橋梁錨桿邊坡防護(hù)桿體灌漿質(zhì)量快速檢測(cè)研究

摘 要：在高速公路橋梁建設(shè)過(guò)程中，由于錨桿無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)效率高、破壞性小等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定橋梁外側(cè)邊坡、保障運(yùn)營(yíng)安全等方面。本文以某橋梁工程邊坡防護(hù)錨桿無(wú)損檢測(cè)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了錨桿無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)，當(dāng)錨桿注漿質(zhì)量良好時(shí)，F(xiàn)FT頻譜計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)單峰狀態(tài)，主頻大致分布在3800～4400 Hz，此時(shí)能量譜結(jié)算結(jié)果顯示，現(xiàn)場(chǎng)能量較為集中，在工程應(yīng)用中，單根錨桿無(wú)損檢測(cè)時(shí)間減少了50%，提高了檢測(cè)效率，取得了良好的應(yīng)用效果，為類(lèi)似錨桿無(wú)損檢測(cè)工程提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：橋梁邊坡；應(yīng)力波；錨桿無(wú)損檢測(cè)；灌漿質(zhì)量

中圖分類(lèi)號(hào)：U 44" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在高速公路橋梁的建設(shè)過(guò)程中，錨桿邊坡防護(hù)已大量應(yīng)用在穩(wěn)定橋梁外側(cè)邊坡、加強(qiáng)不良巖體控制、保障運(yùn)營(yíng)安全等方面[1]，錨桿無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)效率高、破壞性小等優(yōu)點(diǎn)。使用拉拔試驗(yàn)檢測(cè)錨桿灌漿質(zhì)量的方法起步最早，但破壞性較大，因此僅能用于抽驗(yàn)檢測(cè)，使用范圍較窄[2-3]。錨桿無(wú)損檢測(cè)被大量運(yùn)用于橋梁邊坡錨桿檢測(cè)中。這種無(wú)損檢測(cè)方法是根據(jù)應(yīng)力波在彈性桿體中經(jīng)由缺陷部位發(fā)生反射原理，對(duì)錨桿施加外部沖擊激勵(lì)后，分析反射的波形信號(hào)特征，從而能夠獲取錨桿的灌漿質(zhì)量[4]。本文根據(jù)工程實(shí)際需求設(shè)計(jì)了錨桿無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)分析彈性波反射振動(dòng)信號(hào)的頻譜規(guī)律，確定了灌漿狀態(tài)較好的錨桿的頻譜區(qū)域，并成功應(yīng)用于實(shí)際工程中，有效減少了單根錨桿檢測(cè)所需的時(shí)間，為類(lèi)似工程檢測(cè)提供了理論基礎(chǔ)和參考。

1 錨桿無(wú)損檢測(cè)原理

目前，國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐中常用的錨桿無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的工作原理為利用敲擊等方式對(duì)錨桿外露端部施加沖擊力，在桿體內(nèi)傳播的過(guò)程中，當(dāng)沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波遇到灌漿缺陷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)反射的應(yīng)力波，并被桿體端部的接收器接收，根據(jù)所接收的圖像可以對(duì)錨桿的灌漿密實(shí)程度進(jìn)行相應(yīng)判斷[2-4]，錨桿無(wú)損監(jiān)測(cè)原理流程示意圖如圖1所示。

須在試驗(yàn)前校準(zhǔn)使用的TS-ABC602 錨桿索無(wú)損檢測(cè)儀。在錨桿周邊灌漿飽滿(mǎn)較好的情況下，應(yīng)力波的衰減比較規(guī)律，所得的檢測(cè)圖像衰減比較規(guī)則。而當(dāng)錨桿周邊灌漿情況不理想時(shí)，所得的波形圖像較差，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)峰、奇異點(diǎn)等情況。根據(jù)所獲得的不同的檢測(cè)波形特征可以較快地分析出錨桿缺陷種類(lèi)和相應(yīng)缺陷位置，并可以進(jìn)行頻譜分析，得到不同灌漿質(zhì)量條件下相應(yīng)的頻譜特征和規(guī)律。

2 錨桿無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)方案

以山東省某高速公路工程的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為例，試驗(yàn)設(shè)備使用TS-ABC602錨桿索無(wú)損檢測(cè)儀。每根錨桿進(jìn)行一組試驗(yàn)，每組敲擊6次，共進(jìn)行80根錨桿的敲擊試驗(yàn)。對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估，判斷錨桿樣品是否存在缺陷或損壞，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，評(píng)估錨桿的質(zhì)量和性能。

