锚杆锚固质量检测技术研究现状

孙 冰 郭闪闪 曾 晟 郑绪涛

(1.南华大学城市建设学院，湖南 衡阳 421001；2.南华大学核资源工程学院，湖南 衡阳 421001)

锚杆锚固质量检测技术研究现状

孙 冰1郭闪闪1曾 晟2郑绪涛1

(1.南华大学城市建设学院，湖南 衡阳 421001；2.南华大学核资源工程学院，湖南 衡阳 421001)

随着锚杆锚固技术在工程中的广泛应用，因现场施工锚固质量检测手段原因造成的事故与经济损失也越来越多，因此锚固质量检测新理论和新技术的研究成为目前迫切需要解决的问题。从锚杆传统拉拔检测技术的破坏机制、影响因素和数值模拟研究3个方面对锚杆锚固质量检测技术研究现状进行全面的阐述。从室内试验及现场试验、数值方法、应力波反射法和信号的处理及智能评估等方面全面分析和总结了无损检测技术的研究和应用现状。最后从锚杆无损检测技术目前存在的问题出发，提出了多种检测手段相结合的新技术研究、多种影响因素叠加效应的研究、智能评价系统的构建等将是未来锚杆无损检测技术的发展方向。

岩土工程 锚杆 锚固质量 无损检测技术 智能评估

因锚杆支护经济、高效，在岩土锚固工程中占有重要地位。目前，在铁路、公路、矿山及水工隧道工程中得到广泛的应用。但是，在工程中的众多锚杆，其锚固质量如何，锚杆的长度是否与设计一致，其长度砂浆是否饱满等问题对于岩土工程锚固效果来说显得十分重要。同时由于施工工艺及作业环境等诸多因素也对锚固效果产生影响。因此对锚固工程的损伤识别、质量诊断以及实时监测和补强等问题受到岩土界广泛关注。

锚杆加固多为隐蔽工程，受力情况复杂。因此在锚杆锚固质量检测时，某一因素的变化将导致测试信号的变化，使其测试结果的理论分析非常困难。许多学者通过理论分析和试验研究取得了大量的成果，但仍不能满足实际工程需要，且工程应用中还存在许多问题，如锚杆无损检测中应力波传播规律不明确，锚杆周围非线性阻尼对应力波传播的影响，底端反射难确定等[1]。本文从锚杆拉拔检测的破坏机制、影响拉拔力的因素和拉拔检测数值模拟3个方面综述了锚杆锚固质量检测技术中的传统的拉拔检测技术；阐述了锚杆无损检测研究中常用的试验方法、数值方法、应力波反射法和信号处理及智能评估技术，指出锚杆锚固质量检测中存在的问题；提出了锚杆无损检测技术的发展趋势。

1 锚杆传统拉拔检测技术

锚杆拉拔是一种检测锚杆质量的传统方法，由于实际工况的复杂及锚杆锚固方式的多样性，锚杆工作时的应力变化及锚杆失效时的破坏形态会出现很大的差异[2]。其检测过程是通过对锚杆外露端加载，通过顶端的力-位移曲线判定锚杆的质量。其不可避免地对锚杆本身造成影响，甚至失效。

因锚杆类型及锚杆周围工况的复杂，使不同类型的锚杆拉拔破坏机制出现较大的差别。王祥秋等[3]指出扩孔锚固的扩大头的直径与锚固介质的强度是影响承载力的主要因素。然而在非扩体黏结式锚杆中，在一定的荷载作用下，端部界面黏结力达到极限，由于界面黏滑特性，使锚杆剪切应力重新分布，引起荷载向里端传递，使里端锚固体损伤劣化加剧[4]。由此可以看出扩体锚固主要依靠扩大头承载，非扩体锚固主要依靠侧摩阻力承载。

锚杆的工作环境相对比较复杂，所以确定影响锚杆拉拔力的因素十分重要。尹延春等[5-6]通过对锚固体应力分布演化规律及其影响因素的研究，得出锚杆长度、锚固介质的强度及性质、钢筋与锚固介质黏结界面、锚固介质与周围岩体界面和岩石抗压强度对锚杆拉拔力影响较大。在短锚杆中，适当地增加锚杆长度、锚固介质强度和采用螺纹钢能较大地提高拉拔力。

