锚杆锚固质量声波检测技术的现状分析2

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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，

17、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 Boltometer Version 锚杆质量检测仪。但该方法存在激发条件苛刻和衰减快的缺点，且其 检测结果仍为锚杆的抗拔力。1987 年，中国铁道部科学研究院铁建所提出用声波能量对比 的方法，即用反射波能量比值来评价砂浆饱和度。1999 年，长江工程地球物理勘探研究院 （武汉）15在三峡工程永久船闸，利用能量对比法对高强锚杆的砂浆饱和度评价做了大量实 验工

18、作。2003 年，长江科学院岩基研究所42在清江水布垭工程，利用声频应力波法检测锚 杆施工质量，提出用幅值对比法进行砂浆饱和度评价。但从现场检测结果看，定量评价误差 还比较大，效果都不理想。可以说，目前砂浆饱和度检测仍处于定性评价阶段，如何确切地 进行定量评价还需做大量的研究工作。锚杆长度的检测看来十分简单，但有时锚杆底端的反射信号往往被其他信号所淹目，有 效信号难以识别，这导致了这一看似简单的问题常常会出错。针对这一问题，不少单位和个 人在信号处理方面做了卓有成效的工作。2002 年，大连理工大学42利用小波分析检测锚杆 的长度及缺陷，提取实测信号所包含的对应于缺陷部位的应力波反射特征信息，

19、再现了反射 波信号在时间轴上的规律性，消除了由实测信号直接读取存在的潜在错误。2004 年长江工 程地球物理勘测研究院（武汉）43利用瞬时谱分析方法判断锚杆检测信号的反射特征，实测 效果较好。1999 年，南京大学、淮南工业学院44利用 BP 网络分析进行锚固质量评价，分析结果与 拉拔试验的评价结果较吻合。由于锚杆锚固质量检测技术是最近几年发展起来的一门新技术，故其反演成像工作目前 在国内外还没有开展。4. 存在的问题当前锚杆锚固质量的声波检测法存在的问题很多，有理论方面的问题，也有仪器及信 号处理与反演成像等方面的问题。笔者认为，在所有的问题中，理论方面的问题是最关键的 也是最突出的。目前锚

20、杆锚固质量声波检测技术不能满足工程实践的需要的最根本的原因就 是其理论研究工作的欠缺。到目前为止，锚杆锚固体系中波的传播规律还没有真正弄清楚， 如何激发有利于锚杆锚固质量检测的某些模式波以及有效波的识别和提取等问题也没有得 到较好的解决，因而多数的锚杆锚固质量检测人员在实际工作中可能都是在凭经验办事，在 进行砂浆饱和度检测时更是如此。前已述及，当前的波传播理论研究工作是对一维非齐次波动方程在不同边界条件和初始 条件下的求解。这样做虽然减少了数学计算上的麻烦，但其研究成果对指导锚杆检测仪器系 统的设计和有效波的利用等方面的工作意义不大。将锚杆锚固质量检测问题视为一维问题处 理，其实质是只考虑波在

21、锚杆中的纵向传播，而忽略了锚杆以外介质的影响。显然，这种类 似于桩基检测的处理办法是欠妥的。因为锚杆检测不同于桩基检测：桩基检测所关心的是基 桩自身缺陷存在与否的问题，由于其与周围介质的关系不大，因而在一定的条件下可以近似 为一维杆件的波动问题；而锚杆检测所关心的是锚杆与周围介质（水泥环和地层）的耦合情 况，是一个柱状多层体系下的弹性动力学问题，故不能将其简单地视为一维问题来处理。除理论方面的问题外，检测仪器系统及软件方面的问题也不能忽视。但比较起来，仪器 系统方面的问题要小得多。在电子技术及计算机技术飞速发展的今天，制造一台性能优良的锚杆锚固质量检测的数 据采集系统是轻而易举的事情。因此，检

22、测仪器的问题主要集中表现在发射和接收系统方面。 与其他物理探测方法一样，锚杆锚固质量检测技术同样要求其收发系统具有宽频带、短余振、 高灵敏度、大动态范围等特性。因此，虽然这一问题存在于锚杆锚固质量检测领域，但并不 是其独有的问题。且这些问题在一定程度上可以通过软件解决，故不应是锚杆锚固质量检测 领域关注的重点问题。软件的问题都是由于理论研究工作的欠缺而导致的。目前虽然开发了诸如时频分析、小 波分析、高阶统计量分析、瞬时频谱分析等处理软件，但由于缺乏理论指导，故其工作具有 一定的盲目性。严格地讲，锚杆锚固质量声波检测的处理软件开发工作应在其正演结果的指 导下进行，至少应在理论上弄清了各种导波的频

23、散特性以后进行。因此，现今的软件开发工 作距离实际要求还相差甚远。5. 当前亟待解决的问题及设想根据以上分析，笔者认为当前锚杆锚固质量声波检测技术亟待解决的问题是理论研究 和处理与成像软件开发两方面问题。要解决好锚杆锚固系统下波传播特性的理论正演问题，必须在柱状多层弹性介质模型条 件下求解波动方程，计算各种导波的频散特性，找出有利于检测缺陷的模式波。这一工作的 意义十分重大，我们可以据此确定发射系统的最佳工作频段，以激发有利缺陷检测的模式波， 尽可能地避免激发出那些不利与缺陷检测的模式波。与此同时，利用正演结果开发处理与成 像软件，有针对性地提取有效信号并除去杂波，然后再利用联合时频分析等技术

24、进行处理和 成像，这样做可能会收到好的效果。勿庸置疑，理论正演工作难度很大。因此，这一工作可能需要模型实验的配合。前已述 及，即使不考虑锚杆杆头的影响，假设杆长为无限长，其计算工作也很困难。采用有限差分 方法虽然可以计算全波波形，但如果没有模型实验测得的波形进行比较，则分析工作无从做 起；从理论上分析各种模式波的工作目前可能还只能在砂浆饱和的模型条件下进行，砂浆不 饱和模型条件下的导波分析难度太大，估计不会取得令人满意的结果。必须指出，模型实验是解决锚杆锚固质量声波检测的不可缺少的一个环节。模型实验的 结果一方面可以检验理论正演结果的正确性，另一方面还可以补救理论研究工作的不足。更 有益者，当

25、模型实验的工作量大到一定程度时，我们可以建立起标准图库，利用模式识别和 神经网络技术来处理解释实测资料，这种办法也是解决锚杆锚固质量无损检测的一种途径。 总之，模型实验会给锚杆锚固质量的无损检测工作带来很多好处。5.结语目前工程物探领域中锚杆锚固质量弹性波检测技术研究十分活跃，这充分表明了其在工 程检测中的作用、地位和应用前景。文中对锚杆锚固质量弹性波检测理论研究方面的现状分 析和认识是粗浅的，所提出的研究思路难免谬误，本文的目的是希望能在同行中起到抛砖引 玉的作用，我们真诚地希望能与同行们一起探讨，共同提高，并请读者诸君不吝赐教。参考文献：1 曾宪明,雷志梁,张文巾.关于锚杆“定时炸弹”问题

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