摘要
锚杆在煤矿、边坡等工程建设中已经得到了广泛应用，但是地质条件复杂导致锚杆在施工过程中不可避免地存在质量问题和安全隐患，因锚固缺陷造成的重大工程事故时有发生。加强锚杆锚固质量的检测，确保锚固工程的稳定安全具有重要意义。本文基于超声导波无损检测技术，对无缺陷和含缺陷锚固锚杆信号进行研究,分析导波在锚固锚杆中的传播机理，进而对锚固体内的缺陷长度和缺陷位置进行识别，为利用无损检测技术对锚杆锚固质量评价提供参考。 首先分析导波在锚固锚杆中的传播规律，建立并求解锚固锚杆中纵向导波的频散方程，通过群速度、相速度和波数的频散曲线得到导波传播的最优激励频率，导波模态的减少有助于信号的分析，为数值模拟研究提供理论基础。 然后对无缺陷和不同缺陷长度锚固锚杆进行导波检测试验，利用db5小波5尺度分解的低频信号a5提取反射回波信息，识别锚固端面特征点位置。引入能量比参量k表征锚杆锚固质量，建立了k值与锚固端面信号极值的对应关系。通过对比分析不同锚固状态下的k值，发现随着k值增加，缺陷长度ld呈对数增长，给出了能量比参量k与缺陷长度ld之间的计算公式，实现了缺陷长度的识别。 根据不同缺陷位置锚固锚杆试验结果，从复杂性角度对信号进行度量，缺陷使得检测信号的复杂性增大，含缺陷锚固锚杆的多尺度熵值高于无缺陷信号的熵值。随着尺度因子的增加，熵值逐渐变大，而且缺陷与锚固起始端的距离越远，信号的复杂性越高，含缺陷与无缺陷信号熵值曲线的偏离程度越大。进一步地，引入伪均方误差参量PMSE定量描述两个信号熵值曲线间的差异，建立了PMSE与缺陷距锚固起始端距离x间的关系式，实现了缺陷位置的定位。 最后，对单个缺陷分布位置变化、缺陷数目和位置变化的锚固锚杆进行数值模拟研究，利用多尺度熵法分别建立了不同缺陷位置、缺陷数目、缺陷长度与锚固锚杆信号复杂性之间的对应关系。在较低尺度下，各试件的样本熵值较为接近;随着尺度因子增加，熵值曲线逐渐上升，并均在第20尺度下达到熵值最高点。单个缺陷分布位置变化的模拟结果与试验的熵值曲线变化趋势一致;当缺陷数目和分布位置变化时，缺陷数目增多对信号复杂性的影响较小;而随着缺陷长度的增加，熵值曲线变化幅度明显，说明缺陷长度变化是影响信号复杂性的主要原因。
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