锚杆的拉拔检测是破坏性检测，锚杆失效主要是由于锚杆拉拔力大于锚固界面的剪应力，而界面剪应力的影响因素很多，使得其大小很难估计。锚杆的轴力和锚固介质界面剪应力的大小受锚固剂的弹性模量影响很大，所以在进行传统的拉拔检测时，要求锚杆锚固段的浆体强度达到15 MPa才能进行[7]，在进行锚杆拉拔试验时，其拉拔力大小主要是由锚杆、锚固介质和围岩等因素共同决定的，锚杆与锚固介质之间的界面的粗糙程度直接影响锚杆拉拔力的大小，钻孔孔壁的光滑有助于提高拉拔力的大小，否则检测到的数据会大大降低。

锚杆拉拔检测中，锚杆质量判断及承载力的预测所需要的锚杆的内部应力分布及发展规律可以通过数值模拟研究得到。许德、张凯等[8-9]从锚固段受力连续性出发，运用界面切应力重分布假设，通过数值模拟分析了改变砂浆层尺寸、强度、围压、锚杆直径对锚杆的最大拉拔力产生影响，而且在网格划分中网格对锚杆的极限拉拔力没有影响，但对计算时间和精度有影响。江文武等[10]通过锚杆受力变化规律的数值模拟，得到锚固剂与锚杆的变形规律一致，数值模拟结果与实际检测结果情况相符合。

传统拉拔检测技术主要是对完整锚杆的锚固质量检测，而对于缺陷锚杆的应力分布、破坏机制、缺陷形式对锚杆拉拔力的影响等还有待深入研究。

2 锚杆无损检测方法

锚杆无损检测技术具有容易操作、检测效率高、比传统的拉拔试验测定的锚固力更加可靠等优点，故该技术已经在锚杆锚固质量检测中得到广泛应用。目前，锚杆无损检测的常用方法主要有试验方法、数值方法、应力波反射法、信号处理和智能评估技术等。

2.1 试验方法

在应力波无损检测研究中，很多专家学者通过试验研究不断探索锚杆锚固质量无损检测的新方法。王猛等[11]通过理论推导和现场试验对锚杆进行弹性波无损检测，分析发射信号可以得到锚杆的锚固长度、固结波速、工作荷载和自由端长度等参数，并运用这些参数初步评价了锚杆的锚固质量。张圣国等[12]通过现场锚杆无损检测试验，得到检测结果与拉拔试验结果基本一致。作者所在课题组运用低应变发射法检测了不同锚固介质与不同围岩中锚杆的锚固质量，得到了应力波在锚固系统中的传播速度介于自由锚杆和锚固介质材料之间，锚杆介质材料和锚固系统中的应力波波速随强度和龄期对称分布并呈指数关系变化[13]。

锚杆无损检测原理主要借用于桩基无损检测技术，但由于锚杆本身的特点，其与桩基检测有较大的差异，且检测技术发展不完善，所以有待进一步深入研究。锚杆长度及缺陷的位置是重要的质量评定参数，对锚杆检测信号进行小波分析，可以得到缺陷或锚杆底端反射信号的时间，然后根据底端信号反射时间判断缺陷具体的位置。由于混凝土离散性较大，波速又无有效的量化手段，使锚杆无损检测技术受到一定的约束。此外，试验研究中大多未考虑荷载的影响，而锚杆在实际的安装使用过程中或多或少地存在荷载，所以实验室得所得到的参数及其变化与实际工况依然存在较大差别。

2.2 数值方法

应力波无损检测数值模拟的方法基本原理是通过动力瞬态激振，使锚杆弹性振动，通过振动响应分析来推断锚杆的缺陷，在力学上表现为给定扰动源的信息及边界、初始条件，建立描述介质运动的支配方程，并通过求解其动力响应。通常归结为双曲型或双曲-扩散型方程的初值或初值-边值问题[14-15]。曾鼎华等[16]研究了锚杆横向振动随激振力和锚杆长度的变化，建立了横向动力响应的理论模型及其半解析公式，得出杆横向振动对高频信号衰减快、低频信号衰减慢的结论。

波动方程的数值解表明，在锚杆内部缺陷的探测中，可用声速、幅值、波形等参数作为判断的依据，理论模型和数值计算结果能较准确地反映锚固锚杆的振动特性和弹性波的传播规律，若再加上在缺陷处的频谱畸变参数，则可使判断更为可靠。

