锚杆长度检测技术

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
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z 来表示材料的机械阻抗，
CA z ρ=，这里的A 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
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
变化的机械阻抗面发生的反射和通过
这里，↓1v ，↑1v 表示单元1的粒
子的运动速度（入射和反射），↓2v 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：↓+-↑=
12
12
11v z z z z v (2-2-1)
透过波：↓+↓=12
11
22v z z z v
(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
121|
|z z z z R +-=
(2-2-3)
振幅透过率： 2
11
2z z z T +=
(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（21z z =），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（21z z >）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。

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
3锚杆长度的测试方法及波速取值
两个规范对锚杆长度L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：
e
t
2
1
∆
⨯
=
m
C
L（2-3-1）
其中，
m
C：同类锚杆的波速平均值；
e
t∆：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
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f ∆即为全体信号的频谱（0.076Hz ）
因此，锚杆的长度即按下式计算：
m
C f
L ∆=21
（2-3-2）
其中，f ∆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e t ∆的提取精度。

1. f ∆的说明
锚杆长度测试方法比较
其中，波速m C 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m C 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m C 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。