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1、锚杆锚固质量声波检测技术的现状分析钟宏伟，胡祥云，熊永红，肖柏勋（中国地质大学地球物理与空间信息学院，武汉 430074） 此篇文章已经发表于：工程地球物理学报第 2 卷第 1 期 摘 要：锚杆锚固技术作为各类地下工程及边坡护理的主要手段，已在交通和水电站建设等工程施工中得 到广泛应用，其锚固质量和运行状况的无损检测已被提到议事日程。声波检测技术是目前主要的锚杆锚固 质量无损检测手段，本文通过对我国锚杆锚固质量声波检测技术的历史回顾和现状分析，指出其理论研究 工作的严重欠缺是当前存在的主要问题。文中还强调了模型实验研究的重要性，并指出理论研究应与模型 实验紧密结合，二者不能偏颇。关键词：锚杆锚
2、固质量；无损检测；声波法Status Quo of Sonic Wave Testing of Rock boltsZHONG Hong-Wei, HU Xiang-Yun, XIONG Yong-Hong, XIAO Bo-Xun（Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan, 430074 China）Abstract: As the primary technique to offer safety and productivity improvements to undergr
3、ound projects, rock bolts have been widely used in the construction of traffic projects and water and electricity stations. The quality of the rock bolts are of great importance and have been paid a lot of attention. Sonic wave techniques are currently the leading methods used for evaluating the con
4、dition of rock bolts. This paper reviewed the history of some sonic wave techniques used for the inspection of rock bolts in China and analyzed their theory and application situations. It is pointed out that the theoretical problem is the primary problem existed in theses techniques. It is also emph
5、asized that laboratory specimens are as important as the theoretical researches in studying these techniques.Key words: Rock Bolts; Non-destructive Testing; Sonic Wave Method1. 引言改革开放以来，我国的基础设施建设发展迅猛，人工隧道和人工高边坡工程大量涌现， 锚杆锚固技术作为各类地下工程（隧道、洞室等）及边坡护理的重要手段，已在水电站、公 路、铁路等工程施工中得到广泛应用，但这些锚杆是否达到了工程设计要求并对工程岩体起
