道路边坡锚杆质量无损检测技术

岳红宾

（河北省交通建设监理咨询有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引言

锚杆以其自身所具备的诸多特点，在公路边坡加固中得到广泛应用。为确保锚杆的作用得以全面发挥，必须保证其质量达标。基于这一前提，可采取无损检测技术，检验锚杆的施工质量，看是否达到现行规范标准的规定要求，发现质量不合格的锚杆，必须返工重做，以免影响边坡的加固效果。

1 工程概况

某公路工程全长为28.965km，路基宽度为24.5m。该路段从桩号K32+500开始，连续降坡至桩号K41+700，平均纵坡为3.8%，最低与最高海拔相差1 435m。因海拔高差较大，使边坡防护工程的重要性随之显现，工程数量也进一步增加。为确保锚杆的支护作用充分发挥，必须保证锚杆的质量达标，所以开展锚杆质量无损检测显得尤为必要。

2 道路边坡锚杆质量无损检测技术

2.1 检测方案

2.1.1 检测频率

在检测边坡锚杆的长度及注浆饱满度时，应合理选择检测频率。通常可以按照工程量的5%抽检，检测数量不少于5根。当工程有特殊要求时，可适当增加检测数量。当参建各方对锚杆的质量存在质疑时，应按规范要求检测，某个单元内锚杆检测的不合格率超过30%，必须增加检测量[1]。

2.1.2 抽检部位

依据现行规范标准的规定要求，边坡锚杆的检测部位应由纵横断面控制，不得随机抽检。在同一个横断面内，可将边坡锚杆检测的重点放在中下部；纵断面的检测重点为高度比较高的部位；高边坡检测的重点为不稳定质心以上的锚杆。其中，滑坡体的检测重点为滑体质心以下的锚杆。

2.1.3 检测要点

（1）通过声频应力波发射法，对边坡锚杆的长度和注浆饱满度无损检测时，为降低干扰，提高检测结果的准确性，可在检测前，依据拉拔试验成果，分析检测信号与锚固质量的关系。

（2）被检测的边坡锚杆，至少要外露20～30cm，杆头位置处采用细加工的方法处理，将浮浆全部凿除，保证杆头平整[2]。挂网的锚杆，要使杆网分离，锚杆上的焊接点必须全部凿除，避免影响检测结果。

（3）一根锚杆用不同的方式检测三次，当三次检测的信号达到一致后，便可检测下一根锚杆。如果锚杆的长度在10m以内，误差不得超过5%，长度超过10m的锚杆，误差控制在10%以内[3]。

（4）通过分析锚杆的长度，能够获得自由段和锚固段的锚杆具体长度，对比信号反射方式，能够区分开地层反射信号、锚杆底部反射信号、砂浆不密实段反射信号。依据检测频率及波形特征，便可综合判定锚杆的砂浆饱满度是否达标。

2.2 检测方法

本次检测选用声频应力波反射法，对该无损检测方法应用的过程中，应明确传播特性和衰减规律。

2.2.1 传播特性

（1）声场是声振动在介质内波及的质点占据的范围，在对声场描述时，通常会用到以下物理量：声压、声强等。在界面上，与声波的行为相关的重要参数为声阻抗。声压用P表示，单位为Pa，一个声场内，每个点的声压均不相同，是动态变化的量，与时间和距离有关。当平面余弦波无衰减时，声压主要与介质的密度、声波的传播速度、时间等因素有关；声强用I表示，指声能量，单位为W/cm2，声强主要与质点的振幅、振动速度和声压等因素有关；声阻抗时声波在介质中传播时，某点声压与振幅的比值，用Z表示，单位为g/（cm2‧s），声阻抗的大小决定了质点的振动速度，在声压一定时，二者成反比关系。

