锚杆(索)锚固质量无损检测技术的研究现状与展望

2018-02-09高东源仵丽虹

中原工学院学报 2018年3期

高东源，仵丽虹

(河南理工大学土木工程学院，河南焦作 454000; 2.国网南阳供电公司，河南南阳 473008)

锚杆(索)锚固指在地质体(岩土体)深处设置一系列受拉杆件(筋体)，并且用灌浆材料将杆件与地层紧密固结在一起，同时这些杆件也将地质体与结构物连接起来，用来加固岩土体的不稳定部分或将结构物的拉应力传递给稳定的岩土体，以保持岩土体与结构物的稳定，或者使稳定地质体的自身加固，承载力提高。岩土工程锚固技术现已广泛应用于边坡治理、基坑支护以及隧道工程、抗浮工程、纠偏工程、结构抗倾覆工程等。它具有施工方便、适应性强、可靠性高、成本低等优点。锚固工程的锚固质量非常重要。锚固工程具有高复杂性和隐蔽性，施工质量和地质因素等对锚固质量会造成严重的影响。本文从锚固工程质量的4项检测内容入手对目前应用较多的锚杆(索)锚固质量检测技术进行综述，指出各种无损检测技术在数据处理方面存在的问题，以及今后锚杆(索)锚固质量检测技术的发展趋势。

1 锚固质量检测技术的无损检测方法

锚固工程质量的4项检测内容包括锚杆(索)长度、锚固力、锚固体密实度和腐蚀程度检测。

锚杆(索)长度检测方法主要有应力波反射法、自感应法、天线法、磁致伸缩导波检测法、电势差检测法、电驻波检测法。

锚杆(索)锚固力检测方法主要有等效质量法(间接法)、应力波反射法、振弦式钢筋计法、光纤光栅传感器法、光纤光栅端头式测力计法、压力传感器法、振动频率法。

锚杆(索)锚固体的密实度检测方法主要有应力波反射法、电磁波检测法(如电磁雷达)、放射线(X光、伽马射线、红外诊断、铱192等)法。

锚杆(索)腐蚀程度检测方法主要有电磁导波检测法。

1.1 应力波反射法

声波、超声波、超声导波等均属于应力波。应力波反射法锚杆(索)检测技术基本上都遵循“小应变动力测桩技术[1-3]”理论。其基本原理是基于一维杆件的波动理论[4],锚杆的长细比较大即杆件长度远大于杆件直径，并且由激振力产生的纵波的波长远大于锚杆直径，从而可忽略横向的振动位移，锚杆(索)端部受到的激发应力波可以利用锚杆(索)中传播的一维弹性波波动方程来表示，利用纵向一维波动方程的解获得锚杆(索)系统的动力响应[5-7]。

应力波无损检测技术主要受激振频率、传感器耦合方式、杆头平整度、捶击方式、锚杆外露长度、外延端有无弯头等因素的影响。影响其相关计算的因素则有杆系、杆体波速等。其他影响因素还有工作荷载、龄期、围岩、地应力、巷道开挖、岩体节理等。

应力波检测法的主要缺点包括：①基于波的传播能量的检测往往有能量衰减快的缺陷；②基于反射波相位、频率的检测，干扰信号较多而影响监测结果；③应力波无损检测的结果受某些因素的影响较大；④应力波检测总要依靠经验判定，人为因素会造成检测结果的偏差；⑤锚杆(索)锚固体系属于三维问题，而目前的研究主要集中在一维细长杆件的完全锚固锚杆上；⑥锚杆与钢支撑焊接在一起时，应力波在焊接的锚杆中传播规律不定而造成检测结果的不确定；⑦锚杆(索)锚固质量动力测试信号的识别存在盲区。

1.2 电磁法

电磁法主要包括穿地雷达法、天线法、磁通量传感器测量法、自感应法、基于磁致伸缩效应的导波检测法、电势差检测法、电驻波检测法等。

(1)穿地雷达法。穿地雷达法能够成功用于混凝土中钢筋分布的探测，同时可以很好地判断钢筋的锚固质量[8]，但其主要缺陷为检测深度远达不到锚杆(索)锚固的深度。

(2)天线法。张法全等介绍了天线法，即添加一根金属参考线，把锚杆看作一个天线，成功地利用波长与天线长度的关系以及波长与谐振频率的关系得到了锚杆的长度[9]。但该方法只适合检测锚杆(索)长度，而不适用于检测锚固质量其他项目。

(3)磁通量传感器测量法。它属于无损、非接触式检测方法。具体来说，将锚杆(索)视为铁磁性材料，铁磁性材料具有磁弹性效应，受到外力作用后其磁导率会发生改变，对磁导率的变化进行换算，可得到铁磁性材料的工作载荷[10-11]。正因为是非接触式的检测手段，所以能够很好地规避接触式检测的弊端。

