y 第36卷 增刊
2005年6月
太原理工大学学报
JOU RN AL O F T A IY U A N U NI VERSIT Y O F T ECH NO L OG Y
V ol.36Sup.
June2005
文章编号:1007-9432(2005)S1-0011-04
郭凤卿1，张昌锁2
gammaproteobacteria(1 山西煤矿安全监察局忻州煤矿安全监察站，山西忻州034000;
2 太原理工大学矿业工程学院，山西太原030024)
摘 要：系统地对锚杆锚固质量无损检测的国内外研究历史及现状进行了分析讨论，指出了各种检测手段的优缺点。并对彻底解决锚杆锚固质量无损检测难题的可能方法进行了探讨。 关键词：无损检测；锚杆；导波
中图分类号:T D355 9 文献标识码:A
锚杆作为支护系统的一个重要组成部分被广泛地应用于地下巷道以及边坡围岩的加固与支护中。在这些工程应用中，根据围岩的性质以及服务特点采用全长锚固锚杆、部分锚固锚杆以及端锚式锚杆对围岩及边坡进行加固。不同的锚杆甚至距离很近的锚杆中所承受的拉应力也由于锚固条件的不同而不同。同时，即使是同一根锚杆由于采矿过程中应力的重新分布锚杆的中的受力也会在服务期限内发生改变。这些应力的作用会造成锚杆位移甚至断裂，大大减低了支护系统的稳定性。而且锚杆的安装作业以及锚固工人的锚固技巧也影响锚杆中的预加应力与锚固质量。因此，非常有必要对锚固质量、锚杆的完整性以及锚杆中的应力状态进行实时监控。世界上的许多国家都规定要求用目前可用的测试手段扭矩扳手与液压千斤顶拔出测试法对一定数量的锚杆进行锚杆中的应力以及极限承载能力进行测试。然而，扭矩扳手的精度并不高而且并不适用于全长锚固的锚杆(H ir ao等,2001,Tado lini, 1990,Choquet,1991)。液压千斤顶拔出(有关拔出法的评价见Sundholm(1987)和Choquet (1991))测试是一项耗时、费力、破坏性的测试方法。它仅仅能对数量很少的锚杆进行检测。更为重要的是对于长 度较长的锚杆，一般来说20cm锚固质量较好的锚固体强度就远大于锚杆本身的强度，因此在测出锚杆的极限承载力之前锚杆本身已经被拉断。换句话就是用这个方法仅仅能检测出有效锚固长度小于20cm的锚杆。而对于隧道锚杆，一般锚固长度都是3~5m。因此，可以说这个检测手段是无法应用于一般工程实践的。另一种检验锚杆锚固质量的方法是取岩芯。用取芯钻沿平行锚杆的方向把锚杆、锚固介质以及部分岩石整体取出来，用目测的方法对锚固质量进行评价。虽然取芯可以提供非常有用的信息，但它不仅是一个破坏性的检测手段而且受到许多因素的制约(取芯过程很麻烦；非常昂贵；保持取芯钻与锚杆同心很困难；有些地方的锚杆无法接近去芯)而无法成为一个常规的检测手段。有关这两种检测方法的局限性已有很多报道。由于传统方法的不足，许多国家的研究机构进行了开发实时、无损检测锚杆仪的研究。
1 国外研究现状
拔出法与取芯长时间以来一直是仅有的评价锚杆锚固质量的方法。两个方法都是破坏性检测方法，仅能对部分锚杆进行检测。由于这两个检测方法的局限性，从二十世纪七十年代以来许多研究人员进行了无损检测锚杆锚固质量的研究工作。
1 1 Boltom eter
Boltometer是唯一的一个市场上可以购买到的锚杆锚固质量检测仪(Thurner,1988)。其基本原理是从锚
杆外露端头输入一个超声波，然后用同一个传感器接收从锚杆另一端头反射回来的波。然后根据反射波形的幅值大小确定锚杆的锚固质量。锚杆锚固质量越好能量散射到围岩以及锚固体中的越多，因此反射波的幅值越小。因此用被测锚杆反射
y收稿日期:2005-04-07
基金项目：山西省自然科学基金资助项目(20021020)，山西省留学回国基金资助(2005-17)。 作者简介：郭凤卿(1966-)，男，山西忻州人，学士，主要从事矿建工程研究。
