1、锚杆无损检测第一章绪论岩土工程锚固技术，是以喷锚支护为主要技术措施，在岩土体的利用、整治和改造中，有效控制岩土体的稳定性，使之具有服务功能的加固技术的总称，在世界各地的岩土工程中得到了广泛的应用。1.1 岩土锚固技术的发展状况在岩土工程中采用锚固技术，能够充分挖掘岩土能量，调用岩土的自身强度和自承能力，大大减轻结构的自重，节约工程材料，取得显著的经济效果并确保施工安全与工程稳定，因而迅速地得到大范围的推广应用。1872，首批锚杆在英国北威尔士的一家板岩采石场中投入使用，美国于 1911 年开始用岩石锚杆支护矿山巷道，1918 年西利西安矿山开始使用锚索支护，1934 年阿尔及利亚的舍尔法坝加高
2、工程使用预应力锚杆，1957 年西德 Buac;公司在深基坑中使用土层锚杆。目前，国外各类岩石锚杆己达 600 余种，每年的使用量达.25 亿根。日本土锚的用量已比三年前增加了 5 倍。西德、奥地利的地下开挖工程，已把锚杆作为施工中的重要手段，无论硬土层或软土层，几乎没有不使用锚杆的。我国岩石锚杆起始于 50 年代后期，当时有京西矿务局安滩煤矿、河北龙烟铁矿、湖南湘潭锰矿等单位使用楔缝式锚杆支护矿山巷道。进入 60 年代，我国开始在矿山巷道、铁路隧道及边坡整治工程中大量应用普通砂浆锚杆与喷射混凝土支护。1964 年，梅山水库的坝基加固采用了预应力锚索。70 年代，北京国际信托大厦等基坑工程采用
3、土层锚杆维护。在全国煤矿中，1996 年锚杆支护率己达 29.1%。近 10 年来，北京王府饭店、京城大厦、上海太平洋饭店等一大批深基坑工程以及云南温湾电站边坡整治、吉林丰满电站大坝加固和上海龙华污水处理厂沉淀池抗浮工程等相继大规模地采用预应力锚杆。举世瞩目的三峡工程双线五级永久船闸的高边坡及薄衬砌墙稳定加固中，预应力锚索和全长粘结锚杆起了主要作用。1.2 锚杆检测技术的发展锚杆锚固工程不但具有复杂性，还具有高度的隐蔽性，发现质量问题难，事故处理更难。因此锚杆检测工作是整个锚固工程中不可缺少的环节，只有提高锚杆监测工作的质量和监测评定结果的可靠性，才能真正地确保锚固工程的质量与安全。1978
4、年，瑞典的 H.EThume;提出用超声波检测砂浆锚杆锚固质量的方法，并试制了Bultmer 检测仪。该方法主要有两个问题: 一是采用超声波衰减严重，只能对短锚杆，而且锚固介质单一的锚杆适用;二是对锚杆端头要求苛刻，即在现场要对锚杆端头重新机械加工打磨平整，压电晶体才能将超声波发射祸合进入杆体。上世纪 80 年代末，美国矿业局研制了一种顶板锚杆粘结力测定仪。它也是根据发射和接收超声波的原理来设计的。同时，我国铁道科学院曾在仿效瑞典所用方法的基础上做了一定的改进，研制了 M 一7 锚杆检测仪，改用能量相对一致的机械式撞击方式激振，增大了有效检测长度。武汉创新高科技公司生产的 LX 一 10E 型
5、锚杆检测仪，主要用于边坡工程中的锚杆锚固质量检测，并且需要和拉拔力测试的结果结合起来，进行综合分析。汪明武等人通过模型试验，分析了声频应力波在锚固体系中的反射相位特征和能量衰减变化规律，探讨了测定锚固力的无损拉拔试验，并将成果应用到实际工程中。焦作工学院的吕绍林教授等人提出将声波在锚固系统中的能量特征与相位特征相结合的方法来综合评价锚杆锚固质量，其依据是锚固系统中锚固缺陷存在时，声波在缺陷处不仅有能量变化，而且有相位突变。近年来，山西太原理工大学的李义教授等人利用应力波反射法，通过分段截取找出了锚杆底端反射的显现与否与锚杆自由段长度、波长之间的定量关系，不仅在理论上，而且通过实验室模拟试验，验
6、证了锚固段内波速要发生变化，提出固结波速的概念，并且验证了其速度范围介于锚杆杆体波速和锚固介质波速之间。朱国维等人针对煤矿井下常用锚杆的类型及其锚固状况，设计制作了相似的物理模型，并且研制了一种弹射式加速度检波器，以便在锚杆端头激发并接收高频应力波。重庆大学的许明等人将岩石声波测试技术应用到锚杆的无损检测中，通过测定锚杆的振动响应来估计和判断锚杆的锚固质量，将小波分析和神经网络等信号分析技术应用到较复杂检测信号的分析中。英国伦敦大学的 M.D.Baedr 博十等人利用导向超声波来对锚杆进行检测，通过对信号相速率、能量速率、衰减系数的频散曲线进行分析，并综合考虑了围岩岩石模量、环氧层模量及厚度、
