应力波反射法在锚杆锚固状态无损检测中的应用

应力波反射法在锚杆锚固状态无损检测中的应用

（薛开文，王志勇）

摘要：锚杆支护是地下工程和边坡支护的重要手段,握裹锚杆的水泥砂浆的灌注饱满与否,是锚杆能否按设计要求起作用的重要指标。本文从应力波的传播的特征开始，应力波在遇到波阻抗差异界面时发生反射，对反射波进行综合分析并评价锚杆支护施工质量。 关键词：锚杆；无损检测；应力波反射法

Abstract :Bolt shores is an important way to undergrand-engineering and slope support, Wrapping the cement sand of bind the bolt of infuse full or not, is important index that the bolt works in the design request ,This paper is beginning of the characteristic of st ress wave, stress wave should take place the reflaction while meeting a

difference resistance interface, we can evaluation bolt to protect the construction quantity from the comprehensive analysis of wavereflaction.

Key words :bolt ; nondestructive testing ; st ress wave reflection ; １ 前言

在水利水电工程、城市建设、公路铁路建设等工程中，大量的采用喷锚支护技术，锚杆的施工质量直接影响着洞室或边坡的安全稳定。锚杆的施工属于隐蔽工程，锚杆的有效长度、砂浆的密实度及砂浆的灌注缺陷越来越受到工程技术人员的关注。锚杆结构状态的检测主要有两方面，一是为检测杆体部分结构，如全锚锚杆杆体握裹状况检测等，二是杆端与介质层的藕合状况评价，尤其是对端锚锚杆，因其端部藕合状况的检测对判定施工质量至关重要。利用高频应力波在杆体中的传播特性，可以判定杆体结构状况，确定锚杆握裹段长度、深度；同时，对同类型和同施工条件下的一批锚杆，利用端底反射波的相对衰减状况来评价杆体端部的藕合状况。针对某水电地下厂房上下挡墙的几百根锚杆，运用高频应力波反射法进行无损检测，并对锚杆的施工质量进行评价。 ２ 锚固状态检测回顾

在锚喷支护设计中,通常采用拉拔试验来确定锚杆与岩土介质的界面粘结强度。实际上,拉拔工况下锚杆的界面剪应力并非沿杆长均匀分布,而是近似服从负指数分布,即由峰值强度只经历很短的一段杆长就衰减到零。这说明假定条件与实际情况相差较远,计算误差将随试验锚杆长度的增加而增加。而且拉拔试验破坏性大，只能用来抽检，对施工质量控制的评价不全面。近几十年发展起来的无损检测技术是多学科紧密结合的高技术产物。现代材料科学和应用物理学的发展为无损检测技术奠定了理论基础,现代电子技术和计算机科学的发展为无损检测技术提供了现代化的测试工具,同时,现代土木工程中迅速发展的新设计、新材料、新工艺又对无损检测技术不断地提出新的更高的要求,起着积极的促进作用。二十世纪

80 年代以来,超声法被逐渐应用于锚固工程的质量检测中。瑞典曾研究利用超声波技术来检测砂浆锚杆

的锚固状态,并推出超声波反射法检测砂浆锚杆的锚固状态的商品化检测仪器,但该方法因存在激发条件苛刻和衰减快等缺点而未得到阿广泛应用；90 年代,美国矿业管理局开发出能检测锚杆应变和长度的超

声波仪器,但它无法评价锚杆的施工质量。超声波方法的缺陷是衰减过快,对于长锚杆的检测是无能为力的,且激发条件苛刻又不能作出定量化评价。为了得到比较好的超声波信号,锚头必须磨平,故现场不适用。90 年代末郭世明等从应力波理论出发对锚杆长、注浆饱和度的检测进行了初步探讨。目前国内锚杆

无损检测大多是采用应力力波反射法进行检测，这种方法能够很好的全面的对锚杆的锚固质量做出评价。

３ 应力波反射法检测原理及参数选择 3.1 检测原理

当工程锚杆构件为圆柱体且其直径d 远远小于其长度L 时, 可采用弹性波中的一维杆件理论对锚杆进行分析。锚杆钢筋与混凝土胶结在一起, 与周围岩(土) 存在较大的弹性波波阻抗差异, 因此, 应用弹性波理论对锚杆进行无损检测, 可将锚杆视为一维弹性杆件。锚杆检测一维模型的弹性波波动方程为:

?2u1?2u?22?0 （１） 2?xVp?t其中 Vp?E? （２）

以上各式中，Vp为锚杆内应力波的传播速度。KD为锚杆动抗压强度。

在锚杆、水泥砂浆和围岩组成的体系中, 从锚杆端部发射的应力波, 经锚杆向四周传播, 在锚杆与砂浆、砂浆与围岩之间的界面发生复杂的反射和透射及能量衰减。当入射波到达杆体锚固段的物性变异界面R 时, 将发生反射与透射, 如图１。