波的幅值和标准锚杆的反射波幅值进行比较就可以得到锚杆的锚固质量。和所有其他使用压电传感器的要求一样，使用Bo ltm eter前必须保证锚杆外露端头为一个平面以保证传感器与锚杆端头良好的耦合效果。在实际操作中用机械切割锚杆端头来满足这个要求。然后传感器分别产生P波和S波耦合到锚杆中。
存在的主要问题:
1)和P波相比,S波的偶合要困难的多。因为S波是靠介质质点的剪切运动传递的，因此传感器和锚杆端头面必须有非常好的偶合，这给实际工程应用带来了许多麻烦。而且有时候根本无法实现。
2)由于锚固体对能量的吸收使得仪器的可测深度不大。一般来说对于锚固比较好的锚杆，可测深度为1~
2m。
3)由于仪器采用被测锚杆与标准锚杆底端反射的幅度比来度量锚固质量，众所周知传感器所测的振动幅度与耦合条件直接相关。但耦合条件是随时变化的。甚至是同一根锚杆，不同的人安装传感器都会得到不同的耦合条件，因此用不同锚杆的底端反射幅度比去度量锚固质量是不可靠的。背板制作
4)价格昂贵。单机价格人民币56万元。太高的价格不利于仪器在普通工程中的应用，无法实现锚杆锚固质量的普查。
1 2 超声导波法
伦敦大学的帝国学院数年来一直致力于使用超声导波测试锚固锚杆以及类似结构(Bear d等, 2003)。他们开发了计算波散射的程序(Disperse)，并把它应用于锚杆检测中，用它模拟得到了最优激发波。然后在实验室与现场进行验证。由于计算模拟程序中一些不合实际情况的简化，模拟结果与实验具有一定的偏差，但不失为一种很好的尝试。
1 3 其他研究
1)冲击法。早在二十世纪八十年代初，英国Aberdeen大学工程系就开始了相关研。Ro dger (1997)开发了锚固测试系统GRANIT.在锚杆外露端头用冲击装置激发振动，并用加速度传感器接收从锚杆缺陷
处以及底端反射的信号。有关该系统测试锚固质量的相关文献未见报道，但Lvano vic (2002)最近报道了锚杆中的应力与锚杆动态响应之间的关系。
2)超声波锚杆载荷测试仪。二十世纪八十年代初，美国矿业局Steblay B.开始了另一项独立的研究，用超声技术测试锚杆(主要是端锚锚杆)中的载荷。以前是用扭矩扳手检测锚杆中的应力，但其检测精度不高，大约30%，而且检测过程能够扰动和损坏锚固体。此项研究的目的就是开发一种适用于全长锚固锚杆、部分锚固锚杆和端锚锚杆中应力的无损检测方法。1988年测试仪器问世,1990年T adolini发表了采用该仪器测试全长锚固锚杆和端锚锚杆中应力的结果。采用该仪器可以检测锚固锚杆的长度，而且通过检测锚杆中的实时应力可以检控围岩及边坡稳定性。
3)频率响应函数法。由于锚杆检测中底端反射识别比较困难，因此澳大利亚Queensland大学Djo rdjevic教授提出用锚固锚杆的频率响应函数评价锚固质量。他采用测试信号的频谱与输入信号的频谱比为频率响应函数。由此，自由锚杆具有最大的频率响应函数值而锚固质量优的锚杆具有最小的频率响应函数值。其他锚固质量则界于这两个值之间。虽然现阶段还没有进一步的进展发表，但锚固质量分辨率不高(特别是当锚固长度较长时)将是该方法的固有缺陷。
4)共振频率法。Vrkljan(1999)提出用共振频率描述有效锚固长度。实验室用不同锚固长度锚杆的实验显示共振频率和锚固长度具有线性相关关系。目前还未见进一步的相关报道。
5)电磁技术。前面的测试大体集中在用声学的方法，有些研究者还用一些电磁的技术对锚杆锚固质量的无损检测进行了有益的探讨。其中包括:
a 穿地雷达。土木建筑工程中，穿地雷达成功地用于探测混凝土中的钢筋。甚至可以确定钢筋是否锚固完好。但最主要的缺陷是探测深度不够，一般小于1m。这对于公路边坡锚杆是远远不够的;
b 天线法。把锚杆作为一个天线,Ag new (1990)对这个问题进行了实验室研究，实验证明，这一技术可以成功地测试锚杆的长度，但并不适用于测试锚杆的锚固质量。
c 自感应法。采用一个线圈套在锚杆外露端头，把锚杆作为线圈的芯。然后测量自感应系数，锚杆的长度影响自感应系数的大小。但该法并不适用于测量锚固质量问题。
2 国内研究现状
