锚杆长度检测技术.doc

升拓检测技术文库-W-岩锚Ⅰ
锚杆长度检测技术
摘要：由于施工质量的问题，锚杆长度不够也是一个普遍的问题；目前，对于锚杆，采用冲击弹性波的检测方法最为普遍。
关键词：锚杆长度；冲击弹性波；锚杆质量

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1 锚杆长度测试方法和原理
在锚杆中间的某处的灌浆出现根据不密实现象时，相当于出现材料的不连续性。这种不连续性可以用机械阻抗来表示。（一般用来表示材料的机械阻抗，，这里的是断面截面积））发生变化的边界面上，传播的弹性波会产生波的反射和透过。
1) 基本理论基础：两种不同媒介垂直入射
反射波↓
入射波↓
这是最简单的一种情况，例如在锚杆的底部，锚杆与周围岩体之间就存在较大的阻抗差。此时，激振产生的弹性波的反射可以分析如下：

透过波↓

变化的机械阻抗面发生的反射和通过
这里，，表示单元1的粒子的运动速度（入射和反射），表示单元2的粒子的运动速度。在界面上产生弹性波的反射以及通过，可以表示如下：
反射波： (2-2-1)
透过波： (2-2-2)
此外，反射波和透过波的大小用振幅率来表示。
振幅反射率：　 (2-2-3)
振幅透过率：　 　(2-2-4)
弹性波的反射和透过具有如下性质。
(1) 媒介的机械阻抗相同（），那么就算材料不同，也不会产生波动；
(2) 两种媒介的机械阻抗相差越大，反射率也越大。对于锚杆检测而言，锚杆的先端是软弱土层时，其反射信号则要比先端是坚硬岩石时更为明显；
(3) 在机械阻抗减少（）时，反射波和入射波符号相同（相位相同）。当锚杆的先端是土层和松散岩体、混凝土时，其反射信号与激振信号同向，而在先端是坚硬岩石，其反射信号有可能与入射信号反向。
激振信号
杆底反射信号
充填不良：激振信号不规则，衰减慢，持续时间长

激振信号
杆底反射信号
充填良好：激振信号呈指数快速衰减，持续时间短

基于能量衰减特性的原理

2 测试对象
锚杆分为很多类，可以根据预应力的有无、应用对象、锚固机理、锚固方式构造特点等划分。在两个规范中，对非粘结型锚杆的测试内容有微妙的区别。
锚杆无损检测测试对象比较
锚杆类型
住建规程
水电规程
全长粘结型
长度、灌浆密实度
长度、灌浆密实度
非粘结型
长度
未明确
3 锚杆长度的测试方法及波速取值
两个规范对锚杆长度的测试方法及波速取值的要求基本相同，均采用反射法测试，即：
（2-3-1）
其中，：同类锚杆的波速平均值；
：杆底反射波旅行时间。
当锚杆较短，杆底反射信号的起始点不易分辨时，可以采用频谱分析的方法。但是，对于较长的锚杆，其激振与反射信号类似于下图A。

脉冲信号

FFT频谱
单纯脉冲信号的特性
脉冲波特性
全体信号特性
固有周期
振幅
持续时间
往复周期
频谱
往复次数
4
1
4
12.8
0.076
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可以看出，FFT频谱呈等差分布，即具有倍频关系，其相邻峰值间隔即为全体信号的频谱（0.076Hz）
因此，锚杆的长度即按下式计算：
（2-3-2）
其中，为幅频曲线上杆底相邻谐振峰之间的频差。
值得说明的是，这里的幅频曲线应该是FFT的幅频曲线。该幅频曲线在分析反射信号时，会产生倍频现象，即第2、3、4、…阶的频率分别是基频的2、3、4、…倍。利用倍频现象可以有效地提高对的提取精度。

1. 的说明

锚杆长度测试方法比较
项目
住建规程
水电规程
分析方法
时域反射波法或幅频域频差法
以时域分析为主（取多个杆底谐振峰时间差的平均值），辅以频域分析
波速取值
有现场模型试验或类似工程参考时，优先选用同类锚杆（类似工程或模拟试验）的波速平均值
波速取值
在无模型试验值或类似工程参考时
1.当锚杆密实度小于30%时，取杆体波速平均值；
2.此外则取杆系波速的平均值。
1.当锚杆密实度小于30%时，取杆体波速；
2.密实度在30-75%时，取杆体与杆系波速的平均值；
3.此外则取杆系波速。
其中，波速取值对锚杆长度的测试结果的影响非常大。在不同的灌浆、岩体条件下，锚杆波速的范围很大，可在3800-5200m/s。因此在两个规程中，均建议采用现场模拟试验的方法。
需要强调的是，室内锚杆模拟试验时，由于边界条件的影响，测试得到的锚杆波速与实际岩体值可能有较大的差别，因此水电规程中明确指出需要用现场模拟试验。

4 基础模型试验（空置锚杆）
对长度为0.5、1.0、2.0、3.5、和5.5m的空置锚杆（Φ25、Φ30）进行了检测：
1） 激振：分别采用激振锥（导向器）、锤击、激震锥激震；
2） 计算波速：5.18km/s（低碳钢的理论波速）；
3） 计算模式：采用自动解析模式。
可以看出，
1） 利用激振锥的测试结果的平均误差均在0.5%以下，精度最高；
2） Φ10的激振锤对长锚杆的测试结果稍微偏短；
3） 超磁激振器的激振力度（电压）对长锚杆测试结果的影响较大。
激震锥测试结果曲线图

超磁激震测试结果曲线图

激震锤(Φ10)测试结果曲线图

短锚解析波形（实际为0.5m测得结果0.497m）

中长锚解析波形（实际为5.5m测得结果5.574m）
5 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%。
6 公司测试设备的特点

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。