CN110455923B - 一种锚杆锚固质量等级快速评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锚杆锚固质量等级快速评价方法，包括以下步骤：通过声波反射法获取反射波数据，通过对信号进行归一化，平滑，确定新零点，求取峰值和对x方向进行修正，去除最前面的低峰值，根据条件和阈值对其进行计算，从而实现了对锚杆锚固质量的定量分类。该方法整个判定过程都在时域内进行，只使用了插值、峰值判定、斜率计算等简单的运算，具有计算量小、计算效率高等特点，同时又符合规程的要求，判定结果准确、可靠，具有较好的应用效果。

Description

一种锚杆锚固质量等级快速评价方法

技术领域

本发明属于工程测量领域，尤其涉及使用声波反射法对锚杆进行无损检测的一种锚杆锚固质量等级快速评价方法。

背景技术

锚杆支护技术广泛应用于各种支护工程，其原理是通过将锚杆锚入围岩内部，从而改变围岩本身的力学状态，可提高其环向抗压强度，并有效地控制围岩变形，锚杆的锚固密实度是评价能否达到上述工程目的的重要指标。

在工程应用中，通常采用声波反射法来实现对锚杆质量的无损检测；声波反射法采用激振声波信号，使用加速度或速度传感器，根据波动理论，得到反射的声波信号，根据国家行业标准JGJ/T182-2009《锚杆锚固质量无损检测技术规程》的规定，判定锚杆的锚固密实度及等级，共有ABCD四个等级；在实际情况中，A级和B级确定为合格，C级和D级确定为不合格。

但是JGJ/T182-2009规程仅给出了锚杆锚固密实度和等级的定性判别标准，许多地方用词较为模糊，如“杆底反射信号微弱”、“有较弱的缺陷反射波”、“清晰的杆底反射波”，在实际应用中不容易掌握相应的尺度；同时标准要求同时识别时域信号特征和幅频信号特征，这在一定程度上增加了计算量。

为了便于计算机程序对锚杆的锚固质量等级进行定量识别，本发明提供一种锚杆锚固质量等级快速评价方法，仅对针对反射的时域信号进行处理，既能满足规程要求，同时还具有计算量小、简单、高效和准确等特点，具有较好的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用声波反射法对锚杆进行无损检测的一种锚杆锚固质量等级快速评价方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种锚杆锚固质量等级快速评价方法，包括以下步骤：

步骤1，使用声波反射法获取锚杆的杆底前反射信号；

根据杆长、杆系波速及频域分辨率等因素，预先确定接收的反射信号的长度和采样率；

一般采用采样次数固定的方式对接收信号进行采样，也可采用时间间隔固定的方式进行采样；

杆底前反射信号指不超过杆底反射时程的反射信号；按规程要求，在进行锚固质量检测时，时域信号记录长度宜为杆底反射时程的1.5倍，在进行其他类型测量时记录的时程可能更长；

在本方法中超过杆底反射时程的数据需要在测量后去除；这可以根据杆长和外露杆长预先确定，从而准确得到杆底前的全部反射信号。

步骤2，对反射信号进行归一化处理，包括y方向和x方向的归一化；

y方向的归一化是振幅归一化，即将反射信号的纵坐标归一化到设定的振幅区间，避免每次测量时因激振信号强度不同造成的反射信号强度不同，从而无法进行比较的情况；

振幅归一化具体方法是，先求出反射信号在y方向绝对值最大的振幅值，然后将所有的振幅值按该振幅值与设定的振幅区间最大值的比例，等比例缩放。

x方向的归一化是时间归一化，即将反射信号的时间横坐标归一化到新的时间间隔为单位；不论是采样次数固定的方式还是时间间隔固定的方式，均需要按归一化后新的时间间隔进行重采样；为便于处理，时间归一化后按新的时间间隔单位表示x值；后续还需要对该x值进行修正；