7、锚固质量等因素对测试结果的影响，得到了在高频和低频时最为理想的超声波激振频率，且研制了专门的激振传感器。在低频时，宜采用 40kHz 脉冲进行检测;在高频时，ZMHz 是一个比较理想的激振频率。在实际中，采用高频和低频相结合的方法，且通常只能对 3.Om 以内的锚杆进行检测。在锚杆检测技术的工程应用方而，许多单位和个人也做了大量的研究工作，如长江科学研究院岩基研究所的江人翼、中南助查设计研究院的邹钢、国家电力公司贵阳勘测设计研究院的许煌东等人，他们结合工程的实际情况，制作了大量的模型锚杆，通过模型试验，进行了大量的现场试验研究，对现有的一些检测方法进行了改进，总结出了一套在实际工程中行之有效的
8、经验，并且提出了一些问题，为锚杆检测技术研究的迅速发展起到了巨大的推动作用。1.3 锚杆无损检测研究的发展现状及问题的提出对锚杆荷载变化进行长期或短期观测，可采用按机械、液压、振动、电气和光弹原理制作的各种不同类型的测力计。但这些测力计一般需要预埋，受电磁场干扰大，在潮湿、温差大的条件下灵敏度大大降低，更不能适应在偏载和爆破震动、坍落岩石的冲击下长期正常工作;对于工程界广泛使用的未预埋测力计的锚杆，过去没有可靠的监测设备，其张拉荷载是靠张拉千斤顶的活塞面积和油泵压力换算的，至于锁定后锚固力大小和在长期运行中的变化情况就无法评价;现场拉拔实验通过测定锚杆静荷载一位移曲线来确定锚杆极限承载力，这种
9、方法无疑是既直观又可靠的，但要测出完整的荷载一位移曲线，不仅要花费很长的时间和耗资相当大，而且为了获得准确的极限承载力，必须进行破坏性试验，所以检测面小，这样就难以言其代表性了。将无损检测技术应用于锚杆、锚固质量的检测始于二十世纪八十年代，并在近年来得到了较快的发展。如 80 年代，瑞典曾推出超声波反射法检测砂浆锚杆的锚固状态的商品化检测仪器;90 年代，美国矿业管理局开发出能检测锚杆应变和长度的超声波仪器，但它无法评价锚杆的施工质量。超声波方法的缺陷是衰减过快，对于长锚杆的检测是无能为力的，且激发条件苛刻又不能作出定量化评价。为了得到比较好的超声波信号，锚头必须磨平，故现场不适用;80 年代
10、末，国内铁科院与地矿部技术方法研究所协作研制出声波反射波检测仪并进行了技术鉴定。淮南矿业学院王鹤龄等提出了用振幅比及能量衰减系数来衡量锚杆的锚固质量;太原理工大学爆破所采用波的时域、频域分析来检测锚杆的锚固质量，提出了表征锚杆锚固质量的六个参数: 有效锚固长度、幅值比、衰减系数、动刚度、基频、频率比。但由于锚杆底端反射的不确定性，检测数据的分析处理与解释方法的滞后，使得这些方法在工程实践中的应用受到了一定限制;此外，还出现机械式扭力矩测力计的方法，但其精度可靠性低且是破损性的。郭世明 1995 年至 1998 年在大朝山水电站采用应力波法对近千根锚杆进行了质量检测。通过在测试中的对比研究，取得
11、一定的效果，说明采用应力波法对锚杆质量进行检测是可行的。锚杆长度检测采用应力反射波法进行测定，该方法的基本理论依据为一维杆件的弹性应力波反射理论。在锚杆顶部激发弹性应力波，当弹性应力波传播到锚杆底部时由于锚杆和锚杆底部的岩石存在波阻抗差异，将产生反射波回到锚杆顶。根据反射波的走时和锚杆中的应力波传播速度就可以确定出锚杆长度。应力波在坚硬完整的介质中传播速度大，衰减速度快，而在松散及不完整介质中应力波的传播速度小，衰减速度慢。因此可以利用应力波的这一传播特性来判断注浆饱和度情况。对于注浆饱满的，硅和岩石的藕合性好，可看成完整的介质，因此应力波的波形规则衰减快，近于指数衰减;对于注浆饱满程度差的，
