形對比和頻譜分析；利用錨索錨固體鋼絞線有效振動頻帶響應值，設定帶通濾波的上限和下限值，採用振幅補償等非線性放大技術對信號進行處理；再採用反褶積濾波技術壓制幹擾波信號、放大有用弱信號，提取波阻抗界面的反射係數，檢測成果圖輸出。而且，所述步驟2和步驟3輸出錨索長度和注漿密實度識別結果。而且，所述步驟I對原始信號波形多次垂直疊加，獲取放大有效弱信號、壓制幹擾信號。而且，所述步驟I重複採集至少3到6次，達到多次採集的波形特徵基本一致。而且，所述步驟2傳感器技術獲取波在錨固體內的傳播速度，採集最先到達傳感器的直達波傳播速度，其波形初至起跳明顯。一種長錨索錨固質量檢測裝置，主要是將傳感器安裝在錨索外露杆，磁致探頭設置在錨索杆端，磁致探頭接激發裝置，傳感器接數據採集儀。而且，所述傳感器為中空的，錨索穿入其中，緊固螺釘將傳感固定在錨索上。而且，所述緊固螺釘至少為兩個或兩個以上，且緊固螺釘為兩個相互垂直設置，將傳感器固定在錨索上。而且，數據採集儀接入數據處理裝置，數據處理裝置檢測成果圖輸出。本發明與現有技術相比還具有以下的主要優點
I、本發明採用系統化的錨索信號處理方法和步驟，有效採集到錨索錨固體深部微弱的有效反射波信號，並能從採集到的複雜信號識別和提取該反射波信號；根據反射波到達時間、反射波能量以及反射波相位和入射波相位的關係，可以快速判別錨索錨固質量，準確地計算錨索長度和定性評價注漿密實度。2、本發明錨索錨固質量檢測裝置，採用的傳感器為中空式壓電傳感器，傳感器安裝位置在錨索外露杆，能保證傳感器和錨索最佳匹配，傳感器頻帶寬，頻帶範圍能覆蓋錨索結構振動的頻響範圍；在錨索鋼絞線外露端採集檢測信號，激發位置在杆端，激發裝置接磁致探頭，數據採集的觀測方式採用激振器和信號接收器安裝在同一根鋼絞線，該觀測方式接收信號的能量最強，即有利於微弱信號的接收。3、本發明數據採集過程中採用垂直疊加技術，該技術利用數據採集儀的浮點放大功能，在鋼絞線外露端端頭激發信號，安裝在激發器附近的信號接收傳感器接收到從錨固體內傳播的振動信號，並傳輸到數據採集儀。對同一根鋼絞線進行多次激發和接收，多次接收到的時序曲線相加，數據採集儀自動根據相加後的信號大小來確定放大倍數。既根據振動信號的幅度，動態調整放大倍數(量程範圍)，從而把幅度相差懸殊的振動信號始終放大 至最佳值，保證了對微弱振動信號的精確測量，使波形準確、不失真。採用垂直疊加技術的優點是增大微弱信號的能量，壓制隨機幹擾信號，有利於微弱信號的提取和識別。4、採用預埋傳感器技術研究錨固體內波速變化規律，即在錨固體內部安裝信號傳感器，根據不同齡期預埋傳感器接收到的透射波到達時間，計算出波在錨固體內的傳播速度。其波速變化規律為無灌漿時，錨固體內波的傳播速度最大，灌漿後，波的傳播速度減少，且灌漿越密實，波速就越小。5、本發明對採集到數據進行數據格式改編，轉變為用戶可以讀取的數據格式，在數據中讀取最大數據，時序曲線的每一個數據除以最大值，做振幅歸一化處理，以減少激發條件和激發能量對檢測波形的影響，使能量處於統一量級水平上，有利於錨固體注漿密實度的評價。6、本發明對接收信號數據處理進行傅立葉變換，確定錨固體振動的頻譜特性，確定帶通濾波的上限和下限值，進行帶通濾波，利於保留有效信號的頻帶範圍，提高檢測信號的信噪比。7、本發明數據處理採用非線性放大技術。