1 前言

JL-MG(D)錨桿質(zhì)量檢測(cè)儀錨桿錨入巖體的過(guò)程是將砂漿注入錨桿孔內(nèi)，當(dāng)砂漿硬化后，錨桿與周圍巖體形成一體，其主要作用是與相鄰巖體串聯(lián)在一起，阻止了不穩(wěn)定巖體的滑移，促使巖體間裂隙面積壓緊密，使圍巖形成一個(gè)具有承受載荷能力的整體巖拱。其技術(shù)已廣泛應(yīng)用于礦山、鐵路、公路、水利水電、地質(zhì)等系統(tǒng)的隧道、邊坡、山體加固等工程中。

影響錨桿錨固效果的因素很多，包括：錨桿的質(zhì)量與形狀、錨頭型式、砂漿強(qiáng)度、錨桿在砂漿中的長(zhǎng)度、以及砂漿在錨桿孔內(nèi)填充的密實(shí)程度等。在錨桿施工中如何保證錨桿的施工質(zhì)量，提高錨桿的錨固效果是非常重要的。施工中一般通過(guò)加強(qiáng)原材料質(zhì)量控制、加強(qiáng)施工過(guò)程質(zhì)量控制來(lái)保證錨固的施工質(zhì)量，通過(guò)原材料質(zhì)量檢測(cè)和錨固后的質(zhì)量檢測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)錨桿的錨固效果。目前用來(lái)評(píng)價(jià)錨桿錨固效果的手段主要有兩種，一是采用錨桿抗拔力檢測(cè)，另外就是目前比較流行的無(wú)損檢測(cè)方法。由于這些方法在實(shí)際應(yīng)用中都存在一定的缺陷，所以很多工程都采用兩種方法相結(jié)合的方式進(jìn)行驗(yàn)收評(píng)價(jià)，即：以錨桿抗拔力檢測(cè)為驗(yàn)收評(píng)價(jià)依據(jù)，采用無(wú)損檢測(cè)手段對(duì)錨固質(zhì)量進(jìn)行分類并輔助評(píng)價(jià)。JL-IDOI（C）智能鉆孔電視成像儀,JL-IUDS(B)智能超聲成孔質(zhì)量檢測(cè)儀

2傳統(tǒng)的錨桿抗拔力檢測(cè)

傳統(tǒng)的錨桿錨固狀態(tài)的檢測(cè)手段，主要依靠對(duì)錨桿的抗拔力檢測(cè)。這種方法判斷錨桿的錨固力非常準(zhǔn)確，但卻存在著許多不足：
 （1）抗拔力測(cè)試方法是一種破壞性檢測(cè)。當(dāng)拉拔到錨桿的設(shè)計(jì)錨固力時(shí)，如果實(shí)際錨固力在該荷載的附近，試驗(yàn)可能對(duì)該錨桿的錨固狀態(tài)產(chǎn)生影響，降低其錨固力。
 （2）抗拔力并不能完全反映錨桿的錨固狀態(tài)。因?yàn)橹灰�錨固的水泥砂漿長(zhǎng)度大于鋼筋直徑的40倍，即使拉拔到鋼筋頸縮時(shí)也不會(huì)使錨固力喪失。另外，研究表明：鋼筋沿桿長(zhǎng)的應(yīng)力分布也是不均勻的，見圖1。因此，錨桿的不同部位的錨固缺陷，對(duì)錨桿的受力狀態(tài)將產(chǎn)生不同的影響。

（3）水泥砂漿對(duì)鋼筋的包裹情況好壞，對(duì)錨桿的錨固質(zhì)量將產(chǎn)生較大的影響，因?yàn)槿羲�泥砂漿對(duì)鋼筋的包裹不好，鋼筋會(huì)很快因腐蝕而失去錨固作用。所以，雖然有時(shí)抗拔力符合要求，卻因砂漿灌注不飽滿而出現(xiàn)崩塌事故的情況仍經(jīng)常發(fā)生。此外，這種拉拔力檢測(cè)方式也無(wú)法測(cè)出錨桿的實(shí)際長(zhǎng)度。錨桿的錨固質(zhì)量如何，錨桿長(zhǎng)度是否與設(shè)計(jì)長(zhǎng)度一致，其砂漿是否飽滿？也就是說(shuō)，錨桿是否起到了應(yīng)有的作用？對(duì)于這些存在的質(zhì)量問(wèn)題，其最好的辦法應(yīng)是利用快速準(zhǔn)確而無(wú)損傷地檢測(cè)出質(zhì)量情況，然后針對(duì)其隱患施行有目的的重點(diǎn)再處理，并及時(shí)而準(zhǔn)確地對(duì)其整治質(zhì)量作出有科學(xué)依據(jù)的評(píng)價(jià)。這樣才能對(duì)保證工程質(zhì)量從而確保工程安全地運(yùn)行。
3 錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)