（2）一个介质中有几列波同时传播时，若这些波在某个点相遇，就会产生干涉，该点的振动是由各列波共同作用所致，由此产生的声场声压即为每列声波声压的矢量和。在波的干涉现象中存在一个特例，即驻波，具体是指两列振幅相同的相干波，在同一条直线上，沿着反方向传播时，叠加而成的波。驻波波线上的某些点会保持静止不动，还有一些点的振幅会始终处于最大值，最大值的点被称之为波腹，波节则是振幅等于零的点。连续波以垂直的方式入射界面时，入射波会与反射波相互叠加，是驻波出现的典型情况。当物体的平行表面数量为2个时，经过叠加后的波，会形成较为强烈的驻波，由此会引起物体共振。

2.2.2 衰减规律

声波在传播的过程中会出现衰减的现象，具体是指声压随着距离增大而减小。引起声波衰减的原因相对较多，大体上可归纳为以下几个方面：声束扩散、介质吸收、晶粒对声波散射等。

（1）声束扩散会引起扩散衰减，波形特定的声场内，当传播距离增大后，声束的截面会随之不断扩大，单位面积内的声压会有所减弱。扩散衰减主要与波阵面的形状有关，传声介质并不会影响到扩散衰减的强弱。通常情况下，可以用声场的规律描述扩散衰减的规律。如，当声场远离声源时，柱面波的声压与声源距离的平方根成反比，而球面波的声压则与声源的距离成反比。

（2）声波在材料中传播时，因材料内部结构不均匀，会产生多处声阻抗，由此会引起散射，进而导致声压减弱，即散射衰减。在介质中，散射声波出现后，会沿着复杂的路径继续传播，有一少部分声波会转变为热能，还有一部分会传到探头形成噪声。

（3）声波在介质中的衰减主要与频率有关，频率增大会随之增大。由于声波的波长要比晶粒的直径大，所以当晶粒的直径增大时，声波的散射衰减也会增大，这是晶粒材料衰减大的性质所决定的。为使声波在材料中的穿透力进一步增大，在选择声波时，频率越低越好。检测的边坡锚杆尺寸比较长时，可以不采用超声波，可选用频率更低且在可听范围内的波。

（4）锚杆在锚固状态下，杆体内传播的是平面纵波，经过耦合后产生的波体，会向锚固介质以辐射的方式发出能量，此时的波体会继续向锚杆所在的围岩中传播，其中的部分能量会透射到围岩中，部分会反射会锚杆中，透射的大小主要与锚固体的强度有关。

2.3 检测设备

2.3.1 激振设备

（1）基于碰撞理论用手锤激振获取反射波信息，用于检测边坡锚杆质量。在激振中，将振源视为瞬态脉冲信号，合理确定脉冲宽度、力幅度、主瓣宽度等指标。理想的单位脉冲力频率覆盖0至∞频域，频域随着脉冲宽度的逐步减小而逐步变宽，呈现出能量分散状态，反之脉冲宽度越大则表明能量越集中。

（2）击锤材质越软，其碰撞速度相对偏低，信号脉冲宽度越大。在激振设备选取中，小钢锤的信号脉冲宽度最小，橡皮锤的信号脉冲宽度最大；在边坡锚杆检测中，滤波频率的高通与低通分别为500Hz、6kHz，用材质坚硬的尖头小钢锤对杆体激振获取高频域；在边坡锚索检测中，滤波频率的高通与低通分别为10Hz、2kHz，用材质软的大头橡皮锤对锚索套筒激振获取频域较低的激振源[4]。

2.3.2 传感器

在检测中共使用三种类型的传感器，具体为：选用频带宽、阻尼速度高的速度传感器；选用能够满足反射波检验要求的加速度传感器；根据反射波法的检测判定依据，需要借助速度曲线分析速度信号，为此还需选用位移传感器，确定速度信号的位移变化。

2.3.3 检测仪器

检测设备选用采样精度高、功耗低、存储量大、作业时间长、便捷性好、功能强大的锚杆质量检测仪，检测仪技术指标为：

（1）锚杆质量检测仪由发射震源、分析软件、采集仪和检波器构成，采样AD精度为24位，电压6V，功耗0.8w，在充满电状态下可连续检测30h；检测仪重量为2.0kg，体积偏小，尺寸为23cm×18cm×65cm，方便检测人员单人操作[5]。