檢測信號中的深部反射波能量弱除與界面波阻抗差異小外，波的幾何擴散，即波傳播的距離越大，能量損失越大，其能量一般按指數形式衰減和粘彈性介質的吸收衰減均造成了能量損失，通過對上述指數函數進行反變換，來補償波前幾何擴散和介質吸收衰減對反射波能量的損失。達到增強弱反射波能量的目的，並使反射波能量處於真實的水平上。8、本發明錨索質量彈性波反射法採用反褶積濾波，使具有一定延續時間的子波波形得到壓縮，提高了檢測精度，並能壓制幹擾信號。


圖I是本發明檢測方法數據採集合格的原始波形曲線圖。圖2是錨索11、12實驗不同階段錨固體波速變化曲線圖。圖3是本發明檢測方法的數據處理流程圖。
圖4是本發明檢測方法的數據處理成果圖。圖5是本發明檢測裝置結構示意圖。錨索(I)、傳感器(2)、緊固螺釘(3)、磁致探頭(4)、激發裝置(5)、接數據採集儀
(6)、數據處理裝置(7)。下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。一種長錨索錨固質量檢測方法，利用採集到錨索錨固體深部微弱的有效反射波信號，根據反射波到達時間、反射波能量以及反射波相位和入射波相位的關係，可以準確地計算錨索長度和定性評價注漿密實度，並對錨索錨固體質量進行檢測和判別。檢測方法分四個步驟一、錨索檢測信號採集；二、錨索錨固體波速實驗；三、錨索錨固原始數據的信號處理過程；四、錨索錨固質量檢測結果判定。
步驟一、錨索檢測信號採集。在錨索注漿後至錨索張拉前這一時間段，在錨索鋼絞線外露端採集錨索檢測，傳感器安裝位置在錨索外露杆，激發位置在杆端，用激振器的超磁致探頭激發產生波形基本一致的振動信號，用螺絲壓緊錨索傳感器使錨索傳感器和鋼絞線成為一個彈性體，錨索傳感器接收到鋼絞線的振動，並將機械信號轉為電信號。對激發部位做實驗，激發部位分別為安裝錨索傳感器的鋼絞線外露端端頭為自激、其它鋼絞線的外露端端頭為旁激和錨索託盤。同一束錨索中選取鋼絞線進行三種激發部位的測試，並經處理後的波形圖。以上表明自激方式測試獲得的信號強，錨索託盤、旁激方式測試獲得的信號次之。採用自激方式，激發位置在杆端，用激振器一個超磁致探頭激發產生波形基本一致的振動信號。採用激振器和信號接收器安裝在同一根鋼絞線，該觀測方式接收信號的能量最強，即有利於微弱信號的接收。傳感器採用中空式壓電傳感器，用螺絲壓緊錨索傳感器使錨索傳感器和鋼絞線成為一個彈性體，保證傳感器和錨索最佳匹配，傳感器頻帶寬，頻帶範圍能覆蓋錨索結構振動的頻響範圍。步驟二、錨索錨固體波速實驗。在錨索穿索時，在錨索體內不同深度安裝預埋傳感器，錨索注漿後在不同時期進行觀測，波速試驗是通過預埋傳感器拾取的透射波來獲取，利用透射波到達時間獲取波在錨固體內的傳播速度。採用預埋傳感器技術研究錨固體內波速變化規律，即在錨固體內部安裝信號傳感器，根據不同齡期預埋傳感器接收到的透射波到達時間，計算出波在錨固體內的傳播速度，採集最先到達傳感器的直達波傳播速度，其波形初至起跳明顯。其波速變化規律為，無灌漿時，錨固體內波的傳播速度最大，灌漿後，波的傳播速度減少，且灌漿越密實，波速就越小。見圖1，選用了具有多次疊加功能的檢測儀和錨索傳感器。數據採集過程中採用垂直疊加技術，利用數據採集儀的浮點放大功能，在鋼絞線外露端端頭瞬態激發方式激發信號，安裝在激發器附近的信號接收傳感器接收到從錨固體內傳播的振動信號，並傳輸到數據採集儀。