摘要：锚索锚固技术目前多用于边坡及基坑的加固，锚索的长度及锚固质量，对工程安全起很大影响作用。目前，国内锚索检测设备通常只能检测长度小于20米的锚索。结合四川某震后重建项目边坡锚索检测，采用新型高精度检测设备，阐述如何对锚索信号进行正确识别，为后续边坡锚索检测提供经验和参考。
关键词：锚固;信号识别;锚索检测
引言
弹性波在目前在国内无损检测领域主要用于基桩低应变检测、锚索杆质量检测、混凝土表层及内部缺陷检测等领域。对于杆系构件（基桩、锚索杆、立柱等）的长度检测，其依据均是依靠弹性波的反射来实现的，但由于不同类型的杆系构件，其材料、结构类型、所处环境不同，各自检测难点也是不同的。
我国西南部地区多为高山丘陵地形，地质条件复杂且灾害频发。预应力锚索锚固技术由于其受力合理、施工快捷，扰动小等优势，被广泛应用于边坡防护加固工程中。但是也由于锚索施工具有隐蔽性，对其质量的把控很难达到，存在很大的而安全隐患。对锚索锚固质量的把控主要有两个方面：一是锚索长度是否达标，能否打入打基岩上；二是锚索锚固段质量是否合格，能否与周围岩体形成一个良好的体系，满足锚固力要求。
传统的锚索检测方法为“拉拔法”和“钻孔法”。两种方法均为破损性检测方法，一是检测效率低下，二是没办法检测出锚索的长度，对其锚固质量也无法进行合理评判。无损检测技术检测锚索长度及锚固质量主要是采用弹性波技术，其难点在于如何采到正确的杆底反射信号以及如何对反射信号进行拾取。尤其对于锚索，弹性波在钢绞线中能量逸散较快，若是硬件水平不足，很可能导致采集到的噪声信号比实际反射信号能量还要大，导致无法正常检测出锚索的锚固质量。
1检测原理
1.1理论基础
根据弹性波机械阻抗原理，弹性波在传播介质不连续时，会发生入射和反射。材料的不连续性我们用机械阻抗（z）来表示。
，
表示材料密度，C表示弹性波波速，A表示材料断面面积。这种变化发生在两种不同介质的边界上。比如一根空置锚索，弹性波就会在锚索底部和空气的交界面发生反射。
通常，弹性波反射和透过有如下性质：
1）两种介质机械阻抗相同，材料不同也不会发生反射；2）两种介质机械阻抗差异越大，弹性波反射越明显。即空置锚索的底部反射要比有锚固段的锚索底部反射强3）当在传播过程中机械阻抗逐渐减小，反射波的首波和入射波同像，反之则可能反向。
这对于我们识别不同条件下的反射波具有借鉴作用。
1.2长度计算
锚索检测原理为一维杆系结构的声波反射理论，在锚索顶部激振产生弹性波，弹性波在传播至锚索与底部围岩的交界面时，会出现机械阻抗差异，弹性波会在底部发生反射。通过提取入射信号和反射信号的位置，我们可以得到弹性波在一次反射过程中所走的时长，结合弹性波在锚索中的传播速度，即可计算出所测试锚索的长度：
式中：C表示同种材质锚索的平均波速或者锚索与周围介质耦合成的一维杆系结构的波速，通常，空置的规称直径的钢绞线，纵波波速为5010m/s。
表示弹性波在锚索中传播，一次反射所走的声时。
从公式可以看出锚索长度检测的主要与声时和弹性波波速有关，波速与锚索材质以及锚索所处的介质环境有关，声时则主要从检测所采集的波形图上选取。
2检测难点
锚索是一种复合型结构，除了锚索本身以外，锚索周围还有其他介质，如不同类型的岩土体，锚固段存在的灌浆缺陷，或者孔道内钢绞线自身发生缠绕等。这些不同的介质差异都会对对弹性波的传播产生影响。其次，锚索张拉与否也会对检测造成影响。
一方面，弹性波在传播过程中会发生能量的逸散，在检测时需要提供足够的激振能量；另一方面，过大的激振力度会导致采集到的信号频率过高，也会产生激振引起的噪音，干扰正常底部反射的识别。
3检测试验
结合四川某震后边坡治理项目，该边坡共分为五级，均采用锚索作为锚固加固措施，下边坡设计长度15米。五级边坡设计长度46米。本次检测主要针对这两级边坡进行检测，检测内容为锚索长度。
本次检测采用了不同灵敏度及频带宽度的传感器，采用了不同的激振方式和耦合方式，来探索适合锚索检测的硬件水平和现场检测方法。
图1.1-1激振力度过小导致反射信号不明显
图1.1-2激振力度过大导致信号频率过高
3.1不同激振方式
激振主要采用不同尺寸的激振锤及激振锥进行，激振锤尺寸主要为直径10cm、17cm、28cm。不同尺寸的激振锤能激不同波长的弹性波，而激振波长与检测精度存在以下关系：
表3.1-1波长与检测精度影响关系