时间归一化可采用插值算法进行。

步骤3，对信号进行平滑，确定x方向的新零点；

对信号进行平滑可以采用移动平均平滑方法，也可以采用其他高次平滑算法；

受到外露杆体长度不同的影响，波形最前面部分长度可能不一致，为了数据处理的一致性，需要求取波形在x方向的新零点并去除新零点前的数据；

方法是从现有的零点开始，求取波形y方向绝对值的移动平均值；从现有零点开始，求取波形y方向绝对值的全部平均值，若移动平均值大于全部平均值的第一阈值时，确定为新零点；新零点前的数据全部清空；

也可以根据预先得到的外露长度，计算出新的零点的位置。

步骤4，求取y方向的峰值坐标以及x方向修正系数；

在反射信号的波形图中，正方向的峰值称为上峰值，在负方向的峰值称为下峰值；在后续计算中上下峰值分别计算，但下峰值取其绝对值参与计算；

考虑到现场测量时，激振信号的强度和持续时间的不同，会导致反射信号的主频率或周期不同，从信号的波形图上分辨，则表现在不同测量时，x方向的峰值间隔不同；为了便于后续计算和比较，需要将其统一到一个基准上进行计算；

取前3个上下峰值的间隔平均值作为本次测量的基准，计算该值与事先设定的第二系数的比值作为修正系数，然后将全部峰值数据的x坐标乘以该比值进行修正；因后续只有峰值坐标参与计算，因此也可以只对峰值数据进行修正处理。

步骤5，上下峰值预处理，去除第一个低峰值；

因为激振信号等原因，可能出现第一个上峰值或下峰值未达到该方向最大的情况，在后续峰值比较时该峰值不具备参考意义，需要去除；去除的含义是不参与后续峰值计数和处理；

具体的方法是，对上峰值或下峰值，若第1个峰值小于第2个峰值，其值的比例小于第三阈值，则去掉第1个峰值；

该处理只针对上下峰值处理一次，即先对上峰值进行检查，若出现该情况并去掉第1个低峰值后，不再对下峰值处理。

步骤6，根据下列条件及阈值进行计算，针对上下峰值单独计算；

条件1：前4个峰值是连续下降的；

条件2：前4个峰值并非连续下降，但第1个峰值和第2峰值连线的斜率绝对值，大于第1个峰值到第4个峰值的连线的斜率绝对值；

条件3：第1个峰值和第4峰值的连线的斜率绝对值大于第四阈值；

条件4：各峰值x坐标的间隔差值与间隔平均值的比例在第五阈值以内；

条件5: 前4个峰值x坐标的间隔差值与间隔平均值的比例在第六阈值以内；

条件6：第5个及后续峰值的平均值小于最高峰值与比例第七阈值的乘积；

条件7：第5个及后续峰值的平均值大于等于最高峰值与比例第七阈值的乘积但小于最高峰值与比例第八阈值的乘积；

条件8：第5个及后续峰值的平均值小于前3个峰值均值与比例第九阈值的乘积。

步骤7，对上下峰值，若满足条件1或2，且满足条件3，且满足条件4；且满足条件6，确定为A级；

按照规程规定，A级锚杆的时域信号波形规则，呈指数衰减，持续时间短；条件1的连续下降要求和条件3的下降幅度要求，就是为了满足这个要求设立的；条件2针对条件1作了微调，就是在某些时候，第2个峰值和第3个峰值会出现抖动，但是也应该归入A级锚杆；

按照规程规定，A级锚杆的幅频信号呈单峰状态，条件4就是为满足这个要求；因为直接计算频谱比较耗时，而比较时间间隔差一样可以达到检测单峰的要求；

按照规程规定，A级锚杆在2L/Cm前无缺陷反射波，条件6就是为了满足这个要求设立的。

步骤8，对不符合A级锚杆要求的，检查上下峰值，满足条件1或2以及条件5以及条件7；确定为B级；

根据规程要求，B级锚杆的峰值下降速度，略弱于A级，但基本满足连续下降的要求，这还是用条件1或条件2来控制；

按照规程规定，B级锚杆的幅频信号呈现单峰以及不对称双峰，因此就不符合条件4；此时不再能用时间间隔计算多峰情况，因此不再用条件4或其他时间间隔条件来要求；用条件5表明前面峰值的分布还是比较均匀的，因此用条件5来进行限定；