該信號曲線為時序曲線，顯示在顯示器上，重複激發和接收，前後兩次採集到的時序曲線同一時間點的數據相加，同樣，對同一根鋼絞線進行多次激發和接收，多次接收到的時序曲線相加，數據採集儀自動根據相加後的信號大小來確定放大倍數。單根鋼絞線檢測的有效波形至少3條，且測試波形穩定性和一致性好。既根據振動信號的幅度，動態調整放大倍數，從而把幅度相差懸殊的振動信號始終放大至最佳值。採用垂直疊加技術增大微弱信號的能量，壓制隨機幹擾信號，有利於微弱信號的提取和識別。
步驟三，錨索錨固原始數據的信號處理過程。對檢測信號採集的原始數據進行歸一化處理，使檢測波形信號處於同一量級水平，進行波形對比頻譜分析；利用錨索錨固體鋼絞線有效振動頻帶響應值，設定帶通濾波的上限和下限值，採用振幅補償等非線性放大技術對信號進行處理；再採用反褶積濾波技術壓制幹擾波信號，提取波阻抗界面的反射係數，檢測成果圖輸出。見圖3，數據處理方法流程，原始數據、解編、振幅歸一化處理、頻譜分析、帶通濾波、非線性放大、反褶積濾波、反射波參數信息提取、錨固質量評價。由於測試獲得的原始信號是由幹擾信號和有效信號組成。在錨索質量無損檢測中，波在錨固體內傳播，由于波前擴散損失、傳播介質對波吸收損失等原因，有效信號一般比較微弱，且往往被幹擾信號所覆蓋。對採集到數據進行數據格式改編，轉變為用戶可以讀取的數據格式，在數據中讀取最大數據，時序曲線的每一個數據除以最大值，做歸一化處理，以減少激發條件和激發能量對檢測波形的影響，使能量處於統一量級水平上，有利於錨固體注漿密實度的評價。·對接收信號進行傅立葉變換，確定錨固體振動的頻譜特性進行分析。根據錨固體振動的頻譜特性，確定帶通濾波的上限和下限值，進行帶通濾波，保留有效信號的頻帶範圍。檢測信號中的深部反射波能量弱除與界面波阻抗差異小外，波的幾何擴散即波傳播的距離越大，能量損失越大，其能量一般按指數形式衰減和粘彈性介質的吸收衰減均造成了能量損失且能量基本上按指數形式衰減，通過對上述指數函數進行反變換，來補償波前幾何擴散和介質吸收衰減對反射波能量的損失。達到增強弱反射波能量的目的，並使反射波能量回到真實的水平上。受錨固體介質、儀器設備等作用，使激發的尖脈衝變成了具有一定延續時間的波形，降低了資料的檢測精度。採用反褶積濾波，使具有一定延續時間的波形變成尖脈衝，提高檢測資料的解析度，壓制幹擾信號，提高信號的信噪比。錨索質量彈性波反射法獲得的檢測記錄可採用褶積模型合成，即檢測記錄為地震子波和界面反射係數的褶積。地震記錄和子波褶積即可得到錨固體內界面反射係數，繪製時間與反射係數曲線。從曲線中可比較準確讀取反射界面的位置。見圖4，數據處理成果圖，即經各流程處理後獲得的波形圖。圖中第I道為原始波形，第2道、第3和第4道為經處理後的波形。對比4道波形可以看出原始波形較雜亂，錨索底端反射波識別困難；經處理後，波形比較有規律，能觀察到錨索底部反射波，有效壓制了底部反射波之前的幹擾波信號。以上表明，原始信號經濾波、放大和反褶積濾波等處理後，幹擾信號被有效壓制，有效弱信號被明顯增強。步驟四，錨索錨固質量檢測結果判定。根據反射波到達時間、反射波能量以及反射波相位和入射波相位的關係，可以準確地計算錨索長度和定性評價注漿密實度，並對錨索錨固體質量進行檢測和判別。利用底部反射波到達時間和錨固體波速試驗值，可計算出錨索的長度。試驗表明單根鋼絞線計算長度與實際測量長度最大相差3. 00m，最小O. 28m。平均相對誤差範圍為
