高東源， 仵麗虹

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000; 2.國網(wǎng)南陽供電公司， 河南 南陽 473008)

錨桿(索)錨固指在地質(zhì)體(巖土體)深處設(shè)置一系列受拉桿件(筋體)，并且用灌漿材料將桿件與地層緊密固結(jié)在一起，同時這些桿件也將地質(zhì)體與結(jié)構(gòu)物連接起來，用來加固巖土體的不穩(wěn)定部分或?qū)⒔Y(jié)構(gòu)物的拉應(yīng)力傳遞給穩(wěn)定的巖土體，以保持巖土體與結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定，或者使穩(wěn)定地質(zhì)體的自身加固，承載力提高。巖土工程錨固技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于邊坡治理、基坑支護以及隧道工程、抗浮工程、糾偏工程、結(jié)構(gòu)抗傾覆工程等。它具有施工方便、適應(yīng)性強、可靠性高、成本低等優(yōu)點。錨固工程的錨固質(zhì)量非常重要。錨固工程具有高復(fù)雜性和隱蔽性，施工質(zhì)量和地質(zhì)因素等對錨固質(zhì)量會造成嚴重的影響。本文從錨固工程質(zhì)量的4項檢測內(nèi)容入手對目前應(yīng)用較多的錨桿(索)錨固質(zhì)量檢測技術(shù)進行綜述，指出各種無損檢測技術(shù)在數(shù)據(jù)處理方面存在的問題，以及今后錨桿(索)錨固質(zhì)量檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 錨固質(zhì)量檢測技術(shù)的無損檢測方法

錨固工程質(zhì)量的4項檢測內(nèi)容包括錨桿(索)長度、錨固力、錨固體密實度和腐蝕程度檢測。

錨桿(索)長度檢測方法主要有應(yīng)力波反射法、自感應(yīng)法、天線法、磁致伸縮導(dǎo)波檢測法、電勢差檢測法、電駐波檢測法。

錨桿(索)錨固力檢測方法主要有等效質(zhì)量法(間接法)、應(yīng)力波反射法、振弦式鋼筋計法、光纖光柵傳感器法、光纖光柵端頭式測力計法、壓力傳感器法、振動頻率法。

錨桿(索)錨固體的密實度檢測方法主要有應(yīng)力波反射法、電磁波檢測法(如電磁雷達)、放射線(X光、伽馬射線、紅外診斷、銥192等)法。

錨桿(索)腐蝕程度檢測方法主要有電磁導(dǎo)波檢測法。

1.1 應(yīng)力波反射法

聲波、超聲波、超聲導(dǎo)波等均屬于應(yīng)力波。應(yīng)力波反射法錨桿(索)檢測技術(shù)基本上都遵循“小應(yīng)變動力測樁技術(shù)[1-3]”理論。其基本原理是基于一維桿件的波動理論[4],錨桿的長細比較大即桿件長度遠大于桿件直徑，并且由激振力產(chǎn)生的縱波的波長遠大于錨桿直徑，從而可忽略橫向的振動位移，錨桿(索)端部受到的激發(fā)應(yīng)力波可以利用錨桿(索)中傳播的一維彈性波波動方程來表示，利用縱向一維波動方程的解獲得錨桿(索)系統(tǒng)的動力響應(yīng)[5-7]。

應(yīng)力波無損檢測技術(shù)主要受激振頻率、傳感器耦合方式、桿頭平整度、捶擊方式、錨桿外露長度、外延端有無彎頭等因素的影響。影響其相關(guān)計算的因素則有桿系、桿體波速等。其他影響因素還有工作荷載、齡期、圍巖、地應(yīng)力、巷道開挖、巖體節(jié)理等。

應(yīng)力波檢測法的主要缺點包括：①基于波的傳播能量的檢測往往有能量衰減快的缺陷；②基于反射波相位、頻率的檢測，干擾信號較多而影響監(jiān)測結(jié)果；③應(yīng)力波無損檢測的結(jié)果受某些因素的影響較大；④應(yīng)力波檢測總要依靠經(jīng)驗判定，人為因素會造成檢測結(jié)果的偏差；⑤錨桿(索)錨固體系屬于三維問題，而目前的研究主要集中在一維細長桿件的完全錨固錨桿上；⑥錨桿與鋼支撐焊接在一起時，應(yīng)力波在焊接的錨桿中傳播規(guī)律不定而造成檢測結(jié)果的不確定；⑦錨桿(索)錨固質(zhì)量動力測試信號的識別存在盲區(qū)。

