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1、高速公路锚杆锚固质量无损检测技术研究王军民 陈 华（此篇文章已经发表于：地球物理学进展2004第19卷第4期）(1.长江大学 434023； 2.长江水利委员会长江工程地球物理勘测研究院（武汉）430019)摘 要：采用LX岩土工程质量检测分析仪应用声频应力波法对高速公路路堑边坡锚杆进行无损检测，对各类锚杆的锚固质量检测和分级可行、有效。由于在公路系统锚杆锚固工程锚杆无损检测属首次应用，一些锚杆的锚固体系的无损检测条件不太理想。今后，随着应用的增多，锚杆的设计和施工进一步接近无损检测条件，相信声频应力波法对锚杆锚固质量的无损检测及高速公路的建设会提供更好的质量保障。关键词：锚杆；锚固；无损检测
2、；超磁Research on anchor bar quality nondestructive testing technique on highwayAbstract It is feasible and effective to inspect and classify the quality of anchor reinforcement to the slopes of highway road by the method of stress wave in the section of sound frequency with LX inspecting apparatus of
3、geotechnical engineering without damage. Because of the lack of experiences, the no-damage inspecting conditions of some anchors are not ideal. With the increase of anchor application in highway construction, the inspecting condition will be getting better, so the no-damage anchor inspecting method
4、with stress wave of sound frequency will provide reliable support for the quality of anchor reinforcement to the slopes of highway road.Keywords anchor bar, anchor quality, nondestructive testing, super magnetism0前 言全长粘结砂浆锚杆握裹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。传统的测试方法是抗拔试验，但这种方法并不能完全确定其施工质量。试验表明，对于高强螺纹锚杆
5、，当锚固长度达到锚杆直径的42倍时，握裹力不再随锚杆长度的增加而增加。高速公路锚杆的长径比达到了200500，所以，仅用抗拔力指标来检验施工质量不能反映水泥砂浆的灌注饱满程度。采用声频应力波对锚杆的锚固质量进行无损检测，配合抗拔力试验，进行综合分析，有可能对锚杆的锚固质量作出较全面的评价1。本文结合高速公路路堑边坡整治和边坡加固工程质量检测评价的需要，尝试用声频应力波无损检测技术和抗拔试验方法相结合对工程锚杆锚固质量进行检测，探索了声波锚杆无损检测技术的可行性。1检测原理当工程锚杆构件的尺寸为圆柱体且其直径d远远小于其长度L时，即L>>d，加之锚固体中的弹性波传播速度远大于其围岩（
6、或土体）的波速，所以锚杆可以作为一维杆件的波动理论分析处理。锚杆中传播的一维弹性波波动方程可以表示为： （1）式中， u为截面的纵向位移；x, t为空间、时间坐标； g 为锚杆周围介质的阻尼系数；S、E分别表示锚杆的截面积及锚杆材料的弹性模量；C为锚杆的纵波波速：，r 为锚杆材料的质量密度。在小阻尼情况下，式（1）的解可近似简化为： （2）式中，为衰减因子，w 为无阻尼条件下的圆频率。由式（2）可见，波在传播过程中幅值随传播时间的增加按指数规律衰减；当值不变时，值或 r 值愈小则波幅值随时间衰减愈快。在由锚杆、混凝土砂浆和围岩组成的体系中，由锚杆端部发射的声波经杆体向四周传播，在锚杆与砂浆、砂
7、浆与围岩等界面发生入射、反射和透射。入射波应力为反射波应力与透射波应力之间的关系分别为： （3） （4）式中， Z=rCA为波阻抗，r、C、A分别为介质的密度、声速和截面积。从上述公式及图1可以看出，当杆中某一截面面积或材料性质发生改变时，将在该截面处发生反射和透射，其反射和透射波的大小与截面面积和波阻抗相对变化的程度有关。如图2，与变截面杆相类似，在锚杆体系中锚杆、砂浆、和围岩三者之间浇灌均匀密实时，应力波的能量大部分透射到围岩体中，只有小部分能量反射回来，且反射信号极有规律。当砂浆浇灌不均匀、密实时，在砂浆中出现空穴，在空穴处将出现不同程度的波阻抗变化面。表现在原有的信号中迭加了强度不同的