I.48 2. 03m(均值I. 75m)。長度誤差在5%以內。錨固段密實性定性評價。由實驗可知，沒有灌漿時，錨固體波速為5400m/s左右，隨著灌漿和灌漿齡期增加，錨固體波速降低，即鋼絞線被砂漿握裹後，錨固體波速降低，且握裹越密實，波速降低越大。根據彈性波反射法原理可知，波從波阻抗(波速)大的介質進入波阻抗(波速)小的介質，反射波與入射波相位相同，相反，波從波阻抗(波速)小的介質進入波阻抗(波速)大的介質，反射波與入射波反相。對於無粘結錨索，非錨固段鋼絞線與砂漿非直接接觸，而錨固段鋼絞線直接與砂漿接觸，砂漿對錨固段波速影響較大，波速降低更多。在不考慮周圍巖體質量情況下，若反射波與入射波同相，表明錨固段密實性好，否則，錨固段密實性差。在考慮圍巖質量情 況下，隨著圍巖質量變好，經室內模型計算，反射波相位與入射波相位從相同變為相反。綜上所述，如果反射波與入射波同相，表明灌漿質量好，反射波幅度越大，灌漿質量越好；如果反射波與入射波反相，表明圍巖質量好或者灌漿質量差，反射波幅度越大，灌漿質量越差或圍巖質量越好。見圖5，長錨索錨固質量檢測裝置，傳感器(2)安裝在錨索(I)外露杆，磁致探頭O設置在錨索杆端O，磁致探頭(4)接激發裝置(5)，傳感器(2)接數據採集儀￠);緊固螺釘(3)為兩個相互垂直設置，且至少為兩個或兩個以上，將底傳感器(2)固定在錨索(I)上；數據採集儀(6)接入數據處理裝置(7)，數據處理裝置檢測成果圖輸出。將傳感器(2)用至少二個以上或二個以上緊固螺釘(3)壓緊錨索(I)上，使錨索
(14)和傳感器(2)緊密在一起，採用磁致探頭⑷和傳感器(2)安裝在同一根鋼絞線，該觀測方式接收信號的能量最強，在錨索(14)外露端端部激發裝置(5)磁致探頭(4)激發瞬間衝擊力，當彈性波在錨索⑴中傳播時就會產生質點振動，彈性波傳遞到傳感器⑵底座處時，質點振動就會被傳遞到傳感器(2)底座上。當底座有彈性波質點振動時，質點振動轉換為電荷，即將振動信號變為電信號，選用具有多次疊加功能的數據採集儀出)，數據採集過程中採用垂直疊加技術，利用數據採集儀的浮點放大功能，在鋼絞線外露端端頭瞬態激發方式激發信號，安裝在激發裝置(5)附近的信號接收傳感器接收到從錨固體內傳播的振動信號，並傳輸到數據採集儀(6)。數據採集儀(6)接入數據處理裝置(7)，數據處理裝置(7)對檢測信號採集的原始數據進行數據格式改編，做振幅歸一化處理，以減少激發條件和激發能量對檢測波形的影響，使檢測波形信號處於同一量級水平，進行波形對比頻譜分析，設定帶通濾波的上限和下限值，採用振幅補償等非線性放大技術對信號進行處理；再採用反褶積濾波技術壓制幹擾波信號，提取波阻抗界面的反射係數，檢測成果圖輸出。
權利要求
1.一種長錨索錨固質量檢測方法，其特徵在於定量計算錨索長度和定性給出錨固體注漿密實度級別，對錨索錨固體質量進行檢測和判別，具體步驟如下 1)錨索檢測信號採集； 2)錨索錨固體波速實驗； 3)錨索錨固原始數據的信號處理過程； 4)錨索錨固質量檢測結果判定。