6、到了锚固作用，被锚固的岩体是否处在稳定的运行状态之中等一系列的检定问题并没有得到 很好的解决，因而有人认为高速公路两边的锚杆是高速公路的定时炸弹1。 显见，锚杆锚固 质量的检测工作在锚杆锚固工程中具有十分重要的地位和作用。锚杆锚固技术中，锚杆嵌入岩石中的长度及锚杆与岩石间的砂浆饱和度是评价锚杆能否 发挥其最大效用的关键，因此对这两项技术指标进行评价是锚杆锚固质量检测的主要任务。早期锚杆锚固质量检测工作是测试锚杆的抗拔力。这种机械的方法有很多缺陷：1）是 一种破坏性的检测方法；2）抽检的样本数十分有限，难免以偏概全；3）不能对锚杆的锚固钟宏伟，女，1979 年 12 月生，中国地质大学地球物理与
7、空间信息学院硕士研究生，研究方向为锚杆检测。 质量作充分的肯定（因为当锚固的水泥砂浆长度大于钢制锚杆直径的40 倍或少数石子卡死 锚杆时，即使拉拔到锚杆杆体颈缩也不会使锚固力丧失，这种假象可能会使测试工作得出错 误的结论）；4）不能检测锚杆的实际长度。有鉴于此，拉拔法在工程实践中已逐步被无损的 检测方法所替代。声波法是工程物探界目前普遍采用的锚杆锚固质量的无损检测方法。虽然也有人在利 用电磁波法检测锚杆锚固的质量方面做了一些理论研究工作2,但尚未付诸实施。声波法检 测锚杆长度的理论依据是波在杆中传播的运动学特性（反射回波的垂直双程旅行时）；检测 砂浆饱和度的理论依据是波在杆中传播的动力学特性。
8、具体做法是在锚杆顶端施加一瞬态激 振力，由布设在锚杆顶端的一个传感器接收反射信号，通过对所接收的反射信号进行时域、 频域分析，以获得锚杆的有效锚固长度、砂浆饱和度、工作荷载、极限承载能力等参数，并 据此对锚杆的锚固质量进行评价。如砂浆饱和度的检测问题，理论上认为从锚杆顶部发射的 声频应力波经杆体向四周传播，在锚杆与砂浆、砂浆与围岩的界面会发生反射和透射。当锚 杆、砂浆和围岩三者之间接触紧密时，由于波阻抗差异不大，大部分能量会透射到围岩体中 去，只有小部分能量反射回来。此时传感器所接收到的回波信号的特征应是波形较简单、能 量相对较弱；当砂浆浇灌不密实时，各种导波会集中在杆中传播而很难辐射到杆外的
9、介质中 去，此时波在杆中的传播现象较之灌浆密实的情况要复杂的多，在记录上表现为反射波能量 很强且波形很复杂。实际工作中就是依据这些特征来检定锚杆的锚固质量的。从应用情况看，在工作条件较为理想的情况下一般可获得较为准确的杆长检测结果， 但情况稍一复杂就难免出错；砂浆饱和度的检测目前还离不开工作人员的实际经验，通常是 将观测记录的数据处理成果与检测人员自身的工作经验结合起来，对锚杆的锚固质量所作出 的分析判断。由于其检测结论受人为因素的影响较大，故其准确度较低，往往难于满足实际 工程的要求。实事求是地说，现在人们对运用声波法所测得的砂浆饱和度这一参数还不能予 以充分的信任。毫无疑问，锚杆锚固质量的
10、快速无损检测问题目前已是工程设计、施工和工程物理探 测等专业十分关注的热点问题。但现有的无损检测技术除声波法外，其他方法一时还难以用 于工程实践，而声波法解决锚杆锚固质量检测问题的技术能力目前还很不尽人意，声波检测 法的技术亟待发展。因此，分析锚杆锚固质量声波检测法的技术现状，找出存在问题的根本 所在，并就如何解决这些问题提出一些初浅的看法，这些都是笔者撰写此文的初衷。2. 理论研究现状锚杆锚固质量的声波检测技术的理论问题，可归结为不同边界条件下柱坐标下的波动 方程的求解。原理上讲，在锚杆顶端所接收到的反射信号是施于锚杆顶端的瞬态激振力、锚 杆围岩系统自身的振动特性以及传感器特性等因素的综合反
11、映。但在众多因素中，锚杆围岩 系统自身的振动特性是判断锚杆锚固质量优劣的决定性因素。因此，从理论上研究锚杆锚固 系统在各种激振力作用下的振动特性是很重要的。此外，在运用信号处理手段分析和确定那 些突变点或特征点与锚固质量的对应关系时，无论采用什么手段，都必须以正确的锚杆体系 的理论正演计算为基础。由此可见，对锚杆锚固体系进行理论正演研究，对锚杆锚固质量的 弹性波检测法的信号测试、处理和解释等有着重要的指导意义。但是，由于问题的复杂性，锚杆锚固质量弹性波检测技术的理论研究工作目前进展不 大。现行的理论研究工作基本上都是借鉴“小应变动力测桩技术”的理论：将锚杆视作一维 弹性杆状体建立数学模型，考虑
