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提高锚杆质量无损检测分析精度的探讨
薛尚华;陈润
【期刊名称】《路基工程》
【年(卷),期】2011(000)005
【摘要】锚杆质量无损检测和评价是岩土工程中亟需解决的重难点技术问题。
从锚杆无损检测的基本分析方法比较入手,对Hilbert变换在信号分析中如何提高分析精度等问题进行讨论。
以实际工程为例,说明锚杆无损检测的影响因素及利用Hilbert变换高精度时频特性对锚杆动测数据进行时频分布分析,进一步找出频率衰减与锚杆锚固状态的关系和精确定位出锚杆的长度、饱满度的分析方法。
【总页数】3页(P118-120)
【作者】薛尚华;陈润
【作者单位】中铁西南科学研究院有限公司,成都610031;中铁西南科学研究院有限公司,成都610031
【正文语种】中文
【中图分类】U455.71
【相关文献】
1.不同工况下锚杆施工无损检测精度研究与施工质量评价 [J], 干海勇;刘武超;杨俊安;雷博
2.基于相位推算法的锚杆施工质量无损检测分析方法 [J], 杨天春;吴燕清;夏代林
3.高速公路锚杆施工质量无损检测技术探讨 [J], 龚平
4.对锚杆施工质量无损检测技术探讨 [J], 赖云惠
5.锚杆无损检测技术在控制隧道锚杆施工质量中的应用 [J], 蔡亦来
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高速公路某隧道锚杆锚固质量无损检测分析摘要：在高速公路隧道施工过程中采用应力波运动学理论分析和评述了锚固体系质量检测的方法、技术与特点;并通过工程检测实例进一步说明,锚杆锚固质量无损检测技术是一种方便易行,测试精度能满足现场技术要求的方法,具有较为广阔的应用前景。
关键词：锚杆；锚固；无损检测；声频应力波；质量1 引言锚杆作为支护系统的一个重要组成部分被广泛地应用于地下工程初期支护中，在高速公路隧道工程中采用较多的是全长粘结砂浆锚杆，传统的锚杆检测方法是抗拔试验，但这种方法测试结果不能完全反映锚固效果的好坏（研究表明：①当注浆长度大于锚杆直径40倍时，锚固力就在于钢筋的拉拔极限；②无法确定长度）因此,采用声频应力波对锚杆的锚固质量进行无损检测，配合抗拔力试验，进行综合分析，能对锚杆的锚固质量作出比较全面的评价。
2 检测原理检测锚杆锚固质量采用的仪器为JL-MG(C)锚杆质量检测仪，该仪器的检测原理为：在锚杆外露端激振，产生弹性应力波信号沿钢筋传播，当钢筋周围或底端介质发生变化时（砂浆不饱满或空浆），将产生反射信号；通过附在钢筋端部的传感器拾取弹性波的传播和反射信号，进行波形分析，可判断锚杆中有无空浆或密实状况；并根据反射波的位置可计算锚杆长度或空浆、不密实的位置，从而评价锚杆的密实度。
应力波在锚杆中的传播规律符合以下公式V＝2L/t其中V—应力波在锚杆中的传播速度，m/s。
L—锚杆的长度，m。
t —应力波从锚杆外端到底部，再回到外端的时间，s。
在细长杆中（杆的横向尺寸远小于波长）纵波的传播速度V0可按下式进行计算：V0=根据钢材的密度ρ＝7.85g/cm3，钢材弹模E＝2.08×105MPa，应力波在自由的锚杆中传播的速度在5148m/s左右，应力波在自由的锚杆中存在明显的反射波，故采用声频应力波测出自由锚杆的长度，误差不超过1％，用此方法也可对仪器进行核查。
对于埋设在岩体内的锚杆，如果注浆越饱满，则杆底部反射越不明显，这时，给应力波从锚杆底部反射回来的传播时间判读增加难度，也就确定锚杆的长度变难。
锚杆锚固质量无损检测技术分析景尤佳【期刊名称】《《建材与装饰》》【年(卷),期】2019(000)036【总页数】2页(P60-61)【关键词】锚杆; 锚固; 无损检测技术【作者】景尤佳【作者单位】国家金属制品制品质量监督检验中心河南郑州 450001【正文语种】中文【中图分类】TU94近年来，工程质量检验检测技术快速发展，涌现出各类高水平的技术手段。
其中，无损检测技术凭借自身的优势，比如不损坏产品等，被广泛应用，为锚固施工作业的质量检查提供了技术保障。