3.1國(guó)外無(wú)損檢測(cè)現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)的研究工作最早始于1987年，瑞典提出用超聲波能量損耗的原理來(lái)檢測(cè)錨桿錨固質(zhì)量，并于1990年推出了錨桿質(zhì)量檢測(cè)儀。但該檢測(cè)方法存在檢測(cè)時(shí)要求激發(fā)條件非�？量獭⒉伙@示原始檢測(cè)數(shù)據(jù)、工作速度極慢等缺點(diǎn)，一般對(duì)4到5米長(zhǎng)的土層錨桿檢測(cè)效果較好；但檢測(cè)結(jié)果也只能推斷錨桿的相對(duì)抗拔力，不能對(duì)錨桿錨固質(zhì)量的完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

     表1      錨桿級(jí)別分類表

武漢長(zhǎng)盛工程檢測(cè)技術(shù)開發(fā)有限公司推出了錨桿注漿飽滿度儀，將錨桿質(zhì)量分為四個(gè)級(jí)別，見表1。這一分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)由用戶根據(jù)其各自不同的錨桿類型加以標(biāo)定.  

錨桿注漿飽滿度儀已被廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域。瑞典國(guó)家電力局將其用于水電站和通水隧道，Stockholm城市交通局則用于地鐵隧道，ＬＫＡＢ和Boliden礦業(yè)公司，以及瑞典和挪威的公路管理部門也使用這種儀器。

錨桿注漿飽滿度儀探頭內(nèi)有一個(gè)壓電式傳感器，它向錨桿發(fā)送縱波和橫波。這些波沿著錨桿傳播，波速取決于錨桿周圍或端部（在那里被反射回探頭）的灌漿情況。這時(shí)，探頭作為接受器來(lái)檢測(cè)反射波，并由電子裝置對(duì)反射波進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，儀器則確定錨桿長(zhǎng)度以及巖石和灌漿的整體狀況，這些測(cè)量結(jié)果都顯示在儀器面板上。

3.2國(guó)內(nèi)無(wú)損檢測(cè)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)錨桿無(wú)損檢測(cè)目前有兩種測(cè)試方法，一種是應(yīng)力波反射法，一種是正在研制的超聲導(dǎo)波法。

（1） 應(yīng)力波反射法檢測(cè)錨桿

武漢長(zhǎng)盛應(yīng)力波反射法的原理：在錨桿外露端激振，產(chǎn)生彈性應(yīng)力波信號(hào)沿鋼筋傳播，當(dāng)鋼筋周圍或底端介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)（砂漿不飽滿或空漿），將產(chǎn)生反射信號(hào)；通過(guò)附在鋼筋端部的傳感器拾取彈性波的傳播和反射信號(hào)，進(jìn)行波形分析，可判斷錨桿中有無(wú)空漿或密實(shí)狀況；并根據(jù)反射波的兩相鄰點(diǎn)可計(jì)算空漿或不密實(shí)的位置，從而評(píng)價(jià)錨桿的密實(shí)度。進(jìn)一步地，在固定激發(fā)能量的前提下，對(duì)第一反射點(diǎn)后的迭加波形各采樣點(diǎn)幅值進(jìn)行平方根的均值計(jì)算，通過(guò)均值的大小來(lái)判斷其密實(shí)度，作為同相反射，一般來(lái)說(shuō)反射點(diǎn)越多，其振幅均值越大，表明密實(shí)度越低；反之則越高。

GB 50086-2001《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿，應(yīng)檢查錨桿注漿密實(shí)度，注漿密實(shí)度大于75％方為合格；桿體插入孔內(nèi)長(zhǎng)度不應(yīng)小于設(shè)計(jì)規(guī)定的95％。

DL/T 5010-2005《水電水利工程物探規(guī)范》規(guī)定了檢測(cè)錨桿長(zhǎng)度和砂漿密實(shí)度采用反射波法進(jìn)行。

理論上，在細(xì)長(zhǎng)桿中（桿的橫向尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)）縱波的傳播速度V0可按公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

