背景

锚杆支护是指在边坡、岩土深基坑等地表工程、隧道、采场等地下硐室及水利水电工程中采用的一种加固支护方式。以结构简单，施工方便、成本低和适应性强等特点，在工程中得到了广泛应用。

锚杆在工程中应用范围广，使用量大，如边坡加固、隧道支护、公路铁路、水电工程等，是维持工程安全的重要保障。但由于锚杆工程隐蔽性强、施工工艺复杂、影响因素较多，容易出现锚杆长度短缺、灌浆质量不佳等问题，从而给工程质量造成巨大的安全隐患。因此需要在施工完成后，采用有效的检测方法对锚杆的施工质量进行检查。

锚杆锚固质量无损检测主要是针对锚杆长度和灌浆密实度进行检测，常用的检测方法为声波反射法。

声波反射法基本原理

通过振源（超磁振源或手锤）在锚杆顶部激发一个冲击弹性波，弹性波沿着锚杆轴线向杆底方向传播，当传播到锚固缺陷或杆底位置时会发生反射形成回波信号被安装在锚杆顶部的传感器所接收。同时在传播过程中冲击弹性波的能量会向锚杆周围介质中辐射和衰减。反射回波的能量强度和到达时间取决于锚杆长度及灌浆质量，通过对安装在锚杆顶部的传感器采集的信号进行分析和处理，可以对锚杆长度、锚固缺陷位置和灌浆密实度进行评价。

规范的相关要求

锚杆锚固质量无损检测现行规范主要有以下两本：

《锚杆锚固质量无损检测技术规程》（JGJ/T-）

《水电水利工程锚杆无损检测规程》（DL/T-）

1、检测系统要求

仪器功能：主要是对仪器基本功能的要求，两个规范相同。

仪器指标：A/D精度、滤波功能和带宽要求，两个规范相同，对于采样精度两个规范要求不同。DL/T-要求更高，具体如下：

JGJ/T-要求采样间隔小于25μs。DL/T-则要求采样频率不低于KHz，即采样间隔小于或等于2μs，明显DL/T-的要求更高。

假设杆系波速为m/s时，在采用25us采样间隔进行采样时，信号每个采样间隔时间传播的距离为10cm左右，对于锚杆检测来说，这样的测试参数带来的长度误差显然偏大，将会影响测试结果的精度。理论上来说，采样间隔越小，采集信号越能反应被测点处的质点的振动过程。一般来说，采样时采样频率至少要达到待测信号最大有效频率的10倍以上，而锚杆一般优势频率在10Hz-10KHz，对应采样频率至少要达到KHz，即采样间隔不超过10μs。实际测试过程中，如果遇见较长的锚杆可以通过增加采样长度或加大采样间隔进行数据采集。

在采用较小的采样间隔进行测试时，其信号采集的精度和分析计算的分辨率会更高。但是遇到较长的锚杆时，可能需要较长的采样长度才能采集到预期的时域范围内的信号。实际测试时，如果遇见设计长度较短的锚杆，建议采用较小的采样间隔进行测试，如果遇见设计长度较长的锚杆，可以适当增加采样间隔。

激振设备：两个规范均建议宜使用超磁振源。实际测试中，超磁振源激振人为干扰少、激振效果稳定、测试信号一致性好，但其激振频率单一，对于长度不同的锚杆适用性存在一定的限制。手锤作为超磁振源的补充方式，其敲击的力度、手锤的选型等都会影响到实测信号，实际测试时单根锚杆的敲击一致性会受一定的影响，对技术人员的经验有较高的要求。建议在实际测试时两种振源配合使用，根据实际情况选择合适的激振方式。

传感器：一般来说加速度传感器采用压电式，体积小、灵敏度高、分辨率较高，速度传感器采用机械式，体积大。由于锚杆端头面积小，推荐使用加速度传感器。

2、现场测试要求

现场检测方面，对检测数量、测试对象、激振要求、传感器安装和测试参数等做出了以上要求。

检测数量：两个规范对检测数量的要求略有差别。

测试对象：两个规范对锚杆的结构要求基本一致。主要包括：端面平整、不宜外露过长，杆体整体呈直线，如有特殊要求需结合同类型模型或其他方案来进行相关测试验证。两个规范对龄期的要求不同，JGJ/T-要求7天，DL/T-要求3天。实际上，一般来说，在环境温度较高时，3d的龄期已经可以使得灌浆材料充分固结，而环境温度较低时难以保证。实际测试时可根据测试目的选择合适的时机进行检测，当早期灌浆材料硬化不充分时，有利于测得锚杆底部反射，但对灌浆密实度的检测可能会存在一定影响。反之，当锚杆灌浆材料达到龄期完全固结以后，对于灌浆质量较好的锚杆，其杆底反射信号可能较为微弱，不利于对杆长的检测，但此时锚杆杆体与砂浆结合较好，锚固系统趋于稳定，有利于对密实度进行较好的检测。