12、则硅和岩石间的藕合性差，可看成松散不完整的介质，应力波的波形杂乱，衰减慢。根据不同方向、不同部位击震的应力波衰减曲线就可以对注浆饱和度作出判断。对于锚杆注浆饱和度检测，目前该方法只能给出定性或半定量的质量评价，且主观性较大，更精确的定量判断还有待进一步的试验研究。汪明武利用声频应力波来快速普查检测锚杆锚固质量及预测锚固力的无损拉拔试验方法，研究表明，由于锚固体系广义波阻抗的变化，激发的声频应力波在波阻抗界面处发生界面效应，产生反射波和透射波，应力波能量重新分配，介质质点间内摩擦也导致能量向其他形式转化，此外，反射波的相位特征及能量衰减规律反映了锚杆的锚固状态和侧阻力分布状态，且应力波能量吸收系
13、数与锚固段长度有如下关系:式中:a 为能量吸收系数( 奈培/m) ，; 为应力波在锚固段中传播距离(m)，A，为应力波第 i次反射的反射波振幅。检测工作的核心之一是锚固段长度的测定，工作关键是系统参数的合理设定。根据不同的。值和反射波相位特征，可得出锚杆锚固状态检测分级标准。通过现场锚杆拉拔试验可知，锚杆锚固体系的拉拔曲线在锚固体系临破坏前有明显的变化，若自动跟踪绘制拉拔曲线形态和拉拔系数的变化特征，来判断锚杆受力是否达到临界破坏，并用拉拔曲线转折前后曲线割线交点预测锚固力，可达到既测定锚杆锚固力，又不损坏锚杆锚固力。现场实测拉拔曲线可能呈现出复杂的变化规律，因为影响锚固力的因素多且复杂，锚固
14、体系破坏方式又多样的原因。实测位移除锚固体系的弹性和塑性变形外，还有锚杆垫板的变形和压入松散岩面的位移，以及杆体与锚固介质、锚固介质对孔壁围岩的相对位移等。故无损拉拔测定的锚杆锚固力与实际锚固力及破损性拉拔测定锚固力存在差别，这是该法需完善和改进的方面。综上所述，虽然国内外学者对锚杆无损检测方法、锚杆的使用寿命、岩土介质超声波测试技术以及应力波检测理论进行了大量工作，并且在岩土工程及地质工程中进行了多年的实践，但是，对于锚杆锚固系统的声学特性与原理、声波资料的处理技术、锚固系统健康状态的评价等等，还是尚未解决的问题，最能反映锚杆施工质量水平的灌浆密实度、应力幅度、锚杆的长期稳定性也一直缺乏必要
15、而有效的检测方法，这就阻碍了声波测试技术在岩土工程领域的更广泛的应用。第二章锚杆无损检测的理论基础2.1 锚杆锚固的力学基础2.1.1 锚杆的结构及分类锚杆通常由锚头、自由锚杆段和固定锚杆段三部分组成。锚头位于锚杆的外露端，通过它最终实现对锚杆施加预应力，并将锚固力传给结构物。自由锚杆段即锚杆固定段顶端以上至结构物间的锚索部分，其上没有拉力传递至周围土层，这可通过在锚索周围安置无摩擦的套管实现。这些导管也起着防止锚杆自由段腐蚀的作用。自由锚杆长度通过考虑包括锚杆在内的地层“块”的总体稳定而确定。通常利用自由锚杆段弹性变形的特性，在锚固过程中对锚杆施加预应力。固定锚杆段即离结构物最远的锚索部分，
16、通过该段将所承受拉力传递给周围土层。固定锚杆( 锚固体) 长度通常由锚杆极限锚固力、锚杆设计轴向拉力、安全系数、锚固体结构尺寸以及锚固体表面与周围岩土体间的粘结强度等因素确定。由于锚杆可能锚固在条件显著不同的地层内，故研制出许多采用不同锚索，不同钻孔方法和不同灌浆程序的锚杆装置借以实现上述目的。锚杆装置有三种基本的类型(特殊类型的锚杆除外，例如，用于海洋或临时房屋的锚杆)，这三类锚杆图示说明于图 2 一 1。第一种类型锚杆由一种圆柱形孔眼构成，孔眼采用灌浆或其它固定剂充填，这取决于所需传递荷载的大小，岩石材料通常选用这种类型。第二类锚杆为扩大的圆柱体，该扩大圆柱体由在控制的高压下使灌浆液注入到
17、钻孔周围侧壁而形成，适用于粘性土和非粘性土。第三类锚杆是一种采用特殊挖凿装置在固定锚杆段长度方向一处或几处位置扩孔形成带有扩孔锥的圆柱体。锚杆的应用范围在扩大，各种锚杆传递的荷载也在增加，然而，埋设于岩土介质中的锚杆和加工它们所用的材料，常常没有变化。这样，就需知道荷载系统如何用锚杆分配给岩上介质。2.1.2 荷载从锚杆转移到灌浆体的力学机理虽然锚杆和围绕它的灌浆柱之间的结合强度还研究得很不够，但由于灌浆与周围地层的结合处常常更危险，相对来说较少注意锚杆的前一个特性。理想化的机理应是:锚杆钢筋上有微观粗糙度或肋纹，灌浆围绕锚杆充满这些皱曲而形成灌浆柱。灌浆体与锚杆钢筋表面发生复杂的化学相互作用
