錨桿質(zhì)量無損檢測中的缺陷信息提取方法研究

肖國強(qiáng)，吳基昌，周黎明，王法剛

(1.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010;2.國電大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司，四川雅安 625409)

1 研究背景

錨桿質(zhì)量檢測已廣泛采用應(yīng)力波反射法無損檢測技術(shù)，形成了一套成熟的錨桿質(zhì)量現(xiàn)場測試技術(shù)，制定了錨桿質(zhì)量無損檢測技術(shù)的相關(guān)規(guī)程規(guī)范［1］。但在錨桿質(zhì)量評價工作中仍存在可靠性差、精度低、主觀性強(qiáng)、隨意性大等問題。例如，現(xiàn)行錨桿質(zhì)量無損檢測規(guī)范中規(guī)定錨桿檢測波形衰減有規(guī)律，無底部反射波或底部反射波信號弱，則判定錨桿質(zhì)量為優(yōu)良。既然無底部反射波，就不能計(jì)算出錨桿長度，進(jìn)而不能判定錨桿長度是否滿足設(shè)計(jì)要求。正常情況下，反射波幅度與錨固體和圍巖的波阻抗差異大小、波的傳播距離以及錨固體特性有關(guān)，波阻抗差異越小，傳播距離越大，錨固體性狀越差，反射波幅度就越小。在實(shí)際檢測工作中，反射波與干擾波等其它波形相互疊加后，波形變得異常復(fù)雜，反射波往往被其它波形所覆蓋，而不能有效地識別，尤其是深部弱反射波信號難以識別。為此，針對以上技術(shù)問題，通過在巖石邊坡上制作4根注漿密實(shí)度不同的模型錨桿，開展錨桿質(zhì)量無損檢測中弱反射波信號提取方法的研究，以達(dá)到使錨桿質(zhì)量檢測評價更加科學(xué)、合理的目標(biāo)。

2 無損檢測的基本原理

錨固質(zhì)量無損檢測的理論基礎(chǔ)是彈性波在一維黏彈性桿件中的傳播機(jī)理。采用錘擊振源，在錨桿端頭沿錨桿軸向方向施加瞬間沖擊力，激發(fā)產(chǎn)生應(yīng)力波信號。該信號沿錨固體深部傳播遇到波阻抗界面時，其能量將發(fā)生分化，一部分能量透過波阻抗界面繼續(xù)向錨固體深部傳播，形成透射波;另一部分能量將沿著原路返回，形成反射波。反射波引起的質(zhì)點(diǎn)振動被安裝在振源附近的高靈敏度傳感器所接收，并轉(zhuǎn)化為電信號，傳輸?shù)絻x器主機(jī)。圖1為錨桿質(zhì)量無損檢測現(xiàn)場試驗(yàn)示意圖［2－3］。

圖1 錨桿質(zhì)量無損檢測試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic of the site test of non-destructive detection of anchor quality using elastic wave reflection method

通過對采集到的波形信號進(jìn)行處理和分析，提取不同波阻抗界面反射波的波形、頻率和振幅等相關(guān)信息，計(jì)算出錨桿長度、缺陷位置和注漿密實(shí)度，進(jìn)而對錨桿質(zhì)量作出評價。根據(jù)規(guī)范要求，錨桿長度、注漿密實(shí)度等指標(biāo)的計(jì)算公式如下所示。

2.1 錨桿長度計(jì)算公式

其中

或

式中:Lt，Lr為錨固段長度、自由段長度;Cmt，Cmr分別為錨固段波速、自由段波速;Δtt為錨固底部反射波到達(dá)時間和入射波初至?xí)r間之差;Δtr為自由段底部反射波到達(dá)時間和入射波初至?xí)r間之差;Δft為錨固段底部反射波的頻差;Δfr為自由段底部反射波的頻差。

2.2 錨固缺陷位置計(jì)算公式

缺陷反射波信號識別應(yīng)滿足以下3個條件:第一，缺陷體反射波諧振信號滿足諧振峰排列的間距基本相等;其次，在時間域內(nèi)，缺陷反射波信號應(yīng)在錨桿底部反射波到達(dá)之前到達(dá);最后，在頻率域內(nèi)，缺陷體反射波的諧振峰排列的間距應(yīng)大于錨桿底部反射波的諧振峰排列的間距。

若滿足以上3個條件，則缺陷位置計(jì)算公式為

或

2.3 注漿密實(shí)度計(jì)算公式

注漿密實(shí)度評價方法主要有3種:

一是建立錨固體波速與注漿密實(shí)度的相關(guān)關(guān)系，利用波速對錨桿注漿密實(shí)度進(jìn)行評價。二是有效錨固長度法，其計(jì)算公式為

三是反射波能量法，其計(jì)算公式:

公式(6)至公式(9)中:Lt，Lx分別為錨固段長度、缺陷累計(jì)長度;Er，E0，Es分別為缺陷反射波能量、入射波能量、波動總能量;η為能量反射系數(shù);β為能量修正系數(shù)。

從公式(1)至公式(9)發(fā)現(xiàn)，計(jì)算錨桿長度等參數(shù)的關(guān)鍵問題是獲得各波阻抗界面反射波的到達(dá)時間。實(shí)際工作中，時域波形曲線復(fù)雜，難以準(zhǔn)確獲得反射波到達(dá)時間或者頻差，見圖2。

圖2 原始波形及其頻譜圖Fig.2 The original waveform and spectrogram

3 反射波拾取方法研究

目前，反射波提取主要利用振幅異常來實(shí)現(xiàn)。錨桿質(zhì)量彈性波反射法中，反射波信號弱，尤其是深部反射波信號弱，其振幅異常不明顯。為此，擬利用表征波動的綜合參數(shù)異常如頻率異常和相位異常來提取反射波。相位和頻率參數(shù)提取常用方法為希爾伯特變換［4－5］。

錨桿檢測記錄可以看作是一種因果時間序列x(t)，因此可以把x(t)作為解析信號的實(shí)部。實(shí)部經(jīng)希爾伯特變換后作為解析信號的虛部，即，這樣，解析信號可表示通過希爾伯特變換，建立起解析信號的實(shí)部和虛部聯(lián)系。在實(shí)際工作中，解析信號還可以表示為

上述瞬時振幅、瞬時頻率和瞬時相位簡稱為“三瞬信息”。

4 模型錨桿試驗(yàn)與分析

4.1 模型錨桿制作

模型錨桿安裝在巖石邊坡上，邊坡圍巖巖性為灰?guī)r。4根注漿密實(shí)度不同的模型錨桿在制作過程中嚴(yán)格遵守錨桿施工工藝要求。模型錨桿直徑25mm、長9 m，注漿密實(shí)度情況如下。

1#錨桿:自由錨桿，置于空氣中，灌漿密實(shí)度0%。

2#錨桿:先灌漿，后安裝錨桿，再補(bǔ)灌漿，注漿密實(shí)度100%。

3#錨桿:在錨桿長度7.0～9.0m設(shè)置缺陷，并將其安裝在鉆孔中，再灌漿。外露端長度0.7 m，注漿密實(shí)度75.9%。

4#錨桿:在錨桿長度5.0～9.0m設(shè)置缺陷，并將其安裝在鉆孔中，再灌漿。外露端長度0.81m，注漿密實(shí)度45.1%。

4.2 數(shù)據(jù)采集與處理分析

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集按照有關(guān)規(guī)范規(guī)程要求進(jìn)行，測試系統(tǒng)采用RSMZ4FD智能動測儀和微型加速度傳感器，均經(jīng)國家計(jì)量認(rèn)證合格。對每一個錨桿進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，確定每一根錨桿測試的基本波形后，選擇3條基本一致的波形存盤，供資料處理分析之用。合格波形如圖3。

圖3 合格波形Fig.3 Qualified test waveform

自由錨桿測試波形見圖4。從圖4中能準(zhǔn)確獲取反射波的到達(dá)時間。其它3根注漿錨桿與自由錨桿波形發(fā)生明顯變化，波形變得復(fù)雜，不同類型的模型錨桿，其波形也不相同，表明砂漿與桿體耦合以后引起了波的傳播特性的改變。因此，只要測試技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)合理，采用無損檢測技術(shù)是能夠?qū)﹀^桿質(zhì)量做出評價的。為了能準(zhǔn)確獲得注漿錨桿中的不同波阻抗界面的反射波，首先對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進(jìn)行振幅歸一化處理，減小激發(fā)和接收條件的差異引起波動能量的差異，再利用希爾伯特變換提取信號的“三瞬信息”，見圖5至圖7。圖中，從上向下依次為原始波形、瞬時振幅、瞬時相位和瞬時頻率曲線。

