CN107588716B - 一种岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法及检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法及检测系统，所述检测方法为：两根锚杆或锚索构成电信号传输系统，在两根锚杆或锚索出露端向其发射电脉冲信号，并同时在锚杆或锚索出露端采集脉冲反射信号；根据公式L1＝V1Δt1/2计算两根锚杆或锚索中较短的一根的长度，其中v1为电脉冲信号在锚杆或锚索中的传输速度，Δt1为采集到脉冲反射信号与发射电脉冲信号的时间差；该岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法及检测系统可以解决现有锚杆或锚索长度的检测方法效果差、检测结果重复性差、不能适用于长度较长的岩土锚杆或锚索检测的问题，满足工程验收检测需求。
Description
技术领域
本发明涉及边坡与地质灾害治理工程领域，尤其涉及一种岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法及检测系统。
背景技术
锚杆和锚索广泛应用于岩土边坡、地质灾害治理工程和深基坑的加固与支护中，目前由于在工程验收阶段缺乏有效的测试和检测方法对锚杆和锚索的长度进行检测，普遍存在施工方采取偷工减料缩短锚杆和锚索长度方式获取不当利益，以致锚杆锚索的承载能力达不到设计的要求，使工程项目存在长期的安全隐患，因此有必要对锚杆锚索的长度检测方法进行研究，研发能适合在工程验收阶段对锚杆和锚索的长度进行检测的方法和检测系统。
岩土锚杆和锚索长度电脉冲检测方法和检测系统具有下述特点：
1、采用电脉冲激励方式，利用岩土锚杆和锚索的金属导电特性，传输的电信号衰减小，采集到的信号清晰，检测结果精度高、重复性好；
2、可快速检测岩土测锚杆和锚索的长度,检测效率高；
3、可检测长度较长的岩土锚杆和锚索；
4、适用于各种类型的岩土锚杆和锚索，受岩土体条件的影响较小；
5、有较高的准确率，适合在工程验收阶段对岩土锚杆和锚索进行检测；
6、该方法技术的造价较低，有利于推广和普及应用；
7、可应用于类似结构的地下条状和杆状金属埋设物的长度探测。
现有技术实现检测岩土锚杆或锚索长度的方法主要由以下几种：
方法一：冲击弹性波反射法检测岩土锚杆和锚索的长度。
方法二：太原理工大学“锚固锚杆长度的无损检测方法及其检测装置”，专利号CN101750035A。
方法三：中铁西北科学研究院有限公司“电势差式锚杆长度无损检测方法及检测装置”，专利号CN103278081A。
上述现有技术存在的缺点有：
冲击弹性波法的缺点：
1、只能检测空置(未灌浆锚固)的自由锚杆和锚索才有较好的效果，对已灌浆锚固的锚杆和锚索，检测效果较差，甚至无法得出检测结果，不能满足施工后工程验收检测的需求；
2、不能用于长度较长的锚杆、锚索检测；
3、实际应用中，检测结果很大程度上依赖于操作人员的经验和分析能力，检测结果会出现因人而异和重复性差的情况。
太原理工大学“锚固锚杆长度的无损检测方法及其检测装置”的缺点：
1、该方法利用超声导波无损检测锚固锚杆长度，由于超声导波在锚杆中传播时衰减严重，仅能检测长度2-3米的锚杆，而实际工程中锚杆的长度多为20米以上，有的甚至达到100米，因此该方法及装置不能适用于绝大多数的工程项目，实际上该方法没有在行业内推广应用；
2、该方法不能用于锚索的检测。
中铁西北科学研究院有限公司“电势差式锚杆长度无损检测方法及检测装置”的缺点：
1、该方法采用常规电法勘探三极装置原理，理论上能够较准确测量锚杆长度，但需要在检测孔中布设电极并逐点测量检测孔中的电位差，检测过程较为繁琐，并且检测过程中要做到检测孔中布设的电极与孔壁良好耦合难度较大，因此实际应用中难以操作；
2、该方法要求检测时在每根待测锚杆旁侧都钻设一个深度(长度)大于设计长度的检测孔，该方法会大幅增加工程造价和工期，不适用于现实中的工程项目，实际上该方法没有在行业内推广应用。
