声频应力波法在工程锚杆无损检测上的研究与应用

声频应力波法在工程锚杆无损检测上的研究与应用摘要：在护边坡与隧洞施工中，若围岩质量较差，往往采用大量锚杆的锚固支护方案。但护边坡与隧洞围岩的锚固属隐蔽工程，锚杆支护效果的评价一直是工程中迫切需要解决的技术问题。本文采用声波检测仪与声波发射震源，应用声频应力波的反射工作原理，对水利水电建设中的护边坡与隧洞锚杆锚固质量进行了无损检测试验研究，并对方法的可行性进行了探讨。结果表明，声频应力波法对工程锚杆锚固质量的无损检测是可行有效的,丰富了锚杆锚固质量检测手段，为水利水电工程建设提供更好的质量保障。关键词：锚杆；无损检测；声频应力波；可行性ResearchOnApplicationOfAudioFrequencyStressWaveToNondestructiveDetectionOfEngineeringAnchorBarsQualityShuaiXiao-qiang(ShangHaiXingPuEngineeringExplorationCorp.LtAbstract：Manyshoringprojectsofanchorbarareadoptedinslopeandtubeengineeringifwallrockisbad.Buttheshoringofslopeandtubesrockisanengineeringofconcealment,Theeffectsappraisementonqualityofanchorbaristoughtechnologyproblemallthetimes,Inthispaper,Theinstrumentofsoundwaveandepicentreofwavetransmitionareadopted,applyingthetheoryofreflectionofaudio-frequencystresswavemethod,Whichteststheanchoringqualityofanchorbarinslopeandtubeofwaterconservancyandwaterelectricitybymeansofnondestructivedetection,Probingintothefeasibilityofthismethod.Theresultsshowsthataudio-frequencystresswavetonondestructivedetectionofengineeranchorbarsqualityiseffectiveandfeasible,Enrichingdetectionmeansofanchoringqualityofanchorbar，Anditprovidesreliablesupportforthequalityofconstructionofwaterconservancyandwaterelectricity.Keywords：anchorbar;nondestructivedetection;audio-frequencystresswave;feasibility中图分类号：U455文献标识码：A文章编号：1前言在水利水电工程的堤坝、边坡、隧洞的建设过程中经常需要大量采用喷锚支护技术，锚杆的施工质量的好坏直接影响着洞室或边坡的安全。然而锚杆的施工属于隐蔽工程，它的有效长度、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。传统的测试方法是用抗拔力来检验,但这种方法并不能完全确定其施工质量。试验证明,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，工程锚杆的长与直径比有时达到了200500,仅用抗拔力来检验施工质量是不完善的，因此,必须采用声频应力波对锚杆的锚固质量进行无损检测和抗拔力试验,才能对锚杆的锚固质量进行很好地分析和评价。工程锚杆主要有锚固型、摩擦型及全长粘结型锚杆三种，锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）要求对锚固型和摩擦型锚杆须进行一定数量的原位抗拔试验，以检验锚杆的抗拔力，同时应对锚杆检查砂浆密实度，且注浆密实度大于75%为合格。因此，在水利水电工程中何检验锚固型锚杆的有效锚固长度及注浆密实度是值得我们研究和完善的迫切课题。2检测方法的基本原理2.1工作原理在护边坡上与隧洞内的锚杆、混凝土砂浆和围岩组成的三合一系统中，密实状态下的锚固剂凝固后,在锚杆孔中，其与锚杆杆体紧密握裹，可近似为一个组合杆件。又因锚杆与锚固剂的强度明显大于护边坡与遂洞的围岩，故可把其密实组合体近似看作为嵌入围岩的一维杆状体。当工程的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,则此锚杆完全可以作为弹性波中的一维杆件理论分析处理。由锚杆端部发射的声频应力波经杆体向里传播,当遇到存在波阻抗差异的界面（如空洞、锚杆与砂浆等界面），将发生反射、透射或散射。在实际工程中透射波不易测得，但反射波可在其传至锚杆顶时，通过固定在锚杆顶部的传感器(加速度型或速度型)测得，由于反射波携带锚固系统内的信息，将其放大、滤波和数据处理，识别来自不同部位的反射信息根据这些反射信息，结合其他工程资料，可判断锚固系统不同部位的质量类别。2.2方法分析原理在一维弹性杆件体系中，应力波法是基于一维杆件的波动理论，应力波从一种介质向另一种介质传播时，根据波在锚杆中传播的一维波动方程及波在上、下界面处质点位移的连续条件和力的平衡条件，得出计算公式：波阻抗比；反射系数式中Z=VcA；:杆件材料密度（kg/m3）；Vc:杆件中应力波传播速度（m/s）；A:杆件的横截面积（m2），r:反射波应力t:透射波应力1）当锚固系统沿锚杆轴向某处波阻抗Z减小，即Z1Z2，则F0，此时反射波相位与入射波相位相同。2）当锚固系统沿锚杆轴向某处波阻抗Z增大，即Z1从上式与图1(a)可以看出，在变截面杆的顶端施加一个初始扰动时，就产生应力波并沿杆体传播杆中某一截面面积或材料性质发生改变时,入射波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。与变截面杆相类似,在锚杆体系中如图1(b),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