注浆锚杆完整性检测方法研究_张世平

文章编号：1000－7598 (2011) 11－3368－05

注浆锚杆完整性检测方法研究

张世平，张昌锁，白云龙，韩世勇

（太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024）

摘 要：采用理论分析和实验室测试的方法对锚固锚杆和自由锚杆中的导波传播规律进行了研究，并在频率为20 kHz～ 3 MHz范围内对锚固锚杆和自由锚杆波的传播速度进行了测试，发现锚固锚杆内不同频率的导波传播速度对锚固介质具有不同的敏感性。低频率段（20～200 kHz）的导波传播速度对锚杆锚固质量较为敏感，自由锚杆和锚固锚杆中导波的传播速度相差较大，适合于检测锚杆的锚固质量。高频率段（1～3 MHz）的导波传播速度对锚杆锚固质量不敏感，导波的传播速度基本不变，适合于锚杆完整性检测。探索了利用高频段多频率导波检测锚固锚杆长度的方法。实验室检测结果显示，本检测方法具有很高的精度。

关 键 词：注浆质量；锚杆完整性；无损检测；导波 中图分类号：TU 475 文献标识码：A

Research on method for detecting integrity of grouted rock bolts

ZHANG Shi-ping，ZHANG Chang-suo，BAI Yun-long，HAN Shi-yong

（College of Mining Technology, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China）

Abstract: The law of guided wave propagation in grouted and free rock bolts is studied by theoretic analysis and laboratory testing method. The wave propagation velocity in grouted rock bolt and free bolt within 20 kHz-3 MHz is tested in laboratory respectively. The and research shows that the different frequencies have different sensitivities to grout quality. Low frequency (20 kHz-200 kHz) guided wave changes its velocity greatly with grout quality; and high frequency (1-3 MHz) doesn’t change. So low frequency (20 kHz-200 kHz) which has high sensitivity to grout quality can be used to test grout quality and high frequency (1-3 MHz) whose velocity doesn’t change with grout quality can be used to test integrity of rock bolt. The laboratory test results show that the method has very good accuracy; and a method for testing grouted length of rock bolt is proposed. Key words: grout quality; rock bolt integrity; nondestructive testing; guided wave

1 引 言

锚杆作为支护体系的一个重要组成部分，广泛地应用于地下巷道及边坡围岩的加固与支护中。在这些工程应用中，根据围岩的性质以及服务特点采用全长锚固锚杆、部分锚固锚杆以及端锚式锚杆对围岩及边坡进行加固。但锚杆的工作环境非常恶劣，经常受到富含各种化学成分的地下水腐蚀以及邻近区域采矿扰动等的影响，会导致锚固锚杆的锈蚀甚至断裂。除此之外，某些施工方在施工中为谋取不正当的利益偷工减料，缩短锚杆长度，从而使锚杆承载强度达不到设计标准，给岩土工程造成潜在的事故隐患。这几种原因造成的锚固锚杆完整性及锚

固质量的改变都具有很强的隐蔽性，常规检测方法无能为力，因此，非常有必要探讨简便实用的锚固锚杆完整性与锚固质量的无损检测方法。

无损检测方法检测锚固锚杆的完整性基本上都是采用回波法得到锚杆端部的反射波形，然后利用波在锚固锚杆中的传播速度计算锚杆长度及缺陷位置。然而由于波在锚固锚杆中传播的复杂性使得该问题的解决并不完善。在锚固锚杆中传播的波是一个与锚杆和锚固介质以及围岩性质相关的导波，不同频率、不同模式的波在锚杆中传播速度与衰减程度不同[1

－3]

。Beard等[4]应用超声导波方法对锚固

锚杆的完整性无损检测进行了初步的试验与理论 分析，但还未见到现场使用的相关报导。何存富

收稿日期：2010-03-09

资助项目：国家自然科学基金(No. 50774054)；山西省留学基金(No. 2008-34)。

第一作者简介：张世平，男，1959年生，副教授，主要从事锚杆无损检测及爆破理论及应用方面的相关研究工作。E-mail: zhangshiping@tyut.edu.cn

3369第11期 张世平等：注浆锚杆完整性检测方法研究

等[5

－7]