此外，现有岩土锚杆和锚索的检测方法存在检测结果不确定性、重复性差的情况，并且对已灌浆锚固的锚杆、锚索的检测效果较差，无法满足竣工后工程验收检测的需求。
发明内容
本发明提出一种岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法及检测系统，该岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法及检测系统可以解决现有锚杆或锚索长度的检测方法效果差、检测结果重复性差、不能适用于长度较长的岩土锚杆或锚索检测的问题，满足工程验收检测需求。
本发明的技术方案如下：
一种岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法，两根锚杆或锚索构成电信号传输系统，在两根锚杆或锚索出露端向其发射电脉冲信号，并同时在锚杆或锚索出露端采集脉冲反射信号；根据公式L1＝V1Δt1/2计算两根锚杆或锚索中较短的一根的长度，其中v1为电脉冲信号在锚杆或锚索中的传输速度，Δt1为采集到脉冲反射信号与发射电脉冲信号的时间差。
其中，将同一工程项目所有相邻的锚杆或锚索两两构成电信号传输系统，按所述的检测方法分别进行检测，全面检测所有锚杆和锚索的长度进行对比分析。
其中，v1的取值方法由以下三种选取：
方法一：采用经过实验统计的电脉冲信号在锚杆或锚索中的传输速度，该速度是锚杆或锚索位于相似岩土地层中采样统计获得的；
方法二：参照工程场地的地质勘察资料，根据各岩土层的占比和对应的相对介电常数，计算工程场地岩土层的综合相对介电常数ε，采用公式计算电脉冲在锚杆或锚索中的传输速度v1，其中c＝3.0×108m/s；
方法三：在工程场地内设置已知准确长度的锚杆或锚索构成电信号传输系统，工程验收时先测量该已知长度L4的锚杆或锚索中采集到脉冲反射信号与发射电脉冲信号的时间差Δt4，根据已知的准确长度通过公式v1＝2L4/Δt4反算电脉冲信号在锚杆或锚索中的传输速度v1。
一种岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法，在锚杆或锚索的设计方案中设计在锚杆或锚索表面捆扎与锚杆或锚索相同长度的普通两芯电线，该两芯电线随同锚杆或锚索置入钻孔后灌浆施工；
利用两芯电线构成的电信号传输系统，检测时在两芯电线出露端向其输入电脉冲信号，并在两芯电线出露端采集脉冲反射信号；根据公式L2＝V2Δt2/2计算两芯电线的长度L2，其中v2为电脉冲信号在两芯电线中的传输速度，Δt2为在两芯电线上采集到脉冲反射信号与发射电脉冲信号的时间差，两芯电线的长度即为锚杆或锚索的长度。
其中，v2的取值方法为：
在施工中留存少量两芯电线，在工程验收检测时截取长度L3的两芯电线，利用该两芯电线构成的电信号传输系统，在其一端输入电脉冲信号，并在同一端采集脉冲反射信号；根据公式V2＝2L3/Δt3计算电脉冲信号在两芯电线中的传输速度v2，其中Δt3为采集到脉冲反射信号与发射电脉冲信号的时间差。
其中，防范施工方蓄意加长两芯电线长度从而干扰检测准确性的方法为：
同时测量锚杆或锚索与捆扎在其上的两芯电线构成的电传输系统的长度L5，与测量出的两芯电线的长度L2比对，测量锚杆或锚索与捆扎在其上的两芯电线构成的电传输系统长度L5的方法为：
在锚杆或锚索和捆扎在其表面的两芯电线的出露端输入电脉冲信号，并采集脉冲反射信号；根据公式L5＝V2Δt4/2计算锚杆或锚索与所捆扎两芯电线两者中较短的长度L5，其中Δt4为采集到脉冲反射信号与发射电脉冲信号的时间差。
其中，该岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法所使用的检测系统包括检测装置主机；所述检测装置主机包括:
脉冲信号源，用于产生检测所需电脉冲信号；
信号采集器，采集脉冲反射信号；所述信号采集器与脉冲信号源共用信号输入输出接口；
阻抗匹配电路，用于将信号输入输出接口与被测两锚杆或两锚索或两芯电线之间的阻抗自动匹配；
显示器，用于显示信号采集器采集到的脉冲反射信号波形以及检测装置主机的设置参数和检测结果；
同步触发电路，用于同步脉冲信号源与信号采集器时间，使脉冲信号源发射电脉冲信号的同时启动信号采集器；
