桥梁锚杆边坡防护杆体灌浆质量快速检测研究

摘 要：在高速公路桥梁建设过程中，由于锚杆无损检测技术具有检测效率高、破坏性小等优点，因此广泛应用于稳定桥梁外侧边坡、保障运营安全等方面。本文以某桥梁工程边坡防护锚杆无损检测为基础，设计了锚杆无损检测试验，当锚杆注浆质量良好时，FFT频谱计算结果呈现单峰状态，主频大致分布在3800～4400 Hz，此时能量谱结算结果显示，现场能量较为集中，在工程应用中，单根锚杆无损检测时间减少了50%，提高了检测效率，取得了良好的应用效果，为类似锚杆无损检测工程提供了借鉴。

关键词：桥梁边坡；应力波；锚杆无损检测；灌浆质量

中图分类号：U 44" 文献标志码：A

在高速公路桥梁的建设过程中，锚杆边坡防护已大量应用在稳定桥梁外侧边坡、加强不良岩体控制、保障运营安全等方面[1]，锚杆无损检测技术具有检测效率高、破坏性小等优点。使用拉拔试验检测锚杆灌浆质量的方法起步最早，但破坏性较大，因此仅能用于抽验检测，使用范围较窄[2-3]。锚杆无损检测被大量运用于桥梁边坡锚杆检测中。这种无损检测方法是根据应力波在弹性杆体中经由缺陷部位发生反射原理，对锚杆施加外部冲击激励后，分析反射的波形信号特征，从而能够获取锚杆的灌浆质量[4]。本文根据工程实际需求设计了锚杆无损检测试验，通过分析弹性波反射振动信号的频谱规律，确定了灌浆状态较好的锚杆的频谱区域，并成功应用于实际工程中，有效减少了单根锚杆检测所需的时间，为类似工程检测提供了理论基础和参考。

1 锚杆无损检测原理

目前，国内工程实践中常用的锚杆无损检测设备的工作原理为利用敲击等方式对锚杆外露端部施加冲击力，在杆体内传播的过程中，当冲击产生的应力波遇到灌浆缺陷时，会出现反射的应力波，并被杆体端部的接收器接收，根据所接收的图像可以对锚杆的灌浆密实程度进行相应判断[2-4]，锚杆无损监测原理流程示意图如图1所示。

须在试验前校准使用的TS-ABC602 锚杆索无损检测仪。在锚杆周边灌浆饱满较好的情况下，应力波的衰减比较规律，所得的检测图像衰减比较规则。而当锚杆周边灌浆情况不理想时，所得的波形图像较差，会出现错峰、奇异点等情况。根据所获得的不同的检测波形特征可以较快地分析出锚杆缺陷种类和相应缺陷位置，并可以进行频谱分析，得到不同灌浆质量条件下相应的频谱特征和规律。

2 锚杆无损检测试验方案

以山东省某高速公路工程的现场试验为例，试验设备使用TS-ABC602锚杆索无损检测仪。每根锚杆进行一组试验，每组敲击6次，共进行80根锚杆的敲击试验。对检测结果进行分析和评估，判断锚杆样品是否存在缺陷或损坏，根据检测结果，评估锚杆的质量和性能。

试验注意事项：在无损检测前，确保锚杆样品处于稳定状态，避免因振动或其他因素引起误差。根据锚杆的尺寸和形状，选择合适的无损检测设备和探头。当进行无损检测时，注意保持探头与锚杆样品良好接触，避免漏检或误检。根据检测结果，及时采取必要的修复措施，以保证锚杆的可靠性。根据相关的技术规程与类似案例结论研究，本文锚杆的综合质量评价准则见表1[4-5]。

3 试验数据分析

3.1 检测信号FFT分析

快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）可以对振动信号的时域与频域进行转换，在进行FFT变换计算前，进行滤波降噪处理，去除应力波信号中的杂波成分，使用低通滤波器，选择7500Hz作为上限截止频率。对窗函数的选择来说，本研究先选择矩形窗作为处理窗函数。通过FFT计算结果结合锚杆灌浆质量情况，能够得到不同灌浆条件下的信号频域特征[6]。

在计算结果中，图2反映了杆体周边灌浆条件良好的FFT计算结果与反射波图像对比。可以发现，当杆体灌浆条件较好时，FFT分析结果信号能量呈较为集聚的状态，图像为独峰形状，信号主频集中在3800Hz～4400Hz。

在计算结果中，图3反映了杆体周边灌浆条件较差的FFT计算结果与反射波图像对比。可以发现，应力波在缺陷处会出现复杂的反射现场，会引起传感器接受的信号能量出现较复杂的频谱信号，此时FFT计算结果图像常出现多峰、紊杂现象，所得信号的能量离散程度较大。