18、，一旦承受荷载，它们之间的结合(胶着) 作用就得以发挥，但在一定的相对位移下，有效的化学胶着就遭破坏，锚杆与侧限灌浆之间的阻抗力就由摩擦作用产生，增大钢锚杆表面的粗糙性，由此产生的机械咬合作用使得一部分灌浆的剪切强度增大。锚杆与灌浆交界面单元上的强度一变形特性类似于钢桩。由于锚杆是相当长的弹性构件，相对于灌浆的锚杆位移量是沿着它的长度变化的。在位移很小的地方，摩阻力的变化主要是化学胶着力作用，在工作荷载下，这种情况发生在靠近锚固长度的下端。在锚固长度的上端，由于锚杆的弹性伸长，相对位移较大，将产生摩擦或许还有机械咬合效应。在产生摩擦型阻力的地方，它的值取决于灌浆柱提供的限制程度。若灌浆出现压碎
19、和屈服，则相对于灌浆柱的锚杆位移将会大得多。沿锚杆长度的结合应力分布，取决于一些复杂的和尚未完全了解的因素。一般说来，随着施加荷载的增加，结合应力的最大值移向锚杆的下端，以渐进方式发生滑动并改变着结合应力的分布。随着锚杆内施加荷载的增加，沿锚固长度以类似于摩擦桩的方式转移结合应力。当锚固区内锚索发挥了最大结合粘着力时，就要发生相对于灌浆柱的锚杆滑动，随着进一步的滑动，进而发挥摩擦阻力。锚固长度必须使发挥的结合应力平均值有足够的储备，以保证锚杆与灌浆交界面不发生结合破坏。为了发挥结合应力，需要一定的转送长度来转移锚杆中的荷载于灌浆脚。2.1.3 灌浆与钻孔壁结合的力学机理如长度为 L 直径为 d
20、 的一个圆柱形锚固区，平均工作结合应力为 T，则锚杆荷载 P假定灌浆体与钻孔壁的交界面上不存在局部剥离，则灌浆与地层的交界面上由剪切产生破坏;于是在锚固的整个交界面上均匀分布着结合应力。事实上并非如此，这些理想的假定不适用。地层钻成锚杆孔时，安装锚杆，灌浆以及施加锚杆荷载，相邻地面经受到一种很复杂的加载过程，相继出现的锚杆性能无疑地就与这个加载过程有关。一般来说，锚杆孔的粗糙度，岩土介质的强度控制着破坏面，同时亦受在紧靠锚杆孔附近的施工工作引起地层的改变的影响。打孔首先引起应力释放和机械的扰动，在灌浆阶段更要出现很复杂的应力变化。在灌浆凝结期间，液体由灌浆向周围地层以及由地层向凝固了的灌浆体流
21、动，由于自然界存在种类繁多的地层，这样的流动就使灌浆和地层之间的交界面远远没有弄清楚。在锚杆负载时，从灌浆柱到地层的应力转移，是以径向应力和剪应力的形式出现，但破坏发生在什么地方是不清楚的sl 一翔。也许在进入地层内某一短距离，也许在交界面上，这取决于交界面和相邻地层的相对强度。当地层是坚硬岩石时，破坏出现在灌浆体与岩石的交界面上，甚至于在灌浆体中。若为较软的地层，如软岩或硬粘土，破坏会进入地层内一短距离(大约几毫米)。由于交界面具有脆性，破坏通常出现在交界面上，对于长的锚固长度剥离现象特别明显。2.1.4 锚固力的概念及锚固机理1 锚固力国标 GBJ86 一 85 将锚固力定义为锚杆对于地层
22、的约束力。我国常用锚杆的直径为1420mm，而锚杆钻孔直径为 32 一 150mm。锚杆作用于地层的力可分为径向和切向两个方向，径向锚固力含托锚力和粘锚力。托锚力是托板对锚杆孔口及附近地层的挤压作用力，托锚力的大小由锚杆所加预应力和锚杆工作状态所决定，最大托锚力就是锚杆拉拔试验时的最大拉拔力;粘锚力是由于地层深部与浅部变形的差异锚杆通过粘结剂对地层施加的粘结力( 剪切作用力)，粘锚力的反作用力就是锚杆体内的轴力 ;切向锚固力是由于锚杆体贯穿弱面，改善了弱面的力学性质，限制地层沿弱面的滑动和张开的力。因此锚杆是兼有支护和加固两种作用的较完美的支护形式。径向锚固力主要起着支护作用，切向锚固力主要起