文中结合实例，分析锚杆锚固质量无损检测技术的具体应用。
1 锚杆锚固质量检测常用的无损检测技术关于锚固工程质量检测的实施，主要围绕锚杆长度、锚固力、锚固体密实度以及腐蚀程度，开展相应的检测。
目前来说，检测锚杆长度、密实度所运用的方法类型较多，比如声波反射法和天线法等，选择时要根据检测情况具体分析。
锚固力的检测，可运用等效质量法或振弦式钢筋计法以及光纤光栅传感器法等。
实施密实度的检测，运用电磁波质量检测法和放射线质量检测法等。
运用电磁导波技术检测法进行锚杆腐蚀程度的检测分析，获得精准的结果。
现例举常用的无损检测技术对锚杆锚固质量进行如下分析：（1）声波反射法。
锚杆锚固效果的检测中，采用声波（弹性波）反射法，实现对质量的检测。
从技术的应用效果来说，受到激振频率和传感器耦合方式以及锤击方式等多重因素的影响。
对锚杆系统的计算结果有着很大的影响因素，包括杆系以及杆体波速等。
实际应用中，声波反射法有着一定的优势，不过基于波的传播能量实现检测通常会出现能量衰减快的缺陷；根据反射波时域及频域进行检测分析，如果干扰信号很多会直接影响着检测结果。
（2）电磁法。
首先，穿地雷达法。
混凝土中钢筋材料的分布情况探测，运用此方法可以高效判断钢筋锚固的效果，不过检测深度无法达到锚杆锚固的深度。
其次，天线法。
操作时添加一根金属参考线，将设置的锚杆视为天线，根据波长和天线长度关系、波长和谐振频率关系进行分析，获得锚杆的长度，适用于长度的检测，不适合进行其他内容的检测。
无损检测与锚杆无损检测的基本原理及方法1. 简介无损检测是指在不破坏被测物理性能和形状的前提下，通过对材料或构件进行检测，获取其内部缺陷、材料性能和结构形态等信息的一种检测方法。
锚杆无损检测是无损检测的一种应用，主要用于对混凝土结构中锚杆的质量进行评估和检测。
锚杆是一种常用的加固结构，广泛应用于土木工程、建筑工程和岩土工程等领域。
锚杆无损检测的基本原理是通过对锚杆的声波、电磁波或超声波的传播和反射特性进行分析，检测锚杆中的缺陷、腐蚀、断裂等问题，从而评估锚杆的质量和可靠性。
2. 基本原理锚杆无损检测的基本原理可以分为声波无损检测、电磁波无损检测和超声波无损检测三种。
2.1 声波无损检测声波无损检测是利用声波在材料中传播的特性进行检测的方法。
在锚杆无损检测中，常用的声波检测方法有冲击法和超声波法。
冲击法是将一个小的冲击力施加在锚杆上，通过测量冲击力的传播速度和传播时间，计算出锚杆中的缺陷位置和缺陷的性质。
缺陷的位置可以通过测量冲击波在杆体中的传播时间来确定，而缺陷的性质可以通过测量冲击波的传播速度来确定。
超声波法是将超声波传播到锚杆中，通过测量超声波的传播时间和传播速度，判断锚杆中的缺陷和腐蚀情况。
超声波在材料中的传播速度与材料的密度和弹性模量有关，当超声波遇到缺陷或腐蚀时，会发生反射或散射，从而可以检测出锚杆中的问题。
2.2 电磁波无损检测电磁波无损检测是利用电磁波在材料中传播的特性进行检测的方法。
在锚杆无损检测中，常用的电磁波检测方法有磁力线法和电磁感应法。
磁力线法是通过在锚杆上施加一个磁场，测量磁力线在杆体中的传播情况，判断锚杆中的缺陷和腐蚀情况。
当磁力线遇到缺陷或腐蚀时，会发生磁力线的偏转或集中，从而可以检测出锚杆中的问题。
电磁感应法是通过在锚杆上施加一个交变电磁场，测量感应电流或感应电磁场的变化情况，判断锚杆中的缺陷和腐蚀情况。
当感应电流或感应电磁场遇到缺陷或腐蚀时，会发生电流或电磁场的变化，从而可以检测出锚杆中的问题。
锚杆锚固质量检测分析及应用杨帆，宋伟健，郭奇，郭智阳（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130062）［摘要］锚杆的无损检测，是较好的一种以不破坏原有的应力体系的检测方法。
文中通过大量的对比试验及计算，提出对锚杆的长度及注浆饱满度进行准确的检测方法。
在进行锚杆注浆检测时，对同一根锚杆需多次采集，在波形一致时方可进行评判，对于波形不一致或现场干扰大等因素造成的可能影响判别时，需用拉拔试验等其他方法加以辅助。
