土层锚杆无损检测试验研究

刘鹏，赵天野

（中铁建设集团有限公司基础设施事业部，北京 100040）

0 引言

锚杆设计的目的是通过锚杆将破碎或不稳定岩体与牢固稳定的岩体粘结在一起［1-2］，以提高整体稳定性。在锚杆使用过程中，各部段所发挥的作用不尽相同，锚杆的外端和内端中任意一端锚固质量不合格将会导致锚杆失效。内端锚固质量不合格，锚杆就会因为无法固定而失效；而外端锚固质量不合格，锚杆就会因为外端的锚固力小于破碎或不稳定岩体的自重而导致岩体失稳。

目前使用的锚杆锚固质量检测方法多为拉拔试验，而拉拔试验具有明显的局限性，原因如下：当锚杆长度（L）远大于钢筋直径（d）时，用拉拔试验无法准确判断锚杆各部段的锚固质量。同时，拉拔试验对岩体影响较大且费时费力。因此，如何准确检测锚杆各部段的锚固质量非常关键。

1 工程概况

北京朝阳站位于北京市朝阳区，临近东四环路、东五环路、姚家园路等城市骨干道路。新建站房中心里程为JK12+914.600。基坑东侧采用“桩+3 道锚”的支护形式，围护桩采用直径0.8 m、间距1.5 m的钻孔灌注桩。车道采用放坡的支护形式，放坡坡率为1∶1.077。局部深坑采用“放坡+桩锚”的支护形式，竖向采用2道锚索，锚索水平间距为1.5 m。

2 土层锚杆无损检测试验研究

2.1 原理与方法

2.1.1 工作原理

基于锚固体系的锚杆动力学和一维波动理论，试验采用应力波反射法检测锚杆［3］。小扰动应力波反射法示意见图1。在锚杆外端利用力锤对锚杆端部施加1 个垂直于锚杆的小冲击扰动力F（t），激发一道应力波，再由速度检波器或加速度传感器接收由初始信号和锚杆杆身缺陷位置（或杆底）产生的反射信号组合的时程曲线（或称为波形），最后结合有关地质资料和施工记录对曲线进行分析，判断锚杆的完整性。

图1 小扰动应力波反射法示意图

2.1.2 理论依据与锚杆动力学

由于一般锚杆长度L远大于锚杆直径D［4］，在分析锚杆的纵向振动时，可以假设锚杆材料是均匀的、各向同性的，可以把锚杆看成是一维弹性杆状体。由于激发应力波时锚杆的动力位移相对较小，且纵波波长远大于锚杆直径D，故锚杆的横向位移可以忽略不计，则锚杆的波动方程如下：

式中：u为轴向坐标为x的质点在时刻t沿x轴方向的位移；Vp为锚杆内应力波的传播速度，m/s；E 为弹性模量，kPa；ρ为锚杆杆体密度，kg/m3。

2.1.3 锚杆锚固段长度

对锚杆施加垂直于锚杆的小冲击扰动力F（t）从而激发应力波时，锚杆体内稳定的应力波将沿锚杆杆身传播，当应力波遇到变阻抗截面时将发生反射和透射，由连续条件及动量守恒定率，可求得反射系数F和折射系数T分别为：

式中：n为广义波阻抗比。

由式（2）、式（3）可知，固端反射信号与首波信号相位相反，底端反射信号与首波反射信号相位相同［5］。

分析加速度响应曲线，设锚杆的固端反射时间为T1、底端反射时间为T2，自由锚杆应力波波速为Vp，锚杆自由段长度为L1、锚固段长度为L2，则：

2.1.4 锚杆锚固质量密实度

根据检测结果对锚杆的注浆密实度m 进行质量评价，可将锚杆注浆密实度分为4 个等级：A 级：m＞90%，合格（优良）；B 级：75%＜m＜90% ，合格；C级：50%＜m＜75%，不合格；D级：m＜50%，不合格（废杆）。

注浆密实度计算如下：

式中：L′为锚杆的外露长度；L1为缺陷长度；L 为锚杆长度。

2.1.5 检测方法

在锚杆侧面将传感器固定牢固，使用小铁锤敲击锚杆，通过检波器拾取信号。保存重复3次以上的波形用于该锚杆的分析。

2.1.6 测试系统与仪器

测试系统（见图2）采用动态测试分析仪、微型加速度传感器、外端面垂直激振，以及非金属超声波检测仪。仪器配置情况见表1。

图2 测试系统

2.2 锚杆检测及注意问题

在试验仪器、试验模型等准备工作完成后，按照试验计划对试验对象进行检测。对锚杆外露端的横截面进行相关处理，将其打磨平整并涂上耦合剂。试验时还需要注意检测参数的设置、传感器的安装、激振锤的选择、现场试验方法、试验数据采集等方面。

表1 仪器配置

2.2.1 现场试验方法

试验时需要去除敲击面的污垢等杂质且敲击面应尽量平整、干燥，必要时可用打磨器将其打磨平整，且加速度测量计与锚头之间需有1～3 mm 的黄油或橡胶做耦合剂，以减少噪声对入射波和反射波信号的干扰。敲击锚头时，敲击点与加速度测量计不宜靠得太近，尽量使作用力垂直于锚杆轴线，重复3～5次敲击，选择效果最好的脉冲信号进行记录。

由于手锤激发的应力波脉冲信号宽度窄、反射信号很弱，因此选择加速度测量计时应尽量选用频率和灵敏度较高的。在收集脉冲信号时，还应采用线性放大、指数放大等信号增强技术以应对反射波信号微弱的情况。