1.2 電磁法

電磁法主要包括穿地雷達法、天線法、磁通量傳感器測量法、自感應(yīng)法、基于磁致伸縮效應(yīng)的導(dǎo)波檢測法、電勢差檢測法、電駐波檢測法等。

(1)穿地雷達法。穿地雷達法能夠成功用于混凝土中鋼筋分布的探測，同時可以很好地判斷鋼筋的錨固質(zhì)量[8]，但其主要缺陷為檢測深度遠達不到錨桿(索)錨固的深度。

(2)天線法。張法全等介紹了天線法，即添加一根金屬參考線，把錨桿看作一個天線，成功地利用波長與天線長度的關(guān)系以及波長與諧振頻率的關(guān)系得到了錨桿的長度[9]。但該方法只適合檢測錨桿(索)長度，而不適用于檢測錨固質(zhì)量其他項目。

(3)磁通量傳感器測量法。它屬于無損、非接觸式檢測方法。具體來說，將錨桿(索)視為鐵磁性材料，鐵磁性材料具有磁彈性效應(yīng)，受到外力作用后其磁導(dǎo)率會發(fā)生改變，對磁導(dǎo)率的變化進行換算，可得到鐵磁性材料的工作載荷[10-11]。正因為是非接觸式的檢測手段，所以能夠很好地規(guī)避接觸式檢測的弊端。

(4)自感應(yīng)法。由于錨桿的長度影響自感應(yīng)系數(shù)的大小[12]，因此可采用一個線圈套在錨桿外端頭，以錨桿作為線圈的芯，測量系統(tǒng)的自感應(yīng)系數(shù)。但該方法僅適用于測量錨桿(索)長度，并不適用于測量錨固質(zhì)量其他項目。

(5)基于磁致伸縮效應(yīng)的導(dǎo)波檢測法。鐵磁體在外磁場中被磁化時，其外形尺寸會發(fā)生微變形，產(chǎn)生磁致伸縮應(yīng)變，從而在鐵磁體內(nèi)激發(fā)應(yīng)力波，即彈性導(dǎo)波。在導(dǎo)波傳播過程中，鐵磁體內(nèi)各部分均會發(fā)生微變形，磁導(dǎo)率相應(yīng)發(fā)生改變，波的傳播特性也發(fā)生相應(yīng)變化，進而導(dǎo)致鐵磁體內(nèi)磁感應(yīng)強度產(chǎn)生波動[13-16]。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，變化的電磁感應(yīng)強度必定引起接收傳感器中電壓的變化。通過測量電壓信號——導(dǎo)波的反射情況，可檢測出鐵磁體構(gòu)件中是否存在腐蝕、裂紋和破損等缺陷。應(yīng)用磁致伸縮導(dǎo)波對錨桿進行檢測，可以實現(xiàn)單端激勵，導(dǎo)波傳播距離遠，且不需對錨桿端面進行任何處理，檢測范圍大，易于實現(xiàn)對錨桿(索)的在線檢測。

(6)電勢差檢測。有關(guān)學(xué)者提出一種錨桿長度的電勢差無損檢測方法，利用金屬錨桿通電產(chǎn)生直流電場，用非接觸方式測出錨桿附近電勢差值隨軸向深度(位置)的變化情況，從而測量錨桿長度[17]。該方法可應(yīng)用于錨固工程中高精度的錨桿(索)長度檢測，但是它只適用于針對錨桿(索)長度的檢測，并不適用于錨固質(zhì)量其他項目的檢測。

(7)電駐波檢測。徐釗等根據(jù)傳輸線理論，將天線等效于傳輸線上，通過鏡像原理生成對稱子天線，掃描不同頻率的信號，捕捉到信號波長與錨桿長度恰好是4倍關(guān)系的特殊信號，從而測量出錨桿的長度[18]。該方法測量錨桿(索)的長度可達10 m以上，但不適合對錨桿(索)錨固質(zhì)量其他項目的檢測。

1.3 光纖法

光纖法是基于光纖傳感器、光纖測力計的測量原理來檢測錨固力的測量方法。傳統(tǒng)的電類傳感器與測力計都需要預(yù)先埋置，不易操作，且傳感器、測力計易受環(huán)境干擾。現(xiàn)有光纖式傳感器、測力計優(yōu)勢較為明顯，如質(zhì)量輕、抗腐蝕、抗電磁干擾、精度高、可遠端控制等。目前較常用的光纖法主要有光纖光柵傳感器智能錨索測量法[19]、光纖光柵端頭式測力計法[20]等。

