锚杆无损检测(应力波反射法)原理

式中，ai，ai+1，为振动响应第 i 个振幅峰与第 i+1个振幅峰值。样本中的极限承载力是 通过静载抗拔试验获得的。“国家体育总局航海运动学校经营用房及博物馆”工程位于青 岛市南海路6号，选取7根锚杆(图 2)的低应变动测及现场拉拔试验参数作为数据样本，其 中5根(6～10 号)，用于训练样本,2根（1号、5号）作为检验样本，来验证利用训练好的BP 神经网络预测锚杆抗拔力。6～10号共 5 根锚杆的动测数据如表 1 所示：将样本集的数据 代入 BP 网络中，采用 Leven-berg-Marquardt 优化算法，经过训练后，网络 LA、LB、LC 层各神经元之间的权值如图 3 所示：训练后神经元节点之间的输入、输出值。训练后神经 元节点之间的输入、输出值结果如图4。经过训练后的 BP 网络就具有联想功能，可以对工 程锚杆极限承载力进行预测，输入需预测工程锚杆的小应变动测参数；计算 LB层各神经元 激活值；计算 LC层神经元的激活值。
分类
(1)木锚杆。我国使用的木锚杆有两种，即普通木锚杆和压缩木锚杆。 (2)钢筋或钢丝绳砂浆锚杆。以水泥砂桨作为锚杆与围岩的粘结剂。 (3)倒楔式金属锚杆。这种锚杆曾经是使用最为广泛的锚杆形式之一。由于 它加工简单，安装方便，具有一定的锚固力，因此这种锚杆在一定范围内至 今还在使用。 (4)管缝式锚杆。是一种全长摩擦锚固式锚杆。这种锚杆具有安装简单、锚 固可靠、初锚力大、长锚固力随围岩移动而增长等特点。 (5)树脂锚杆。用树脂作为锚杆的粘结剂，成本较高。 (6)快硬膨胀水泥锚杆。采用普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥加入外加剂 而成，具有速凝、早强、减水、膨胀等特点。 (7)双快水泥锚杆。是由成品早强水泥和双快水泥按一定比例混合而成的。 具有快硬快凝、早强的特点。
3. 2 杆体波速与杆系波速检测与统计
锚杆杆体波速应通过所检测工程锚杆同样材质、直径的自由杆测试取得 ; 杆系波速应采用锚杆模拟试验结果或类似工程锚杆的波速值。试验表明，一维 自由弹线性体的波速和有一定边界条件的一维弹线性体的波速存在一定的差异， 即锚杆杆体的声波纵波速度与包裹一定厚度砂浆的锚杆杆系的声波纵波速度是 不一样的，计算砂浆包裹的锚杆杆体长度时应采用杆系波速，计算自由杆杆体 长度时应采用杆体波速。波速差异的因素与声波波长、锚杆直径、胶粘物厚度、 胶粘物波速及声波尺度效应等有关，因此锚杆杆长计算时采用的波速平均值应 考虑密实度的影响。由于杆系平均波速受多方面因素的影响，尚无法准确地确 定与密实度的关系，但在实际检测工作中应考虑由此带来的检测杆长误差。一 般锚杆杆体的波速比杆系的波速高，锚杆杆体波速一般为 5120 m/s，经此次研 究对锚杆杆体和杆系波速进行多次检测与统计，得出经验数据如表 1 和表 2， 室内模型锚杆杆系波速范围 3359 ～ 4506m /s，平均波速 3757m /s，波动范 围约 30% ; 现场模型锚杆杆系波速范围 3687 ～ 4374m /s 之间，平均波速 4018 m / s，波动范围约 20 % 。即使能够准确测出锚杆杆底的反射波时间， 由此计算的锚杆长度的误差也很大。
利用BP神经网络进行锚杆承载力智能预测
目前，在人工神经网络的实际应用中，绝大部分的神经网络是采用 BP 网络和它的变 化形式，它也是前向网络的核心部分。BP(Back Propagation) 网络，即误差反向传播神经 网络，它是在模式分类器中用的最多的一种神经网络。锚杆承受拉力的能力，一方面取决 于预应力筋的截面积和抗拉强度，另一方面，则取决于锚固体的抗拔力。锚固体的抗拔力 事先不易准确确定，它与许多因素有关，如锚固体几何形状、传力方式、岩土体的渗透性、 灌浆压力及上覆层厚度等。当用一个含有丰富频率成份的信号作为输入对锚固系统进行激 励时，由于系统的结构组成及其它物理力学性质不同，对各频率成份的抑制和增强作用发 生改变，输出信号各频率成份的能量中，包含着丰富的信息，某种或某几种频率成份能量 的改变即代表了一种锚固状态。因此，在锚固质量的应力波探测中可用声时、幅值、波形 等声参数作为判断的依据，若再加上实测到的弹性波的频谱（振幅谱、相位谱、能量谱等） 资料，可以得到比用单纯弹性波速反映岩体结构状态更有效的资料。
