弹性波法对锚杆锚固质量检测的工程应用

■孙 巍，吴金国，郭 亮 ■江西省建筑材料工业科学研究设计院，江西 南昌 330001

铁路工程中的隧道建设和边坡支护需要应用大量的锚杆来加强岩体的安全性，锚杆锚固质量的好坏直接影响隧道和边坡的安全状态和耐久性［1］。锚杆实际上是由锚杆杆体本身、岩体、注浆材料构成的一个复合体，杆身的有效锚固长度和注浆密实度效果是评价该复合体质量的重要指标。传统的拉拔力检测方法设备笨重、效率较低、对岩体有扰动，弹性波作为一种高效率、无扰动的一种无损检测手段对锚杆锚固质量检测是非常有意义的。本文通过实验室试验和工程实例对弹性波检测锚杆长度和注浆密实度进行了一些分析和探索。

1 基本检测原理

1.1 锚杆长度检测原理

通过在锚杆露出端激振产生瞬时弹性波，弹性波到达锚杆底部，因锚杆与周围环境存在机械阻抗，弹性波产生反射，反射波可以通过锚杆激振端设置的传感器捕捉。通过分析软件，在时域波形上，可以看到弹性波的激振时间和反射波的达到时间，从而可以确定锚杆长度，即(C为弹性波在锚杆杆体的传播速度)。时域波形也通过傅里叶变换可以转化到频域上，在频域上频率最低，幅值最大为反射波频率，也可以确定锚杆长度，即L=C/2f。

这里需要指出，上述方法的应用必须要求可以得到明确的反射波信号。所以锚杆长度的检测准确度跟反射波的提取和杂波的过滤有密切关系。

瞬态弹性波在杆端底部传播情况可见图1-1:

图1-1 变化的机械阻抗面发生的反射和通过

这里，v1↓，v1↑表示弹性波在单元1 中运动速度(入射和反射)，v2↓表示弹性波在单元2 的运动速度。

此外，反射波和透过波的大小用振幅率来表示。

通过上述分析，我们可以看到弹性波在反射和透过上具有下面一些性质。

(1)若机械阻抗相同(z1=z2)，不会产生波动;

(2)若机械阻抗相差越多，振幅反射率也会越大。在实际锚杆检测中，软弱土层中锚杆弹性波反射信号比坚硬岩石中锚杆来的更为明显;

(3)当机械阻抗(z1＜z2)时，反射波和入射波具有同相位;当机械阻抗(z1＜z2)时，反射波和入射波具有反向相位。因此，在锚杆检测中，杆底端是一般土层、松散岩体或者混凝土时，弹性波反射信号与激振信号是同向，而杆底端是坚硬岩石，弹性波反射信号与激振信号是反向的。

图1-2 锚杆灌浆缺陷示意图

1.2 锚杆注浆密实度检测原理

在锚杆全长范围内，若存在注浆不密实区域，锚杆与所注浆体之间的机械阻抗会发生变化，其界面也会产生弹性波发射，通过其反射波信号位置可以确定注浆不密实区域，根据反射波信号强弱可以确定注浆密实度情况。一般来说，锚杆全长范围内反射波越多，说明注浆不密实区域越多，注浆密实度较低;反射波强度越大，注浆密实度也较低。另外，通过杆底反射波的幅值大小可以判断注浆密实度情况。弹性波在锚杆中传播时，其能量随锚杆长度增加逐渐减弱，若注浆密实，弹性波较容易从锚杆与注浆截面逸散，到达杆底部能量会减弱，从时域波形中可以看到底部反射波幅值较小。反之，注浆不密实，弹性波在锚杆与注浆截面处不易逸散，底部反射波能量较强，反射波幅值较大。

其中，杆底反射信号振幅大小可按下式表示［2］:

其中，AB:杆底反射信号的振幅、A0:基准点的振幅

η1:因几何衰减造成的振幅比

η2:因材料粘性衰减造成的振幅比

图1-3 基于反射的原理

η3:因反射衰减造成的振幅比

其中，几何衰减和反射衰减是最主要的能量衰减。

由于上述分析均建立在时域波形上，因此锚杆系统本身的材料、长度、周围介质都会影响反射信号的获得，如何提取到高质量的反射信号将是关键。

2 试验研究

在实验室中，我们对5 米和9 米两种长度的锚杆进行了无注浆情况下的长度检测。我们采用了国产“SBA-HTF 锚索(杆)灌浆密实度检测仪”进行数据采集分析。

选择锚杆一段为激振端，在距离该端5 公分锚杆位置处设置传感器，利用激振锥激发弹性波。示意图如2-1:

