应力波反射法测锚索长度的数据处理软件设计与实现

丁厚+雷鸣

摘要：预应力锚索因其安全简单，被广泛应用于锚固安全工程中。应力波反射法是广泛应用于锚固工程质量检测的一种无损检测方法，该文所设计的数据处理软件用来处理该方法所得到的数据。由于数据的时域特征不明显，该软件主要使用快速傅里叶变换及谱能比法在频域上进行处理，以求得锚索的自由段长度。该文介绍了锚索检测的基本方法后，叙述了软件设计的框架、流程及结果，在实际应用中取得了较好的效果。

关键词：应力波反射法；锚索长度；无损检测；快速傅里叶变换；面向对象

中图分类号：TP319 文献标识码：A 章编号：1009-3044（2016）25-0051-02

Abstract：Prestressed Anchor Cable， for its safety and simplicity， is widely used in rock and earth anchoring constrcution. Stress wave reflection method is widely used to detect anchoring constrcution quality as a non-destructive method. The data processing software refered in this paper is designed for processing the data obtained by this method. As the time-domain characteristics of the data is not obvious， the software mainly uses the Fast Fourier Transform and the Spectrum-Energy ratio processing data in the frequency domain to achieve the free length of the anchor. This paper introduces the basic method of the anchor cable detection and the framework， the process and the result of the software design. And does well in practical applications.

Key words： stress wave reflection method； length of anchor cabel； non-destructive testing； FFT； object-oriented

预应力锚索能嵌入稳定的岩体中，使工程结构与岩体形成复合体，确保锚固结构的稳定与安全。又因其结构简单、适应性强、成本低，在工程界如矿山、建筑等领域中应用广泛[1]。锚索锚固的作用机理相对复杂且具有永久性和隐蔽性，所以对锚固质量有着很高的要求。在其大范围的使用中，曾出现大量的严重的事故，例如：瑞典北部的水电站在1955年施工了118根预应力锚杆，在1981年时有数根预应力锚杆杆体断裂失效并射出[2]。我国安徽的梅山水库的锚索在运行期间，先后有3根自由锚索的钢丝断裂，工程的安全性严重受到影响[3]，因此，对锚索进行质量检测就变得尤为重要。

1 锚索长度检测方法

锚索由自由段、锚固段、锚头组成。其中锚索的自由段长度是评价锚索锚固工程质量的重要指标，其检测也一直是世界范围内的难题。传统的检测方法包括破坏试验、拉拔试验[4]及预埋力传感器[5]。前两者对于锚索索体会造成一定的破坏，后者则需要提前埋设且成本高。本文中软件处理的数据是锚索检测仪使用应力波反射法采集得到，该方法因为对锚索索体没有损坏而具有较好的前景。锚索质量检测系统由一个锚索质量检测仪及数据接收端（PC）构成。系统结构如图1所示。

2 总体设计

2.1 软件的相关算法

该软件对于数据的处理需要用到数字信号处理的相关知识，所用的主要算法为快速傅里叶变换及带通滤波。

2.3 程序功能结构

该软件主要由功能操作、参数显示/设置、曲线显示三个模块构成。功能操作模块包括数据的选择、长度标定、局部数据FFT变换等一些需要手动选择进行的功能。参数显示与设置模块包括波速设置、主频阈值设置、滤波选项及参数设置等，其中一些较复杂的参数（如主频阈值）还需要一些交互操作而非直接输入数字的方式来设置。曲线显示模块包含单次数据模式和多次数据模式两种，单次数据模式绘制滤波曲线、谱能曲线、频谱曲线，多次数据模式只绘制每次数据的滤波曲线及谱

能曲线，如果取消滤波，滤波曲线将被原始曲线代替。软件功能结构如图2所示。

2.4 数据处理流程

采集到的信号数据以SEG-Y格式存储，每个文件中存储了单根锚索的N次的测量数据。程序将整个文件读入内存后，再进行后续的操作。数据的处理流程如图3所示。

3 软件中使用到的主要类的结构

软件中的类在设计时遵循高内聚低耦合的原则来进行设计。主要类的功能：文件类用来将文件读入内存；单次数据类用于从文件类中提取单次的测量数据；傅里叶类用于对数据进行快速傅立叶变换及反变换；滤波类用于对数据进行滤波操作；谱能计算类用于进行谱能计算。主要类的类图如图4所示。

4 软件的主要界面

4.1 软件主界面

界面的左边为功能操作区和参数设置区，界面的右边为绘图区。绘图区从上到下分别为滤波/原始曲线、谱能曲线、频谱曲线。软件的主界面如图5所示。

4.2 锚索长度标定界面

锚索长度标定界面如图6所示。

在主界面中点击功能操作区中的长度标定按钮即进入该界面。该界面与主界面相比，除了增加两个标定线外，还为滤波曲线增加了横坐标，以用来表明锚索的长度。蓝色线是自由段与锚固段分界的标定线，用来确定锚索自由段的长度；黑色线是锚索底端的标定线，用来确定锚索的长度。

5 分析过程

长度的标定在如图6所示的锚索长度标定界面上进行。拖动蓝色标定线及黑色标定线以进行锚索长度及锚索自由段长度的标定。在标定线的拖动过程中，程序会根据我们设置好的锚索自由段波速及锚固段波速，计算出坐标值。观察谱能图可发现谱能曲线可分为三段，将蓝色标定线拖至第一段与第二段的分界处，将黑色标定线拖至第二段与第三段的分界处，此时两个标定线位置的坐标值6.1m及15.85m即为自由段的长度及锚索长度。此时，可重新设置谱能计算参数或滤波参数，重新进行锚索的长度标定。

6 结束语

应力波反射法测量锚索长度，是一种具有很大前景的无损检测方式。本次编写的软件，使用快速傅里叶变换及谱能比法对数据进行处理后，能够轻易地得到较理想的结果。但该软件在得到结果的过程中，仍需要软件的使用者进行人为标定操作，还做不到自动计算得到结果。此外结果的精度也有待提高。

参考文献：

[1] 赵文成. 锚索锚固质量无损检测的初步研究[D]. 太原： 太原理工大学， 2013.

[2] G.Jurell Investigation into the failure of a prestressed rock anchor[J]. International Water Power and Dam Construction， 1985， 37（2）： 45-47.

[3] 刘宁. 岩土预应力锚固技术及研究[M]. 武汉： 湖北省科学技术出版社， 2002.

[4] 田北平， 吴加晔， 季文洪， 等. 预应力锚杆张力无损检测方法初探[J]. 四川建筑科学研究， 2010， 36（3）： 73-76.

[5] 汪明武， 王鹤龄. 锚固质量的无损检测技术[J]. 岩石力学与工程学报， 2002， 21（1）：126-129.