激振和传感器要求：两个规范要求基本一致。

测试参数要求：两个规范关于测试参数的主要区别在于时域信号的记录时间，建议现场检测时统一按照3次底部反射时程的要求进行数据采集。

3、数据分析和计算

两个规范对锚杆杆体波速、杆系波速、锚杆长度、缺陷位置及密实度等原理性计算方法基本相同，具体如下。

（1）杆体波速和杆系波速

杆体波速计算：应以现场相同检测方法，在自由状态下检测一定数量的工程所用同材质规格的锚杆，杆体波速按下列公式计算。

其中：

Cb——杆体波速平均值；

Cbi——第i根锚杆的杆体波速，且

Cbi-Cb

/Cb≤5%；

L——杆体长度；

Δt——杆底反射时间；

Δf——杆底相邻谐振峰频差；

n——锚杆数量。

杆系波速计算：宜在现场选取一定数量的相同材质、规格和施工工艺的锚杆进行检测，杆系波速按下列公式进行计算。

其中：

Ct——杆系波速平均值；

Cti——第i根锚杆的杆系波速，且

Cti-Ct

/Ct≤5%；

L——杆体长度；

Δt——杆底反射时间；

Δf——杆底相邻谐振峰频差；

n——锚杆数量。

（2）锚杆长度和缺陷位置计算

锚杆杆底反射可采用时域反射波或频域频差法来识别。杆体长度计算公式如下：

其中：

L——锚杆长度；

Cm——同类锚杆的波速平均值；

Δt——时域信号杆底反射时间；

Δf——杆底相邻谐振峰之间频差。

锚固缺陷位置可采用时域反射波或频域频差法来识别和计算，公式如下：

其中：

x——锚固缺陷位置；

Cm——应力波传播波速；

Δtx——锚固缺陷位置反射时间；

Δf——锚固缺陷相邻谐振峰之间频差。

（3）密实度计算

一般来说，密实度评价有2种方法，分别是：有效长度法和能量法。

有效长度法：根据有效锚固段占总锚固段的长度比例进行估算。

其中：

D——锚固密实度；

Lr——锚固段长度；

Lx——锚固缺陷长度。

除孔口段缺浆而深部密实外，也可采用能量法进行计算

能量法：采用锚杆反射波能量计算并评价锚杆密实度/饱满度的方法。

其中，

D——锚固密实度；

η——锚杆杆系能量反射系数；

β——杆系能量修正系数；

Es——锚杆波动总能量；

E0——锚杆入射波总能量；

Er——反射波波动总能量；

Lr——锚固段长度；

Lx——锚固缺陷长度。

4、计算结果的评判标准

（1）长度判定标准

除关键部位的锚杆外，两个规范要求基本一致。

（2）密实度/饱满度判定标准

两个规范关于锚固密实度/饱满度评定标准相同，同时均建议结合标准锚杆图谱对比评判。

（3）锚固质量等级评定

两个规范关于锚固质量等级评定标准基本相同

（4）其他情况处理

出现下列情况之一时，锚杆锚固质量判定宜结合其他检测方法进行：

*实测信号复杂，无规律。

*锚杆外露自由端过长、弯曲或杆系截面多变。

（5）检测报告

两个规范关于检测报告要求基本一致

现场检测流程

检测案例

（1）模型杆测试

模型杆1：直径22mm，2.5m长钢筋，杆底反射明显，并有多次杆底反射，频谱图杆底谐振峰清晰可见。

模型杆2：2.5m长钢筋，PVC管模拟锚杆安装孔洞，灌浆材料为M25砂浆水泥，在靠近杆底部位置设置1个缺陷。杆底反射明显，同时在距离杆头1.m处存在较为明显的缺陷反射。

（2）工地实测

实例1：某隧道锚杆，设计长度3m，杆底反射较为微弱，无明显的缺陷反射，频谱呈单峰形态，无杆底谐振峰。

实例2：某隧道锚杆，杆底反射明显，并有多次杆底反射，频谱中杆底谐振峰清晰可见。

实例3：某边坡锚杆，设计长度9m。杆底反射明显，在距离杆头4.76m处存在明显的缺陷反射。