锚杆灌浆密实度测试技术(基于振动衰减特性的灌浆密实度测试方法).doc

升拓检测技术文库-W-岩锚Ⅲ
锚杆灌浆密实度测试技术（基于振动衰减特性的灌浆密实度测试方法）
摘要：在隧道、边坡的建设中，岩锚杆得到了大量的应用，显而易见其质量保证是非常重要的。但是，由于岩体的风化、地下水的影响，锚杆不可避免出现会各种老化、劣化现象。
关键词：锚杆密实度；冲击弹性波；灌浆密实度；注浆饱满度；填充度；

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1 测试方法和原理
在锚杆顶端激振后，会在锚杆上诱发振动。根据振动的特性，也可以推断锚杆（特别是锚头附件）的灌浆质量。
将锚杆有关的振动部分简化成一个振动系统后，其力学模型如下图所示。在锚杆顶部作用一个冲击力后，系统将产生自由衰减振动（即残留振动）。

振动分析模型
当冲击时间较短时，可以把冲击力简化为一脉冲信号，其冲击力随时间的积分可以表示为：

脉冲信号简化图
其中，为德尔塔函数，具有以下性质：

在该脉冲信号的冲击下，振动系统的响应（即为自由振动或残留振动）可以表示为：
（2-2-10）
其中：为角频率，；
为反映系统刚性的弹簧系数；
为衰减比，；
为阻尼系数；
可以看出，衰减比直接影响到振动衰减的快慢。当灌浆质量好时，振动能量衰减小，振动时间变长。

2 灌浆密实度的测试方法
两个规程对缺陷位置和灌浆密实度的测试方法要求相同。
缺陷位置的测试方法与锚杆长度的测试方法完全相同。
灌浆密实度的测试方法可分为以下3种：
1） 波形特征对比法：即根据激振波形的衰减、时域反射特性、频域（幅频）反射特征来将灌浆密实度分为4类，A、B、C、D（住建）或I、II、III、IV（水电）；
2） 有效长度法：通过识别缺陷起点和终点的位置，进而计算缺陷的长度和灌浆密实度。需要指出的是，缺陷的起始位置可以利用时域信号识别或与锚杆长度类似的频差的方法确定，但缺陷的终点位置却很难确定，规程中也没有明确的表述；
3） 反射波能量法：根据杆底反射波的能量占总能量的比例来估算灌浆密实度。
3 提高测试精度的方法
3.1 影响测试精度的主要因素
综上所述，影响锚杆锚固质量测试的主要因素有：
1） 激振信号的质量：激振信号的质量对测试结果有很大的影响，主要体现在：
(1) 激振方向：
在长度、灌浆密实度测试中，都认为激振的弹性波为P波。P波的特性是波的传播方向与粒子的运动方向一致，即要求激振方向与秆、索的轴线方向平行（图2-4-1上）。但如果激振方向与轴线不平行，有一定夹角，则会诱发其他种类的弹性波（如SV波等，图2-4-1下）。
对于钢制锚杆（索）而言，激发的P波波速在5.0（锚索）～5.2（锚杆）之间。然而，SV波的波速只有P波的波速的60%左右，因此，如果激发出SV波，其波速会含有两种速度大不相同的成份波，为反射解析带来很大的困难。
P波
SV波

激振波的种类
(2) 残留振动：对于锚杆（索）的长度、灌浆密实度无损检测，理想的激振波形应如下图A，即产生的波形衰减较快。而如图B那样的振动残留时间长的波形显然不利于检测。
残余振动短
残余振动长