在该问题的理论与应用上取得了非常好的进锚杆中可以存在很多纵向模态导波，不同频率的波在自由锚杆中的传播速度不同。由于波的传播速度与频率具有非常强的相关性，而实际测试中并不可能激发单一频率的波，因此，能在杆中传播的波只是图1中频散曲线中的极值点。由于不同极值点的传播速度不同，在测试波的时域图上就形成了不同的波包。对于锚固锚杆来说，锚固锚杆的实际结构与能够采用理论分析的结构差别较大，而且受到锚固质量的影响造成理论计算的频散曲线与现场测试曲线的差别较大，这给指导现场测试带来了困难。因此，在本研究中主要采用试验测试方法分析锚固锚杆中的导波传播规律。

展，并申请了两项发明专利。文献[8]公开了一种检测埋置于不同介质中锚杆长度的方法，并利用文献[9]所述的锚杆长度超声检测仪，描述了一种锚固锚杆长度检测方法。从这些公开文献看，检测中所使用的仪器较为庞大笨重，必须使用外接交流电源，而且不是通用仪器。同时检测过程也较为复杂，不适合作为一种现场常规的检测手段。由于检测中所使用的仪器并不全是通用仪器，检测过程也较为复杂，这给现场推广应用作为常规检测手段带来了一定的困难。因此，非常有必要探索更为简单有效的锚固锚杆完整性检测方法。

2 理论分析

导波在材料中的传播、衰减特性依赖于材料特

性、结构、形状和波的频率。对于自由锚杆来说，由于其结构简单能够得到波在其内传播的解析解，沿自由锚杆轴向传播的导波按位移分量的特点有3种不同模态：纵向模态、扭转模态和弯曲模态。纵向模态导波是以只存在径向和轴向位移分量为特征的轴对称波；扭转模态超声导波的位移都在垂直于轴的截面上，而且绕轴转动；弯曲模态超声导波的位移分量与极角θ有关。在锚杆检测研究中所用的激发波一般采用较易耦合的纵向导波模态，而不采用扭转模态和弯曲模态。自由锚杆中纵向导波模态的频率方程已经于1973年由Pochhammer[10]导出： 2p2

(q+k2)J1(pa)J1(qa)?(q2?k2)2J0(pa)J1(qa)?a

4k2pqJ1(pa)J0(qa)=0

（1）

其中 ：

p=q=

22

Vgt /(m/ms) f/(MHz)

图1 直径为20 mm的自由锚杆群速度

Vgt与频率f之间的关系

Fig.1 Group velocity dispersion curves for a perfectly

elastic, 20 mm diameter free rock bolt

3 试验研究

试验测试系统如图2、3所示。低频率段采用 图2所示的试验装置，由任意波形发生器产生所需要的波形，输入固定在锚固结构一端的传感器，然后在锚固结构的另一端用另一个传感器接收波形。试验中采用的传感器是灵敏度比较高的声发射传感器。这种系统的特点是可以根据锚固结构改变输入波的频率与波形，同时输入与输出不互相影响。缺点是与实际使用中的锚杆测试条件有偏差，但在研究锚固结构的导波传播特性方面有很大的优势。高频率段采用如图3所示的试验装置，笔记本电脑中的程序控制脉冲发射接收仪（超声卡）并记录波形。超声卡发射的波为方波，发射波的周期数和频率可以通过程序控制。该系统的优点是激发电压高 （300 V），激发信号频带宽（25～12 MHz），可适合采用多种频率传感器进行检测，同时单传感器也符合现场锚杆测试的基本要求。其缺点是只能够激发出一种矩形窗方波信号，且输出信号在周期数较

ω2

2

cL

ω2

2cT

ω=2πf

ωk=

c

??k2?

??2

?k ?

? （2）

?????