（2）锚杆质量检测仪提供大容量数据存储容量，可以存储实测数据2.4万条；仪器提供大屏幕显示，能够同时显示三条曲线；仪器能够自动建立锚杆索模型，分析滤波、小波、积分、频谱等分类参数数据，自动提取出反射波信号。

2.4 检测步骤

在检测过程中，先向检测对象发射震源，再由检测仪器检测到通过锚杆传播上来的反射波，检测仪器分析和存储反射波信号，根据反射波信号判断锚杆周围灌浆质量。在检测分析中，通过处理反射波信号，还可以判定锚杆长度是否达到技术规范要求。

2.4.1 检测前准备

在检测之前，清理干净待测锚杆端，将探头安置到端头截面平整处，防止在击振中滑动探头，确保检测仪器能够在正确方向接收到回波信号；连接好检测仪器的测试系统，保证检测仪器正常运行。

2.4.2 参数设置

在检测过程中根据边坡锚杆的实际情况设置仪器参数，具体包括：①选择通道触发方式；②选择积分状态下的加速度计传感器；③设置深度坐标标度方式，以便于快速找到质量缺陷位置；④设置指数放大方式，当入射波峰值达到1.2倍时按照指数放大杆长。也可以设置满幅放大方式，放大处理锚杆顶与底部波形；根据检测人员操作习惯设置入射波的显示方向。

2.4.3 采集信号

（1）根据锚杆长度设置采样间隔，确定波速，一般在1 700～5 120m/s，标定波速的准确值[6]；设置采样间隔，延长锚杆检测长度，提高波动分析的准确性。

（2）按照锚杆长5/3倍计算采样总时间，确定波形采样时间间隔；默认“低”通道档触发电平；默认单次采样，每测一锤采集一次采样信息，保证足够的采集数据，尽量不选用连续采样和叠加采样的采样方式。

（3）在横轴标尺参数选取中，选择时间坐标和深度坐标；用小锤尖头对锚杆顶端垂直敲击，根据信号放大系数控制敲击力度，尽量控制在2～10N；对长度超过9m的锚杆，要适当增加敲击力度，保证敲击干脆，根据信号重复性、M值取舍信号，判断锚杆底端是否传回反射信号[7]。

2.4.4 数据传输

在数据采集后，数据要经过数据线的串口存储到检测仪的存储设备中，下一步进入检测数据分析阶段，自动生成检测曲线图[8]。

2.5 质量评定

根据锚杆无损检测结果，以波形特征作为灌浆饱满度的评价依据，具体的评定标准如下：①波形规则，底部无发射波或是反射波非常微弱，灌浆饱满度为密实，质量优；②波形比较规则，底部存在反射波，且以小幅S波发射为主，局部灌浆欠密实，质量良；③波形欠规则，局部存在较强的反射波，以大幅S波反射为主，局部灌浆不密实或有空浆，质量合格；④波形不规则，反射波强烈，P波回波，多处关键不密实，质量不合格，需要返工重做。

3 结语

在检测边坡锚杆的长度及注浆饱满度时，应合理选择检测频率。依据现行规范标准的规定要求，边坡锚杆的检测部位应由纵横断面控制，不得随机抽检[10]。通过分析锚杆的长度，能够获得自由段和锚固段的锚杆具体长度，对比信号发射方式，能够区分开地层反射信号、锚杆底部反射信号、砂浆不密实段发射信号。依据检测频率及波形特征，便可综合判定锚杆的砂浆饱满度是否达标。在检测过程中根据边坡锚杆的实际情况设置仪器参数，具体包括：①选择通道触发方式；②选择积分状态下的加速度计传感器；③设置深度坐标标度方式，以便于快速找到质量缺陷位置；④设置指数放大方式，当入射波峰值达到1.2倍时按照指数放大杆长[11]。

道路边坡锚杆质量无损检测是一项非常重要的工作，与边坡结构的安全性和稳定性密切相关。为此，应采取合理可行的技术，对边坡锚杆进行无损检测，确保检测结果的准确性，及时处理质量不合格的锚杆。