8、反射信号，或在不应出现反射波处有反射信号，根据反射波位置和反射信号的强弱，就可以确定锚杆锚固质量并为其分级。s i s r s t A1, E1, r 1A2, E2, r 2图1 变截面杆中的入射波s i、反射波s r和透射波s tFig. 1 Incident wave, reflect wave and transmission wave in a section-changed rod围岩砂浆锚杆图2 锚固体系Fig. 2 Anchor system2 检测方法及仪器BS-系列锚杆锚固质量检测仪是“九五”国家科技攻关成果。该仪器由大功率声波发射接收系统、数据采集系统和数据处理软件系统构
9、成。采用新型超磁致伸缩材料发射换能器2, 3，保证每次发射信号的一致性好，发射功率可调节，可适应测量不同长度锚杆的要求。接收换能器结构精致，外形似指头细小，其灵敏度高，接收频带宽。数据采集系统的采样精度为24bit，接收带宽为400Hz10kHz，采样长度为0.5k64k，时间精度最小可达0.1ms，信号采用差分输入，可抑制交流干扰，最多可选4个通道同时进行采集，可运用相关分析办法提取信号特征。自带数据处理系统，能对采集信号进行实时处理，进行频谱分析、数字滤波、微积分处理、能量均衡、波形平滑、指数放大和剔除直流分量等处理功能。数据后处理软件是针对LX-10E锚杆质量检测仪专门开发的配套软件，软
10、件界面友好，操作简洁，功能强大。主要功能有锚杆仪与微机间的数据传输，串行通信；坐标轴填充波形显示、锚杆长度标定；零相位滤波；归一化处理；砂浆饱和度（密实度）的计算；反褶积处理；时频小波多尺度分析；高阶统计量分析等。检测方法有很多种，最常用的检测方法是利用锚杆的螺纹钢外露端，在其端部安放发射装制和接收换能器。因为螺纹钢的介质均匀，速度一定，对检测结果比较简单，且信号比较稳定，这大大提高了检测结果的精度和准确性。从大量实验和模型研究表明，采用LX-10E锚杆质量检测仪检测密实度达95%以上的为优，85%以上为良，70%以上为一般，其余为差。3 声频应力波无损检测技术的应用高速公路路堑边坡整治和边坡
11、加固工程中，锚杆长度为517m，采用LX-10E锚杆质量检测仪配备特殊的检波器和声波震源，在外露钢筋端部进行端发端收的观测。图5 锚固质量为优质的锚杆检测数据曲线Fig. 5 Waveform of an anchor reinforced system with excellent quality图4 锚固质量为优质的锚杆检测数据曲线Fig. 4 Waveform of an anchor reinforced system with excellent quality图3 锚固质量为优质的锚杆检测数据曲线Fig. 3 Waveform of an anchor reinforced sys
12、tem with excellent quality图3图8是我们实测数据和处理结果图，其中每张图上面一个波形为原始实测数据，下面波形为缺陷检测处理结果，圆圈标记为缺陷位置或底端反射，中竖线标定底端反射，即锚杆的长度。图3所示检测波形对应的实际锚杆长度为7m，测量长度为7.07m，饱和度为92.8%。可以看到标定线处底端反射信号，同时可以看到下面波形底端反射也很明显，中间没有异常缺陷反应，说明该锚杆锚固质量很好。图4对应的实际锚杆长度为8.7m，测量长度为8.69m，饱和度为97.2%。可以看到标定线处底端反射信号相位发生反转，但从下面波形可以看到底端反射，中间没有异常缺陷反应，说明该锚杆锚固
13、质量很好。图5对应的实际锚杆长度为8.4m，测量长度为8.34m，饱和度为91.9%，从上面波形看不到明显的底端反射，但从下面波形可以看到底端反射，中间没有异常缺陷反应，说明该锚图7 锚固质量为一般的锚杆检测数据曲线Fig. 7 Waveform of an anchor reinforced system with common quality图6 锚固质量为良好的锚杆检测数据曲线Fig. 6 Waveform of an anchor reinforced system with good quality杆锚固质量很好。图6实际锚杆长度为8.38m，测量长度为8.55m，饱和度为93.6%
14、。从上面波形可以看到标定线处底端反射不明显，并且中间位置存在一个异常；从下面波形可以看到底端反射和缺陷位置，实际缺陷位置为4.7m，与测量结果一致，该锚杆锚固质量良好。图8 锚固质量为一般的锚杆检测数据曲线Fig. 8 Waveform of an anchor reinforced system with common quality图7实际锚杆长度为7.35m，测量长度为7.31m，饱和度为72.7%。从上面波形可以看到信号比较混乱，但从下面波形可以看到缺陷异常在46m之间，实际缺陷位置为5m处，该锚杆锚固质量一般。图8实际锚杆长度为5m，测量长度为5.07m，饱和度为79.0%。从上下两个波形中都可以看到存在三个信号异常，但下面的缺陷检测波形更加直观，第一个异常为缺陷位置，第二个异常为底端反射，第三个异常为第一个异常的二次反射，测量缺陷位置为2.5m，与实际一致，该锚杆锚固质量一般。4 结 论 高速公路高边坡工程中常大量采用锚杆对边坡岩土体进行锚固治理。利用声频应力波可在不同波阻抗界面发生反射的原理，采用特殊的声波发射和接收装置，可以很好地检测锚杆的锚固质量。声频应力波测试技术在高速公路锚杆锚固质量检测中的应用说明，锚杆锚固质量的无损检测不仅可行，而且可以为高速公路边坡加固工程质量提供有效的保障。