［关键词］锚杆锚固；质量检测；应用［中图分类号］TV554+.12［文献标识码］B［文章编号］1002—0624（2018）09—0053—02近年来，随着国家大力提倡新能源建设，水利水电行业得到了飞速发展，大量水电站已进入工程建设期，由于各工程建设地点的地质条件各不相同，且围岩等级分类差异较大，会给施工造成了一定的影响，锚杆锚固施工质量的好坏直接影响着基础岩体的整体性和坚固性，因此在保护围岩稳定性的施工过程中，利用锚杆支护是近些年水电施工中必不可少的一部分，锚杆不但支护效果好，且用料省、施工简单。
对锚杆锚固质量进行检测既能保证施工有序进行，又能保证水工建筑物的安全，避免造成不必要的损失。
1方法工作原理锚杆锚固质量在传统弹性波反射法基础上衍生出来的一种可以对砂浆饱和度进行有效检测的方法，在长度测定合格时，从锚杆顶部发射的应力波经杆体向四周传播，在锚杆与砂浆、砂浆与围岩界面发生反射和投射。
在锚固体系中，注浆均匀、密实时，由于波阻抗差异不大，大部分能量直接投射到围岩体中，当注浆不均匀、不密实时，砂浆中存在空隙，在空隙处将存在不同程度的波阻抗界面，叠加已有的反射信号，根据突变点位置和反射信号的强弱，可以确定锚杆锚固质量，并进行注浆饱满度估算和分级。
2检测数据分析锚杆检测资料分析以时域分析为主，辅以频域分析，并结合波形特征等因素进行综合分析判定。
在砂浆锚杆中，锚杆速度是钢筋与砂浆组合体的速度，不同规格的锚杆，由于钢筋与砂浆所占的权重各不相同，其波速也不尽相同，在实际检测过程中，应首先选取不少于3根注浆饱满度大于90%的相同材质和规格同类型的锚杆计算平均值，用以计算检测锚杆的长度。
锚杆锚固质量无损检测技术探讨摘要：在地下工程中锚杆支护已经获得广泛应用，采用锚杆对围岩进行锚固，而锚杆锚固质量的优劣直接影响着洞室的安全。
因此采用何种方法检测锚杆锚固的质量，确保工程质量，是近年来很多专家学者研究的课题。
文章结合工程实例采用声波反射法对锚杆长度和锚固密实度进行检测，总结锚杆无损检测经验，探讨其今后发展方向。
关键词：锚杆；锚固质量；无损检测技术1基本原理和工程概况通过在锚杆端头施加一个激振力产生应力波，应力波沿杆体向锚杆底端传播，在传播过程中遇到波阻抗变化界面时就会产生反射和透射应力波。
通常砂浆充填不均匀或不密实、杆体材质发生变化等均可产生波阻抗的变化，然后采集和分析反射波的传播时间、幅值和波形特征。
通过对信号进行处理和分析，就能判断锚杆长度和注浆密实度的情况，从而评定锚杆的锚固质量。
广东抽水蓄能电站，枢纽工程主要由上水库、下水库、输水发电系统及地下厂房洞室群等辅助工程等组成。
为确保大跨度地下厂房顶拱的施工安全，控制围岩变形，采用全长粘结性锚杆进行支护，工程锚杆总数约为8万根左右，锚杆设计直径主要有φ25mm、φ28mm两种,锚孔直径分别为42mm、50mm、54mm，锚固砂浆强度为M30，设计长度主要有3～11m。
2锚杆模拟试验为积累工程锚杆的检测经验，获得真实可靠的对比数据，现场先选用该工程具有代表性的锚杆类型进行模拟试验，模拟试验分为室内锚杆试验和现场模拟锚杆试验：其中室内模拟锚杆试验3根，采用内径与锚杆孔径相同的PVC管，将外径略小于PVC管的内空软橡胶胶管套在设计不密实段的杆体上，两端用铁丝扎紧防止浆液渗入；现场模拟锚杆共11根，在通风洞风机室洞室侧壁施工，采用先注浆后安装锚杆方式进行，缺陷位置采用内空软橡胶管套在锚杆杆体上，两端用铁丝扎紧防止浆液渗入。
模型锚杆试验分别在注浆后3天、7天、14天和28天龄期进行了测试试验，根据不同龄期实测的曲线和实际缺陷类型进行对比。
3工程锚杆现场检测由于工程的特殊性，很多部位不允许进行抗拔试验，只能进行无损检测。
锚杆无损检测在建筑工程领域的应用发布时间：2021-06-22T10:00:34.220Z 来源：《基层建设》2021年第8期作者：王凯超[导读] 摘要：本文将结合工程实例对锚杆锚固质量无损检测的原理、检测方法、数据分析、锚固质量评价等进行介绍。
首钢地质勘查院北京市 100144摘要：本文将结合工程实例对锚杆锚固质量无损检测的原理、检测方法、数据分析、锚固质量评价等进行介绍。
