锚杆无损检测应力波反射法原理演示文稿

锚杆无损检测应力波反射法原理演示文稿目前一页\总数三十二页\编于十四点优选锚杆无损检测应力波反射法原理目前二页\总数三十二页\编于十四点目录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、锚杆无损检测目前三页\总数三十二页\编于十四点

对综放回采巷道围岩变形进行预测，有利于巷道支护设计和科学管理。综放回采巷道为一复杂的非线性系统，其支护方案选择与其影响因素之间、围岩变形量与其影响因素之间为复杂的非线性关系。对于这类问题，神经网络具有较高的建模能力，能真实刻画所求问题与其影响因素之间的非线性关系。我们希望能够设计出一套更优的算法，优化训练结果，使预测更准确。目前四页\总数三十二页\编于十四点模糊逻辑，专家系统，神经网络，学习控制，还有一些智能优化方法，比如遗传算法，粒子群优化算法，蚁群优化算法，人工免疫算法，分布估计算法等。目前五页\总数三十二页\编于十四点目前六页\总数三十二页\编于十四点

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。

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。目前七页\总数三十二页\编于十四点利用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(BackPropagation)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。目前八页\总数三十二页\编于十四点

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。目前九页\总数三十二页\编于十四点

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(式1)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。目前十页\总数三十二页\编于十四点什么是最优化，可分为几大类？答：Levenberg-Marquardt算法是最优化算法中的一种。最优化是寻找使得函数值最小的参数向量。它的应用领域非常广泛，如：经济学、管理优化、网络分析、最优设计、机械或电子设计等等。根据求导数的方法，可分为2大类。第一类，若f具有解析函数形式，知道x后求导数速度快。第二类，使用数值差分来求导数。根据使用模型不同，分为非约束最优化、约束最优化、最小二乘最优化。什么是Levenberg-Marquardt算法？它是使用最广泛的非线性最小二乘算法，中文为列文伯格-马夸尔特法。它是利用梯度求最大（小）值的算法，形象的说，属于“爬山”法的一种。它同时具有梯度法和牛顿法的优点。当λ很小时，步长等于牛顿法步长，当λ很大时，步长约等于梯度下降法的步长。在作者的科研项目中曾经使用过多次。图1显示了算法从起点，根据函数梯度信息，不断爬升直到最高点（最大值）的迭代过程。共进行了12步。（备注：图1中绿色线条为迭代过程）。图1中，算法从山脚开始不断迭代。可以看到，它的寻优速度是比较快的，在山腰部分直接利用梯度大幅度提升（参见后文例子程序中lamda较小时），快到山顶时经过几次尝试（lamda较大时），最后达到顶峰（最大值点），算法终止。如何快速学习LM算法？学习该算法的主要困难是入门难。要么国内中文教材太艰涩难懂，要么太抽象例子太少。目前，我看到的最好的英文入门教程是K.Madsen等人的《Methodsfornon-linearleastsquaresproblems》本来想把原文翻译一下，贴到这里。请让我偷个懒吧。能找到这里的读者，应该都是E文好手，我翻译得不清不楚，反而事倍功半了。LM算法是介于牛顿法与梯度下降法之间的一种非线性优化方法，对于过参数化问题不敏感，能有效处理冗余参数问题，使代价函数陷入局部极小值的机会大大减小，这些特性使得LM算法在计算机视觉等领域得到广泛应用。算法流程Levenberg-Marquardt在LM算法中，每次迭代是寻找一个合适的阻尼因子λ，当λ很小时，算法就变成了GAuss-Newton法的最优步长计算式，λ很大时，蜕化为梯度下降法的最优步长计算式。目前十一页\总数三十二页\编于十四点

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。目前十二页\总数三十二页\编于十四点锚杆无损检测对比试验研究

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。目前十三页\总数三十二页\编于十四点1锚杆无损检测(应力波反射法)原理

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。目前十四页\总数三十二页\编于十四点2锚杆无损检测对比试验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。目前十五页\总数三十二页\编于十四点目前十六页\总数三十二页\编于十四点3锚杆无损检测对比分析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。目前十七页\总数三十二页\编于十四点