23、着加固作用。锚固力是在锚杆与围岩相互作用过程中形成和变化的。锚杆的锚固力不仅取决于锚杆本身的结构、参数、锚固方式和锚固长度，金属网、钢带和梁等护表构件，锚固岩体的坚硬程度、结构和性质等，还取决于锚固岩体的位移、流变、离层和破裂等围岩的损伤破坏过程卜 91。在围岩大变形巷道中，随着锚杆锚固岩体的松动破裂，锚杆的锚固力大都会迅速下降，实际的锚固力往往远低于理论计算值，甚至完全失效。2.抗拔力作为受拉杆件的锚杆，其承受拉力的能力，一方面取决于预应力筋的截面积和抗拉强度，这是容易较精确地设计并满足使用要求的;另一方面，则取决于锚固体的抗拔力。锚固体的抗拔力事先不易准确确定，它与许多因素有关，如锚固体几
24、何形状、传力方式、锚固体与周边地层的粘结摩阻强度及上覆层厚度等，锚固体的抗拔力是影响单根锚杆极限承载力的关键所在。一般来说，可以采用以下方法来提高锚固体的抗拔力和锚杆的承载力:增加锚固体长度;高压灌浆;端头扩体或多段扩体。阻止锚固体从岩土体中被拔出的抗力是由岩土体与锚固体界面上的粘结摩阻力决定的。粘结摩阻力在整个锚固体长度上分布是不均匀的，它与岩土体的渗透性、灌浆压力有很大关系。粘结力的大小是用锚固体中力的变化率来衡量的，在任意两个截面之间的锚固体应力如果没有变化，粘结应力就不存在。粘结作用大致由三部分组成:（1）水泥胶体与岩土体表面的化学胶着力;(2)锚固体外表面与岩土体接触面上的摩擦力;(
25、3) 锚固体外表面粗糙产生的机械咬合作用。化学胶着力很小，发生相对滑动后，粘结力主要由摩擦力和咬合力所提供。一般说来，在外荷作用下最大粘结摩阻应力分布在锚固体的前半段，随着荷载的增加，粘结摩阻应力峰值逐渐向锚固体后端转移，在锚固长度范围内结合应力的分布和转移类似于摩擦桩。长期以来，人们把锚杆拉拔试验时的抗剪强度当作锚杆剪锚力(锚固力) ，现场也认为通过拉拔试验测得的是锚杆锚固力，其实不然，因为锚杆在工作时和拉拔试验时受力分布完全不同，而且两者的变化过程也不相同。锚杆拉拔试验测得的最大抗剪强度实际上是锚杆可能达到的最大托锚力，锚杆在工作时抗剪强度的失效过程，远比拉拔试验的破坏过程复杂。剪锚力沿锚
26、杆全长呈非线性分布，且随地层变形而变化，所以要给出锚杆剪锚力的简单计算公式或实测值是很困难的，故锚杆拉拔抗剪强度只能在一定程度上反映锚杆剪切锚固力大小，但拉拔试验对检测锚杆的安设质量、分析锚杆的工作状态具有重要意义，目前仍普遍采用锚杆在拉拔试验时的抗拔力来评价锚杆剪锚力。3.锚固机理锚杆对岩体进行直接加固，可以锁紧碎裂岩体，提高摩擦力，实现岩体结构条件的转化，使碎裂结构转化为银嵌结构块状结构整体结构，使岩体强度得以提高。从概念上来区分，对锚喷支护作用原理的认识，可归纳为两种不同的理论。一种是建立在结构工程概念上，其基本特征是“荷载一结构”模式。把岩土体中可能破坏塌落部分的重量作为荷载由锚喷支护
27、承担。锚杆支护的悬吊理论最具代表性。该理论要求锚杆长度穿越塌落拱高度，以便把坍塌的岩石悬吊起来。工程实践表明，锚杆长度短于塌落拱高度，隧道仍然安全，如何解释呢?人们又提出了组合拱理论，认为系统锚杆与塌落范围的部分岩石组成岩石锚杆组合拱，以承担塌落拱形成的荷载，然后，按结构力学的方法计算组合拱的内力。所谓“承载环”概念，是“荷载一部分围岩、支护结构”模式，实际上是系统锚杆与岩石组成环状结构以承受围岩荷载。显然，承载环概念未能摆脱“荷载一结构”模式。总之，这一类型的理论，都是 70 年代以前发展形成的，是沿着结构工程概念，采用结构力学的方法来讨论的。另一种是建立在岩体工程概念上，其基本特征是，充分
28、发挥围岩的自稳能力，防围岩破坏于未然。支护与适时、合理的施工步骤的主要作用是，适时控制岩体变形与位移，改善岩体应力状态，提高岩体强度，使岩体与支护共同达到新的平衡稳定，以获得最佳的效益。这一类型的理论，按照岩体工程概念，采用现代岩体力学、岩体工程地质力学的方法，对岩体进行稳定性分析以及锚固支护加固效果分析，是 80 年代初提出，尔后逐步发展完善的。显然，建立在岩体工程概念的锚固支护作用原理，较之建立在结构工程概念的锚固支护作用原理更先进，更正确。2.1.5 锚杆的失效锚杆通常有四种失效方式:(1)杆体钢筋拉断。常出现在杆体尾部丝扣段，该处易产生应力集中，是杆体的薄弱环节。采用滚丝法加工丝扣，或