同时，结合波动理论分析该方法在实际运用中的技术要点和数据处理时的一些问题。
另外还就从事锚固无损检测工作谈了自己的一些经验和体会。
关键词：锚杆锚固质量无损检测；波动理论；声波反射法；锚固密实度；杆系波速诸论：锚杆施工属于隐蔽工程，传统的锚杆锚固质量主要通过设计、施工、试验和验收等过程进行控制。
试验主要是进行材料试验和锚杆抗拔力试验。
锚杆抗拔力试验抽检频率一般为1～5%。
据有关研究结果表明，当锚杆握裹长度达到42倍锚杆直径时，其握裹力已达到锚杆材质极限抗拉强度，而锚杆锚固长度一般远大于42倍的锚杆直径，因此锚杆拉拔力试验无法全面、客观地反映锚杆整体施工质量状况，特别是难以反映锚杆的锚固密实度和锚杆的实际长度。
随着锚杆在工程中的大量使用，锚杆抗拔力试验已明显不能满足检验锚杆锚固质量的要求。
根据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2015)的规定，对于全长粘结型锚杆，合格锚杆的长度应符合设计值，注浆密实度不得小于75%，锚杆长度和注浆密实度是反映锚杆锚固质量的主要参数。
近年来，一些大型工程（如水电工程、公路和铁路交通工程、矿山工程等）探索采用无损检测技术检测锚杆的长度和注浆密实度，以达到有效评价锚杆锚固质量的目的。
检测中，根据现场实际情况选择合适的激发设备和激发方法、传感器及检测仪，检查测试系统各部分之间是否连接良好，确认整个测试系统处于正常工作状态。
数据分析时根据时域及频域信号，判定锚杆长度和锚固密实度。
必要时还可采用瞬时谱分析法、小波分析法或能流分析法等方法。
BOLTOMETER 仪器进行锚杆注浆密实度无损检测的评定方法使用BOLTOMETER 仪器进行锚杆密实度无损检测，对所施工锚杆注浆密实度作出恰当的评价。
1．工作原理锚杆密实度仪探头内有一个压电式传感器，它向锚杆发送压缩波和弯曲波，这些波沿着锚杆传输，波值则取决于锚杆周围或端头的注浆情况。
这时，探头作为接受器来检测反射波并由电子装置对反射波进行分析，通过对信号行进过程进行处理和分析，仪器则能确定锚杆长度以及岩石和注浆的整体状况，检测成果显示在仪器面板上。
2．评定等级使用BOLTOMETER 仪器进行锚杆密实度无损检测，评定等级共分为A、B、C、D四级，A级为锚杆具备良好的性能，表现为锚杆注浆均匀、密实，杆体没有破损和裂缝； B 级为锚杆性能有所降低，表现为锚杆注浆不饱满或注浆材料强度降低；C级为锚杆性能不足，表现为锚杆注浆的数量或质量降低，或者锚杆有实质性的损坏； D 级为锚杆性能降低或不存在工作性能，表现为整个锚杆注浆长度小于0.6m,或者锚杆至少有一处重要的破损。
3．评定方法锚杆密实度检测的分级评定是通过分析检测过程中所记录的信号轨迹确定，检测前设定两条分级线CL1、CL2 ，其中CL1 的Y 值低于CL2 的Y 值，两条分级线的X 值相同，检测结果分级评定如下：A 级：最佳--- 弯曲波信号和压缩波信号完全低于第一分级线；B 级：性能有所下降-- 1 种或2 种波形信号穿过第一分级线，而没有信号穿过第二分级线；C 级：性能不良---- 有一种波形信号穿过第二分级线；D 级：很差--- 弯曲波和压缩波均穿过第二分级线。
4.现场检测和评定方法1）分别选取一根注浆密实度95%、85%、70%、60%的锚杆作为基准锚杆，进行检测，得出评定基准；2）对实际施工的砂浆锚杆进行检测，然后将检测结果与评定基准进行比较分析，得出恰当的检测评定结果；3）根据锚杆的检测评定结果，对有缺陷的锚杆进行分析并找出缺陷的原因，然后根据锚杆的缺陷进行处理；4）对检测评定结果进行统计分析，编制砂浆锚杆密实度检测和评定报告；5）常见锚杆缺陷如下附图，这些缺陷对检测结果有影响，其中（c）类锚杆缺陷不能处理，（a）、（b）两类锚杆缺陷可进行补浆处理。