(1)光纖光柵傳感器智能錨索測量法是用特殊材質(zhì)的筋體替換鋼絞線中部的一根鋼絲，并根據(jù)等變形原理實現(xiàn)錨索索力的測量。這種智能錨索安裝復(fù)雜，成本較高，且不利于回收利用。

(2)光纖光柵端頭式測力計是通過內(nèi)置光纖光柵傳感器與溫度傳感器實現(xiàn)的錨桿(索)端頭式測力裝置。該裝置可用于總荷載、不均勻荷載以及偏心荷載的測量，并可實現(xiàn)對遠端信號的傳輸控制。

1.4 幾種有待研究的方法

振弦式鋼筋計檢測法和壓力傳感器法等也屬于傳統(tǒng)的測力計檢測方法。雖然它們都不能檢測整個錨固質(zhì)量，但在錨桿(索)的錨固力檢測方面具有一定優(yōu)勢。為了擴大這些方法的適用范圍，需要開展相應(yīng)的研究。

(1)振弦式鋼筋計法需要在錨桿(索)上進行焊接加工，根據(jù)鋼筋與鋼筋計的同步變形情況，利用電磁線圈測得鋼筋計的振動頻率，通過信號轉(zhuǎn)換裝置得到鋼筋應(yīng)力[21]。該方法的缺陷是對焊接加工要求較高，且焊接過程可能對錨桿(索)造成損傷。

(2)壓力傳感器法是將壓力傳感器安裝于錨具與錨孔墊板中間，壓力傳感器在張力作用下受壓而變形，對其變形量轉(zhuǎn)換分析而測得錨固力的方法。該方法的主要缺點在于測量精度會受零點漂移的影響，且傳感器標(biāo)定和制造難度較大，成本較高，維修更換困難。

(3)等效質(zhì)量法是對錨固件激發(fā)超聲波并測得錨固件中的應(yīng)力值，從而推算出錨桿(索)工作應(yīng)力的檢測方法[22]。該方法完整的理論尚無法獲知，還有待研究。

(4)振動頻率法主要用于測試螺栓張力。使用該方法的關(guān)鍵在于建立螺栓縱向振動頻率與螺栓系統(tǒng)張力的關(guān)系[23-24]。目前對普通螺栓的試驗和理論研究雖已取得一定成果，但錨桿(索)的應(yīng)用研究仍需深入，因為其螺栓檢測的理論依據(jù)不夠充分，且檢測的成本較高，無法應(yīng)用于常規(guī)錨桿(索)張力的檢測。

2 基于波反射法的數(shù)據(jù)處理

2.1 能量法

目前，對錨桿(索)無損檢測數(shù)據(jù)進行處理的最常見方法是能量對比法。該方法有兩種思路[25-29]：一是通過聲波在錨桿(索)中傳播時能量逐步衰減的系數(shù)幅值來評價錨固質(zhì)量；二是以檢測獲得的曲線作為相應(yīng)指標(biāo)，與標(biāo)準(zhǔn)曲線(以標(biāo)準(zhǔn)錨桿檢測曲線作為基準(zhǔn))比較，將比較差值作為評定依據(jù)。該方法的缺點在于能量的分布和衰減受噪聲的影響較大，因此并不能通過它準(zhǔn)確判定缺陷的位置。

2.2 時頻法

時頻法通常包括時域分析法、頻域分析法、時頻分析法和小波變換法等。

(1)時域分析法是通過所測波形的時域傳播特性評價錨桿(索)錨固質(zhì)量的方法，其評判依據(jù)是聲波阻抗差異位置時域幅值的反饋信息(時域信號)[30]。該方法直觀簡便，但時域信號的抗擾動能力較差，精度不高。

(2)頻域分析法以Fourier變換為基礎(chǔ)濾波理論，采用定性與半定量分析技術(shù)，以頻率的幅度和相位作為評價手段[31-32]，對檢測數(shù)據(jù)進行分析處理。該方法原理清晰，抗干擾能力比時域分析法強，但計算速度較慢，分析非穩(wěn)態(tài)信號時精度不高，且易受地域條件的影響，對工作人員經(jīng)驗的依賴性較強。