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。目前十八页\总数三十二页\编于十四点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5120m/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4018m/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。目前十九页\总数三十二页\编于十四点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。目前二十页\总数三十二页\编于十四点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。锤击方式的影响：针对不同长度锚杆应采用不同锤击方式，锚杆长度较长应击振速度慢，应力波频率较低，波长较长，能量衰减慢，得出较好图形;锚杆长度短应击振速度快，应力波频率较高，波长较短，可得出多次反射信号，有利于图形分析。锚杆外露长度的影响：通过对0.1m、0.2m、0.3m、0.5m等4种不同外露长度的锚杆在4种水泥砂浆龄期进行检测表明，外露长度越长对波速指标影响越大。主要原因是锚杆无损检测时，外露钢筋横向摆动产生的余振影响了初始脉冲的单一性，将掩盖锚杆上部的缺陷信号，锚杆外露长度越长对初始波的影响越大。外露较长时，特别是直径较小的，如果不能控制住外露钢筋的横向摆动，余振不能衰减，影响到杆底部后，致使杆底信号不能确定，无法得到准确的波速，对整个锚杆的定性分析可能造成误差。水泥砂浆龄期的影响：通过对29根锚杆3d、7d、14d和28d检测表明，同一锚杆不同龄期水泥砂浆的杆系波速检测结果差异性很小，主要原因是水泥砂浆前期强度增长很快，缺陷位置定型也很快，3d以后的砂浆强度基本上不再会较大幅度增长。目前二十一页\总数三十二页\编于十四点4结语(1)实验发现利用反射波信号可判断锚杆缺陷位置和锚杆饱满度状态。(2)杆头平整度、锤击方式、锚杆外露长度对锚杆无损检测有较大影响，而3d后水泥砂浆龄期影响较小。(3)锚杆无损检测前应做模拟锚杆，利用模拟试验结果确定杆系波速，从而更好设置检测参数。(4)现场锚杆与围岩情况不尽相同，测出波形呈多样化，因此有必要加强现场模型试验的数量，争取建立更多的模型锚杆图谱，以提高锚杆无损检测的准确性。目前二十二页\总数三十二页\编于十四点谢谢目前二十三页\总数三十二页\编于十四点不同冲击速率下恒阻大变形锚杆动力学特性分析恒阻大变形锚杆试样恒阻大变形锚杆由恒阻装置、具有恒阻体的杆体、盘和螺母组成（图１）。恒阻装置包括恒阻套管和恒阻体，恒阻套管内表面与杆体外表面均为螺纹结构，恒阻套管材料强度低于恒阻体强度。恒阻大变形锚杆设计恒阻力为杆体材料屈服强度的80％～90％，在确保恒阻装置发挥作用时，杆体不因外部荷载超过屈服强度而发生塑性变形本次试验使用编号为ＭＧ15－１的恒阻大变形锚杆，该锚杆恒阻套管长度450ｍｍ，内外径分别为25和33ｍｍ；杆体长度460ｍｍ，杆体直径（下文称为杆体内径）25ｍｍ，恒阻体直径（下文称为杆体外径）最大处为28ｍｍ。目前二十四页\总数三十二页\编于十四点

试验系统恒阻大变形锚杆冲击拉伸试验系统（图２）主要由霍普金森杆动力加载系统、锚杆冲击拉伸系统和数据采集系统组成，以检验恒阻大变形锚杆在动力冲击作用下的拉伸变形特性。图２恒阻大变形锚杆冲击拉伸试验系统恒阻大变形锚杆冲击拉伸试验系统工作原理如下：将锚杆的杆体端部固定，通过动力加载系统发出一定初速度的子弹撞击冲击钢管，冲击钢管再次撞击托盘（装有力与位移传感器，此过程可看作围岩瞬时冲击托盘），托盘和恒阻套管联动，使套管和杆体相互作用后套管产生轴向和径向位移，最后通过与传感器相连的数据采集系统监测系统的受力与位移情况。冲击拉伸试验系统工作原理如图３所示。目前二十五页\总数三十二页\编于十四点试验方法１）进行预试验，考察加载系统气源强度、子弹速度和恒阻套管速度间的关系，如图４所示。２）设定对相应的气源强度进行冲击试验，使试验时恒阻套管满足１、２、３、５、10m/s的初始速度（每组速度试验10次）。３）试验结束后，考察各次试验锚杆的受力和变形情况，绘制锚杆所受冲击力、锚杆轴向位移和径向变形关系曲线。目前二十六页\总数三十二页\编于十四点试验结果１）受力情况分析。在单根锚杆试验过程中，读取单次冲击后锚杆数据并绘制冲击力－时间曲线。ＭＧ－15－１锚杆试样在气源压强２０ＭＰａ、套管速度１０m/s下的冲击力－时间曲线如图５所示。从各套管速率冲击下对应的冲击力峰值关系可知，冲击拉伸试验中，冲击时恒阻套管速率（随气源强度的增加）和锚杆所承受的冲击力峰值呈明显的正比关系。目前二十七页\总数三十二页\编于十四点２）变形情况分析。单根锚杆试验过程中，单次冲击后测量恒阻大变形锚杆恒阻套管轴向位移数值，并在套管的轴向位移终止位置测量套管的径向变形情况。因数据众多，将试验数据汇总生成冲击次数与恒阻套管轴向位移和径向变形关系曲线，如图６所示。从图６可知：①冲击拉伸试验中，当恒阻套管所受初始速度小于２m/s时（即冲击力较小），套管与杆体几乎没有相对位移；②当套管速度达到２m/s时，套管因冲击力的积累产生明显的径向变形；③当套管速度超过3m/s时，单次冲击力足以迫使套管与杆体发生相对位移，且冲击力幅值与轴向位移呈明显的正比关系，此过程中套管的径向位移最大为14ｍｍ。整个冲击过程宏观表现为恒阻大变形锚杆（套管＋杆体）伸长、（套管）变粗的现象（产生负泊松比效应）。目前二十八页\总数三十二页\编于十四点

数值模型的建立在诸如航天、车辆和船舶的现代工业设计中，多采用ＣＡＤ／ＣＡＥ软件集成分析方法对产品进行分析。笔者采用Solidworks(三维机械设计软件)数值模拟软件进行分析，有限元分析流程如图７所示。目前二十九页\总数三十二页\编于十四点SolidWorks是个三维机械设计软件。SolidWorks本身含义是固体制作的意思。SolidWorks2008的基本理念是帮助工程师设计伟大的产品。配合3DLib插件，直接调用几十万模型库，更方便快捷完成设计。具体体现在以下方面：1.提升客户体验：改进三维显示效果。SolidWorks2008提供了一种快速预览三维轻量化模型的技术，使得大装配模型的显示速度进一步提高。同时，支持在设计界面下的真三维显示效果，达到了以往专门的三维渲染软件的显示效果。方便地编辑大装配件。可以便捷地从大装配件中选取一部分零部件进行显示、编辑，进行运动仿真。强化了SWIFT技术。在SolidWorks2