九十年代中期淮南矿院汪明武等(2002)采用声频应力波配合无损拉拔法检测锚杆的锚固质量。而且建立了以能量吸收系数为核心的评价锚杆锚固质量的体系。但由于能量吸收系数的计算依然是依赖
12太原理工大学学报 第36卷
于底端反射的准确识别，因此可测深度并不大。
太原理工大学李义等(2004)在实验室与现场实验研究的基础上初步解决了端锚锚杆质量及工作状态三个主要特征参数：有效锚固长度，锚固质量(极限承载力)和工作荷载的无损检测。从中也发现了该种检测方法的一些局限性和进入现场工业化应用必须解决的难点和关键问题。
廖春芳等(2003)在潭邵高速公路路堑边坡整治和边坡稳定工程中采用长江工程地球物理勘测研究院研发的LX岩土工程质量检测分析仪检测了锚杆长度为5~17m的边坡锚杆，该仪器配备锚杆检测的特殊检波器和声波震源，采取在外露钢筋端部进行端发端收的观测方式，具有独特的声波发射、接收和软件分析系统。从该仪器锚固质量的分类标准上看把锚杆底端反射的强弱作为锚杆锚固质量评价的重要指标。然而，从文献的测试结果看，四种锚固质量锚杆的测试图中并不能清楚地识别底端反射。锚固质量差的锚杆有许多反射，但这些反射是从各种缺陷处的反射还是底端是无法识别的。这样有可能产生的问题是本身锚固质量很好的锚杆由于锚固外端的一些缺陷而误判为不合格锚杆。
重庆大学许明等(2002)采用小波分析和神经网络的方法确定锚固质量以及极限锚固强度。然而在用神经网络预测极限锚固强度时所需要输入的五个参数中最重要的一个是应力波的波速，但应力波波速的取得仍需要底端反射的准确识别。对于小波分析也是以包含完整的信息为基础的。
3 可能的解决途径
综观国内的相关研究，一个共同的也是最大的问题是测试深度的问题。国内现阶段几乎所有的锚杆测
试仪器都是采用声频应力波检测锚杆锚固质量。激发波是由机械撞击产生，激发波的频率范围大体上是5~15kH z，而且机械结构的限制也决定了输入波只能是单脉冲波。这样不仅无法根据锚杆的结构和锚固状态改变激发波的频率，而且耦合到锚杆中的能量有限。而根据导波在锚杆锚固体系中传播的衰减特性，这个频率范围内的波衰减比较大，这使得测试深度无法达到最优，根本无法应用于锚固长度比较长的锚杆锚固质量检测。对于锚杆锚固质量的检测来说，一般的测试激发波频率都在1~ 100kH z之内，而且锚杆的直径也界于15~35mm 之间，因此锚杆中传播的波必然是一个导波。导波不同于一般体波(P波S波)的本质在于波的传播受波导边界的影响。理论上来说体波只能存在于无限大介质中，但一般来说，当波的波长远小于结构的最小尺寸时可以近似认为结构中传播的波为体波。导波的一个最重要的特性就是不同频率的波在波导中传播的特征不同，包括波传播的速度以及波的衰减特性。而且这种波传特性与锚杆以及锚固体的几何结构和锚固质量有关。在锚杆检测中最大的一个问题就是测试深度不够，特别是对于全长锚固锚杆来说这个问题就更加突出。决定测试深度的因素是能量在锚杆中的衰减。对于锚固锚杆结构来说，能量的衰减由两个方面构成，其一就是材料粘性的存在，因为任何固体都不是完全的理想线弹性。这方面的衰减是与波的频率相关的，频率越高衰减越大。第二是结构衰减。这一点导波与体波是截然不同的。而且导波中绝大部分衰减也来源于结构衰减。要想使测试深度达到最大，必须使结构衰减最小。
因此对于特定结构的锚杆存在一种最优激发波，它能够使底端反射最清晰，最容易识别。因此可能的
解决方向是，通过实验室实验与数值模拟的方法对不同激发波的在锚固体系中的动态响应进行分析，到一种最优激发波。该激发波可以产生最清晰的低端反射从而获得最大的可测深度。生姜去皮机
参考文献:
[1] T hurn er H F.Boltom eter-Instrum ent for n on-des tructive testing of grouted rock bolts;2n d Intern ational Sym posium on
Filed M easurements in Geom achanics,Balk ema,Rotterdam,IS BN9061917786,1988:135-143.
