应力反射波法在锚杆无损检测中的应用

摘要：随着科学技术的进步，锚杆锚固技术已在世界范围内的大中小型工程建设中得到广泛应用。与此同时锚杆锚固质量的检测技术也在日益发展。本人就目前的锚杆检测技术做了一些系统的总结，并重点介绍了应力反射波法在锚杆无损检测中的应用。并结合工程实例证明应力反射波法是一种快速有效的无损检测方法。

关键词：锚杆；应力反射波；时域分析；频域分析

中图分类号： U417 文献标识码： A

目前，锚杆锚固技术在矿井巷道支护、隧道支护以及深基坑支护工程中得到了广泛的应用，同时也普遍用于铁路、交通和水利水电建设等工程。锚杆加固技术不仅可以合理地调动岩体的自身强度和自承能力，改善岩体的应力状态，从而提高岩土结构的稳定性，而且具有施工简便、成本低廉、安全迅速等优点，因此锚杆加固技术十分迅速地得到大范围地推广应用[1]。因此锚杆锚固质量及锚固性能的检测与评价工作至关重要。目前锚杆锚固质量检测常用的方法为“拉拔”试验，此方法虽然具有直观可靠之优点，但却属于有损检测，经过拉拨的锚杆容易产生较大变形而失去预定锚固力。综上可知对锚杆锚固质量快速无损检测显得格外重要。

1、国内外的研究现状

1978年瑞典的H.F.Thurner提出了用超声波检测砂浆锚杆锚固质量的方法，并制造了Boltmeter检测仪。但是由于超声波衰减严重，现场不适用。

1996年王鹤龄教授等人研制并推出了MT-1型锚杆检测仪，提出了用能量衰减系数以及振幅值比来评价锚杆锚固质量。

20世纪80年代末，中国铁道科学研究院研制出声波反射检测仪，即M-7锚杆检测仪[2]，实用机械撞击方式激振，增大了有效检测长度。

2002年重庆大学的许明博士把声波测试技术应用于锚固工程无损检测中，采用小波分析和神经网络的方法确定锚固质量以及极限锚固强度。

此外还有一些人在利用电磁波法检测锚杆锚固的质量问题方面做了一些理论研究工作[3]，但尚未付诸实践。

2、应力波反射法检测锚杆锚固质量的基本原理

应力反射波法是基于一维杆件的波动理论。当锚杆端头受到瞬时激震作用后，引起锚杆头质点振动，振动以弹性波的形式沿杆体向底端传播[4]。当锚杆、砂浆和围岩三者之间接触紧密时，由于波阻抗变化不大，大部分能量会透射到围岩中去，只有一小部分能量反射回来。此时传感器所接收到的反射波信号的特征是波形较简单、能量相对较弱；当锚杆、砂浆和围岩三者之间接触不紧密时，反射波会集中在锚杆中传播而很难辐射到锚杆外的介质中去，这时波在锚杆中的传播现象比灌浆密实的情况要复杂的多。此时传感器所接收到的反射波信号的特征是波形较复杂、能量相对较强。实际工程检测中就是依据这些特征来判断锚杆锚固质量的。

3、锚杆锚固质量优劣的参数

3.1有效锚固长度

应力波到达锚固段的上、下界面发生的反射，分别称之为固端反射与底端反射。如果在波动曲线上分别找出固端反射信号与底端反射信号，就能读出固端反射时间与底端反射时间，并预先测出自由段内的应力波速和锚固段内的固结波速，那么就可以分别计算锚杆的自由段长度和锚固段长度分别为和，则锚杆长度。

3.2灌浆饱满度

如果锚杆锚固系统中存在注浆不密实段，那么复合杆件的截面积和波阻抗将会发生变化，在波阻抗差异界面处将产生应力波反射，杆中应力波反射的能量强度与注浆密实度有关；一般是密实度越差，反射波的能量越强，衰减越慢；而密实度越好，反射波的能量越弱，衰减越快。因此可以根据波形判断锚杆的锚固质量。判断方法参见下表3-1：