3. 3 反射波性质的判定
反射波信号可能来自杆中或杆底，杆底反射信号计算锚杆长度，杆中反射信号 计算缺陷位置，因此判断反射波信号的性质非常重要。本次实验得出以下经验 : (1) 与入射波反相位(第一次反射) 的反射信号，为杆中反射信号，其反射界面 两侧的密实度是从不密实至密实 ; (2) 与入射波同相位的反射信号，可能为杆 底反射信号或杆中反射信号，须结合其他因素综合判定 ; (3) 出现多次的同相 反射信号为杆底反射信号 ; (4) 杆中同相反射界面两侧的密实度是从密实至不 密实;(5) 一般情况下，根据杆底反射信号计算的杆长与设计长度相近。
锚杆质量无损检测的内容为锚杆长度和锚杆饱满度。在由锚杆、粘结剂 和围岩组成的锚固体系中，当在锚杆锚固体系中传播的应力波波长λ＞10d(d 为锚固体系直径)且λ<<L(L为锚固体系长度)，可将锚固体系简化为嵌入围岩 的一维匀质变截面杆件。锚杆饱满度的变化表现为杆件截面面积的变化，锚 杆长度表现为材质的变化。无论锚杆长度和锚杆饱满度的改变，均表现为广 义波阻抗的变化。当锚杆的几何尺寸或材料性质发生变化时，其波阻抗将发 生变化，其变化分界面称为波阻抗界面，杆的缺陷部位(粘结剂缺失) 及杆底 端均可视为波阻抗界面。当在锚杆端头作用一激振力时，就会在杆端产生应 力波，应力波沿杆体向杆件底端传播，遇到波阻抗界面时会产生反射和透射 应力波，根据反射波的走时和锚杆中的应力波传播速度可以计算锚杆长度(杆 底反射波 ) 和缺陷位置 ( 杆中反射波 ) 。若锚杆中存在注浆不密实段，则复合 杆件的截面面积及波阻抗发生变化，在波阻抗界面将产生反射应力波，杆中 反射应力波的相对能量强度与锚杆饱满度差异程度有关 ; 一般锚杆饱满度越 差，反射波的能量越强，衰减越慢;不饱满区段越多，则波阻抗界面越多，反 射应力波越多。
锚杆无损检测(应力波反射法)原理
小组成员： 高松 郑月敏
1、锚杆图片模型 2、简单的分类 3、利用BP神经网络进行锚杆承载力智能预测 4、锚杆无损检测
锚杆支护实质上是把锚杆安装在巷道的围岩中，使层状的、软质的岩体以 不同的形态得到加固，形成完整的支护结构，提供一定的支护抗力，共同阻抗 其外部围岩的位移和变形。
2. 1 试验流程 本次研究包含室内试验和现场试验，参照相关规范设计了操作流程 : 收集基础资料、 调试检测仪器、模型锚杆的施工制作、无损检测采集数据、剖管验证 (室内试验 ) 、检测 数据处理及对比分析。 2. 2 模型锚杆设计与制作 室内模型锚杆孔采用内径 80mm的 PVC管，其长度比模拟的锚杆长 1m以上 ; 现场试验选 择具有代表性较强的深圳两个水利工程，试验锚杆位置选择在能代表被检测工程锚杆条件 的部位，并且不影响主体工程施工。本次研究采用直径 20mm 热扎带肋钢筋，杆端加工平 整，胶结材料采用水泥砂浆，设置缺陷空腔部位采用泡沫充填，缺陷模型材料在锚杆设计 位置上固定，编号记录; 先插杆、后注浆、封口，完成后不得振动、敲打及锚杆按龄期养 护; 锚杆检测按 3d、7d、14d、28d 不同龄期进行检测; 检测时改变激振方式、激振力、 仪器参数等，并取得全部记录。 2. 3 检测成果本次检测资料分析 以时域分析为主，辅以频域分析，并结合工程地质条件、施工工艺、锚固段长度、激 振方式、锚杆外露长度、水泥砂浆龄期和波形特征等多重因素进行综合分析，发现试验设 置的与实测的缺陷位置和注浆密实度吻合程度很高，具体见表 1 和表 2。
ai ai 1 ti 1 ti Ln
(式 1)
锚杆承载力预测值与现场拉拔试验所得值相差较小，说明本文所设计的网络 结构和所取的输入参数是适用的，具有代表性。人工神经网络预测能力与训练样 本集的选择有密切关系，样本集愈大，参数覆盖范围愈宽，则预测效果愈好。