29、对该段进行热处理，是防止该失效的有效措施。(2)托板失效。托板可能受到的最大压力就是锚杆的最大拉拔力，为了提高托板承载力，可增大托板厚度，或采用高强度的钢材。(3)粘结破坏。这种破坏有三种情况:a.锚杆一粘结剂接触面破坏 ;b.围岩- 粘结剂接触面破坏;.c 破坏面深入到围岩体内几个毫米，常发生在软弱围岩，一般软岩的抗剪强度小于7MPa，粘结剂与围岩的粘结强度为 5 一 16MPa，粘结剂与杆体粘结强度为.673 一16.7MPa。采用树脂锚固剂，增加锚固长度，可有效防止粘结破坏。在围岩十分软弱破碎情况下，只有提高围岩的可锚性，才能实现可靠锚固。(4)锚空失效。大量工程实践表明，由于局部围岩破
30、坏造成的锚空失效是锚杆失效的主要形式。锚杆或锚喷支护巷道，由于围岩荷载和围岩中弱面的不均匀性，常发生局部破坏，导致锚杆切向锚固力迅速丧失，径向锚固力(托锚能力和粘锚能力) 也大幅度降低，从而引起更大范围的破坏。在锚网或锚梁网支护的巷道中，局部破坏被护表构件所抑制，锚空失效会得到有效控制。此外，爆破、重型机械和地震力发生的冲击引起的锚杆预应力损失量，较之长期静荷载作用引起的预应力损失量可能大得多。潮汐、风荷载等变异荷载，对保持锚杆预应力和锚固体的锚固力，都具有不利影响。2.2 无损检测技术无损检测是在不破坏或损伤原材料和工件受检对象的前提下，研究其内部和表面有无缺陷的手段，也就是说，它利用材料内
31、部结构的异常或缺陷的存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，评价结构异常和缺陷存在及其危害程度。长期以来，无损检测有 3个阶段，即无损检测 NDT(NondestructiveTesting)、无损检查 NDI(NondestructiveInspection)和无损评价 NDE(NondestructiveEvaluation)。目前一般统称为无损检测 NnT。无损检测的方法有很多，最常用的有射线检测 TR(X 一 Rdanigr 叩 hyTesting)、渗透检测PT(penetrateTesting)、磁粉检测 MT(MagnetismTesting)、超声波检测 uT(ultra
32、soni。Testing)和涡流检测 ET(Eddy 介 sting)等。1.无损检测技术的主要功能(l)无损探伤对产品质量作出评价，无论是锻件、铸件、焊接件、饭金件或机加工件以至于非金属结构都能用无损检测技术找出它的表面或内部的缺陷，并能对缺陷进行定性或定量分析。(2)材质检查用无损检测技术能测定材料的物理性能、机械强度和组织结构，能判别材料的品种和热处理状态，进行混料分选。(3)几何度量产品的几何尺寸、涂层或镀层厚度、表面腐蚀状态、硬化层深度和应力应变状态都能用无损检测来测定。(4)现场监控可对在役或生产中的产品进行现场的或动态的检测，将产品中的缺陷变化信息连续地提供给检侧者以实行监控。2
33、.采用无损检测技术可以达到地目的(1)降低产品成本。(2)提高安全可靠性。(3)改进制造工艺。近些年来，无损检测技术越来越受到人们的普遍重视，在航空与航天。核技术、武器系统电站设备、铁道与造船、石油与化工、锅炉与压力容器、建筑、冶金和机械制造等工业中应用的极为广泛。目前锚杆锚固质量的检验也主要通过无损检测来完成。2.2 锚杆无损检测的波动理论随着岩石动力学的研究深入和应力波理论在岩土工程中应用的开展，使得采用波动理论的方法解决锚杆无损检测的问题成为可能。对于金属杆，不论从理论上，还是从几何形体、材质、受力情况等方面来讲，比较符合弹性杆的波动理论，这样就可以利用反射波法来检测金属杆的锚固质量。金