图2-1 锚杆测试示意图

每个锚杆在端头激振10 次，数据采集10 次，每次得到一个长度数据。相应的频谱分析图如2-2:

图2-2 锚杆长度频谱分析图

图2-3 锚杆检测长度与测试次数关系

从测试结果我们可以看到:(1)测试长度值与设计长度值误差基本都在0.5%以内，检测精度很高，说明弹性波检测方法是有效的。(2)每次测试长度值波动不大，说明本检测设备可靠性很高。(3)两种长度锚杆测试误差均很小，说明检测方法适用性很好。

3 实际工程

在沪昆高铁长昆段本人参与了部分隧道围岩和边坡支护锚杆锚固质量的抽检工作，利用“SBA-HTF 锚索(杆)灌浆密实度检测仪”对所抽检的锚杆进行了长度和注浆密实度的数据采集和分析。通过采集的波形图和最终的分析对比，检测效果到达了预期的效果。下面为三个不同注浆效果的锚杆检测情况，结合波形图做了相应分析。

表3-1 长昆段典型锚杆长度及密实度检测表

从长度检测方面来看，无论是长锚杆还是短锚杆，误差绝对值均在1%以内。可以说，利用弹性波检测锚杆长度是完全适用的，满足实际工程需要。

图3-1 Mg-1 时域波形图

从灌浆密实度方面来看，Mg-1 时域波形图上反映激振信号衰减有规律，并且速度很快，说明激振弹性波能量逸散很快很多，锚杆周边注浆很密实。同时，全长范围内的时域波形上没有明显的反射信号存在，也表明了周边注浆很密实。另外，从杆底反射来看，反射弹性波幅值比前面出现的激振波形幅值都要小，说明弹性波经过杆身传播过来，由于能量衰减很多，到达底部能量已经很少，进一步证明了锚杆注浆是很密实的。通过我们的分析软件，也可以看出灌浆密实度指数达到了93.4%。

图3-2 Mg-2 时域波形图

Mg-2 时域波形图上看出，激振信号衰减并不很有规律，在杆身前段衰减比较明显，在杆身中后端衰减速度降低，说明杆身中段往后注浆不是较密实，弹性波能量逸散不快。在中后段反射波出现较多但幅值不大，说明注浆小缺陷较多。通过杆底反射也可以看到，杆底反射较明显，信号能量比杆身中后段反射能量和激振信号能量都要大，说明激振弹性波经过杆身传播后，相当一部分能量没有通过周边介质逃逸走，进一步证明了注浆并不太密实。通过分析软件，得到灌浆密实度指数为72%，与波形图反映的情况是一致的。

图3-3 Mg-3 时域波形图

Mg-3 时域波形图上可以看到，激振信号衰减层次性较差，大部分杆身段弹性波激振信号较均匀，信号能量逸散不多，同时杆身段出现较多反射波形，说明注浆小缺陷存在较多，注浆情况很不理想。杆底发射波幅值明显超过前面激振信号幅值和发射信号幅值，说明大部分激振信号都传播到杆底，在杆底产生了能量很大的反射，进一步说明了注浆情况相当不理想。通过分析软件，得到了灌浆密实度指数为53.5%，说明该锚杆注浆存在很大问题。

4 结论

通过室内试验和实际工程实践，我们可以知道弹性波检测锚杆长度和灌浆密实度是完全可行的。在锚杆长度检测方面，检测精度完全可以满足实际工程需要;灌浆密实度的判定可以通过弹性波采集的时域图形进行分析判断。当然，实际工程上锚杆本身形式多样，所处环境复杂，如何准确的判定各种类型各种环境下锚杆的锚固性能将是后续研究的一个重点。

［1］程良奎，刘启深.岩土锚固工程技术的应用与发展［M］.北京:北京万国学术出版社，1996.

［2］吴佳晔，张高强.冲击弹性波激励残留信号的消除及反射信号的抽取技术［P］中华人民共和国发明专利ZL200910082851.4.