式中：k为波数；ω为圆频率；f为频率；a为自由锚杆圆柱体波导的半径；J0和J1为第1类贝塞耳函数；c为杆中的波速；cL和cT分别为纵波和横波波速。自由锚杆中的群速度Vgt和频率f的关系可 以用数值方法解Pochhammer方程得到，如图1所示。

从图1中可以看到，在0～4 MHz范围内自由

3370 岩 土 力 学 2011年

少时有一定的畸变，因此，在传感器中产生的波频率范围较广，给信号识别带来一定困难，但同时也具有一定的优越性。由于实际工程中使用的锚杆直径基本介于16～24 mm之间，从自由锚杆的频散方程可知，锚杆中导波的传播速度、衰减特性与导波的频率和锚杆直径之间的乘积相关。因此，频率跨度宽意味着可以检测的锚杆直径跨度也大。

速度/(m/s) 6 0005 0004 0003 0002 0000204060自由锚杆 锚固锚杆 80 100 120 140160 180200频率/kHz

图4 低频段（20～200 kHz）自由锚杆和

锚固锚杆中的导波传播速度

Fig.4 Comparison of wave velocities in free and grouted

rock bolts within low frequency (20-200 kHz)

从图4可以看出，低频段锚固锚杆和自由锚杆的速度差别比较大，基本趋势是随着频率增大速度的差别减小。由此可以推知，低频率段的导波传播速度对锚固质量敏感，因此，可以用低频率的导波速度变化测试锚杆的锚固质量。

图2 可控电激振双传感器试验系统图

Fig.2 Sketch of experimental instrumentations

with double transducers

采用如图3所示的实验装置对锚固锚杆和自由锚杆中导波的传播速度进行了高频率段（0.7～ 3 MHz）的频率扫描。测试结果如图5所示。由于传感器的限制，没有进行200～700 kHz范围内的频率扫描。

6 0005 5005 0004 5004 0003 5003 0000.00.51.01.5 2.0 2.5 3.0频率/MHz 3.5自由锚杆 锚固锚杆速度/(m/s)

图3 单传感器检测装置示意图

Fig.3 Sketch of experimental instrumentations

with single transducer

图5 高频段（0.7～3 MHz）自由锚杆和

锚固锚杆中的导波传播速度

Fig.5 Comparison of wave velocities in free and grouted

rock bolts within high frequency (0.7-3 MHz)

从图5可以看出，随着导波频率增加自由锚杆

4 导波传播特性 中的导波速度与锚固锚杆中的导波速度差别进一步

减小，在1～3 MHz范围内这两个速度基本相同。

采用如图2所示的试验装置对锚固锚杆和自由

这说明1～3 MHz范围内的导波传播速度与锚杆锚

锚杆中导波的传播速度进行了低频率段（20～

固介质的特性没有关系，因此，该频率范围内的导

200 kHz）的频率扫描。自由锚杆和锚固锚杆的直径

波适合用于检测锚固锚杆完整性。

均为20 mm，材料为建筑用普通圆钢，长度为2.0 m。现场使用的锚杆种类非常多，本试验中采用工程中常用的砂浆锚杆进行研究，作为近似统一用砂浆模拟围岩。实际上锚固介质、围岩力学性质以及模型尺寸的变化仅对导波的传播特征有影响，并不会对该测试方法有影响。因此锚固锚杆采用混凝土砂浆全长锚固。考虑到实验室条件，砂浆直径选为200 mm。砂浆的水灰比为0.5。测试结果如图4所示。

5 锚固锚杆完整性的检测

由图5的测试可知，锚固锚杆和自由锚杆中导

波的传播速度相同，无论是部分锚固锚杆、端锚锚杆、全长锚固锚杆以及锚杆锚固质量发生变化都不会影响该频率段内导波在锚杆内的传播速度。因此，该频率段的导波完全适合检测锚固锚杆的完整性。采用如图3所示的试验装置对自由锚杆和锚固锚

3371第11期 张世平等：注浆锚杆完整性检测方法研究

杆分别进行了测试，选择传感器的激发频率为

2.25 MHz，实测波形如图6、7所示。

从图6可以看出，在0.55～0.65 ms的范围内锚

电压/V 0.80.60.40.20.0-0.2-0.4-0.6-0.86.86.97.07.17.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.77.8时间/(104 s) -杆的端部反射波形，端部反射波形的位置与锚杆的长度有关。但是仅依靠锚固锚杆的端部反射位置确定锚固锚杆长度还有一些不确定因素，一方面发射波的起始位置无法准确确定，另一方面端面反射波是一个多模式的波，不同模式的中心频率不同，到达时间也不同。从端面反射的放大图（图8、9）可以清楚地看出，端面反射是由很多模式组成的，不同模式的波在锚固锚杆内的传播速度不同。