試驗(yàn)注意事項(xiàng)：在無(wú)損檢測(cè)前，確保錨桿樣品處于穩(wěn)定狀態(tài)，避免因振動(dòng)或其他因素引起誤差。根據(jù)錨桿的尺寸和形狀，選擇合適的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備和探頭。當(dāng)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)，注意保持探頭與錨桿樣品良好接觸，避免漏檢或誤檢。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，及時(shí)采取必要的修復(fù)措施，以保證錨桿的可靠性。根據(jù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)程與類(lèi)似案例結(jié)論研究，本文錨桿的綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則見(jiàn)表1[4-5]。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 檢測(cè)信號(hào)FFT分析

快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）可以對(duì)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域與頻域進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在進(jìn)行FFT變換計(jì)算前，進(jìn)行濾波降噪處理，去除應(yīng)力波信號(hào)中的雜波成分，使用低通濾波器，選擇7500Hz作為上限截止頻率。對(duì)窗函數(shù)的選擇來(lái)說(shuō)，本研究先選擇矩形窗作為處理窗函數(shù)。通過(guò)FFT計(jì)算結(jié)果結(jié)合錨桿灌漿質(zhì)量情況，能夠得到不同灌漿條件下的信號(hào)頻域特征[6]。

在計(jì)算結(jié)果中，圖2反映了桿體周邊灌漿條件良好的FFT計(jì)算結(jié)果與反射波圖像對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)桿體灌漿條件較好時(shí)，F(xiàn)FT分析結(jié)果信號(hào)能量呈較為集聚的狀態(tài)，圖像為獨(dú)峰形狀，信號(hào)主頻集中在3800Hz～4400Hz。

在計(jì)算結(jié)果中，圖3反映了桿體周邊灌漿條件較差的FFT計(jì)算結(jié)果與反射波圖像對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)，應(yīng)力波在缺陷處會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的反射現(xiàn)場(chǎng)，會(huì)引起傳感器接受的信號(hào)能量出現(xiàn)較復(fù)雜的頻譜信號(hào)，此時(shí)FFT計(jì)算結(jié)果圖像常出現(xiàn)多峰、紊雜現(xiàn)象，所得信號(hào)的能量離散程度較大。

3.2 檢測(cè)信號(hào)S變換分析

FFT計(jì)算具有快速便捷等優(yōu)點(diǎn)，但不能體現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間與頻率的關(guān)系。S變換利用加窗可變函數(shù)，可以計(jì)算振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間與頻率的關(guān)系，以更好地分析信號(hào)較小時(shí)間尺度下的細(xì)節(jié)特點(diǎn)[6]。S變換是一種時(shí)頻分析方法，它結(jié)合了短時(shí)窗傅立葉變換和小波變換的優(yōu)點(diǎn)。這種方法克服了短時(shí)窗傅立葉變換不能調(diào)節(jié)分析窗口頻率的問(wèn)題，同時(shí)引入了小波變換的多分辨率分析，與傅立葉頻譜保持直接的聯(lián)系。

在信號(hào)處理中，S變換將信號(hào)分解成不同尺度的小波系數(shù)，提取出信號(hào)的局部特征。這種特性使S變換廣泛應(yīng)用于信號(hào)的降噪、壓縮和分類(lèi)等任務(wù)。

圖4展示了一種在桿體周?chē)酀{條件較好的試驗(yàn)中，通過(guò)S變換計(jì)算得到的圖像。從這個(gè)計(jì)算結(jié)果中可以觀察到以下規(guī)律。由于受到的干擾激勵(lì)較少，因此信號(hào)計(jì)算結(jié)果在頻率譜方向上的能量離散程度較小。這意味著在特定條件下，信號(hào)的頻率成分較為集中，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)多的頻率波動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)，能量主要集中在0.65×104～0.97×104。此外，在時(shí)間軸方向上，可以看到在1.8 ms后，信號(hào)基本不再發(fā)生變化。說(shuō)明在這個(gè)時(shí)間段后，桿體周?chē)墓酀{條件已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，導(dǎo)致信號(hào)變化趨于平穩(wěn)。這種現(xiàn)象可能與灌漿過(guò)程中的材料特性、灌漿密實(shí)度等因素有關(guān)。

