彈性波法對錨桿錨固質量檢測的工程應用

■孫 巍，吳金國，郭 亮 ■江西省建筑材料工業科學研究設計院，江西 南昌 330001

鐵路工程中的隧道建設和邊坡支護需要應用大量的錨桿來加強巖體的安全性，錨桿錨固質量的好壞直接影響隧道和邊坡的安全狀態和耐久性［1］。錨桿實際上是由錨桿桿體本身、巖體、注漿材料構成的一個復合體，桿身的有效錨固長度和注漿密實度效果是評價該復合體質量的重要指標。傳統的拉拔力檢測方法設備笨重、效率較低、對巖體有擾動，彈性波作為一種高效率、無擾動的一種無損檢測手段對錨桿錨固質量檢測是非常有意義的。本文通過實驗室試驗和工程實例對彈性波檢測錨桿長度和注漿密實度進行了一些分析和探索。

1 基本檢測原理

1.1 錨桿長度檢測原理

通過在錨桿露出端激振產生瞬時彈性波，彈性波到達錨桿底部，因錨桿與周圍環境存在機械阻抗，彈性波產生反射，反射波可以通過錨桿激振端設置的傳感器捕捉。通過分析軟件，在時域波形上，可以看到彈性波的激振時間和反射波的達到時間，從而可以確定錨桿長度，即(C為彈性波在錨桿桿體的傳播速度)。時域波形也通過傅里葉變換可以轉化到頻域上，在頻域上頻率最低，幅值最大為反射波頻率，也可以確定錨桿長度，即L=C/2f。

這里需要指出，上述方法的應用必須要求可以得到明確的反射波信號。所以錨桿長度的檢測準確度跟反射波的提取和雜波的過濾有密切關系。

瞬態彈性波在桿端底部傳播情況可見圖1-1:

圖1-1 變化的機械阻抗面發生的反射和通過

這里，v1↓，v1↑表示彈性波在單元1 中運動速度(入射和反射)，v2↓表示彈性波在單元2 的運動速度。

此外，反射波和透過波的大小用振幅率來表示。

通過上述分析，我們可以看到彈性波在反射和透過上具有下面一些性質。

(1)若機械阻抗相同(z1=z2)，不會產生波動;

(2)若機械阻抗相差越多，振幅反射率也會越大。在實際錨桿檢測中，軟弱土層中錨桿彈性波反射信號比堅硬巖石中錨桿來的更為明顯;

(3)當機械阻抗(z1＜z2)時，反射波和入射波具有同相位;當機械阻抗(z1＜z2)時，反射波和入射波具有反向相位。因此，在錨桿檢測中，桿底端是一般土層、松散巖體或者混凝土時，彈性波反射信號與激振信號是同向，而桿底端是堅硬巖石，彈性波反射信號與激振信號是反向的。

圖1-2 錨桿灌漿缺陷示意圖

1.2 錨桿注漿密實度檢測原理

在錨桿全長范圍內，若存在注漿不密實區域，錨桿與所注漿體之間的機械阻抗會發生變化，其界面也會產生彈性波發射，通過其反射波信號位置可以確定注漿不密實區域，根據反射波信號強弱可以確定注漿密實度情況。一般來說，錨桿全長范圍內反射波越多，說明注漿不密實區域越多，注漿密實度較低;反射波強度越大，注漿密實度也較低。另外，通過桿底反射波的幅值大小可以判斷注漿密實度情況。彈性波在錨桿中傳播時，其能量隨錨桿長度增加逐漸減弱，若注漿密實，彈性波較容易從錨桿與注漿截面逸散，到達桿底部能量會減弱，從時域波形中可以看到底部反射波幅值較小。反之，注漿不密實，彈性波在錨桿與注漿截面處不易逸散，底部反射波能量較強，反射波幅值較大。

其中，桿底反射信號振幅大小可按下式表示［2］:

其中，AB:桿底反射信號的振幅、A0:基準點的振幅

η1:因幾何衰減造成的振幅比

η2:因材料粘性衰減造成的振幅比

圖1-3 基于反射的原理

η3:因反射衰減造成的振幅比

其中，幾何衰減和反射衰減是最主要的能量衰減。

由于上述分析均建立在時域波形上，因此錨桿系統本身的材料、長度、周圍介質都會影響反射信號的獲得，如何提取到高質量的反射信號將是關鍵。

2 試驗研究

在實驗室中，我們對5 米和9 米兩種長度的錨桿進行了無注漿情況下的長度檢測。我們采用了國產“SBA-HTF 錨索(桿)灌漿密實度檢測儀”進行數據采集分析。

選擇錨桿一段為激振端，在距離該端5 公分錨桿位置處設置傳感器，利用激振錐激發彈性波。示意圖如2-1:

圖2-1 錨桿測試示意圖

每個錨桿在端頭激振10 次，數據采集10 次，每次得到一個長度數據。相應的頻譜分析圖如2-2:

圖2-2 錨桿長度頻譜分析圖

圖2-3 錨桿檢測長度與測試次數關系

從測試結果我們可以看到:(1)測試長度值與設計長度值誤差基本都在0.5%以內，檢測精度很高，說明彈性波檢測方法是有效的。(2)每次測試長度值波動不大，說明本檢測設備可靠性很高。(3)兩種長度錨桿測試誤差均很小，說明檢測方法適用性很好。

3 實際工程

在滬昆高鐵長昆段本人參與了部分隧道圍巖和邊坡支護錨桿錨固質量的抽檢工作，利用“SBA-HTF 錨索(桿)灌漿密實度檢測儀”對所抽檢的錨桿進行了長度和注漿密實度的數據采集和分析。通過采集的波形圖和最終的分析對比，檢測效果到達了預期的效果。下面為三個不同注漿效果的錨桿檢測情況，結合波形圖做了相應分析。

表3-1 長昆段典型錨桿長度及密實度檢測表

從長度檢測方面來看，無論是長錨桿還是短錨桿，誤差絕對值均在1%以內。可以說，利用彈性波檢測錨桿長度是完全適用的，滿足實際工程需要。

圖3-1 Mg-1 時域波形圖

從灌漿密實度方面來看，Mg-1 時域波形圖上反映激振信號衰減有規律，并且速度很快，說明激振彈性波能量逸散很快很多，錨桿周邊注漿很密實。同時，全長范圍內的時域波形上沒有明顯的反射信號存在，也表明了周邊注漿很密實。另外，從桿底反射來看，反射彈性波幅值比前面出現的激振波形幅值都要小，說明彈性波經過桿身傳播過來，由于能量衰減很多，到達底部能量已經很少，進一步證明了錨桿注漿是很密實的。通過我們的分析軟件，也可以看出灌漿密實度指數達到了93.4%。

圖3-2 Mg-2 時域波形圖

Mg-2 時域波形圖上看出，激振信號衰減并不很有規律，在桿身前段衰減比較明顯，在桿身中后端衰減速度降低，說明桿身中段往后注漿不是較密實，彈性波能量逸散不快。在中后段反射波出現較多但幅值不大，說明注漿小缺陷較多。通過桿底反射也可以看到，桿底反射較明顯，信號能量比桿身中后段反射能量和激振信號能量都要大，說明激振彈性波經過桿身傳播后，相當一部分能量沒有通過周邊介質逃逸走，進一步證明了注漿并不太密實。通過分析軟件，得到灌漿密實度指數為72%，與波形圖反映的情況是一致的。

圖3-3 Mg-3 時域波形圖

Mg-3 時域波形圖上可以看到，激振信號衰減層次性較差，大部分桿身段彈性波激振信號較均勻，信號能量逸散不多，同時桿身段出現較多反射波形，說明注漿小缺陷存在較多，注漿情況很不理想。桿底發射波幅值明顯超過前面激振信號幅值和發射信號幅值，說明大部分激振信號都傳播到桿底，在桿底產生了能量很大的反射，進一步說明了注漿情況相當不理想。通過分析軟件，得到了灌漿密實度指數為53.5%，說明該錨桿注漿存在很大問題。

4 結論

通過室內試驗和實際工程實踐，我們可以知道彈性波檢測錨桿長度和灌漿密實度是完全可行的。在錨桿長度檢測方面，檢測精度完全可以滿足實際工程需要;灌漿密實度的判定可以通過彈性波采集的時域圖形進行分析判斷。當然，實際工程上錨桿本身形式多樣，所處環境復雜，如何準確的判定各種類型各種環境下錨桿的錨固性能將是后續研究的一個重點。

［1］程良奎，劉啟深.巖土錨固工程技術的應用與發展［M］.北京:北京萬國學術出版社，1996.

［2］吳佳曄，張高強.沖擊彈性波激勵殘留信號的消除及反射信號的抽取技術［P］中華人民共和國發明專利ZL200910082851.4.