對于注漿密實(shí)度為100%的完整錨桿，從圖5可以看出:原始波形中激發(fā)的入射波在錨固體內(nèi)傳播，能量逐漸衰減，振幅變小，6.665ms后，振幅開始增大，一段時間后，振幅又減小，最后振幅接近零;瞬時振幅曲線中，開始時，振幅逐漸增大，3.0ms以后，振幅逐漸減小，6.665ms時，振幅突然增大;瞬時相位曲線，3.0ms時，相位發(fā)生一定變化，6.665ms時刻以后，相位速率突變;瞬時頻率曲線，2.4ms時出現(xiàn)瞬時極值頻率，隨后瞬時極值頻率等間隔出現(xiàn)，其值大小基本相等，6.665ms時刻，極值頻率增大，與第1個極值頻率的值相當(dāng)。綜合以上分析認(rèn)為，6.665ms為錨桿底部反射波的到達(dá)時間。根據(jù)錨桿長度計(jì)算出錨固體波速為3 860m/s。

3#模型錨桿的2個波阻抗界面，分別位于錨固體深度6.3 m處和錨固體底部。從圖6中可以看出:4.918 ms和6.293 ms為振幅、相位、頻率的突變點(diǎn)，尤其是瞬時頻率，均出現(xiàn)比初始頻率的值略小的極值頻率，可以推斷，兩異常點(diǎn)分別對應(yīng)兩波阻抗界面。根據(jù)錨桿長度計(jì)算出錨固體波速為4 190m/s，缺陷上界面的位置為6.12m，與實(shí)際深度相差0.88 m。

4#模型錨桿的2個波阻抗界面，分別位于錨固體深度4.2m處和錨固體底部。圖7中，4.154ms和6.138 ms為振幅、相位、頻率的突變點(diǎn)，尤其是瞬時頻率，均出現(xiàn)與初始頻率的值相當(dāng)?shù)臉O值頻率，可以推斷，兩異常點(diǎn)分別對應(yīng)兩波阻抗界面。根據(jù)錨桿長度計(jì)算出錨固體波速為4 350m/s，缺陷上界面的位置為4.68 m，與實(shí)際深度相差0.48 m。

5 結(jié)論

通過對模型錨桿試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，可以得到以下結(jié)論:

(1)利用波動的“三瞬信息”，能有效獲取反射波信息，特別是瞬時頻率對弱反射波引起的波形異常反應(yīng)更敏感。

(2)2#，3#，4#模型錨桿的錨固體波速分別為3 860，4 190，4 350m/s，表明隨注漿密實(shí)度的增大，錨固體波速逐漸降低。因此，定性評價注漿密實(shí)度，可采用錨固體波速參數(shù)。

(3)由于模型錨桿試驗(yàn)數(shù)量有限，上述結(jié)論是否具有普遍規(guī)律，仍需開展進(jìn)一步的研究。

［1］DL/T5424—2009，水電水利工程錨桿無損檢測規(guī)程［S］.北京:中國電力出版社，2009.(DL/T5424—2009，Code for Anchor Bolt Non-destructive Detection in Hydropower and Water Resources Engineering［S］.Beijing:China Electric Power Press，2009.(in Chinese))

［2］王 成，惲壽榕.應(yīng)力波理論在動測錨桿錨固質(zhì)量中的應(yīng)用［J］.地震工程與工程振動，2000，25(2):160－163.(WANG Cheng，YUN Shou-rong.Application of Stress Wave Theory to Dynamic Measurement of Bolt Bonding Integrity［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2000，25(2):160－163.(in Chinese))

［3］汪天翼，王法剛，肖國強(qiáng).水工工程錨桿注漿密實(shí)度無損檢測試驗(yàn)及工程應(yīng)用［J］.巖土工程界，2004，7(6):87－90.(WANG Tian-yi，WANG Fa-gang，XIAO Guo-qiang.Non-destructive Detection Test of Anchor Bolt in Hydraulic Project and Engineering Application［J］.Geological Exploration for Non-ferrous Metals，2004，7(6):87－90.(in Chinese))

［4］戴前偉，楊漢軍，馮德山，等.探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的解析信號分析及應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2007，(3):130－131.(DAI Qian-wei，YANG Han-jun，F(xiàn)ENG De-shan，etal.Analysis and Application of Analytic Signal of Ground Penetrating Radar Data［J］.West China Exploration Engineering，2007，(3):130－131.(in Chinese))

［5］馬玉華，林文華.解析信號的瞬時相位與原始信號的等價關(guān)系［J］.黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，1995，12(3):56－60.(MA Yu-hua，LIN Wen-hua.Equivalence Relation Between the Instantaneous Phase and Original Signal of Analytic Signal［J］.Journal of Natural Science of Heilongjiang University，1995，12(3):56－60.(in Chinese ))