12、到激振力产生的纵波波长比锚杆半径大得多，因而忽略系统 的横向位移，通过求解包含激振震源作用在内的纵向一维波动方程的解，获得锚杆系统的动 力响应。而对于锚固介质和围岩的影响，现有的理论研究工作者大都是将其作为一个在纵方 向上存在的粘滞摩擦阻力来考虑的3-18。关于锚杆锚固体系一维问题的研究，目前大多数学者把主要精力都集中在围绕着如何更 加合理地处理边界条件、或寻求更精确的算法这类问题进行研究的。如2000 年王成等人将 锚杆在岩体中的一端的边界条件按非线性情况考虑，用摄动法求解线性波动方程，得到了锚 杆体系的动力学方程的近似解5；2002 年杨湖等人利用等效模型的思想将围岩对锚杆的作用 简化为一
13、个线性弹簧和一个与速度有关的阻尼器，建立起锚杆围岩系统在瞬态激振下的一维 阻尼波动方程，并求出了该方程在不同边界条件下的解析解6；2003 年许明等人通过将非齐 次边界条件齐次化的方法，推导了一维非齐次波动方程在有界域情况下的解析解，同时也用 有限元数值方法进行了计算7。简言之，目前锚杆质量弹性波检测的理论正演研究工作可以 归结为一维非齐次阻尼波动方程在不同边界条件和初始条件下的求解。前已述及，锚杆锚固体系下波传播问题是一个三维问题，其理论研究工作应归结为柱坐 标下的波动方程的求解。但是很遗憾，到目前为止国内还没有人开展这方面的研究工作。究 其原因，主要是问题的计算工作太复杂。即使不考虑锚杆杆
14、头的影响和杆的长度有限等问题， 也不可能得到柱状三层固体介质条件下波动方程的解析解。关于这一问题，声波测井领域的很多工作可以借鉴，不过问题存在一定差别。声波测井 技术研究的物理模型从井外只有地层的裸眼井发展到包括钢管、水泥层和各种胶结层的套管 井，其理论研究也涉及柱状多层介质体系的声场计算问题，但与锚杆体系不同的是：声波测 井涉及的柱状多层介质体系的中心是流体，而锚杆体系的中心是固体。众所周知，固体中的 波传播现象比液体要复杂得多。因此，与声波测井理论问题相比，锚杆锚固质量检测的理论 问题要复杂得多 19-32。对于中心为固体圆柱的情况，早期仅限于单个圆柱波导的研究，主要侧重于自由边界波 导中
15、导波的频散分析。而对于在无限均匀固体介质所包围的固体圆柱的弹性波场研究所见不 多。1996 年，陈春雷等人就建筑桩基的弹性波检测问题，对无限均匀介质包围的单个圆柱 形夹塞物的弹性波波场作了理论正演计算，并对此作了频散分析、临界折射纵横波和全波分 析等方面的工作，取得了一些成果33-36 。然而，对于柱状多层介质中的弹性波传播理论问 题的分析计算并未涉及。此外，据国外文献检索，他们在此方面开展的工作也极少，大都是 研究圆柱空壳模型中的波传播理论。即使有个别类似于多层固体圆柱的模型，但其问题的针 对性也不同 37-40。3. 技术及应用现状锚杆锚固质量的声波检测技术包括仪器系统和软件系统两部分，其
16、声波检测的技术水平 深受以上两大系统的制约。目前国内外锚杆锚固质量声波检测仪的硬件系统大同小异，其差 别仅在发射和接收方面。声波源有人工锤击激发和发射器激发两种，人工锤击方式操作方便， 产生的能量要比发射器激发的大。但由于发射器是采用电信号控制发射，故其发射能量的一 致性比人工锤击的要好得多。换言之，采用发射器激发所获得波形得重复性较之于人工锤击 要好得多。发射震源根据材料的不同分为压电陶瓷震源和超磁震源，压电陶瓷震源发射信号 的主频一般较超磁震源得要高，但其激发的能量较之于超磁震源要小得多，超磁震源虽具有 较大的辐射能量，但其发射信号的主频较之于压电陶瓷震源系统要低得多。两种震源各有所 长，前者适于短锚杆的检测，而后者则适于中长锚杆的检测。砂浆饱和度检测的工作最早始于1978年，瑞典的H.F.Thurnerw提出用测超声波能量 损耗的原理来检测锚杆系统的灌注质量，并由 GendynamikAB 公司据此于 1980 年推出了 B