第34卷第5期煤 炭 学 报Vol .34 No .5 2009年5月JOURNAL OF CH I N A COAL S OC I ETY May 2009 文章编号:0253-9993(2009)05-0629-05基于相位推算法的锚杆施工质量无损检测分析方法杨天春1,吴燕清2,夏代林3(11湖南科技大学土木工程学院,湖南湘潭 411201;21煤炭科学研究总院重庆研究院,重庆 400037;31武汉长盛工程检测技术开发有限公司,湖北武汉 430079)摘 要:将相位推算法引入到锚杆施工质量的无损检测分析中,首先对采集信号进行傅氏变换和数字滤波,将采集信号的主频作为相位推算法计算式中的频率初始值,再利用相位计算结果随时间的变化规律,判断锚杆底端或缺陷位置处的反射信号.通过对实测锚杆资料的处理结果来看,在锚杆底端或缺陷位置处信号的相位曲线会发生明显的畸变,由此可准确判断反射信号的位置,确定锚杆长度、灌浆饱满度以及缺陷位置.研究结果表明,利用瞬时相位曲线可迅速准确地识别锚杆底端与缺陷处的反射信号,由此分析锚杆施工质量,提高了应力波无损检测方法解释结果的可靠性.关键词:相位推算法;锚杆;无损检测;瞬时测频;应力波中图分类号:T D35215 文献标识码:A收稿日期:2008-06-26 责任编辑:柴海涛 基金项目:湖南省教育厅资助科研项目(06B030) 作者简介:杨天春(1968—),男,湖南津市人,副教授,工学博士.E -mail:ytc6803@yahoo 1com 1cnAn ana lyti c m ethod for rock bolt ’s non 2destructi vetesti n g si gna ls by pha se deducted m ethodY ANG Tian 2chun 1,WU Yan 2qing 2,X I A Dai 2lin 3(11College of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,X iangtan 411201,China;21Chongqing Research Institute,China Coal Re 2search Institute,Chongqing 400037,China;31W uhan Conourish Engineering Exploration Technology Develop m ent Co 1L td .,W uhan 430079,China )Abstract:I ntr oduced the phase deducted method int o signals analysis of r ock bolt ’s non 2destructive testing .A t first,Fourier transfor m and digital filter were e mp l oyed t o a collecti on signal,and the central frequency of the sig 2nal was regarded as an initial value in the f or mula of phase deducted method .U sed the rule of phase caculati on re 2sults with ti m e,esti m ated the reflecting signals at the bott om or defects of r ock bolts fr om phases ’aberrati on .Ac 2cording t o the p r ocessing results of p ractical data,there are aberrati on phenomena at the bott om or defects of r ock bolts f or the phase curve .Deter m ined positi ons of reflecting signals,and calculated an r ock bolt ’s length and gr ou 2ting p lumpness .A t the sa me ti m e,the defect positi