其中，步驟I，在錨索注漿後至錨索張拉前這一時間段，在錨索鋼絞線外露端採集檢測信號，傳感器安裝位置在錨索外露端，用螺絲壓緊錨索傳感器使錨索傳感器和鋼絞線成為一個彈性體，激發位置在外露端，用一個超磁致探頭激發產生波形基本一致的振動信號；錨索傳感器接收到鋼絞線的振動，並將機械信號轉為電信號； 其中，步驟2，在錨索穿索時，在錨索體內不同深度安裝預埋傳感器，錨索注漿後在不同時期進行觀測，利用傳感器拾取的透射波的到達時間來獲取波在錨固體內的傳播速度； 其中，步驟3，對檢測信號採集的原始數據進行歸一化處理，使檢測波形信號處於同一量級水平，進行波形對比和頻譜分析；利用錨索錨固體鋼絞線有效振動頻帶響應值，設定帶通濾波的上限和下限值，採用振幅補償等非線性放大技術對信號進行處理；再採用反褶積濾波技術壓制幹擾波信號、放大有用弱信號，提取波阻抗界面的反射係數，檢測成果圖輸出。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於所述步驟2和步驟3輸出錨索長度和注漿密實度識別結果。
3.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於所述步驟I對原始信號波形多次垂直疊加，獲取放大有效弱信號、壓制幹擾信號。
4.根據權利要求I或3所述的方法，其特徵在於所述步驟I重複採集至少3到6次，達到多次採集的波形特徵基本一致。
5.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於所述步驟2傳感器技術獲取波在錨固體內的傳播速度，採集最先到達傳感器的直達波傳播速度，其波形初至起跳明顯。
6.一種長錨索錨固質量檢測裝置，其特徵在於傳感器(2)安裝在錨索(I)外露杆，磁致探頭(4)設置在錨索(I)杆端，磁致探頭(4)接激發裝置(5)，傳感器(2)接數據採集儀(6)。
7.根據權利要求6所述的檢測裝置，其特徵在於所述傳感器(2)為中空的，錨索(I)穿入其中，緊固螺釘(3)將傳感器(2)固定在錨索(I)上。
8.根據權利要求7所述的檢測裝置，其特徵在於所述緊固螺釘(3)至少為兩個或兩個以上，且緊固螺釘(3)為兩個相互垂直設置，將傳感器(2)固定在錨索(I)上。
9.根據權利要求6所述的一種錨索錨固質量檢測傳感器，其特徵在於數據採集儀(6)接入數據處理裝置(7)，數據處理裝置檢測成果圖輸出。
全文摘要
本發明公開一種長錨索錨固質量檢測方法及裝置，通過計量錨索長度和注漿密實度的定性判別檢測錨索錨固體質量。採用錨索鋼絞線外露端安裝錨索傳感器，在該外露杆的端頭多次瞬態激發，對在錨索中產生的彈性波信號採用垂直疊加技術進行採集，並對採用數據解編、頻譜分析、帶通濾波、有效信號提取與放大、反褶積濾波及檢測成果圖輸出信號處理技術和步驟，獲取對錨索錨固質量判斷的識別參數。利用錨索錨固體內的彈性波波速和錨索底端反射界面產生的反射波信號的傳播時間來進行定量計算，對錨索長度參數的判別；利用錨固體深部的反射波能量以及相位的變化關係進行定性評價，對錨索的注漿密實度參數的判別。
文檔編號G01N29/07GK102890117SQ20121003383
公開日2013年1月23日 申請日期2012年2月15日 優先權日2012年2月15日
發明者肖國強, 周黎明, 王法剛, 尹健民, 周春華, 汪洋 申請人:長江水利委員會長江科學院