模拟工程实际条件中用超声导波估算锚杆锚固质量研究

摘要：在用超声导波检测锚杆锚固质量以有研究的基础上，对不同性质不同构造的工程实际工程体中超声波的传播速度，分别用两个传感器探头检测锚杆锚固质量时传感器在毛固体表面的安装位置，以及工程实际中锚杆的锚固质量检测等问题进行了研究。

关键词：工程实际；超声导波；未锚固端；锚固质量研究

引言

锚杆支护是一种可靠而且稳定的支护方法，在采矿工程和岩土工程中被广泛的应用。所以其支护质量在工程应用中显的优为重要。因此如何在现场条件下检测锚杆的支护质量也就成为了研究的重点。普通的检测方法通常有损坏，耗时而且费用高。超声导波检测作为一种新的无损检测锚杆锚固质量的方法，在过去吸引了很多研究者，其中所检测的频率参数，群速度和导波的衰减情况最受关注。

1.试验安排

1.1试验试件

锚杆采用直径20mm的螺纹钢筋，所用的围岩体（岩石）和水泥的材料特性见表1，本实验要研究不同性质不同构造的围岩体中用这样的仪器连接是否还可以检测锚杆的锚固质量。试件的制作：把钢筋打入不同性质不同构造的岩石中用水泥浇注而成，同时也对所用的岩石和水泥特性的进行了对比实验。

之前（Cui2005）的研究发现，当接收传感器安装在锚固体表面时只有在一个很窄的频率段内才能接收到清晰有效的信号，这个频率范围与试件的物理特性和参数有关。本研究在工程实际锚固锚杆中，当接收传感器安装在锚固体表面时，采用上面的修正位置仍然可以得到清晰有效的信号，而且同样频率范围也比较窄，在33khz-36khz之间。特定频率的导波被输入到钢筋的输入端，沿着钢筋传播的信号被接收用于研究。

1.2试验方法

在输入端也就是图1中的a点通过R3激发频率在28khz-36khz的信号，这个激发波信号与之前在钢筋测试中的相同，反射信号由安装在距离钢筋中心轴29.5mm（即图1中的c点）的接收传感器R6接收，中间还要通过放大器这样确保接收到的信号更加清晰。通过发射接收信号，根据测得的超声波在岩石锚固锚杆中传播的时间，因为锚杆的长度事先已测得，就可以计算出超声波在岩石锚固围岩体锚杆中的传播速度；通过振幅的衰减就可以用估算出的锚杆锚固长度来评估锚杆的锚固质量。

2.结果分析

2.1传感器安装位置分析

实验表明在本实验即围岩体（本实验中为岩石）锚固锚杆条件下，通过AWG发射信号，在锚固体表面仍然可以接收到清晰有效的信号，而且接收到清晰有效信号的频率控制在33khz-36khz之间，这就说明该方法可用于工程实际的检测。当然这只是表明在锚固体是岩石时接收传感器的位置是距锚杆钢筋中心轴29.5mm的位置，能接收到清晰有效信号的频率是33khz-36khz之间，当围岩体不是岩石而是别的性质的围岩体时，这个结果还适用，还需要进一步的研究。

2.2振幅衰减的分析

在本研究中，首先对两个不同锚固长度的岩石锚固锚杆（试件1和4）进行测试，这两个锚杆锚固在岩石中，由此就可以得到两个有不同锚固长度的振幅比 。在公式2中包括了边界条件修正系数Kb和位置修正系数 .而且ZouandCui（2011）研究证明两个系数对于不同的锚固长度都是连续的。又因为在此研究中对于所有试件，锚杆半径和测量位置都是一样的，所以对于特定的频率来说这两个参数可以合为一个即： 根据已知的锚固长度根据下面公式3就可以计算出衰减系数 ，和修正系数 ，

用计算得到的 和K，根据从其它锚杆中测得的振幅衰减比R，其它锚杆的锚固长度就可以由计算得到。当然，如果设计的锚固长度已知的话，振幅比也可以计算得到。如果实验测得的振幅比比预计的高，说明锚固长度没有达到标准。

因为本实验中，分别采用两个探头发射和接收信号，而且接收信号的探头的安装的位置是通过修正以后得到的，及通过一系列等效的代替和修正，虽然波不是在那个位置接受的，但是在那个位置计算的波跟实际接收位置的波的信号衰减是完全一样的，真是这样可以用等效代替的办法对接收道德信号进行分析，从而得出有有效的结果，便于工程实际分析应用。除此以外，本文仅仅是对锚固进入岩石中，并且对锚杆进行水泥锚固的这样的实验体进行试验得出的结果，在误差允许的范围内还是可以用于工程实际研究的。但是在工程实际中锚固体的性质千差万别，而且用于锚固锚杆的也不一定是水泥，而且随着锚固围岩体性质及结构构造的变化，在等效代替和修正时也不一样，因此需要对各类不同性质结构构造的锚固围岩体都进行分析，在系统总结推理的基础上，得出更符合实际情况而且普遍适用的方法。

2.3分析及讨论超声波在锚固围岩体中的传播速度

本实验对锚固围岩体中导波沿锚杆中心轴的传播速度也进行了测量。估算结果是在2430-2690 m/s之间，对于一定的频率三个试件中的波速都非常相近，由此可以得出传播时间可以准确的用于计算锚固长度。

3.结论

1）锚固围岩体中的锚杆对其进行检测时可以用两个传感器安装在锚杆的一端进行检测，而且对于不同性质结构构造的锚固围岩体锚杆都可以，这样不仅能得到有效的信号，便于分析研究，而且可以减少现场的工作量，大大提高工程进度和质量。

2）用修正后的方法通过估算锚固围岩体锚杆锚固长度来评估锚杆的锚固质量可以用于现场检测，而且对于不同性质不同构造的锚固围岩体用这种方法检测都可以接收到清晰有效的信号。与混凝土锚固锚杆相以及其他性质的锚固围岩体锚杆比较，超声导波在其中传播的波速不一样，相应的参数不一样，但是都与设计值吻合的很好。

3）通过对不同性质的锚固围岩体及不同构造的锚固围岩体中超声导播传播的速度的研究证明，把发射和接收信号的两个传感器分别放在钢筋端和锚固端都可以接收到有效清晰的信号，可以为进一步研究工程实际中不同围岩体锚杆的锚固质量检测开创了新的思路。

研究结果表明通过在未锚固端一个探头发射信号，另一个探头接收到的导波的衰减信号可以判断超声导波在工程实际中的传播速度。同时研究结果也得出，通过超声导波在锚固体中的衰减和群速度的变化，也可以测量出锚固体中钢筋的长度。

参考文献

[1]张昌锁，李义，锚杆锚固质量无损检测中的激发波研究，2006，25（6）：1240-1245

[2]许明，张永兴，锚固系统质量检测的小波分析，岩土力学，2003，24（2）：262-265

[3]Cui Y. and Zou D. H. Numerical simulation of attenuation and group velocity of guided ultrasonic wave in grouted rock bolts. Journal of Applied Geophysics [J].2006， 59（4） pp： 324-336.