根据以上分析，可以推断锚杆端头的应力波反射能量与锚杆注浆密实度之间存在某种联系。当锚杆端头被激震后，锚杆端头的应力波动能为：

（3-1）

其中反射波能量为：

（3-2）

式中：为波动周期；

为单位质量；

为锚杆端头质点振动速度；

为振动时间；

为杆端入射波能量。

把反射波能量与入射波能量的比值作为锚杆的应力波能量反射率：

根据计算所得锚杆底端反射波能量与顶端的入射波能量比值，并结合锚杆类型、围岩类型、实测锚杆长度等综合指标，确定砂浆饱满度及锚固质量等级。

表3-1锚杆质量反射波检测分类评价表

4、工程实例分析

以下为本人在杭瑞高速毕节-都格段内的某公路边坡检测数据。锚杆的设计长度为3m和4.5 m，为全长砂浆锚杆。检测仪器采用武汉长盛公司的JL-MG（B）锚杆质量检测仪。锚杆外露端头被激震后，弹性波沿着锚杆传播并向锚杆周围辐射能量，检波器检测到反射波，并由检测仪对信号进行分析与存储。通过分析处理软件对信号进行分析处理，可以确定锚杆长度以及灌浆的整体质量。

图4-1锚固质量为优的锚杆检测分析数据图

图4-2锚固质量为良的锚杆检测分析数据图

图4-3锚固质量为合格的锚杆检测分析数据图

图4-4锚固质量为不合格的锚杆检测分析数据图

图4-1所示波形规则，只有较微弱的底端反射，中间没有异常缺陷反射，说明该锚杆锚固质量很好，由幅值比可以判定出锚固密实度为90%，且长度达到设计要求，故总体评价定为优。图4-2所示波形较规则，有底部反射波并并且局部有较弱的反射波，由幅值比定出锚固密实度为85%，长度达到设计要求，总体评价定为良。图4-3所示波形欠规则，底部有反射波且局部欧较强的反射波，由幅值比定出锚固密实度为75%，长度达到设计要求，总体评价定为合格。图4-4所示波形不规则，且底部有较强的反射波，锚杆长度达到设计要求，但锚固密实度仅为50%，存在严重空浆，故定为不合格。

5、反射波信号的分析方法

5.1 反射波信号的时域分析

现将锚杆分成若干段，每一段中分别用，，表示其密度、纵波速度、横截面积，令，表示广义波阻抗[5,6]。锚杆材质或横截面积发生变化出为波阻抗界面，将波阻抗的比值表示为，式中为波阻抗比。

（1）

即两种介质波阻抗相同，可近似认为波在一种介质材料中传播，因此，若杆底岩石与杆身阻抗接近时，将无法得到杆底反射信号，也就是说，应力波沿锚杆轴向传播，到达锚杆底前无反射。杆底支承介质与杆身阻抗近似，杆身完整、均匀、无缺陷都属于这种类型。

（2）

沿杆体轴向广义波阻抗减小，这时反射波相位与入射波相位相反，而传感器记录的该界面反射波与入射波同相。在杆顶检测出的反射波速度、应力均与入射波信号极性一致。锚杆底端支承介质较杆身材料软以及杆身断裂、缩颈、裂纹等缺陷都属于这种类型。

（3）

沿杆体轴向广义波阻抗增大，这时反射波相位与入射波相位相同，传感器记录的该界面反射波与入射波反相。在杆顶检测出的反射波速度、应力均与入射波信号极性相反。锚杆底端支承介质较杆身材料硬以及杆身扩径都属于这种类型。

5.2 频域分析

反射信号的频域分析方法主要有小波变换、傅立叶变换、希尔伯特变换等。通过时域和频率域之间的变换，可得到瞬时频率、瞬时相位、振幅谱等。这些参数对反射信号的分析极其重要。

6、结语

应力反射波法检测锚杆的锚固质量是一种非常有效实用的无损检测方法，它具有易操作、精度高等特点，比拉拔实验确定锚固力的方法更可靠、更先进。但是应力波反射法也存在一定的局限性，即砂浆饱满度的检测目前还离不开工作人员的实际经验。另外检测方法及理论还不是十分成熟，锚杆与周围介质的耦合情况，是一个柱状多层体系下的弹性动力学问题，将其简单地视为一维问题来处理必定存在一定偏差，这些都还有待进一步的深入研究。

参考文献：

[1] 汪明武，王鹤龄.锚固质量的无损检测技术[J].岩石力学与工程学报，2003

[2] 刘海峰，崔自治，朱学福，李义.锚杆锚固质量无损检测技术研究[J].宁夏工程技术，2003，2(3):266-268.

[3] 陈 波，鲁永康，郭玉等.电磁法检测锚固质量初探.工程地球物理学报，2004, 1(4):336-339.

[4] 汪明武，王鹤龄，谢焰.锚杆锚固质量无损检测技术的研究[J].工程地质学报.

[5] 钟宏伟，胡祥云，熊永红.锚杆锚固质量声波检测技术的现状分析［J］.工程地球物理学报，2005，2( 1) :50-55．