(4)自感应法。由于锚杆的长度影响自感应系数的大小[12]，因此可采用一个线圈套在锚杆外端头，以锚杆作为线圈的芯，测量系统的自感应系数。但该方法仅适用于测量锚杆(索)长度，并不适用于测量锚固质量其他项目。

(5)基于磁致伸缩效应的导波检测法。铁磁体在外磁场中被磁化时，其外形尺寸会发生微变形，产生磁致伸缩应变，从而在铁磁体内激发应力波，即弹性导波。在导波传播过程中，铁磁体内各部分均会发生微变形，磁导率相应发生改变，波的传播特性也发生相应变化，进而导致铁磁体内磁感应强度产生波动[13-16]。根据法拉第电磁感应定律，变化的电磁感应强度必定引起接收传感器中电压的变化。通过测量电压信号——导波的反射情况，可检测出铁磁体构件中是否存在腐蚀、裂纹和破损等缺陷。应用磁致伸缩导波对锚杆进行检测，可以实现单端激励，导波传播距离远，且不需对锚杆端面进行任何处理，检测范围大，易于实现对锚杆(索)的在线检测。

(6)电势差检测。有关学者提出一种锚杆长度的电势差无损检测方法，利用金属锚杆通电产生直流电场，用非接触方式测出锚杆附近电势差值随轴向深度(位置)的变化情况，从而测量锚杆长度[17]。该方法可应用于锚固工程中高精度的锚杆(索)长度检测，但是它只适用于针对锚杆(索)长度的检测，并不适用于锚固质量其他项目的检测。

(7)电驻波检测。徐钊等根据传输线理论，将天线等效于传输线上，通过镜像原理生成对称子天线，扫描不同频率的信号，捕捉到信号波长与锚杆长度恰好是4倍关系的特殊信号，从而测量出锚杆的长度[18]。该方法测量锚杆(索)的长度可达10 m以上，但不适合对锚杆(索)锚固质量其他项目的检测。

1.3 光纤法

光纤法是基于光纤传感器、光纤测力计的测量原理来检测锚固力的测量方法。传统的电类传感器与测力计都需要预先埋置，不易操作，且传感器、测力计易受环境干扰。现有光纤式传感器、测力计优势较为明显，如质量轻、抗腐蚀、抗电磁干扰、精度高、可远端控制等。目前较常用的光纤法主要有光纤光栅传感器智能锚索测量法[19]、光纤光栅端头式测力计法[20]等。

(1)光纤光栅传感器智能锚索测量法是用特殊材质的筋体替换钢绞线中部的一根钢丝，并根据等变形原理实现锚索索力的测量。这种智能锚索安装复杂，成本较高，且不利于回收利用。

(2)光纤光栅端头式测力计是通过内置光纤光栅传感器与温度传感器实现的锚杆(索)端头式测力装置。该装置可用于总荷载、不均匀荷载以及偏心荷载的测量，并可实现对远端信号的传输控制。

1.4 几种有待研究的方法

振弦式钢筋计检测法和压力传感器法等也属于传统的测力计检测方法。虽然它们都不能检测整个锚固质量，但在锚杆(索)的锚固力检测方面具有一定优势。为了扩大这些方法的适用范围，需要开展相应的研究。

(1)振弦式钢筋计法需要在锚杆(索)上进行焊接加工，根据钢筋与钢筋计的同步变形情况，利用电磁线圈测得钢筋计的振动频率，通过信号转换装置得到钢筋应力[21]。该方法的缺陷是对焊接加工要求较高，且焊接过程可能对锚杆(索)造成损伤。

(2)压力传感器法是将压力传感器安装于锚具与锚孔垫板中间，压力传感器在张力作用下受压而变形，对其变形量转换分析而测得锚固力的方法。该方法的主要缺点在于测量精度会受零点漂移的影响，且传感器标定和制造难度较大，成本较高，维修更换困难。

(3)等效质量法是对锚固件激发超声波并测得锚固件中的应力值，从而推算出锚杆(索)工作应力的检测方法[22]。该方法完整的理论尚无法获知，还有待研究。

(4)振动频率法主要用于测试螺栓张力。使用该方法的关键在于建立螺栓纵向振动频率与螺栓系统张力的关系[23-24]。目前对普通螺栓的试验和理论研究虽已取得一定成果，但锚杆(索)的应用研究仍需深入，因为其螺栓检测的理论依据不够充分，且检测的成本较高，无法应用于常规锚杆(索)张力的检测。