按照规程规定，B级锚杆在2L/Cm前有微弱的缺陷反射波，这通过条件7进行限定。

步骤9，对不符合B级锚杆要求的，检查条件8，满足则确定为C级，不满足则确定为D级；

按照规程规定，C级锚杆的波形欠规则，持续时间较长，2L/Cm时刻前可见明显的缺陷反射波或杆底反射波，幅频信号呈现不对称多峰，不满足前面的条件1到条件7说明了这些特征；

在规程中，C级锚杆和D级锚杆的区别较为模糊，如C级的波形是欠规则，而D级的波形不规则；即C级前面还有明显的波形，而D级没有，我们通过条件8来进行界定，即C级和D级的区别是C级的前面波形峰值平均值明显大于后面的峰值平均值。

本发明的有益效果是：上述定量判定规则，是根据实际应用中的经验总结而来，具有良好的可行性，可以满足实际情况中的定量评级要求，整个判定过程只有插值、峰值判定、斜率计算等简单的运算，具有计算量小、计算效率高等特点，同时又基本符合规程的要求，判定结果准确、可靠，具有较好的应用效果。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

为了更加清楚地展示本发明的目的和技术方案，下面将结合具体的实施过程和附图，对本发明的具体实施方式和参数进行更加详细的描述。

一种锚杆锚固质量等级快速评价方法，包含以下步骤：

步骤1，使用声波反射法获取锚杆的杆底前反射信号。

根据杆长、杆系波速及频域分辨率等因素，预先确定接收的反射信号的长度和采样率；本实施例对接收信号的采样，采用采样次数固定的方式进行。

按规程要求，在进行锚杆锚固质量时，时域信号记录长度宜为杆底反射时程的1.5倍，在进行其他类型测量时记录的时程可能更长；

在本方法中超过杆底反射时程的数据需要在测量后去除；这可以根据杆长和外露杆长预先确定，从而准确得到杆底前的全部反射信号。

如对杆长6m外露0.2m的情况，设波速4900m/s；杆底反射前的时长约为1.2653ms；全部采样点设置为1000，时间间隔0.004444ms，可以计算出杆底前反射信号约为284个采样点。

步骤2，对反射信号进行归一化处理，包括y方向和x方向的归一化。

先进行y方向即振幅归一化，如设定归一化区间为±1000，先求信号振幅绝对值最大值，再求1000与该值的比值，然后所有振幅乘以该比值，这样就将信号等比例归一化到±1000区间。

再进行x方向即时间归一化，即将反射信号的时间横坐标归一化到新的时间间隔为单位；将原来的以采样点个数为单位的横坐标，换算为对应的时间间隔，然后按新的时间间隔重采样；对前面的例子中时间间隔0.004444ms间隔的采样，可将其归一化到0.005ms的采样间隔；采样算法可以简单地采用插值算法；

时间归一化后x方向坐标以归一化后的坐标为单位，如以0.005ms为单位，这样x的值的范围就是新的采样点个数，如前面的例子中，0.004444ms的间隔对应的284个采样点，归一化到0.005ms的间隔对应253个采样点。

步骤3，对信号进行平滑，确定x方向的新零点。

对信号进行平滑可以采用移动平均平滑方法，也可以采用其他高次平滑算法。

由于外露杆体长度不同，为了数据处理的一致性，需要求取反射波在x方向的新零点并去除新零点前的数据；

方法是从现有的零点开始，求取波形y方向绝对值的移动平均值；从现有零点开始，求取波形y方向绝对值的全部平均值，若移动平均值大于全部平均值的第一阈值时，确定为新零点；新零点前的数据全部清空；如前面的例子，需要清空的是归一化后数据中前面部分约10个采样点。