34、属杆在岩土介质中的振动特性及锚固体系中弹性波的传播规律及能量衰减机制这一问题的解决是反射波法的关键所在。具体来说，就是搞清弹性波在受边界条件约束的杆状体内传播的运动学和动力学规律，尤其是对边界条件变化产生的特征反射和杆体内波动能量的外泄(衰减特性 )，进行波谱分析和能量衰减分析 划。2.2.1 波在锚固体系中的衰减机制波在介质中传播时，其能量随着传播距离的增加而减弱的现象，称为波的能量衰减。不同的介质不同的传播条件及不同的波形有着不同的衰减规律。波衰减的机理很复杂，对于结构复杂的介质进行理论分析，则更困难。一般都以实测结果评价其衰减程度。通常在波的传播过程中，能量的衰减有以下几种形式。(1)波
35、的扩散衰减(几何衰减)不同振源在介质中的波型是不一样的，它的传播状态也各不相同。对于有限面积的振源来说，其波的能量扩散，随着传播距离的增加，扩散程度也将会加大。因此，单位面积上的能量将随着传播距离的增加而减小，这种随着波阵面的扩散而引起的波的能量的减小，称为扩散衰减。(2)波的散射衰减武汉理工大学硕士学位论文当平面波在介质中传播时，在传播方向遇到某个障碍物。如果障碍物的尺寸大于波的波长，那么就发生反射和折射现象;如果障碍物的尺寸与波的波长可比时，就发生显著的绕射的现象;如果障碍物的尺寸小于波长，波可以绕过而继续传播，同时有一部分能量被这些障碍物散射掉。(3)波的吸收衰减在波传播过程中，由于介质
36、的吸收将波的能量转换成另一种形式的能量(最常见的为热能)，而使波携带的能量减少的现象称为吸收衰减。波被介质吸收主要是由于介质粘滞性，热传导，热驰豫等原因造成的。由于介质的粘滞性阻碍质点运动，造成质点间的内摩擦，从而导致能量损耗;由于介质内部质点振动状态转变的迟缓，产生了驰豫吸收，所有这些使部分能量转化为其它形式的能量。所谓吸收衰减可以粗略地认为质点的振动受到“抑制”而发生的。这样就比较容易理解在频率较高时，能量的吸收衰减比较大的原因。对于锚固状态下的锚杆，锚杆体内传播的平面纵波，通过锚杆侧面向周围介质祸合产生的体波，向锚固介质辐射能量。锚固介质中祸合产生的体波，继续向围岩传播，一部分能量透射到
37、围岩中去，另一部分则通过锚固介质反射回到锚杆中去。这样瞬态应力波激发给锚杆的能量因周围介质透射而引起明显的衰减。透射的大小取决于锚固段锚固面积的大小和锚固体本身的强度。.22.2 波在锚杆锚固体系中传播时的能量分配规律对于锚固质量优的锚杆，有效锚固长度长的锚杆，锚杆体内所携带的能量很容易透射到周围介质中去。根据波在三种不同阻抗介质中传播的基本理论知;只要锚固介质阻抗 22 为杆体阻抗 Z，与锚固体阻抗 Z。的几何平均时，即22 司万万，且锚固介质厚度为波长的(2n+1)/4 时，就能够获得全透射，也就是能量能够最理想地祸合到锚固体中去;当杆体阻抗与锚固体阻抗接近时，只要锚固介质的厚度为波长的一
38、半的整数倍时，也会使能量最理想地透射到锚固体中去;当三者的阻抗接近时，也会使能量能够最理想地藕合到锚固体中去，这样反射回来的能量就很微弱。223 波在锚杆锚固体系中反射规律当锚杆头受瞬态力激振后，引起锚杆头质点振动，并以应力波的形式向杆武汉理工大学硕士学位论文底传播。当波在均匀介质中传播时，波的传播速度，幅度和类型均保持不变;但当波在不均匀介质(波阻抗发生变化 )中传播时，它将产生反射、透射或散射现象，波的强度将发生突变，导致扰动能量重新分配，一部分能量穿过界面向前传播为透射波，而另外一部分能量反射回原介质，称为反射波。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由安装于锚杆顶的传感
39、器(加速度计或速度计)测得。由于反射波携带锚杆体内的信息，利用反射波内所含的信息，就可以对锚杆的锚固质量进行分析。如图 2 一 2 所示，图中 i，: ，t 分别表示应力波的入射波、反射波和透射波，p，V ，A 分别为介质的密度、波速和截面积。根据应力波理论，波阻抗比A 一 AV 一 Vp 一 p一一 nPIvlAPZvZAZ_兰止-，z 为波阻抗，由连续性Z2条件和牛顿第三定律得到反射系数 Q(反射波的振幅与入射波的振幅之比)由下式决定。a。05(*)-1 一 n1+n(2 一 2)图 2 一 2 应力波传播示意图PZvZAZ 一 PiviAIPlv1Az+PZvZAZ式中切为反射波与入射波