3.2 检测信号S变换分析

FFT计算具有快速便捷等优点，但不能体现振动信号的时间与频率的关系。S变换利用加窗可变函数，可以计算振动信号的时间与频率的关系，以更好地分析信号较小时间尺度下的细节特点[6]。S变换是一种时频分析方法，它结合了短时窗傅立叶变换和小波变换的优点。这种方法克服了短时窗傅立叶变换不能调节分析窗口频率的问题，同时引入了小波变换的多分辨率分析，与傅立叶频谱保持直接的联系。

在信号处理中，S变换将信号分解成不同尺度的小波系数，提取出信号的局部特征。这种特性使S变换广泛应用于信号的降噪、压缩和分类等任务。

图4展示了一种在杆体周围灌浆条件较好的试验中，通过S变换计算得到的图像。从这个计算结果中可以观察到以下规律。由于受到的干扰激励较少，因此信号计算结果在频率谱方向上的能量离散程度较小。这意味着在特定条件下，信号的频率成分较为集中，没有出现过多的频率波动。具体来说，能量主要集中在0.65×104～0.97×104。此外，在时间轴方向上，可以看到在1.8 ms后，信号基本不再发生变化。说明在这个时间段后，杆体周围的灌浆条件已经达到了一个相对稳定的状态，导致信号变化趋于平稳。这种现象可能与灌浆过程中的材料特性、灌浆密实度等因素有关。

图5为杆体周围灌浆条件较差的S变换计算图像，从计算结果中可以发现，由于受到较多干扰激励，因此信号计算结果在两个方向上的能量离散程度比较大。说明在这个特定条件下，信号的频率成分较为分散，出现了较多的频率波动。具体来说，能量主要集中在0×104～2×104。而在1.1 ms后，出现的激励能量分布较少。

4 应用效果

根据不同灌浆条件下锚杆无损检测的波形图、FFT变化规律和S变换规律以及灌浆良好试验确定灌浆良好的频谱范围，可以快速确定现场锚杆灌浆质量的优劣。这些方法可以应用在后续的锚杆无损检测过程中。使用该方法能够帮助现场作业人员快速判断锚杆灌浆的优劣，并对相应的技术措施进行调整，从而保证锚杆灌浆的质量。在现场实际应用中，使用本文的方法后，每根锚杆无损检测所需的时间从原来的3min降至1.5min。这不仅提高了检测效率，还提高了检测判断的精准度。因此，应用这种方法在实际工程中取得了良好的效果，具有较好的推广前景。同时，这种方法为类似锚杆无损检测提供了理论支撑和借鉴经验。通过对比分析不同灌浆条件下的波形图、FFT变化规律和S变换规律，可以更好地理解锚杆灌浆过程中可能出现的问题，并为今后的锚杆无损检测工作提供参考。

5 结论

经过研究，得出以下结论。1）根据现场工况，本文设计了锚杆无损检测试验，对所得试验数据进行FFT频谱分析，当杆体灌浆条件较好时，FFT分析结果信号能量呈较为集聚的状态，呈现出独峰形状，所得主频主要集中在3800Hz～4400Hz。单峰两侧基本没有较大的信号聚集现象。当杆体灌浆条件较差时，计算结果图像常出现多峰、错峰现象，信号的能量分散较明显。2）对锚杆无损试验的数据进行S变换计算，当杆体周围灌浆条件较好时，由于受到的干扰激励较少，因此信号计算结果频率谱方向上能量离散程度较小，主要集中在0.65×104～0.97×104。在时间轴方向上，1.8ms后基本不在发生变化。当杆体灌浆条件较差时，计算结果在两个方向上离散程度比较大。频率谱方向上能量主要集中在0×104～2×104。在时间轴方向上，主要集中在0.8ms以内，1.1ms后能量分布较少。3）在锚杆无损检测现场应用过程中，实际工作环境中的每根锚杆无损检测所需时间由3min降至1.5min，较大程度地提高了检测效率和检测判断精度，具有良好的工程应用效果，为类似锚杆无损检测提供了理论支撑和借鉴经验。

参考文献

[1] 赵灿祥. 基于超声波技术的动车组线路连接器侵水量检测研究[D]. 北京：北京交通大学，2017.

[2] 余信江，李端有.基于Hilbert变换的锚杆无损检测数据相位分析方法[J].工程地球物理学报，2022，19（2）：239-244..

[3] 罗星星.无损检测技术在道路桥梁试验检测中的应用分析[J].工程建设与设计，2023（6）：207-209.

[4]徐金海，周保精，吴锐. 煤矿锚杆支护无损检测技术与应用[J]. 采矿与安全工程学报，2010，27（2）：166-170.

[5] 孙冰，曾晟，丁德馨，等. 混凝土锚杆的瞬态动力响应试验研究[J]. 采矿与安全工程学报，2010，27（2）：244-248.

[6] 赵德宽. 基于应力波反射原理的锚杆（索）无损检测试验研究[J]. 铁道建筑，2017，57（10）：105-108.