圖5為桿體周?chē)酀{條件較差的S變換計(jì)算圖像，從計(jì)算結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，由于受到較多干擾激勵(lì)，因此信號(hào)計(jì)算結(jié)果在兩個(gè)方向上的能量離散程度比較大。說(shuō)明在這個(gè)特定條件下，信號(hào)的頻率成分較為分散，出現(xiàn)了較多的頻率波動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)，能量主要集中在0×104～2×104。而在1.1 ms后，出現(xiàn)的激勵(lì)能量分布較少。

4 應(yīng)用效果

根據(jù)不同灌漿條件下錨桿無(wú)損檢測(cè)的波形圖、FFT變化規(guī)律和S變換規(guī)律以及灌漿良好試驗(yàn)確定灌漿良好的頻譜范圍，可以快速確定現(xiàn)場(chǎng)錨桿灌漿質(zhì)量的優(yōu)劣。這些方法可以應(yīng)用在后續(xù)的錨桿無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中。使用該方法能夠幫助現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員快速判斷錨桿灌漿的優(yōu)劣，并對(duì)相應(yīng)的技術(shù)措施進(jìn)行調(diào)整，從而保證錨桿灌漿的質(zhì)量。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，使用本文的方法后，每根錨桿無(wú)損檢測(cè)所需的時(shí)間從原來(lái)的3min降至1.5min。這不僅提高了檢測(cè)效率，還提高了檢測(cè)判斷的精準(zhǔn)度。因此，應(yīng)用這種方法在實(shí)際工程中取得了良好的效果，具有較好的推廣前景。同時(shí)，這種方法為類(lèi)似錨桿無(wú)損檢測(cè)提供了理論支撐和借鑒經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比分析不同灌漿條件下的波形圖、FFT變化規(guī)律和S變換規(guī)律，可以更好地理解錨桿灌漿過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并為今后的錨桿無(wú)損檢測(cè)工作提供參考。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)研究，得出以下結(jié)論。1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，本文設(shè)計(jì)了錨桿無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT頻譜分析，當(dāng)桿體灌漿條件較好時(shí)，F(xiàn)FT分析結(jié)果信號(hào)能量呈較為集聚的狀態(tài)，呈現(xiàn)出獨(dú)峰形狀，所得主頻主要集中在3800Hz～4400Hz。單峰兩側(cè)基本沒(méi)有較大的信號(hào)聚集現(xiàn)象。當(dāng)桿體灌漿條件較差時(shí)，計(jì)算結(jié)果圖像常出現(xiàn)多峰、錯(cuò)峰現(xiàn)象，信號(hào)的能量分散較明顯。2）對(duì)錨桿無(wú)損試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行S變換計(jì)算，當(dāng)桿體周?chē)酀{條件較好時(shí)，由于受到的干擾激勵(lì)較少，因此信號(hào)計(jì)算結(jié)果頻率譜方向上能量離散程度較小，主要集中在0.65×104～0.97×104。在時(shí)間軸方向上，1.8ms后基本不在發(fā)生變化。當(dāng)桿體灌漿條件較差時(shí)，計(jì)算結(jié)果在兩個(gè)方向上離散程度比較大。頻率譜方向上能量主要集中在0×104～2×104。在時(shí)間軸方向上，主要集中在0.8ms以?xún)?nèi)，1.1ms后能量分布較少。3）在錨桿無(wú)損檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，實(shí)際工作環(huán)境中的每根錨桿無(wú)損檢測(cè)所需時(shí)間由3min降至1.5min，較大程度地提高了檢測(cè)效率和檢測(cè)判斷精度，具有良好的工程應(yīng)用效果，為類(lèi)似錨桿無(wú)損檢測(cè)提供了理論支撐和借鑒經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙燦祥. 基于超聲波技術(shù)的動(dòng)車(chē)組線路連接器侵水量檢測(cè)研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2017.

[2] 余信江，李端有.基于Hilbert變換的錨桿無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)相位分析方法[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2022，19（2）：239-244..

[3] 羅星星.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在道路橋梁試驗(yàn)檢測(cè)中的應(yīng)用分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2023（6）：207-209.

[4]徐金海，周保精，吳銳. 煤礦錨桿支護(hù)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27（2）：166-170.

[5] 孫冰，曾晟，丁德馨，等. 混凝土錨桿的瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27（2）：244-248.

[6] 趙德寬. 基于應(yīng)力波反射原理的錨桿（索）無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)研究[J]. 鐵道建筑，2017，57（10）：105-108.