如何通过信号分析确定锚杆的损伤程度是确定锚杆锚固质量的又一难题。虽然遗传算法原理简单、结果可靠、精度高、计算速度快，已在土木工程得到广泛应用，但在锚杆中的动力参数反演算法研究中较少。根据已有的研究表明运用遗传算法对锚杆系统动力参数进行反演是可行的，但是对于损伤锚杆系统，当损伤数量增加时，反演参数也会随之增加，导致遗传反演算法的速度减慢，进度降低。

数值模拟的优势在于结果直观，各参数的影响通过调试模型直接表现出来。锚固质量检测模型中锚杆的应力波速一般选取复合材料的应力波速，但是不同龄期波速的同步性差异较大，未考虑龄期及荷载对波速的影响，会使模拟结果与现实工况有一定的偏差。

2.3 应力波反射法

反射波原理或电磁感应理论是锚杆无损检测基本原理，检测手段有超声波法[17]、超声导波法、天线法等。然而大量运用于工程实践的是反射波法[18]，相对传统的拉拔检测法，反射波法具有快速、方便等特点。在桩基无损检测中，反射波法已经比较成熟，与桩基相比锚杆更符合一维应力波理论，但它们之间仍有明显的差异[19]，如锚杆测试信号中的低频成分会被弯曲振动严重污染且不同位置反射波相隔时间较短，相对而言提取的桩基测试信号中反射波信息有可能在某一中间频率下得到较为理想的波形。

在反射波法检测中，真正的差异在于检测时的声波发射、接收及分析系统。上世纪80年代初，瑞典的H.F.Thurner 提出用超声波来检测锚固质量，并由Gendynamik AB公司研制了锚杆质量检测仪[20]。由于超声波衰减快，所测锚杆不能太长，同时由于用检测结果来评定锚杆质量时采用的反射波波幅是单一参数，评定结果很难满足实际工程需要。

近年来，超声导波已应用锚杆锚固质量检测[21-25]：M.D.Beard等人通过对信号相速率、能量速率、衰减系数的频散曲线分析，得到在高频和低频时最为理想的超声波激振频率，并且研制了专门的激振传感器。Dalhousie大学和太原理工大学研究了频率和锚固长度对锚杆中导向超声波的影响并对锚杆中的超声导波进行了数值模拟分析，初步得到了导波的衰减特性、传播特性及影响衰减的传播因素。通过对导波数值模拟[26]，得出了最优高低频激发值，根据反射波和入射波幅值之间的关系，可通过导波在锚固锚杆中传播时的衰减系数对锚固质量进行评价。

当然，并非所有的导波都能运用于锚杆质量检测，如扭转导波，由于扭转导波在锚杆锚固段的衰减值较大，无法在锚杆顶端采集到锚杆底端反射回波信号，所以扭转导波不适用于锚杆长度的检测。

2.4 信号处理及智能评估

锚杆无损检测的另一难点是底端反射信号的显示。锚杆自由段的长度、锚固长度及波长都直接影响锚杆底端反射显现规律。杨天春等[27]基于相位推算法对采集信号进行傅里叶变换和数字滤波后将主频信号作为初始值，再根据相位的变化规律来判断反射信号。该方法能定性分析锚杆是否存在缺陷及其位置，但不能定量确定缺陷的长度和锚杆锚固质量对锚杆损伤的程度，因此无法满足实际工程的需要。

随着现代信号处理技术的发展，小波分析在处理检测的原始信号分解时具有独特的优势[28]。小波变换就是对原来的不规则信号分解为多个不同频率、波形比较规则的信号来获得较为准确全面的评定参数。通过对采集的原始信号进行多级分解、消噪，然后进行重构，从而获得基频、幅值比等参数。锚杆原始信号只有加速度或速度幅值与时间的曲线，虽然能判断锚杆锚固质量[29]，但其可用信息较少且不明显。然而如果参数选取不当，则会影响分析结果，如消噪阈值的设定过高有可能消去部分可用信号，过低又达不到消噪效果等。

原始信号进行小波分析后，再通过神经网络技术[30]建立锚杆锚固质量智能化评价方法。该方法的主要思路为先建立锚杆系统样本库，采用数值模拟获得各样本的杆顶动态测试信号；再利用小波技术取得的特征向量作为输入向量，利用广义回归神经网络识别锚杆的刚度因子；最后通过样本对所建立的神经网络进行训练，经过训练的神经网络能较好地识别锚杆刚度因子，建立锚杆锚固质量智能化评价方法。