[2] Rodger A A,M ilne G D,Littlejohn G S.Condition M onitoring and Integrity Ass es smen t of Rock Anch orages[J].Pr oc.,
Int.C Groun d Anch orages an d Anch or age Structur es,Ins titution of Civil Engineers,Th om as Telford,London,1997: 343-352.书立
[3] Ivanovic A,Neilson R D,Rodger A A.Numerical modeling of s ingle tendon ground anchorage systems[J].Geotech En g,
2001,149(2):103-113.
[4] T adolini S C.M ine roof bolt load d eterm inations utilizin g ultrasonic measu rem ent s ystems[J].CIM Bu lletin,1990,83(940):
49-54.13
增刊 郭凤卿等：锚杆锚固质量无损检测技术及研究进展
[5] Beard M D,Low e M J S.Non-destructive testing of rock bolts using guided u ltras onic w aves[J].In tl Journal of Rock M echan-
ics&M ining Science,2003(40):527-536.
[6] Vr kljan I,S zavits A,Kovacevic M S.Non-destructive pr ocedure for testing grouting quality of rock an chors[J].Proceedings
of th e Con gres s of th e International S ociety for Rock M echan ics,1999,9(2):1475-1478.
[7] Agn ew G D.An investigation of methods for p rodu cing a n on-destructive grouted tend on tester[J].C on sultancy report,U-
niversity of Witw atersrand,Johannes burg,1990.
[8] 汪明武，王鹤龄.锚固质量的无损检测技术[J].岩石力学与工程学报,2002,21(1):126-129.近视回归镜
[9] 朱国维，彭苏萍，王怀秀，等.一种锚固力无损检测设备[J].煤田地质与勘探,2002,30(6):54-57.
[10] 李义，刘海峰，王富春.锚杆锚固状态参数无损检测及其应用[J].岩石力学与工程学报,2004,23(10):1741-1744.212型参比电极
[11] 廖春芳，吴艾，吴铁怀，等.潭邵高速公路锚杆锚固质量无损检测技术及应用[J].公路,2003,1(1):56-58.
[12] 许明，张永兴，阴可.锚杆极限承载力的人工神经网络预测[J].岩石力学与工程学报,2002,21(5):755-758.
(编辑：刘笑达)
(上接第6页)为了降低涡流损耗，如同变压器一样，把材料切割成薄片，以提高其截止频率。另一种防止涡流损失的方法是采用粘结法制备稀土超磁致伸缩材料。
近年来，源于对磁致伸缩薄膜材料的研究，在微机械电子系统和声表面波以及微型泵、阀等器件方面也展现出对磁致伸缩材料的广阔的应用前景。
稀土超磁致伸缩材料还是一种新开发的材料，随着对材料研究和工艺研究的不断深入，应用研究将不断扩展。
参考文献:
[1] 何国，周寿增，李建国.我国稀土超磁致伸缩材料的研究与应用现状[J].材料导报,1996,5:12.
[2] 钟俊辉.稀土合金材料的进展[J].材料导报,1995,1:24.
[3] 倪嘉缵，洪广言.稀土新材料及新流程进展[M].北京：电子工业出版社,1998.
[4] W ei W u,Takateru U meda,Zhou Sh ou zeng,e t al.Preparation an d magn etostriction of T b-Dy-Fe sintered compacts[J].J
M agn M agn M ater,1997,174:132-137.
[5] 王博文.超磁致伸缩材料制备与器件设计[M].北京：冶金工业出版社,2003.
(编辑：刘笑达)
14太原理工大学学报 第36卷
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议