图１应力波在锚固界面上的反射和透射

对波动方程（１）在初始条件和边界条件下求解出反射波与入射波的振幅比B'B，即反射系数K为：

K?B'?2Vp2A2??1Vp1A1 （３） ?B?2Vp2A2??1Vp1A1式中?1Vp1A1为锚杆杆体的波阻抗（杆体密实度?1，波速Vp1和杆体横断面积的乘积A1），?2Vp2A2为锚杆与锚固剂组合杆体的波阻抗。式(３)表明，杆体界面反射波与入射波振幅比不仅取决于密实度和波速的差异，而且还与杆体横截面积的差异有关。由于锚杆自身的杆可以看作为一均质体，组合杆体波阻抗的变化即是由锚固剂锚固密实，并达到有效握裹的状态下形成的。由波动理论，K 的正负将引起反射

波的相位变化,据此可以判别反射界面的性质，根据界面反射波的到时求得其深度。另外应力波在锚杆中传播时，当遇到物性变异界面或端底界面时就会发生反射，其原始振动能量应为各界面反射波能量加透射波的能量的和（振动质点间内摩擦耗损可忽略），而来自某一界面的反射波能量大小与该界面的物性特征密切相关。因此，各界面反射波能量状况能反映出界面的物性变化，是判断界面性质的另一种辅助指标。

3.2 检测方法与技术

在锚杆施工中，若因施工因素而造成锚固剂局部不密实或空锚，则形成组合杆体的非规则边界，利用应力波在杆体中传播与反射的原理，可判别锚杆杆体锚固状态和握裹长度。测试时，在锚杆杆头激发并接收应力波，波在杆体中的传播速度可利用相同的未锚固锚杆进行标定，设杆长为L，杆底反射波到时为??T，则波速为Vp=2L/ ?? ，一般通过对数根锚杆进行测试标定后，即可取得该种锚杆的代表波速值。在实际测量中，首先在测试信号波形图上判读杆体界面反射波的相位与到时，据此判断各界面的性质，然后利用波速值求得各界面的深度，进而得出杆体握裹段长度。锚杆的注浆饱和度跟锚杆与砂浆、砂浆与围岩体的接触以及砂浆的胶结程度有关。一般情况下，注浆饱和度越好，所测到的波形就越规则、反射杂波少、频率较高且集中，相应的振幅小、衰减快；反之，注浆注浆饱和度差的锚杆，所测到的波形较复杂，反射杂波较多，频率较低且分散，振幅大且衰减慢。因此可根据所测得的波形信号来推断锚杆是否存在注浆欠饱和、不饱和、空腔等情况。并按其反射波的走时计算出缺陷位置和缺陷长度，从而计算出锚杆注浆饱和度。

注浆饱和度?测试锚杆长度?钢筋外露长度?缺陷长度?100%

测试锚杆长度?钢筋外露长度

４工程实例分析

运用上述原理及方法，对四川某水电站地下厂房岩壁吊车梁锚杆进行无损检测，检测仪器设备为武汉岩海工程技术开发公司研制生产的RS-1616K(P)型基桩动测仪。其成套设备包括：

1、RS-1616K(P)型基桩动测仪1台； 2、导线、速度传感器； 3、激发力锤；

测试时，在锚杆杆头激发并接受应力波，波在杆体中的传播速度可利用相同的未锚固锚杆进行标定，设杆长为L，杆底反射波到时为△T，则波速为VP=2L/△T，一般通过对数根锚杆进行测试标定后，即可取得该种锚杆的代表波速值。本次选取3.65m，和9.02m的自由杆进行试验标定，典型记录见图2、图3。

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图2 9.02m长自由锚杆模型原始记录曲线图

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图3 3.65m长自由锚杆模型原始记录曲线图

根据测试结果和波形特征，按砂浆饱和度分为四大类：Ⅰ类：波形规则，无底反信号，且衰减快，砂浆密实度饱满，饱和度大于90%，典型记录见图4；Ⅱ类：波形基本规则，局部砂浆不饱满或有离析，有底反信号，砂浆饱和度75%～90%；Ⅲ类：波形畸变，且相位复杂，砂浆不饱满，有空腔，砂浆饱和度55%～75%；Ⅳ类：波形严重畸变，有明显的底反信号，空腔或者半浆，砂浆饱和度小于55%，典型记录见图5。依照上述检测方法和分类标准，检测结果见表1

图4 饱和度大于90%的原始记录曲线

图5 饱和度差的原始记录曲线

表1 四川某水电站厂房岩壁吊车梁锚杆检测饱和度统计表

饱和度≥80%

上游壁 下游壁 合计

５结束语

应力波反射法可以普查检测锚杆锚固状态，该方法具有易操作、效率高等特点；为岩土工程质量检测提供了新的手段，对锚杆的设计和锚固机理的研究也有促进作用，更具有直接的社会、经济效益与广泛的推广应用前景。 参考文献：

【1】 柯玉军，苗天德，薛有平 USR法锚杆检测的机理探讨及应用[J]·工程物探,2006.2 【2】 岳向红, 刘明贵, 李 祺锚杆检测技术研究进展[J]·土工基础,2005.3

【3】 朱国维，彭苏萍，王怀秀 高频应力波检测锚固密实状况的试验研究[J]·岩土力学,2002.6

检测根数

根数

274 249 523

238 216 454

百分比 86.9% 86.7% 86.8%

根数 22 23 45

百分比 8.0% 9.2% 8.6%

根数 14 10 24

百分比 5.1% 4.1% 4.6%

80%＞饱和度≥75%

75%＞饱和度≥60%