微处理器，用于控制检测装置主机的工作状态，提取脉冲反射信号和到达时间，处理采集到的脉冲反射信号，计算检测结果。
其中，所述检测装置主机还包括:
存储器，用于存储检测结果和检测装置主机的工作参数；
键盘，用于设置检测装置主机的工作参数，输入电脉冲信号传输速度；
USB接口，用于导入导出检测结果；
所述检测系统还包括用于为检测装置主机提供电能的电源以及用于为电源充电的充电电路；
所述脉冲信号源为一高速高频脉冲信号发生器；所述信号采集器为一高速采样的电压信号采集器；所述锚索为单束钢绞线或多束钢绞线。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明采用电脉冲激励方式，利用岩土锚杆和锚索的金属导电特性，传输的电信号衰减小，采集到的信号清晰，检测结果精度高、重复性好；
2、本发明的检测方法可快速检测岩土中锚杆和锚索的长度,检测效率高；
3、本发明的检测方法可检测长度较长的岩土锚杆和锚索；
4、本发明的检测方法和检测系统适用于各种类型的岩土锚杆和锚索，受岩土体条件的影响较小；
5、本发明的检测方法有较高的准确率，适合在工程验收阶段对岩土锚杆和锚索进行检测；
6、本发明的检测方法和检测系统技术造价较低，有利于推广和普及应用；
7、本发明的检测方法和检测系统可应用于类似结构的地下条状和杆状金属埋设物的长度探测；
8、本发明的信号采集器与脉冲信号源共用信号输入输出接口，减少检测时连接线数量，便于检测时现场操作和快速检测；
9、本发明设置同步触发电路，保障采集到脉冲反射信号与发射电脉冲信号的时间差的精确性。
10、本发明设置阻抗匹配电路，可以自动将信号输入输出接口与被测两锚杆或两锚索或两芯电线之间的阻抗进行匹配，保障信号的清晰和强度。
11、本发明设置微处理器，可以快速自动化处理和计算检测数据，并得出检测结果。
附图说明
图1为本发明采用电脉冲检测锚杆或锚索长度的示意图；
图2为本发明采用电脉冲检测锚杆或锚索长度的检测系统的示意图；
图3为本发明采用电脉冲检测系统对锚杆或锚索长度进行检测的示意图；
图4为本发明采用电脉冲检测系统对多束钢绞线长度进行检测的示意图；
图5为本发明采用测量两芯电缆长度来测量锚杆或单束锚索的示意图；
图6为本发明采用测量两芯电缆长度来测量多束锚索的示意图。
图中附图标记表示为：
2-检测装置主机、21-脉冲信号发生器、22-电压信号采集器、23-阻抗匹配电路、24-显示器、25-同步触发电路、26-微处理器、27-存储器、28-键盘、29-USB接口、3-电源、4-充电电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
参见图1，一种岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法，两根锚杆或锚索构成电信号传输系统，在两根锚杆或锚索出露端向其发射电脉冲信号，并同时在锚杆或锚索出露端采集脉冲反射信号；根据公式L1＝V1Δt1/2计算两根锚杆或锚索中较短的一根的长度，其中v1为电脉冲信号在锚杆或锚索中的传输速度，Δt1为采集到脉冲反射信号与发射电脉冲信号的时间差。
本实施例中，所述锚索为单束钢绞线或多数束钢绞线。
岩土锚杆和锚索长度电脉冲检测方法的基本原理是：
根据电信号传输系统理论，在导体一端发送一个电脉冲信号，该脉冲信号会沿着导体向前传输，在导体的末端，由于阻抗出现变化，将产生反射波并返回信号发送端，阻抗差异越大反射波的能量越强，通过测量发射的脉冲与反射的脉冲的时间差即可计算出导体的长度。
由于岩土锚杆和锚索均为金属材质，具有良好的电信号传输特性，两根锚杆或锚索即可构成一个电信号传输系统，且传输系统间的特征阻抗较为一致，不会产生信号反射现象，在传输系统末端(两根锚杆或锚索中较短一根的端面处B)阻抗出现突变，因此具有较好的电信号反射能力。
参见图2，该岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法所使用的检测系统包括检测装置主机2、用于为检测装置主机2提供电能的电源3以及用于为电源3充电的充电电路4；所述检测装置主机2包括:
脉冲信号源，用于产生检测所需电脉冲信号，本实施例中为一高速高频脉冲信号发生器21；
信号采集器，采集脉冲反射信号；本实施例中为一高速采样的电压信号采集器22；所述信号采集器与脉冲信号源共用信号输入输出接口；
阻抗匹配电路23，用于将信号输入输出接口与被测两锚杆或两锚索或两芯电线之间的阻抗自动匹配；
显示器24，用于显示信号采集器采集到的脉冲反射信号波形以及控制检测装置主机2设置的参数和检测结果；
同步触发电路25，用于同步脉冲信号源与信号采集器时间，使脉冲信号源发射电脉冲信号的同时启动信号采集器；
微处理器26，用于控制检测装置主机2的工作状态，提取脉冲反射信号和到达时间，处理采集到的脉冲反射信号，计算检测结果；
存储器27，用于存储检测结果和检测装置主机2的工作参数；
键盘28，用于设置检测装置主机2的工作参数，输入电脉冲信号传输速度；
USB接口29，用于导入导出检测结果。
进一步的，参见图2和图3，采用所述的电脉冲检测系统检测岩土锚杆和锚索长度的实施方式为：
1.将脉冲信号发生器21和电压信号采集器22连接到被测的两根锚杆或锚索的地面出露端头；参见图4，对于多束钢绞线形式的锚索，检测时可将信号发生器21和电压信号采集器22连接到其中两根钢绞线的地面出露端头；
2.脉冲信号发生器21向被测的锚杆或锚索发射(激励)一个电脉冲信号，并同步触发连续电压信号采集器22启动采集电压信号；
3.脉冲信号沿被测的锚杆或锚索向前传输到其中较短锚杆或锚索的底部后反射返回地面出露端；
4.电压信号采集器22采集到脉冲反射信号，并在显示器24上显示信号波形；
5.人工或自动拾取脉冲反射信号的到达时间Δt1，根据公式L1＝V1Δt1/2计算出较短锚杆或锚索的长度L1。
6.将同一工程项目(工程场地)所有相邻的锚杆或锚索两两构成电信号传输系统进行检测，全面检测所有锚杆和锚索的长度进行对比分析，采用相邻两根锚杆或锚索构成电信号传输系统两两进行检查是为了方便现场操作和提高检测效率。
进一步的，v1的取值方法可以有以下几种：
方法一，采用经过实验统计的相似岩土地层的电脉冲在锚杆或锚索中的传输速度v1。
方法二，参照工程场地的地质勘察资料，根据各岩土层的占比和对应的相对介电常数，计算工程场地岩土层的综合相对介电常数ε，采用公式计算电脉冲在锚杆或锚索中的传输速度v1，其中c＝3.0×108m/s。
方法三：在工程场地内设置已知准确长度的锚杆或锚索构成电信号传输系统，工程验收时先测量该已知长度L4的锚杆或锚索中采集到脉冲反射信号与发射电脉冲信号的时间差Δt4，根据已知的准确长度通过公式v1＝2L4/Δt4反算电脉冲信号在锚杆或锚索中的传输速度v1。
进一步的，参见图2、图5和图6，为适应锚杆和锚索间距大、多束钢绞线锚索中部钢绞线金属部分短接等特殊情况，提高检测结果的准确性，上述检测方法可加以优化，在相同技术构思下可以对该技术方案加以调整，具体方法是：
1、在锚杆或锚索的设计方案中设计在锚杆或锚索表面捆扎与锚杆或锚索相同长度的普通两芯电线，该两芯电线随同锚杆或锚索置入钻孔后灌浆施工；
2、利用两芯电线构成的电信号传输系统，检测时，先将脉冲信号发生器21和电压信号采集器22连接到两芯电线的两芯出露端C，由两芯电线出露端向其输入电脉冲信号，并在两芯电线出露端C采集脉冲反射信号；根据公式L2＝V2Δt2/2计算两芯电线的长度L2，其中v2为电脉冲信号在两芯电线中的传输速度，Δt2为采集到脉冲反射信号与发射电脉冲信号的时间差；通过检测两芯电线的长度L2即可知道锚杆或锚索的长度。
获取两芯电线准确长度的原理在于：目前市面上常规两芯电线的绝缘层的相对介电常数值非常接近，即使加工工艺和质量有较大差异，但绝缘层的相对介电常数值不会有明显的差异，电脉冲波在常规电线中传输的速度较为稳定，其值v2＝2×108m/s，采用本技术方法能够检测出电线的准确长度。
此外，还可采用如下方法现场提取v2的值：
在施工中留存少量两芯电线，在工程验收检测时截取长度L3的两芯电线，利用该两芯电线构成的电信号传输系统，在其一端输入电脉冲信号，并在同一端采集脉冲反射信号；根据公式V2＝2L3/Δt3计算电脉冲信号在两芯电线中的传输速度，其中Δt3为采集到脉冲反射信号与发射电脉冲信号的时间差。