40、的相位差，而透射系数刀由下式决定卢=2P2v2A2Plv1AI+PZvZAZ(2 一 3)由次看出，刀总是正值，即入射波与透射波总是同号的。 。的正负视 n 的大小而定，它存在以下三种情况 125 一 v2:()l 如果 PlvlA，几 hAZ 即波从波阻抗大的介质进入波阻抗小的介质时，则有 ocs 切= 一 1，即切二二，有相位差，存在半波损失。对于被锚固剂握裹的锚杆，在握裹段的下界面，可近似认为沿杆体轴向广义波阻抗减小，这时反射波相位与入射波相位相反。由于反射波被传感器接受的方向是反射波再一次在杆顶的反射，故被传感器记录的锚杆底反射波与入射波同相。()z 如果 PlvlA;八妈 AZ，即波
41、从阻抗小的介质进入阻抗大的介质时，则有ocs 切一 1 即沪一。 ，无相位差。对于被锚固剂握裹的锚杆，在握裹面的上界面，可近似认为沿杆体轴向广义波阻抗增大。这时反射波相位与入射波相位相同，由于反射波被传感器接受的方向是反射波再一次在杆顶的反射，故被传感器记武汉理工大学硕士学位论文录的锚杆底反射波与入射波反相。(3)如果 PlvlA，一户 2、2A2 即两种介质材料的波阻抗相同，对于被锚固剂握裹特别差的锚杆来说，可近似认为波在一种介质材料中传播，也就是说，应力波沿锚杆轴向传播，到达杆底前无反射。造成上述“同相反射”或“反相反射” ，亦即无半波损失或有半波损失的原因，本质上是由应力波入射到波阻抗分
42、界面上时，入射波和反射波所引起分界面上应变(和应力)的方向是相反或相同而决定的。6.2 展望锚杆支护质量的检验一直没有得到很好的解决，本文对锚杆的无损检测和锚固质量的评价进行了初步的研究，由于本人能力有限和其他各方面的因素，该研究还出于起步阶段。对于锚杆无损检测这个新领域中还存在诸多问题有待进一步研究解决:(1)需要对锚杆无损检测进行更多的试验模拟，对试验曲线进行分析，以便和现场实测数据进行比较;(2)应力波法检测锚固系统质量虽然有其优点，但难于探测波阻抗渐进的变化、锚头和锚杆尾部附近出现的缺陷以及多缺陷识别较为困难，需要进一步研究解决;(3)采用反射波法检测锚杆质量体系，探测深度有限，需要补
43、充更多的其他信息，例如工程地质资料、施工原始记录、施工方法、现场条件以及锚杆的类型等。总之，锚杆锚固质量无损检测技术的研究在国内尚属起步阶段，使矿业和岩土工程界一个急需解决的课题。武汉理工大学硕士学位论文参考文献1T.H.汉纳.锚固技术在岩土工程中的应用 .北京:中国建筑工业出版社，1987【2岳向红，刘明贵，李棋.锚杆检测技术研究发展.土工基础 2005，19(3)3刘福顺，汤明.无损检测基础.北京:北京航空航天大学出版社，2002【4王军生，刘春生.锚杆锚固质量安全检测.安全与环境工程，2003，10(1)5朱国维，彭苏萍，王怀秀.高频应力波检测锚固密实状况的试验研究.岩土力学，2002，
44、23(6)6孙国，李桂华，顾元宪.基于小波包分解的应力波无损检测分析方法.振动工程学报，2002，15(4)【7许明，张永兴，李燕.锚杆承载力的灰色系统预测法 .地下空间，2003，23(4)【S王成，挥寿榕，李义.锚杆一锚固介质一围岩系统瞬态激励的响应分析.太原理工大学学报，2000，31(6)9刘海峰，杨维武，李义.锚杆锚固质量动测法底端反射显现规律研究 .辽宁工程技术大学学报，2004，23(l)【10汪明武，王鹤龄，罗国煌.锚杆锚固质量无损检测的研究，工程地质学报，1999，7(1)【11刘海峰，崔自治，朱学福.锚杆锚固质量无损检测技术研究.宁夏工程技术，2003，2(3)12李义，刘海峰，王富春.锚杆锚固状态参数无损检测及其应用.岩石力学与工程学报，2004，23(10)