                  V0=                                         （1）

根據(jù)鋼材的密度ρ＝7.85g/cm3，鋼材彈模E＝2.08×105MPa，可計(jì)算出縱波在螺紋鋼（裸露在空氣中）的傳播速度V0=5148m/s。

如圖2，采用某廠家的錨桿密實(shí)度檢測(cè)儀測(cè)得長(zhǎng)度為4.5m的φ28螺紋鋼在空氣中的實(shí)測(cè)波形，使用的加速度傳感器阻尼比較小，對(duì)缺陷反應(yīng)比較敏感，但振蕩較大。如圖3，采用某廠家的動(dòng)測(cè)儀測(cè)得φ28螺紋鋼L＝4.5m在空氣中的實(shí)測(cè)波形，使用的加速度傳感器阻尼比較大，對(duì)缺陷反應(yīng)不敏感，基本上沒(méi)有振蕩，二次反射明顯。由于錨桿底部反射明顯，根據(jù)錨桿長(zhǎng)度可測(cè)出應(yīng)力波在螺紋鋼中的傳播速度，兩者測(cè)得的波速分別為5120m/s和5150m/s，吻合較好。實(shí)測(cè)波速與理論波速也非常吻合，最大誤差為1％。

應(yīng)力波在錨桿中的傳播規(guī)律符合以下公式

V＝2L/t                                             （2）

其中V—應(yīng)力波在錨桿中的傳播速度，m/s。

     L—錨桿的長(zhǎng)度，m。

     t —應(yīng)力波從錨桿頭部到底部，再回到頭部的時(shí)間，s。

公式（2）中有3個(gè)未知數(shù)，其中有2個(gè)未知數(shù)已知時(shí)，第3個(gè)未知數(shù)可求解。如前所述，應(yīng)力波在自由的錨桿中傳播的速度在5148m/s左右，應(yīng)力波在自由的錨桿中存在明顯的反射波，故可采用聲頻應(yīng)力波測(cè)出自由錨桿的長(zhǎng)度，誤差不超過(guò)1％，用此方法也可對(duì)儀器進(jìn)行核查。

對(duì)于埋設(shè)在巖體內(nèi)的錨桿，如果注漿飽滿，則桿底部反射不明顯，應(yīng)力波從錨桿頭部到錨桿底部傳播的時(shí)間也就難以確定，則確定錨桿的長(zhǎng)度就成為空談。錨桿周圍充填有砂漿，影響應(yīng)力波在錨桿中的傳播速度，根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，應(yīng)力波在巖體內(nèi)的錨桿中傳播的速度在4100～4800m/s之間，波動(dòng)范圍約20％，即使能夠準(zhǔn)確測(cè)出錨桿桿底的反射波時(shí)間，由此計(jì)算的錨桿長(zhǎng)度最大也可以達(dá)到20％的誤差。

由于相關(guān)規(guī)范規(guī)定了注漿密實(shí)度和錨桿實(shí)際長(zhǎng)度的下限，實(shí)際工程中，需要確定錨桿的錨固長(zhǎng)度是否大于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的95％，注漿密實(shí)度是否大于75％。根據(jù)上述介紹，工程檢測(cè)人員對(duì)錨桿的長(zhǎng)度判斷不可能很準(zhǔn)確，對(duì)沒(méi)有反射波的錨桿則無(wú)法判斷其長(zhǎng)度；根據(jù)測(cè)得的波形，沒(méi)有一個(gè)可行的公式能夠計(jì)算出密實(shí)度，因此要準(zhǔn)確提供注漿密實(shí)度是不太現(xiàn)實(shí)的，目前通行的做法是根據(jù)大量的模型錨桿試驗(yàn)按能量損耗來(lái)進(jìn)行計(jì)算，但由于巖石地質(zhì)條件的差異和反射波的復(fù)雜性導(dǎo)致計(jì)算的密實(shí)度誤差較大甚至不能應(yīng)用。鑒于目前的檢測(cè)技術(shù)條件，對(duì)于巖石錨桿的注漿密實(shí)度還是采用定性分析比較科學(xué)，根據(jù)波形情況將錨桿注漿密實(shí)度分為四個(gè)等級(jí)，代表密實(shí)度為優(yōu)、良、不良、差四種情況。

在另外一個(gè)工地，進(jìn)行了模擬錨桿的無(wú)損檢測(cè)比對(duì)，對(duì)比較大的缺陷如埋設(shè)在砂漿中的5×5×2cm的泡沫，在波形圖上都能反映，但對(duì)三根插在PVC管內(nèi)的模擬錨桿，長(zhǎng)度6m，其中底部約3m長(zhǎng)包裹有薄薄的塑料，外面是砂漿緊密包裹，參加比對(duì)的兩家單位采用各自的儀器，均未檢測(cè)出該缺陷，說(shuō)明采用應(yīng)力波反射法的檢測(cè)原理，對(duì)于這種模擬的缺陷無(wú)能為力。因此絕不可以將錨桿無(wú)損檢測(cè)看著是萬(wàn)能的，檢測(cè)人員一定要熟悉檢測(cè)原理，掌握該原理能夠提供的檢測(cè)信息。