图9 锚固锚杆端面反射波放大图

Fig.9 End reflection of a grouted rock bolt

为了消除发射波和不同模式波波速差异在锚固锚杆完整性检测中带来的误差，可以用已知长度的自由锚杆检测结果进行校正。取与被测锚固锚杆直径、材料、形状相同的自由锚杆，记录其长度为L0（1.8 m），采用如图3所示的检测装置，选择脉冲发射的频率为传感器的中心频率2.25 MHz，采用分

图6 自由锚杆实测波形

Fig.6 Time trace recorded for a free rock bolt

段快速傅里叶变化（FFT）分析自由锚杆第1个端面回波，得到不同模式导波的占优频率及到达时间，如表1所示；采用同样的方法检测分析锚固锚杆的端面回波，如表2所示。

表1 自由锚杆端面回波数据

Table 1 Arrival time of different frequencies

in a free rock bolt

频率/MHz 1.75 1.85 1.95 2.05

到达时刻/μs

672.6 667.2 661.4 655.8

频率/MHz 2.15 2.29 2.48 2.73

到达时刻/μs

650.2 644.6 639.2 633.4

图7 锚固锚杆实测波形全图

Fig.7 Time trace recorded for a grouted rock bolt

表2 锚固锚杆端面回波数据

Table 2 Arrival time of different frequencies

in a grouted rock bolt

频率/MHz 1.78 1.89 2.00 2.09

到达时刻/μs

750.0 743.6 738.0 732.8

频率/MHz 2.18 2.30 2.43 2.58

到达时刻/μs

726.8 722.0 716.0 710.4

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2-0.4-0.6-0.8-1.06.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 7.07.1时间/(104 s) -电压/V

由于FFT的算法误差和读数误差，表1、2的频率数据不可能完全相同，因此从表1、2中分别选择频率值相差最小的一个数据f1与f2，即f1～f2相差最小的两个频率值，从表中得到它们分别对应

的到达时刻T1与T2。可以根据下式计算锚固锚杆的长度L：

图8 自由锚杆端面反射波放大图

Fig.8 End reflection of a free rock bolt

3372 岩 土 力 学 2011年

L1.8

L=T2×0=722×=2.01 m （3）

T1644.6这与实际锚固锚杆长度（2.0 m）的误差很小，测试误差仅为0.5%。与相关文献所述的检测方法相比本方法具有以下优点：

（1）由于超声传感器产生的波是一个多频率的波，能够把工程中经常使用的直径16～24 mm锚杆的测试频率全部包含在内，无需进行复杂的频率扫描检测。因此，测试过程简单，测试误差小。 （2）检测装置只有2 kg，且不需要外接电源，因此，检测装置简单、轻便、实用。

（3）本方法所用装置的零部件都是商品化的通用仪器、元件，因此，更适合现场推广使用。

[3] MADENGA V, ZOU D H, ZHANG C. Effects of curing

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征研究[J]. 岩土力学, 2007, 28(12): 2570－2578. ZHANG Shi-ping, ZHANG Chang-suo, WANG Cheng, et al. Study on wave propagation characteristic of rock bolt grouted structure[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(12): 2570－2578.

[5] 何存富, 孙雅欣, 吴斌, 等. 超声导波技术在埋地锚杆

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6 结 论

（1）锚固锚杆内传播的波是一个导波，不同频率具有不同传播速度。

（2）锚固锚杆内的不同频率的导波传播速度对

锚固介质具有不同的敏感性。低频率段（20～ [6] 何存富, 孙雅欣, 吴斌, 等. 高频纵向导波在钢杆中传

200 kHz）的导波传播速度对锚杆锚固质量较为敏播特性的研究[J]. 力学学报, 2007, 39(4): 538－544. 感，自由锚杆和锚固锚杆中导波的传播速度相差较大。高频率段（1～3 MHz）的导波传播速度对锚杆锚固质量不敏感，自由锚杆和锚固锚杆中导波的传播速度基本不变。

（3）低频率段的导波适合用于检测锚杆锚固质量，高频率段的导波可以用来检测锚杆的完整性。 （4）采用本文所述方法可以准确、方便地检测锚固锚杆的长度。

参 考 文 献

[1] BEARD M D. Guided wave inspection of embedded

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[2] 张昌锁, 李义, 赵阳升, 等. 锚杆锚固质量无损检测中

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