2 基于波反射法的数据处理

2.1 能量法

目前，对锚杆(索)无损检测数据进行处理的最常见方法是能量对比法。该方法有两种思路[25-29]：一是通过声波在锚杆(索)中传播时能量逐步衰减的系数幅值来评价锚固质量；二是以检测获得的曲线作为相应指标，与标准曲线(以标准锚杆检测曲线作为基准)比较，将比较差值作为评定依据。该方法的缺点在于能量的分布和衰减受噪声的影响较大，因此并不能通过它准确判定缺陷的位置。

2.2 时频法

时频法通常包括时域分析法、频域分析法、时频分析法和小波变换法等。

(1)时域分析法是通过所测波形的时域传播特性评价锚杆(索)锚固质量的方法，其评判依据是声波阻抗差异位置时域幅值的反馈信息(时域信号)[30]。该方法直观简便，但时域信号的抗扰动能力较差，精度不高。

(2)频域分析法以Fourier变换为基础滤波理论，采用定性与半定量分析技术，以频率的幅度和相位作为评价手段[31-32]，对检测数据进行分析处理。该方法原理清晰，抗干扰能力比时域分析法强，但计算速度较慢，分析非稳态信号时精度不高，且易受地域条件的影响，对工作人员经验的依赖性较强。

(3)时频分析法是通过快速Fourier变换进行数据处理的方法。其计算简便，收敛快，能够精确地识别频域信号的瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率，但也存在一些固有缺陷[33]。

(4)小波变换法可以自主改变频率和时间的分辨率，抗干扰能力强，具有能量集中特性，适用于有较多检测数据的情况，能够更精细地描述锚杆(索)的缺陷位置。但是，用该方法检测时需选择合适的小波函数。该方法的稳定性有待提高，计算方法仍需优化[34-36]。

2.3 数理分析法

梁腾飞等根据分形理论，通过建立盒维数-荷载关系来判断锚杆的锚固质量与工作荷载[37]。该方法直观简便，充分考虑了幅值与振动波时间的双尺度效应。韩志军等通过变尺度随机共振，利用噪声能量增强微弱信号，从而提高输出信噪比，方便了对有效信号的处理与分析[38]。张雷等基于应力波法，用反射信号的多尺度熵值曲线的偏离程度来反映锚固质量，实现对微小差别信号的识别，有效地降低了噪声对锚杆(索)锚固质量检测的影响[39]。如果不要求精确判断锚杆(索)的锚固质量，那么可以通过S变换进行时频分析，得到时频谱与锚固质量的关系，进而达到快速、定性判断锚固质量的目的[40]。基于谱峭度理论，通过峭度滤波器对信号进行信噪比最大化过滤输出，可以精确测量锚杆(索)长度[41]。

继许明等[42]研究之后，薛新华等[43]也使用人工神经网络建立了锚杆极限承载力的预测模型。与前者不同，薛新华等引入遗传算法建立的是锚杆极限承载力预测的遗传神经网络模型。神经网络的训练需要大量的已知锚杆(索)极限承载力、锚杆(索)参数等数据，在实际工程中推广应用存在一定的局限性。

3 锚固质量检测技术的展望

锚杆(索)在工程实践中的广泛应用极大地巩固了各种加固支护、防护工程的地位，各种检测技术的应用能够显著提高工程的安全性，减少安全事故的发生。但是检测技术的单一应用总显得单薄，各种检测技术既有各自优势亦有其局限性，都不成熟。对于锚杆(索)检测理论的研究必须深入，以便更清楚地掌握一些相关规律。

3.1 影响因素权重平衡

对于不同锚固环境，如土层、岩层、存在地应力和工作荷载等情况，选择检测理论时既要区分对待，还应结合现场的施工情况开展室内模拟试验和实地试验，对更多未知影响因素进行研究。检测时不能只考虑单一因素，对于多种因素可以进行效应叠加研究，对于检测中用到的相关系数也应进行适当的权重平衡。

3.2 组合测试技术

对于锚杆(索)应力波检测激发装置、接收装置等的研究，组合测试技术是发展的方向，计算机仿真和数值模拟会在很大程度上起作用。因此，可以组合使用正反验算、数值模拟与检测技术，也可把计算机仿真与室内模拟试验、实地试验结合起来，深入开展相关的理论和应用研究。

3.3 多软件处理系统

锚杆(索)的锚固质量检测理论尚未成熟，而大数据、智能系统等发展迅速。因此，可结合工程应用建立关键检测指标和经验数据信息库，用多款数据处理软件组合处理检测数据，如用小波-神经网络的组合处理系统进行智能评价，以实现更接近工程实际的组合质量检测。

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