第一阈值可设置为3。

也可以根据预先得到的外露长度，计算出新的零点的位置；

步骤4，求取y方向的峰值坐标以及x方向修正系数。

在y的正方向的峰值称为上峰值，在y的负方向的峰值称为下峰值；在后续计算中上下峰值分别计算，但下峰值取其绝对值参与计算。

考虑到现场测量时，激振信号的强度和持续时间的不同，会导致反射信号的主频率或周期不同，为了便于后续计算和比较，需要将其统一到一个基准上进行计算；

取前3个上下峰值的间隔平均值作为本次测量的基准，计算该值与事先设定的第一系数的比值作为修正系数，然后将全部峰值数据的x坐标乘以该比值进行修正；因后续只有峰值坐标参与计算，因此也可以只对峰值数据进行修正处理。

第二系数可以设定为20，即标准情况下峰值之间的间隔为20个时间间隔单位，以上面的归一化后的0.005ms为例，其时间间隔约为0.1~0.15ms；若某次测量峰值间隔为30，则需要将其波形压缩1/3；若某次测量峰值间隔为20，则不需要压缩或扩展。

步骤5，上下峰值预处理，去除第一个低峰值。

对上峰值或下峰值，若第1个峰值小于第2个峰值，其比例小于第二阈值，则去掉第1个峰值； 该处理只针对上下峰值处理一次，即先对上峰值进行检查，若出现该情况去掉第1个低峰值后，不再对下峰值处理；

第三阈值可以设定为0.7~0.8区间，即第1个峰值小于第2个峰值的70%~80%时，需要去除。

步骤6，计算下列条件1~条件8的值；

条件1：前4个峰值是连续下降的；

条件2：前4个峰值并非连续下降，但第1个峰值和第2峰值连线的斜率绝对值，大于第1个峰值到第4个峰值的连线的斜率绝对值；

条件3：第1个峰值和第4峰值的连线的斜率绝对值大于第四阈值；

条件4：各峰值x坐标的间隔差值与间隔平均值的比例在第五阈值以内；

条件5: 前4个峰值x坐标的间隔差值与间隔平均值的比例在第六阈值以内；

条件6：第5个及后续峰值的平均值小于最高峰值与比例第七阈值的乘积；

条件7：第5个及后续峰值的平均值大于等于最高峰值与比例第七阈值的乘积但小于最高峰值与例第八阈值的乘积；

条件8：第5个及后续峰值的平均值小于前4个峰值均值与比例第九阈值的乘积。

条件1的计算可由简单的相减运算得到。

条件2和条件3需要计算斜率，可直接根据斜率公式计算；在本例中，按0.005ms的时间间隔以及峰值最大值为1000，峰值不压缩不扩展的情况下，第四阈值可设定为：10，即第1个峰值到第4个峰值，若x间隔为60，则y方向需要下降600。

条件4和条件5计算峰值的x坐标间隔差值，先计算间隔的平均值，然后计算间隔差值，第五阈值设定为0.1，即间隔差值必须小于间隔平均值的10%；第六阈值设定为0.2。

条件6，计算最高峰值和第5个及后续峰值平均值，第七阈值可设定为0.05，即后续峰值平均值小于最高峰值的5%，在峰值最大值为1000的情况下，后续峰值平均值小于50。

条件7的第八阈值可设定为0.2，即后续峰值平均值大于等于最高峰值的5%但小于最高峰值的20%，在峰值最大值为1000的情况下，后续峰值平均值大于等于50小于200。

条件8的第九阈值可设定为0.6，即后续峰值均值小于前面4个峰值均值的60%。

步骤7；对上下峰值，若满足条件1或2，且满足条件3，且满足条件4；且满足条件6，确定为A级。

步骤8，对不符合A级锚杆要求的，检查上下峰值，满足条件1或2以及条件5以及条件7；确定为B级。

步骤9，对不符合B级锚杆要求的，检查条件8，满足则确定定为C级，不满足则确定定为D级；

对于波形特征不明显，甚至无法求出峰值等情况，直接归为D级。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；或者修改各个步骤的使用顺序，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；本发明各种阈值及范围的取值，也会因具体参数不同而有所改变。

Claims (3)