且激振锤直径越大，激发的波长越大，直径最大的激振锤索激发的波长为0.86m，对于一般的锚索而言，该波长均小于2倍锚索长度，因此在能满足激振的能量的前提下，尽量选用小锤以提高检测精度。因此本次对比主要使用直径为10cm的激振锤和激振锥进行对比。
其中，弹性波波速使用的钢绞线正常波速5010m/s。通过对比可以看出，对于设计长度15m的锚索，激振锥检测长度为15.14m，激振锤检测长度为15.71m，更接近设计值。在锚索中能量衰减很快，底部反射已经较为微弱，没有后续二次反射的波形。
造成这样的原因有两点，一是激振锥前端相比激振锤更小，激发的弹性波频率更高，测试精度更高；二是通常检测的锚索截面都不是很平整，用激振锤容易敲击到不平整的地方，产生二次激振，使反射信号收到二次激振的影响。
3.2不同耦合方式
边坡锚索一般采用公称截面积为140mm2的钢绞线。由于锚索截面积较小，在检测过程中，为了能从锚索顶端激发纵波，通常是通过刚性夹具夹持耦合和磁性卡座侧壁耦合两种方式来进行传感器的固定的。
本次试验是在长为46m的锚索上进行，弹性波波速使用5010m/s，其中磁性卡座耦合检测检测所得的结果为45.97m，刚性夹具夹持耦合检测结果为46.13m。
图3.1.1激振锥检测图形
图3.1.2直径10cm激振锤激振波形
图3.2.1磁性卡座侧壁耦合检测波形
图3.2.2刚性夹具夹持耦合检测波形
从检测结果来讲，两种耦合方式均能较好检测出锚索长度。但是从两者原始信号来讲，用刚性耦合的方式检测的信号，噪音更小，起始信号和反射信号均明显，且波形中无其他混杂信号。而磁性耦合的波形虽然能看到底部反射信号，但是不是很明显，起始信号部位有噪音，且中部有二次激振信号干扰正餐底部信号的判别。
这里需要注意的是，在锚索检测中，底部信号一般都较为微弱，不会出现特别强烈的反射。这种信号中部的强反射，波峰位置都是不固定的，如图3.2.3是同一根锚索在磁性耦合方式下敲出的另一个波形，中部波峰位置发生偏移。这种信号多为二次激振信号，在判别是要注意识别。
3.3不同频带宽度和灵敏度的传感器
这里我们用A代表频带窄、灵敏度低的传感器，B代表频带宽、灵敏度高的传感器。耦合方式采用刚性夹具耦合，激振方式采用激振锥进行激振。
本次试验是在下边坡进行，弹性波波速依然使用5010m/s。从原始数据可以明显看出，B传感器的信号品质远高于A传感器。A传感器由于采样精度低，采集的信号噪音较多，底部反射信号微弱。
图3.2.3二次激振信号位置偏移
图3.3.1传感器A采集数据
图3.2.2传感器B采集数据
4结论
综合上述分析，冲击弹性波无损检测技术可以作为锚索长度检测的一种手段，但是在使用该技术进行锚索检测时需要注意以下几点：
1、不同的激振方式对信号品质有很大影响，本文通过对比发现激振锥的信号要由于激振锤所得信号，现场检测可优先选取。另外，现场检测也可实地对比不同激振方式所采集信号品质，选择最优激振方式；
2、刚性夹具耦合信号品质要优于磁性耦合，原因在于刚性耦合将传感器与锚索固定为一个整体，在信号采集时，激振对传感器扰动小，噪音低。而磁性耦合的方式对于锚索这种柔性构件，激振产生的干扰会对信号品质产生影响；
3、锚索检测应选用频带宽、采样精度高的传感器以采集到品质更高的信号。值得一提的是，除了在传感器选取，检测仪器本身的噪音水平、采样频率以及采样点数等均会对信号品质产生影响。良好的硬件水平有助于采集到更好原始信号；
4、在数据解析时要注意区分底部反射信号和二次激振信号。通常锚索的底部反射信号较微弱，且弹性波在传播到机械阻抗发生差异的界面时，会发生频率的变化，出现不同于正常衰减的一个频带。
参考文献
[1]孙祺华，徐宏武.无损检测技术在边坡锚固工程质量验收中的应用.[J]公路交通技术.27-30.2012,10(5).
[2]余松华等.谱能分析解译“三段法”在锚索长度检测中的应用.[J].科技资讯.112-113.2012.
[3]马芳平.预应力锚索施工质量无损检测试验研究.[J].人民长江.46-49.2011.
[4]邹冠贵,李来春.基于弹性波阻抗理论的构造煤预测方法研究.[J].中国煤炭地质.80-84.2018.
[5]訾建峰,杨森.锚杆长度无损检测的影响因素分析.[J].四川理工学院学报（自然科学版）.71-75.2015.
论文作者:邱锡荣
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/8/1
标签：信号论文; 反射论文; 弹性论文; 锚固论文; 长度论文; 传感器论文; 方式论文; 《基层建设》2019年第9期论文;