进一步的，防范施工方蓄意加长两芯电线长度干扰检测准确性的方法为：
同时测量锚杆或锚索与捆扎在其上的两芯电线构成的电传输系统的长度L5，与测量出的两芯电线的长度L2比对，测量锚杆或锚索与捆扎在其上的两芯电线构成的电传输系统长度L5的方法为：
在锚杆或锚索的出露端A和捆扎在其表面的两芯电线的出露端C输入电脉冲信号，并采集脉冲反射信号；根据公式L5＝V2Δt4/2计算锚杆或锚索与所捆扎两芯电线两者中较短的长度L5，其中Δt4为采集到脉冲反射信号与发射电脉冲信号的时间差。
本检测步骤目的是防范在施工方蓄意加长两芯电线长度时仅检测两芯电线会出现锚杆或锚索合格的假象；同时由于电线紧密贴附在锚杆或锚索的表面，电脉冲信号在两者间传输速度与在电线两芯间传输速度较为一致，因而检测的锚杆或锚索的长度较为准确。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法，其特征在于：将置入钻孔后灌浆施工的两根金属锚杆或金属锚索构成电信号传输系统，在两根锚杆或锚索出露端向其发射电脉冲信号，并同时在锚杆或锚索出露端采集脉冲反射信号；根据公式L1＝V1Δt1/2计算两根锚杆或锚索中较短的一根的长度，其中v1为电脉冲信号在锚杆或锚索中的传输速度，Δt1为采集到脉冲反射信号与发射电脉冲信号的时间差；将同一工程项目所有相邻的锚杆或锚索两两构成电信号传输系统，按所述的检测方法分别进行检测，全面检测所有锚杆和锚索的长度进行对比分析；该岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法所使用的检测系统包括检测装置主机(2)；所述检测装置主机(2)包括:
脉冲信号源，用于产生检测所需电脉冲信号；
信号采集器，采集脉冲反射信号；所述信号采集器与脉冲信号源共用信号输入输出接口；
阻抗匹配电路(23)，用于将信号输入输出接口与被测两锚杆或两锚索之间的阻抗自动匹配；
显示器(24)，用于显示信号采集器采集到的脉冲反射信号波形以及检测装置主机(2)的设置参数和检测结果；
同步触发电路(25)，用于同步脉冲信号源与信号采集器时间，使脉冲信号源发射电脉冲信号的同时启动信号采集器；
微处理器(26)，用于控制检测装置主机(2)的工作状态，提取脉冲反射信号和到达时间，处理采集到的脉冲反射信号，计算检测结果。
2.如权利要求1所述的一种岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法，其特征在于：v1的取值方法由以下三种选取：
方法一：采用经过实验统计的电脉冲信号在锚杆或锚索中的传输速度，该速度是锚杆或锚索位于相似岩土地层中采样统计获得的；
方法二：参照工程场地的地质勘察资料，根据各岩土层的占比和对应的相对介电常数，计算工程场地岩土层的综合相对介电常数ε，采用公式计算电脉冲在锚杆或锚索中的传输速度v1，其中c＝3.0×108m/s；
方法三：在工程场地内设置已知准确长度的锚杆或锚索构成电信号传输系统，工程验收时先测量该已知长度L4的锚杆或锚索中采集到脉冲反射信号与发射电脉冲信号的时间差Δt4，根据已知的准确长度通过公式v1＝2L4/Δt4反算电脉冲信号在锚杆或锚索中的传输速度v1。
3.如权利要求1所述的一种岩土锚杆或锚索长度电脉冲检测方法，其特征在于：所述检测装置主机(2)还包括:
存储器(27)，用于存储检测结果和检测装置主机(2)的工作参数；
键盘(28)，用于设置检测装置主机(2)的工作参数，输入电脉冲信号传输速度；
USB接口(29)，用于导入导出检测结果；
所述检测系统还包括用于为检测装置主机(2)提供电能的电源(3)以及用于为电源(3)充电的充电电路(4)；
所述脉冲信号源为一高速高频脉冲信号发生器(21)；所述信号采集器为一高速采样的电压信号采集器(22)；所述锚索为单束钢绞线或多束钢绞线。
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