基于应力波反射法的地铁锚杆无损检测试验研究

司 磊，赵 硕

（1.青岛市市政公用工程建设发展中心，山东 青岛 266500；2.山东科技大学，山东 青岛 266500）

引言

锚杆锚固支护广泛应用于隧道、边坡等领域，是结构初期支护稳定性的重要保障。锚杆锚固效果的检测以破坏性拉拔试验、钻孔取芯、预埋应力计等方法为主，但会影响结构受力，应用受到一定的限制[1]。近年来，基于应力波反射原理的无损检测技术不断发展成熟，结合一维杆波传导理论开发的锚杆无损检测设备也越来越多地应用到工程建设中。采用锚杆锚固质量无损检测技术开展锚固质量普查，辅以破坏性试验进行验证，不仅可以扩大检测范围、有效管控施工质量，还可以通过分析缺陷类型指导施工工艺的优化和提升[2-8]。

锚杆锚固质量无损检测技术已发展多年，研究和工程应用多集中在煤矿巷道中，结合地铁隧道工程建设的特性，通过分析波形能量损耗、振幅特征、相位变化研究复杂围岩条件下的锚杆锚固质量识别技术，为地铁工程中锚杆锚固质量无损检测提供借鉴。

1 基本原理

锚杆锚固体由锚杆、锚固材料两部分组成，在锚固体中传播的应力波波长与锚固体半径之比≥10时，可忽略柱状体的三维效应，将其简化为一维杆模型进行分析。地铁隧道锚杆均在4 m 以上，锚固体半径在0.15～0.20 m之间，检测所用震源产生的纵波波长远大于锚杆半径，因此，可将锚杆锚固体简化为一维杆，将锚固体与围岩的接触简化为摩阻力约束，忽略系统的横向位移，并通过求解纵向波波动方程，判断锚杆系统内部的动力响应。

据应力波一维杆传导理论，应力波由大阻抗介质进入小阻抗介质时，反射波相位不变；应力波由小阻抗介质进入大阻抗介质时，反射波相位反转。锚固体缺陷和锚杆杆底均会造成阻抗变化，因此，应力波在锚杆中传播时，在杆底或锚固缺陷处也会有波形畸变[10]。锚固长度（缺陷深度）可以根据时域图中锚固段起始端反射波和锚固底端（缺陷位置）反射波的时间差进行换算，波速可通过已知长度的锚固体进行标定：

式中：L—锚固长度，m；Vp—锚固体内界面波波速，m/s；t0—锚固段起始端反射时间，s；t1—锚固段底端反射时间，s。

2 模型试验

2.1 试验构件

地铁隧道锚杆通常是以一定的角度倾斜插入围岩，并通过水泥砂浆（强度约15 MPa）进行锚固，锚固长度一般为4～10 m。因此，煤矿巷道等采用的1～2 m水泥锚固体模型不适用于地铁隧道锚杆模型试验。

本研究中锚固体采用Φ75～160 mm PVC管成型，见图1，最小锚固长度4 m。模型制作时，通过垫块固定锚杆杆体，分段浇筑砂浆，并根据需要调整密实度；缺陷设置时，在PVC管上部纵向开槽，并设置封堵，形成无浆液区域。

图1 锚固体模型制作与缺陷设置

2.2 试验方法

在锚杆锚固质量测试中，采集得到的信号为界面波[11]，界面波波速即应力波在锚固体系中的传播速度。因此，在定位缺陷位置时采用的波速为界面波波速。采用双通道冲击回波仪在试件两端设置传感器测定应力波传导波速，测试得出空杆波速约为5 200 m/s，锚固体波速约3 200 m/s。

模型检测方法：（1）在锚杆顶端施加一个瞬态冲击荷载，该荷载在锚杆内激发应力波，应力波在锚固体系内传导时会根据阻抗的变化发生反射、透射、绕射；（2）锚杆顶端的传感器将收集反射波并记录采集试件；（3）应力波的激发与采集装置均位于锚杆顶端，可以将该反射波简化为垂直反射波，通过分析信号的相位、幅值变化判断锚固长度及锚固质量。本研究分别采用手锤、定频震源开展测试。部分典型模型参数见表 1。

表1 典型模型参数

2.3 结果分析

由图2可知，试件a杆底位置波形变化不明显，将相位图中存在相位变化的位置标记，计算点幅值比，幅值比最小处即能量衰减最大处，可近似确定为杆底位置。

图2 试件a时域图及相位图

由图3可知，b试件时域图整体波形近似空杆波形，但其幅值有所变化，证明仍有频散现象；c试件较其它试件的锚固体密度低，时域图中的杆底反射更为明显；d试件缺陷位置处的波形有明显的畸变；e试件杆底反射明显。

图3 试件b～e时域

（1）由图2（a）与图3（a）对比，锚杆与锚固剂的黏结强度对反射波的波形有显著影响，幅值比随着黏结强度的增加而减小，超过一定范围后杆底反射在时域图中表现不明显。（2）由图2（a）、图3（b）、图3（c）三组对比，同一密实度下，应力波波速对锚固砂浆的强度的变化并不敏感，密实度对应力波波速影响较大，随着密实度增大，波速逐渐降低，最终近似于混凝土内的应力波波速，具体关系有待进一步研究分析。（3）由图3（b）、图3（d）对比，模型长度和模型直径变化不会对试验结果产生较大影响，进而证明了应力波反射法的适用性，锚固长度的检测结果的计算值见表3。

表3 锚固长度检测结果

将Φ75 mm、Φ110 mm、Φ160 mm的锚杆锚固体模型进行了对比测试，发现模型直径的变化主要影响激振能量衰减的速度，波形几乎不发生改变，对缺陷和杆底的识别影响较小。

3 结语

（1）经试验论证，当锚杆锚固密度＞90%时，仅根据反射波的时域图分析锚固长度难度较大，结合频域、相位图分析后可以提高准确度，测试的4 m 锚杆长度检测误差在0.7 %以内。（2）锚固体内部存在缺陷时，反射波时域图中振幅变化最为明显，根据振幅变化判断缺陷起点位置具有较高的准确度。（3）在一定范围内，锚固试件模型的直径对检测结果影响较小，小直径模型更有利于模型制作和激振能量控制。（4）锚杆无损检测技术在实际工程应用时，应根据不同的围岩和锚固条件，制作模拟模型标定波速、明确测试有效长度，以此提高检测的准确度。