2.2.2 模型试验数据采集

将传感器贴在锚杆外露端不同的部位进行反复试验，避免因位置过远导致信号减弱。试验时，需在每根锚杆的不同部位进行多次敲击，采集不少于4 条波形，并将采集的波形储存为1次试验结果。若波形图的形态特征差别很小则说明此次试验的重复性较好，反之则说明此次试验的重复性较差或敲击力度不均匀，应重新测试。

为增加测试分析数据，每个试块的超声波波速测点采用2 对，3 个试块为1 组，并取其平均值作为该组的超声波速度。去除声速偏差超过平均声速±5%的数据，保证检测结果的可靠性。

2.3 锚杆模型制作

试件尺寸为600 mm×600 mm×2 400 mm，锚杆横截面尺寸见图3。M-4、M-5 和M-6 号锚杆外包砂浆提前一天浇筑好。同时制作一定数量的水泥砂浆标准试块，并同条件下养护。锚杆设计情况见表2。

图3 锚杆横截面尺寸

表2 锚杆设计情况

2.4 试验数据分析

2.4.1 试件质量检测分析

锚杆频域和时域曲线见图4、图5。根据实测曲线整理出的模型试件检测结果见表3。

图4 锚杆频域曲线

图5 锚杆时域曲线

表3 模型试件检测结果

2.4.2 砂浆超声波速度与强度的关系

在不同龄期下，将同条件养护的砂浆试件通过超声波检测仪测试其弹性波速的变化，同时将砂浆试件分批分组测得其抗压强度（见图6—图10）。

图6 超声波法检测砂浆试块的波速

图7 1∶3砂浆试块不同龄期下弹性波速的变化

图8 1∶3 砂浆试块不同龄期下强度的变化

从图7—图10 曲线关系可以看出，随着砂浆试件龄期的增长，其强度在不断增大，在14 d 左右后趋于平缓，即强度基本趋于定值，这在弹性波速随龄期变化中也充分体现。从试验中得知，1∶2 砂浆试件的弹性波速为3 100～4 200 m/s，1∶3 砂浆试件为2 800～4 100 m/s。

图9 1∶2砂浆试块不同龄期下弹性波速的变化

图10 1∶2砂浆试块不同龄期下强度的变化

2.5 锚杆锚固系统信号处理及分析

分析完整锚杆和具有不同缺陷位置锚杆在不同龄期下的减速度响应曲线可知，试验中收集到的反射波脉冲信号很难准确确定，这将直接影响应力波波速的确定，对锚杆锚固质量的判断造成不小的困扰［6］，因此，在试验中需要用到各种信号处理手段以便从加速度响应曲线中找到明显的底端反射信号，解决应力波波速确定的问题，从而对锚杆锚固质量进行准确判断。

众所周知，描述信号的主要参数是时间和频率。传统信号分析和处理的方法是广义频域滤波法，这种方法在对时域信号进行分析时，对频域信号的分析频率为零而对时域信号的分析频率为无穷大；在对频域信号进行分析时，对时域信号的分析频率为零而对频域信号的分析频率为无穷大。因此傅立叶变换只适用于平稳信号的研究。

一般的时频分析方法，如循环统计量理论、调幅调频信号分析等虽然解决了傅立叶变换不能同时分析时域信号和频域信号的问题，但不能对时域信号和频域信号进行定量分析，不能确定缺陷位置和缺陷长度，无法达到检测的最终目的，因此未能得到广泛使用。

动态测试信号的时频分析是指通过联合函数来表达时域信号和频域信号的特征，联合函数能够直观地表达时域信号和频域信号之间的变化关系，从而建立一种合理分布，能同时表示加速度响应曲线在时域和频域上的强度或能量，获得具有期望的时频分布特征的信号。由于锚杆锚固质量检测过程中所得到的信号都是离散的、非周期信号，无法用准确的解析式来表达，因此，动态测试信号时频分析法还不能实际应用，但它却为研究人员提供了思路。

在此，旨在解决底端反射较难确定的问题，以便由准确的底端反射确定较准确的波速，为准确的锚杆锚固状态判断提供依据，故分别采用快速傅立叶变换和短时傅立叶变换，对完整锚杆的实测信号进行分析处理。

3 结论

通过用黏土代替土层进行锚杆室内模拟试验，测试并记录完整锚杆和有不同缺陷的全长粘结型锚杆的波动特性，对试验数据进行相关处理，分析应力波在完整和具有不同缺陷锚杆中传播的差异，同时与实际模型设置数据进行对比，以验证锚杆锚固长度检测和注浆密实度检测结果的准确性，并总结应力波在不同锚杆中的传播规律，进一步研究探讨锚杆的无损检测技术。

（1）收集整理有关土层锚杆质量检测技术资料，分析目前土层锚杆质量检测技术的不足。

（2）试验采用信号分析仪方法检测锚杆锚固质量，精度较高，检测结果与模型基本吻合，表明该方法基本能满足工程实际应用要求。

（3）由于该试验锚杆周围模拟锚固介质的黏土是人工夯实，随机性较大，锚杆中应力波的传播速度会受到不同程度的影响。试验中已锚固锚杆的波速，在砂浆中为3 800～4 200 m/s，在土中为1 400～2 000 m/s，未锚固的锚杆波度约为5 000 m/s，由此可见锚杆周围介质的种类对应力波波速的影响较为明显。

（4）对于M-1、M-2、M-3号锚杆，由于土与钢筋粘结很不一致，对于波速确定、缺陷判断增加了难度，对于M-4、M-5、M-6号锚杆，其原始记录波形能较好地反映简单、规则缺陷的位置。

（5）由于锚固介质较软，粘性阻尼明显，对波的吸收较大，应力波衰减明显，故底部反射信号不明显。