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锚杆施工属于隐蔽工程，水利水电工程锚杆多为全长粘结型锚杆，锚杆长度与锚杆饱 满度是锚杆质量重要指标。传统的锚杆抗拔力检测对锚杆的锚固力判断非常准确，但仍有 不足之处，一是抗拔力测试方法是一种破坏性检测。二是抗拔力并不能完全反映锚杆的锚 固状态。三是锚杆饱满度对锚固质量有较大影响，若注浆对钢筋的包裹不好，钢筋会很快 腐蚀而失去锚固作用。因此在传统抗拔力检测符合要求后，因锚杆饱满度不足造成崩塌的 事故仍时有发生。另外，传统的拉拔力检测也无法测出锚杆的实际长度，而锚杆无损检测 技术能够快速准确无损地检测锚杆长度与锚杆饱满度。 无损检测技术近年来快速发展，柯玉军等人应用声波透射、散射和反射理论，提出了 预应力孔道灌浆密实度检测的方法 ; 宋克民采用双排列电阻率法实现对垂直铺塑防渗工程 施工质量进行无损检测，测量结果表明该方法是有效的 ; 董廷朋等人利用瞬变电磁法地下 隐蔽工程质量进行检测。在锚杆无损检测方面，国内外学者进行了大量研究并取得丰富成 果。郭世明等1995年至1998年在大朝山水电站采用应力波法对近千根锚杆进行了质量检测， 说明采用应力波法对锚杆质量进行检测是可行的。李义等人在实验室进行了圆桶内水泥、 树脂端锚实验和试块内水泥锚杆模拟夹层及离层实验，并对应力波在不同边界约束和轴向 拉伸荷载作用下锚杆中的传播规律进行了研究。在前人的研究基础上，采用波的时域、频 域分析及瞬态导纳法相结合的方法来检测锚杆的锚固质量，并且提出了运用有效锚固长度、 幅值比、基频、频率比、衰减系数及基频点的动刚度来衡量锚杆锚固质量的优劣。我国住 房和城乡建设部、国家能源局均发布了相关规程，但如何准确可靠地开展该检测仍需大量 实验去积累经验。
锚杆的极限承载力预测在工程中的应用采用低应变动测的五个数据 :锚固长度L、锚固 体的截面直径 R、阻尼自振基频 f1、锚固波速 C0和等效粘滞阻尼系数β，作为网络输入 层五个神经元的输入数据β,锚杆的极限承载力 Qu作为网络输出层神经元的期望输出，在 能达到同样效果的情况下使网络尽量简单，BP网络设有一个隐层。
图中，P为输入向量，R 为输入数，Q 为输入矢量(样本)，W1，b1和W2，b2分别为第 1 层、第2层 神经元的权值和阈值，S1，S2 分别为第 1 层、第 2 层神经元数，al和 a2 为输出向量。 本例中，R=5，Q=5，S1=7，S2=1。
接收波的阻尼自振基频可通过测量接收波周期的方法来计算，或通过对实测响应的离 散傅氏变换获得。地层的等效粘滞阻尼系数的估计值为
3. 4 影响检测结果的因素锚杆锚固质量受诸多因素影响，如工程地质条件、施工工 艺、锚固段长度、锚固介质对锚固体的握裹力、锚杆类型等，本次实验针对杆头平 整度、锤击方式、锚杆外露长度、水泥砂浆龄期等可能影响因素进行了分析。
杆头平整度的影响：研究发现，杆头平整度对检测结果有较大影响，平整度越好检 测结果越准确，平整度不好将产生干扰信息，因此检测前应对杆头打磨。
3. 1 锚杆饱满度分析
无缺陷锚杆波形分析：锚杆饱满无缺陷的模拟锚杆波形特征如图 (1 ～ 3) ， 锚杆饱满度无缺陷的锚杆波形规则，除杆底外，沿锚杆方向波阻抗相同，没有 明显的波阻抗界面，在杆长深度范围内没有反射波，只在杆底可能产生微弱的 反射信号。
有缺陷锚杆波形分析锚杆饱满度有缺陷的模拟锚杆波形特征如图 (4 ～6)， 锚杆饱满度有缺陷的锚杆波形不规则，剖管验证不规则波形缺陷主要分 3 种。 一是图 4 所示，波形局部畸变，剖管验证发现局部净浆不饱满或者不密实或者 轻微离析; 二是图 5 所示，波形某段严重衰减，剖管验证该段有空浆 ; 三是图 6 所示，波形反射某段波振幅时大时小，剖管验证该段有少量净浆或者半浆。 杆中局部不饱满时，在杆中存在多个波阻抗界面，每个界面均会产生正相位或 负相位的反射波，在杆长范围内有多个反射波信号 ; 当杆口空浆而深部密实时， 锚杆孔口段将形成多次反射波，入射波的特点是第一次反射波为负相位，第二 次反射为正相位，交替出现。