on could be deter m ined .The study results indicate that the sig 2nals fr om the bott om or defects of r ock bolts can be identified rap idly,and then the constructi on quality can be judged .The phase deducted method can i m p r ove inversi on reliability in non 2destructive testing of stress wave,and it can be popularized in the r ock bolt testing in the future .Key words:phase deducted method;r ock bolt;non 2destructive testing;instantaneous frequency measure ment;stress wave 近年来,我国在隧道支护、矿业采掘支护、公路铁路隧道和高边坡等工程中大量应用锚杆锚固技术,煤 炭 学 报2009年第34卷对锚杆质量的无损检测也因此成为工程技术人员十分关注的热点问题之一[1-4].检测工作是确保锚固工程质量与安全的重要环节,目前被广泛应用于锚杆质量检测的方法有拉拔试验法和应力波反射法.在应力波反射法的应用中,一般对采集到的数据进行时域分析、频谱分析和能量衰减分析来快速评价锚杆的锚固质量,对锚杆注浆饱满度的评价主要是根据锚杆底端反射信号的振幅大小来进行判断的.尽管小波分析的方法在锚杆检测的分析中取得了一定的效果[5],但在过去的实践中,大多采用人工判读的方法来确定锚杆底端反射信号或缺陷反射信号的位置[2],人工的方法比较粗糙,一旦对底端反射信号的识别出现错误的判断,则注浆饱满度的计算和锚杆长度的反演结果就会出现较大的误差.瞬时测频最初是应用于电子对抗侦察接收机的一种测频体制,它能够对具有单一载频的信号进行快速测频,目前主要应用于军事领域[6-7].瞬时测频可以有若干机理不同的方法,但总体上可将它们分成两大类.第1类是将信号的频率信息转换成幅度信息,然后通过对幅度信息的测量获得频率信息;按器件原理的差异又可将其分成:多信道法、鉴频法、干涉仪比相法、驻波鉴相法等.第2类是将信号通过采样变成数字信息,然后通过对数字的运算获得频率信息;主要有计数法测频、傅里叶变换法测频、频率推算法测频、相位推算法测频、数字鉴相法测频、驻波推算法测频、波形推算法测频等.当应力波遇到锚杆底端或锚固缺陷时,原有的振动会发生变化,表现为在锚杆底端或缺陷处产生相位突变,因此通过分析反射波的相位变化位置可判断锚杆长度或锚固缺陷的位置[2,5].本文基于时域分析,提出利用相位推算法测频技术中相位计算方法,根据相位变化的畸变规律来判断锚杆底端或缺陷处的反射信号,并研究此方法在锚杆质量无损检测中的应用效果.1 检测原理111 砂浆锚杆砂浆饱满度检测的Thurner 在锚杆杆体外端发射一个超声波脉冲,它沿杆体钢筋以管道波形式传播,到达钢筋底端后反射,在杆体外端可接收此反射波.如果钢筋外密实、饱满地由水泥砂浆握裹,砂浆又与周围岩体黏结,则超声波在传播过程中,不断从钢筋通过水泥砂浆向岩体扩散,能量损失很大,在杆体外端测得的反射波振幅很小,甚至测不到;如果无砂浆握裹,仅是一根空杆,则超声波仅在钢筋中传播,能量损失不大,接收到的反射波振幅则较大;如果握裹砂浆不密实,中间有空洞或缺失,则得到的反射波振幅的大小介于前二者之间.由此,可以根据反射波振幅大小判定水泥砂浆的饱满程度[2].由上述的Thurner 方法原理可知,对钢筋底端反射信号的正确识别是确定水泥砂浆饱满程度的关键所在.112 相位推算法测频原理假设锚杆检测中测试到的信号S 可用如下周期函数序列S i 来表示,即S i =A sin (ωT i +φ) (i =0,1,2,……),(1)式中,A 为振幅;ω为圆频率;T 为采样周期;φ为瞬时相位.