(3)時頻分析法是通過快速Fourier變換進行數(shù)據(jù)處理的方法。其計算簡便，收斂快，能夠精確地識別頻域信號的瞬時振幅、瞬時相位和瞬時頻率，但也存在一些固有缺陷[33]。

(4)小波變換法可以自主改變頻率和時間的分辨率，抗干擾能力強，具有能量集中特性，適用于有較多檢測數(shù)據(jù)的情況，能夠更精細地描述錨桿(索)的缺陷位置。但是，用該方法檢測時需選擇合適的小波函數(shù)。該方法的穩(wěn)定性有待提高，計算方法仍需優(yōu)化[34-36]。

2.3 數(shù)理分析法

梁騰飛等根據(jù)分形理論，通過建立盒維數(shù)-荷載關(guān)系來判斷錨桿的錨固質(zhì)量與工作荷載[37]。該方法直觀簡便，充分考慮了幅值與振動波時間的雙尺度效應(yīng)。韓志軍等通過變尺度隨機共振，利用噪聲能量增強微弱信號，從而提高輸出信噪比，方便了對有效信號的處理與分析[38]。張雷等基于應(yīng)力波法，用反射信號的多尺度熵值曲線的偏離程度來反映錨固質(zhì)量，實現(xiàn)對微小差別信號的識別，有效地降低了噪聲對錨桿(索)錨固質(zhì)量檢測的影響[39]。如果不要求精確判斷錨桿(索)的錨固質(zhì)量，那么可以通過S變換進行時頻分析，得到時頻譜與錨固質(zhì)量的關(guān)系，進而達到快速、定性判斷錨固質(zhì)量的目的[40]?；谧V峭度理論，通過峭度濾波器對信號進行信噪比最大化過濾輸出，可以精確測量錨桿(索)長度[41]。

繼許明等[42]研究之后，薛新華等[43]也使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了錨桿極限承載力的預(yù)測模型。與前者不同，薛新華等引入遺傳算法建立的是錨桿極限承載力預(yù)測的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量的已知錨桿(索)極限承載力、錨桿(索)參數(shù)等數(shù)據(jù)，在實際工程中推廣應(yīng)用存在一定的局限性。

3 錨固質(zhì)量檢測技術(shù)的展望

錨桿(索)在工程實踐中的廣泛應(yīng)用極大地鞏固了各種加固支護、防護工程的地位，各種檢測技術(shù)的應(yīng)用能夠顯著提高工程的安全性，減少安全事故的發(fā)生。但是檢測技術(shù)的單一應(yīng)用總顯得單薄，各種檢測技術(shù)既有各自優(yōu)勢亦有其局限性，都不成熟。對于錨桿(索)檢測理論的研究必須深入，以便更清楚地掌握一些相關(guān)規(guī)律。

3.1 影響因素權(quán)重平衡

對于不同錨固環(huán)境，如土層、巖層、存在地應(yīng)力和工作荷載等情況，選擇檢測理論時既要區(qū)分對待，還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場的施工情況開展室內(nèi)模擬試驗和實地試驗，對更多未知影響因素進行研究。檢測時不能只考慮單一因素，對于多種因素可以進行效應(yīng)疊加研究，對于檢測中用到的相關(guān)系數(shù)也應(yīng)進行適當(dāng)?shù)臋?quán)重平衡。

3.2 組合測試技術(shù)

對于錨桿(索)應(yīng)力波檢測激發(fā)裝置、接收裝置等的研究，組合測試技術(shù)是發(fā)展的方向，計算機仿真和數(shù)值模擬會在很大程度上起作用。因此，可以組合使用正反驗算、數(shù)值模擬與檢測技術(shù)，也可把計算機仿真與室內(nèi)模擬試驗、實地試驗結(jié)合起來，深入開展相關(guān)的理論和應(yīng)用研究。

3.3 多軟件處理系統(tǒng)

錨桿(索)的錨固質(zhì)量檢測理論尚未成熟，而大數(shù)據(jù)、智能系統(tǒng)等發(fā)展迅速。因此，可結(jié)合工程應(yīng)用建立關(guān)鍵檢測指標(biāo)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)信息庫，用多款數(shù)據(jù)處理軟件組合處理檢測數(shù)據(jù)，如用小波-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合處理系統(tǒng)進行智能評價，以實現(xiàn)更接近工程實際的組合質(zhì)量檢測。

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