關(guān)于應(yīng)力波的產(chǎn)生，有的是采用小錘敲擊，有的是采用超磁探頭。有一種觀點(diǎn)，認(rèn)為超磁探頭提供的應(yīng)力波非常穩(wěn)定，每次產(chǎn)生的應(yīng)力波能量大小一致，這確實(shí)不假，但錨桿接收到的應(yīng)力波能量就不一定完全一致。實(shí)際操作中，是人工用手將超磁探頭按在錨桿端部產(chǎn)生應(yīng)力波，雖然超磁探頭發(fā)射的應(yīng)力波能量固定，由于手按的松緊程度不一樣，錨桿接收的應(yīng)力波能量不一樣大。采用敲擊產(chǎn)生的應(yīng)力波也能得到比較一致的波形，如已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的基樁低應(yīng)變動(dòng)測(cè)技術(shù)一直是采用小錘激發(fā)。其實(shí)，針對(duì)于某一長(zhǎng)度的錨桿而言，如果開發(fā)出一種設(shè)備，使錨桿接收到的應(yīng)力波首波幅度和頻率固定，這樣對(duì)結(jié)果的分析才更加有利。

（2）超聲導(dǎo)波法

全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿可以簡(jiǎn)化為鋼桿埋置在水泥砂漿中的柱狀兩層結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)數(shù)值方法求解該模型的結(jié)構(gòu)頻散方程，得出該結(jié)構(gòu)的頻散曲線。其激勵(lì)信號(hào)由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)激勵(lì)超聲探頭直探頭，使錨桿接收特定頻率的超聲導(dǎo)波，當(dāng)導(dǎo)波由錨桿端部傳達(dá)到底部后，產(chǎn)生反射回波，再由同一個(gè)直探頭接收。直探頭置于錨桿端部，通過(guò)耦合劑如凡士林作用于錨桿。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)φ18的錨桿進(jìn)行了測(cè)試工作，經(jīng)過(guò)精確測(cè)量，此錨桿的有效計(jì)算直徑為17mm，以此直徑作為頻散曲線計(jì)算依據(jù)，此直徑的螺紋鋼錨桿適用于檢測(cè)的衰減極小值對(duì)應(yīng)頻率和理論能量速度如表2所示。

表2    φ18螺紋鋼錨桿水堿極小值對(duì)應(yīng)頻率及衰減值

武漢長(zhǎng)盛煤安科技有限公司根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選取激勵(lì)信號(hào)的頻率范圍為2.2～3.MHz，頻率間隔為10kHz，進(jìn)行頻率掃描試驗(yàn)，均可得到比較明顯的回波，其中衰減極小值最小為18.72 dB·m-1對(duì)應(yīng)的頻率為2.69MHz，在該頻率下回波的輻值最大。

不同頻率下的導(dǎo)波對(duì)于已知長(zhǎng)度的錨桿進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其理論能量速度和實(shí)測(cè)速度的誤差最大不超過(guò)1％，當(dāng)存在明顯的回波時(shí)，可以準(zhǔn)確測(cè)量錨桿的長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度的測(cè)試誤差不超過(guò)1％，能滿足工程的需要。

從試驗(yàn)室進(jìn)行的研究表明，采用超聲導(dǎo)波測(cè)量錨桿的長(zhǎng)度比較準(zhǔn)確，但由于信號(hào)發(fā)生器要進(jìn)行一定范圍內(nèi)頻率的掃描，設(shè)備組合比較龐大，應(yīng)用于工程實(shí)踐還需對(duì)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，有待于工程實(shí)踐的進(jìn)一步驗(yàn)證。

4結(jié)語(yǔ)

（1）隨著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，錨桿檢測(cè)從單純的抗拔力檢測(cè)向無(wú)損檢測(cè)方向發(fā)展，這為保證工程質(zhì)量和提高效率起到了很大的作用。但由于目前檢測(cè)原理和檢測(cè)手段方面的一些缺陷和不足，在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)論的不確定性，所以在工程建設(shè)中還必須加強(qiáng)施工過(guò)程的監(jiān)控，切不可忽視施工過(guò)程的管理與監(jiān)督；

（2）應(yīng)力波反射波法能對(duì)錨桿進(jìn)行大規(guī)模的普查，速度比較快，對(duì)于錨固質(zhì)量?jī)?yōu)良和極差兩種狀態(tài)是能夠清楚分辨的，但對(duì)錨桿長(zhǎng)度的判定則困難比較大，對(duì)錨桿注漿密實(shí)度的定量判斷有著天生的不足，有待理論和實(shí)踐的進(jìn)一步驗(yàn)證；

（3）超聲導(dǎo)波法測(cè)試錨桿的長(zhǎng)度比較可靠，需要將儀器簡(jiǎn)化后，在工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

〔1〕       《規(guī)范錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》GB50086-2001

〔2〕       《水電水利工程物探規(guī)范》DL/T5010-2005