对于式(1)表示的信号,若观察其中的连续m 个采样点,则这段信号中间点相对应的相位为φi =φ+ωT i +m -12.(2) 经过对式(1),(2)的相关推导[8],可得到相位推算法测频技术求取信号相位的基本公式为φi =arctan∑m -1k =0cos [ωT (k -(m -1)/2)]S i+k ∑m -1k =0sin [ωT (k -(m -1)/2)]S i+k ×1-sin (m ωT )m sin (ωT )1+sin (m ωT )m sin (ωT ) (k =0,1,…,m -1).(3) 根据式(3)求得信号的相位后,就可以根据式(2)用回归拟合再次用最小二乘原则求取信号的频率f .不难推出其相应的计算公式为036第5期杨天春等:基于相位推算法的锚杆施工质量无损检测分析方法f =12∑n i =1φi 2πi -n +121n (n 2-1)f c ,(4)式中,φi 为绝对相位值;n 为使用的相位点数;f c 为采样频率.式(3)中φi 的范围为[-π/2,π/2],而式(4)中的相位φi 是相位的绝对值,所以式(3)中的相位φi 是式(4)中的绝对相位对于2π的尾数.由式(3)和式(4)可知,计算过程中要想得到信号的实际相位和频率必须要有初始频率.当初始频率存在误差时,对相位的估算会出现错误.但是,这样的相位误差是周期性的,且每一个整周期的均值接近为零,使误差的大部分得以抵消.因此,初始频率选择的误差不会对测频精度产生严重影响.在实际应用中,常使用频率范围的中间值作为频率初始值.式(3)中m 值的确定主要根据实际信号的信噪比来选择.通过误差分析后可知:m =2时,信噪比约为18dB;m =3时,信噪比约为1415dB;m =4时,信噪比约为12d B.由此可见,增加m 的主要作用是适应低信噪比的情况.因此,如果实际应用的条件为信噪比较高时,将完全没有必要增加m .考虑到相位推算法有特别好的瞬时性,实际上,作为推算中间过程的相位是时间的函数,对于那些载频在一个脉冲内随时间相对缓慢变化的信号,将完全可能计算出载频变化的规律.由于篇幅所限,上述公式的具体推导过程参见文献[8].2 实践应用由前面相位推算法测频的原理可知,推算过程中的相位是时间的函数,当接收信号中无反射信号时,其相位应该具有周期性变化的规律,当接收波形中含有反射信号或其它干扰噪声时,其相位曲线就会发生畸变.所以,在对锚杆的检测信号进行分析时,主要是利用相位推算法测频原理中的式(3)进行计算.本文计算时,式(3)中m =4,检测设备采用武汉长盛工程检测技术开发有限公司研制的JL -MG (B )锚杆质量检测仪.211 自由状态锚杆上的测试结果在以往的研究中,已有学者采用H ilbert 变换、小波变换和非线性频谱分析等方法计算地震信号的瞬时参数(如瞬时频率等)[9].在此为说明相位推算法测频在锚杆应力波无损检测数据分析中的有效性,笔者首先在自由状态的锚杆上进行试验分析,然后再对工程上的实测数据进行应用研究.图1(a )为自由状态锚杆上的超声波检测原始记录结果,采样的时间间隔Δt =4μs,纵轴为实测信号的振幅S (t )大小,锚杆长度为5m.对原始记录信号进行频谱分析,可知该信号的主频为2685Hz,同时根据信号的频谱变化规律,选择滤波范围为732～4150Hz 的带通滤波器对原始信号进行滤波,即可得滤波后的波形记录.最后,利用式(3)计算滤波之后信号的相位,计算过程中,式(3)中的初始频率取采集信号的主频2685Hz,即可得图1(c )相位变化曲线.由图1(c )的相位分析结果可清楚的看到,相位曲线发生畸变的位置正好对应锚杆信号起跳和锚杆底端反射信号的位置,由此也可推算出超声波在自由状态锚杆内的传播速度为5165m /s .图1 自由状态锚杆检测记录及分析结果Fig 11 Signal and its analyzing results on a freedom state r ock bolt212 现场测试以湖南省永州市上城国际新世纪财富广场的全长砂浆锚杆的实测结果为例,对其进行数据处理分析,136煤 炭 学 报2009年第34卷该工地锚杆的设计长度为3～5m 不等.