3 锚固质量检测技术的发展趋势

随着锚杆支护技术在各工程领域的广泛应用，锚固质量的检测技术也日新月异，但单一检测技术的应用和推广都有一定的局限性，部分检测水平还没有特别成熟。目前，随着现代数学、力学、计算机的发展，多种检测手段相结合的方法将是未来的发展方向。

3.1 多种检测手段相结合的新测试技术

随着锚杆锚固质量检测技术的发展，无损检测技术和传统检测技术的互相结合将成为未来的发展趋势之一。多种检测手段相结合的测试技术的应用，可以有效避免使用单一方法的局限性，如拉拔法属于破坏性检测，只能用于个别锚杆的抽样检测，而取芯法主要靠目测法对芯样进行评判，具有一定的主观性；无损检测中超声波衰减较快，而声频应力波相位又受锚固介质影响较大，难以准确判定锚杆动刚度和极限承载力。因此，为了准确定位锚杆缺陷和预判锚杆承载力，提高检测效率和精度，研制多功能一体化的检测设备也迫在眉睫。

此外，相位突变与小波分解技术相结合的方法已经在工程检测中应用。随着新的测试理论的深入研究，大量的学者把其运用到锚杆检测中来，如超声导波检测技术等。多种检测技术的综合应用将会产生相互干扰，这仍需进行理论研究和试验验证。

3.2 多种影响因素叠加效应的研究

围岩、工作荷载、龄期、地应力等因素直接影响锚杆锚固质量，同时这些因素也构成了支护系统所处的复杂工作环境，故锚杆的锚固质量检测不能只考虑单一影响因素，应综合考虑节理岩体、巷道开挖、预应力、龄期等众多因素的共同作用。对于多因素的影响可以运用新的检测技术和仿真模拟相结合的方法对各因素的叠加效应进行研究，建立各因素组合的影响权重关系，为今后的锚杆锚固质量检测技术发展提供好的检测思路，从而使检测结果更贴近工程实际。

3.3 建立智能评价系统

为了较好地评价锚固质量和描述锚杆工作状态，减少人为因素的影响，使测试的结果更有说服力，锚固质量评价系统的建立十分重要。以Matlab为基础平台的信号分析系统、神经网络、灰色理论等智能评价方法，已在工程领域得到了广泛的应用。这种智能评价系统的建立提高了分析精度，使评价结果更接近工程实际。

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(责任编辑 石海林)

ResearchStatusofDetectionTechnologyforBoltAnchoringQuality

Sun Bing1Guo Shanshan1Zeng Sheng2Zheng Xutao1

(1.InstituteofUrbanConstruction，UniversityofSouthChina，Hengyang421001，China;2.SchoolofNuclearResourcesEngineering，UniversityofSouthChina，Hengyang421001，China)

With the wide application of bolt anchorage technology in the engineering，more and more engineering accidents and economic losses caused by the detecting technique for anchoring quality occurs.So the research of new theory and technology for anchoring quality testing becomes the problem that urgently needs to solve.A comprehensive description for the research status of the bolt anchoring quality detection technology is made from three aspects”,that is the research about the failure mechanism，influence factors and the numerical simulation of the traditional bolt drawing detection technology.The comprehensive analysis and summarization of the current research and application status of the nondestructive testing technology are given from the laboratory experiment and field test，numerical method，the stress wave reflection method，the signal processing technology to the intelligent evaluation.Finally，according to the present problems of the anchor nondestructive testing technology，proposing that a new technology that combine a variety of detection means，the superimposed effect research of influential factors and the construction of intelligent evaluation system will be the future development direction of anchor nondestructive testing technology.

Geotechnical engineering，Anchor bolt，Anchoring quality，Nondestructive testing technology，Intelligent evaluation

2014-09-27

国家自然科学基金项目(编号：51204098)，湖南省自然科学基金项目(编号：11JJ6045)，南华大学“十二五”科技创新团队项目(编号：2012NHCXTD12)。

孙 冰(1979—)，女，副教授，博士，硕士研究生导师。

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1001-1250(2014)-12-008-05