良好的激振信号 不良的激振信号
因此，如何减少残留振动的时间对于提高检测精度是非常必要的。此外，防止2次激振也是非常重要的。
2） 反射信号的提取：对于较长、灌浆密实度较高的锚杆，杆底的反射信号较为微弱，对其的合理识别是判定锚杆长度的前提；
3） 锚杆波速的合理确定：由于是一个具有较大变化范围（3800-5200m/s）的数值，其对锚杆长度测试的影响很大；
4） 波形特征对比法：该方法受个人因素的影响大。
3.2 提高测试精度的主要方法
针对所述影响测试精度的主要因素，我们提出了一系列提高测试精度的方法：
1） 提高激振信号的质量
为此，我们开发了激振导向器。利用此激振导向器，可以起到：
（1） 引导激振方向，避免激发出SV波等非P波成份；
（2） 抑制激振信号的残留振动；
2） 反射信号的提取能量的增强：
（1） 反射信号的增幅处理（TAR）；
（2） 测试信号的积算平均（Stacking）处理，可减少随机噪声的不利影响；
（3） 反射信号的匹配识别技术（Matching）：可大幅提高反射信号的识别能力，并取得国家发明专利（ZL200910082851）：
（4） 高精度频谱分析方法；由于锚杆较长，在其中传播的弹性波的衰减较快，反射次数较少，采用通常的频域分析方法（如FFT）难以有效地识别频谱。对此，我们基于小波分析等技术开发了高分辨力的频谱分析手段。
3） 波速的确定：锚杆长度测试中，有3种速度值，分别为杆体速度、锚杆速度和杆系速度。其中，仅受锚杆的材质影响，一般为5.1km/s左右且数值稳定，并有。因此，我们提出了以下两种方法以提高的精度：
（1） 配合高精度的反射信号识别方法，尽可能地利用杆体速度辅助长度的测试；
（2） 配合密实度的分析，对进行迭代分析；
4） 波形特征对比法：通过对激振信号的特征（如振动持续时间）的自动分析，以提高波形特征的自动分析能力。
4 现场验证与应用（锚杆，白鹤滩水电站）
应客户要求，对金沙江白鹤滩水电站交通洞的锚杆长度、灌浆密实度进行了检测。
1） 检测数量：7根4.5米长锚杆；
2） 计算波速：5.18km/s（低碳钢的理论波速）；

测试现场

测试波形（4.5m）

解析波形（解析结果为4.477m）
根据业监理方的共同确认，平均测试误差仅为0.6%。

5 现场验证与应用（锚杆，成渝客专，2012年4月）
我公司与客户一道，在成渝铁路客运专线的某边坡上设置了4根锚杆，实际长度也均为9.0m。4根被测岩锚均埋在一级边坡上，岩体为风化岩。4根岩锚的埋入方式均是先在岩体打孔（孔径大概在10cm×10cm左右），然后放入岩锚再灌浆。

现场测试情景
测试结果表明，平均误差均在5%之内，完全满足工程需要和规范要求（详细的波形分析请参见《岩锚长度及灌浆密实度检测教程》。

典型解析结果
6 现场验证与应用（锚杆，贵州遵毕高速，2012年6月）
该锚杆最大的特点是露出部弯曲，为测试带来很大的困难。因此，激振方法，分析方法均需注意。

现场测试情景及弯曲锚杆端头

典型解析结果
测试结果一览表
锚杆编号
计算波速(Km/s)
测试长度 (m)
设计长度
（m）
相对误差
备注
Mg-1
5.18
9.60
9.0+0.1
5.49%

Mg-2
5.18
9.20
1.10%
Mg-3
5.18
9.22
1.32%
测试结果表明：
1） 测试长度的精度总体令人满意；
2） 测试波形振荡时间长，表明弯曲段的影响明显；
3） 测试长度略有偏长，表明实际波速可能略低于理论值。
7 测试设备的特点

岩锚多功能检测仪SRB-MATS-S

1) 集成度高
在本套测试设备SRB-MATS中，集成了多种测试技术，可相互补充、印证，而
且具有丰富的图形处理和快速成像机能；
2) 测试精度、客观性高、测试盲区少：其中，采用多次激振信号的统计及合成处理，可以有效地提高测试的客观性；
3) 综合了“住建规程”和“水电规程”的优点，并完全满足两种规程的强制要求；
4) 测试内容丰富
SRB-MATS不仅能够测试锚杆的长度、灌浆密实度，还能够测试锚杆、锚索的张力。