图2(a )为613号锚杆上的实测时域波形曲线,采样的时间间隔Δt =4μs,该锚杆的设计长度为410m.首先,对原始检测波形进行傅氏变换,可获得采集记录的主频f =3662Hz;再对原始波形记录进行滤波,数字滤波器为一个带通范围为“2500～6000Hz ”的带通滤波器,数字滤波后的结果如图2(b )所示,由图可见,噪声干扰经过带通滤波之后被大大地消除.最后,采用式(3)计算滤波之后信号的相位.对信号的相位分析结果如图2(c )所示,由图中可清楚地分辨出信号的起跳和锚杆底端反射信号的位置,因为在这些地方相位曲线会发生畸变,所以,信号的起跳位置为304μs,锚杆底端的反射信号位于1928μs,根据现场实测估计,砂浆内锚杆中应力波的波速取4900m /s,则判断该锚杆长度约为31979m ,由反射信号振幅的衰减大小判断该锚杆的灌浆饱满度为90%.图2 锚杆的检测记录及分析结果Fig 12 Signal and its analyzing results on anchorage bar图2(d )为F10锚杆的实测波形曲线,该锚杆的设计长度为315m ,信号的采样间隔Δt =3μs .对该实测波形的分析过程与前面的相同,对相位进行分析计算时初始频率取4231Hz,信号的相位分析计算结果如图2(e )所示.由图2(d ),(e )的分析结果可知,检测信号的相位曲线比较有规律地进行变化,除信号的起跳处外,相位曲线未出现畸变,识别不出锚杆底端的反射信号,说明该锚杆被砂浆握裹紧密,灌浆质量很好.图2(f )为134号锚杆的实测波形曲线,该锚杆的设计长度为310m ,信号的采样间隔Δt =3μs .由原始检测波形来看,检测夹杂有干扰,曲线形态复杂,很难直接从原始检测信号判断锚杆底端的反射信号位置.图2(g )是经过带通滤波后的波形记录,噪声干扰得到了大大的压制.图2(h )是对滤波波形进行相位分析后的结果,从处理结果来看,信号起跳和锚杆底端的反射信号位置清晰,由此反演出该锚杆长度约为31038m ,满足设计要求,灌浆饱满度为80%,局部欠密实;但同时在信号起跳与底端反射之间还存在一处相位曲线发生明显畸变的位置,由此判断在锚杆长约2133m 处灌浆不密实,由此产生了明显的反射信号.236336第5期杨天春等:基于相位推算法的锚杆施工质量无损检测分析方法3 结 语提出了利用相位推算法测频技术中相位计算公式计算锚杆应力波无损检测信号的瞬时相位的方法,并提出利用相位计算结果判断锚杆底端反射信号和识别缺陷反射信号.实践应用显示了方法的合理性,对于那些无法从测试结果直接判读反射波信息的测试数据而言,本文的研究成果显示出独特的魅力.利用相位推算法分析锚杆测试信号,提高了对信号的识别精度,使反演结果更加科学可靠.参考文献:[1] 李 义,王 成.应力反射波法检测锚杆锚固质量的实验研究[J].煤炭学报,2000,25(2):160-164.L i Yi,W ang Cheng.Experi m ent study on bolt bonding integrity with stress reflected wave method[J].Journal of China Coal S ociety,2000,25(2):160-164.[2] 黄华林,朱自强,杨天春,等.隧道锚杆锚固质量无损检测技术[J].物探与化探,2005,29(6):551-553.Huang Hualin,Zhu Ziqiang,Yang Tianchun,et al.A discussi on on the nondestructive detecti on technique for qualities of r oof bolts and anchors in tunnels[J].Geophysical&Geoche m ical Exp l orati on,2005,29(6):551-553.[3] 刘海峰,杨维武,李 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