1.一种锚杆锚固质量等级快速评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，使用声波反射法获取锚杆的杆底前反射信号；

步骤2，对反射信号进行归一化处理，包括y方向和x方向的归一化；

步骤3，对信号进行平滑，确定x方向的新零点；

步骤4，求取y方向的峰值以及x方向修正系数；

步骤5，上下峰值根据第三阈值去除第一个低峰值；

步骤6，根据条件及阈值进行计算，将锚杆锚固质量分为ABCD四级；

所述步骤2中y方向和x方向的归一化步骤包括：

y方向归一化指将反射信号的纵坐标归一化到设定的振幅区间，先求出反射信号在y方向绝对值最大的振幅值，然后将所有的振幅值按该振幅值与设定的振幅区间最大值的比例，等比例缩放；

x方向归一化指将反射信号的时间横坐标归一化到新的时间间隔为单位，即按新的时间间隔进行重采样；时间归一化采用插值算法进行；

所述步骤3中的对信号进行平滑和确定x方向的新零点步骤包括：

对信号进行平滑采用移动平均平滑方法；

确定波形的新零点，从现有的零点开始，求取波形y方向绝对值的移动平均值；从现有零点开始，求取波形y方向绝对值的全部平均值，若移动平均值大于全部平均值的第一阈值时，确定为新零点；新零点前的数据全部清空；

或根据预先得到的外露长度，计算出新的零点的位置；

所述步骤4中求取y方向的峰值以及x方向修正系数步骤包括：

在正方向的峰值称为上峰值，在负方向的峰值称为下峰值；在后续计算中上下峰值分别计算，但下峰值取其绝对值参与计算；

取前3个上下峰值的间隔平均值作为本次测量的基准，计算该值与事先设定的第二系数的比值作为修正系数，然后对峰值数据的x坐标进行修正处理；

所述步骤5中上下峰值根据第三阈值去除第一个低峰值步骤包括：

对上峰值或下峰值，若第一个峰值小于第二个峰值，其比例小于第三阈值，则去掉第一个峰值；

上下峰值根据第三阈值去除第一个低峰值时，针对上下峰值只处理一次，即若先对上峰值进行检查，在去掉上峰值的第一个低峰值后，将不再对下峰值处理；

所述步骤6中根据条件及阈值进行计算的步骤包括：

条件1：前4个峰值是连续下降的；

条件2：前4个峰值并非连续下降，但第一个峰值和第二峰值连线的斜率绝对值，大于第一个峰值到第四个峰值的连线的斜率绝对值；

条件3：第一个峰值和第四峰值的连线的斜率绝对值大于第四阈值；

条件4：各峰值x坐标的间隔差值与间隔平均值的比例在第五阈值以内；

条件5: 前4个峰值x坐标的间隔差值与间隔平均值的比例在第六阈值以内；

条件6：第5个及后续峰值的平均值小于最高峰值与比例第七阈值的乘积；

条件7：第5个及后续峰值的平均值大于等于最高峰值与比例第七阈值的乘积但小于最高峰值与比例第八阈值的乘积；

条件8：第5个及后续峰值的平均值小于前4个峰值均值与比例第九阈值的乘积。

2.根据权利要求1所述的一种锚杆锚固质量等级快速评价方法，其特征在于：所述步骤1中获取锚杆的杆底前反射信号的步骤包括：

在进行锚固质量检测时，时域信号记录长度都超过杆底反射时程，超过的数据应预先去除；根据预先确定的杆长和外露杆长，在反射信号中直接去除，从而准确得到杆底前的全部反射信号。

3.根据权利要求1所述的一种锚杆锚固质量等级快速评价方法，其特征在于：所述步骤6中将锚杆锚固质量分为ABCD四级的步骤包括：

对上下峰值，若满足条件1或2，且满足条件3，且满足条件4；且满足条件6，确定为A级；

对不符合A级锚杆要求的，检查上下峰值，满足条件1或2以及条件5以及条件7；确定为B级；

对不符合B级锚杆要求的，检查条件8，满足则确定为C级，不满足则确定为D级。

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