作者简介：李维树，男，19年生，1992年毕业于武汉大学，高级工程师，主要从事岩石力学测试与研究工作。
文章编号：1000－7598－(2003)增―01―06
工程锚杆注浆质量无损检测技术研究与应用
李维树１，甘国权１，朱容国２，汪天翼１
（1. 长江科学院 重庆岩基研究中心， 重庆 410014；2. 湖北清江开发有限公司， 湖北 宜昌 443002）
摘 要： 采用应力波一维波动理论，对清江水布垭工地21根模型锚杆和74根工程锚杆进行了测试与研究，初步形成了工程锚杆无损检测方法，建立了波形特征与锚杆注浆密实度之间的关系，并从锚杆的有效锚固长度、注浆密实度及缺陷大小和位置三个方面评价锚杆的施工质量，确定了该工程锚杆无损检测验收标准。 关 键 词： 工程锚杆；无损检测；注浆密实度；有效锚固长度；缺陷；验收标准 中图分类号： TV 233；TU 459+.3 文献标识码： A
Research on application of non-destructive detection technique to quality of
grouting for engineering anchor bars
LI Wei-shu 1，GAN Guo-quan 1，ZHU Rong-guo 2，WANG Tian-yi 1
（1. Rock Foundation Division of Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China ；
2. Hubei Qingjiang Hydropower Development Corp. Ltd., Yichang 443002）
Abstract: Based on one －dimensional wave theory, tests and studies for 21 model anchor bars and 74 engineering anchor bars have been carried through. Non －destructive detection method for engineering anchor bars has been formed basically. Relationship between wave character and compactness of grouting has been constituted. From anchoring length, compactness of grouting, and size and position of flaw, a standard of non-destructive detection for this project has been confirmed.
Key words: engineering anchor bars ；non －destructive detection ；compactness of grouting ；anchoring length ；flaw ；standard of detection
1 前 言
在水利水电工程、城市建设、公路铁路建设等工程中，大量的采用喷锚支护技术，锚杆的施工质量直接影响着洞室或边坡的安全稳定。锚杆的施工属于隐蔽工程，锚杆的有效长度、砂浆的密实度及砂浆的灌注缺陷越来越受到工程技术人员的关注。
国内水利水电工程中仅对个别工程采用无损检测的方法评价锚杆的注浆质量，检测采用超声波原理及超声波系列设备，尚处于探索阶段，测试效果不理想。铁道部某部门曾经对隧道锚杆进行过锚杆注浆密实度检测方法及设备的研制开发，但设备简陋，智能化程度低，且只能检测4 m 以内的锚杆。国外瑞典某公司研发的锚杆专用仪，实际上也是利用超声波原理，锚杆检测的最大长度也小于4 m ，
适用范围有限。这些设备和检测方法能定性对砂浆密实度作出评价，但不能指出砂浆不饱满或不密实的部位及大小，量程和精度均不能满足水利水电工程的需要。
工程锚杆有锚固型、摩擦型及全长粘结型锚杆三种，规范[1]要求对锚固型和摩擦型锚杆须进行一定数量的原位抗拔试验，以检验锚杆的抗拔力，对全长粘结型锚杆应检查砂浆密实度，且注浆密实度大于75 %为合格。水利水电工程中的锚杆大多数 为全长粘结型锚杆，因此，如何检验全长粘结型锚杆的有效锚固长度及注浆密实度是值得研究和完善的关键课题。
2 研究技术路线
研究方法及技术路线见图1所示流程图。
3 检测原理及理论基础[2
～4]
水工锚杆一般为全长粘结型，长度为5～10 m ，钢筋直径Ф25～32 mm ，因此，锚固系统（钢筋和砂浆）可以视为一维杆体。根据应力波理论及弹性波反射原理，可以推导出弹性波在锚杆系统中的波动方程为
022
22
2=∂∂−∂∂X u C t u （1）
式中 u 为X 方向某点位移；t 为波的传播时间；C 为纵波在复合介质中的传播速度，C 2＝E /ρ，ρ为
密度；E 为弹性模量。
在钢筋端部竖向激振，弹性波沿着钢筋传播，其周围砂浆存在明显波阻抗界面时将产生反射波。因此，通过附在钢筋孔口处的检波器检测弹性波的传播和反射信号，经接收、放大和数据处理，可识别来自不同部位的反射信息，据此，分析缺陷位置，评价砂浆的完整性。
该理论及方法已广泛的应用于工程基桩测试，已形成了较为完善的硬件和软件系统。由于锚杆的长径比远远大于基桩的长径比，因此，该理论基础和方法更接近一维波动方程的假设条件，而且，波在锚杆这种较为均匀介质中的滑行和反射比在混凝
土这种非均匀介质中滑行和反射更显得单纯，易于准确的判别反射波信号。
4 检测设备及方法
4.1 检测设备
检测设备采用低应变反射波法应用程序及RSM24FD 基桩低应变浮点检测仪，整个系统与计算机联接，且自动采集。该系统的特点是浮点法采集，克服了震源能量对波信号幅值影响，具有频谱分析、高通、低通滤波任意设置速度、测量范围设置等，传播时间分辨率为0.01μs 。
检波器为灵敏度高、频带范围宽、线性动态范围大微型加速度传感器。其频率范围为1～ 2.5 kHz ，电荷灵敏度为595 pc/g ，信号传递误差小于10 %。采用自行加工的钢坏在孔口与钢筋刚性 接触，使波的传递特性更好。 4.2 击振方式
采用击振点与接收传感器分离的方法，避免钢筋外端余振对接收信号的影响。击振方式采用普通的力锤，击振点位于钢筋的外端，击振方向平行于
钢筋且位于钢筋的中轴线。由于采用浮点自动采集仪，击振的力度对反射波幅值影响不大。因此，击振力度适中即可。
经现场对比测试研究，将换能器固定于孔口钢筋上，击振点置于钢筋外端，从而，克服了外露钢筋长度不一致、钢筋端头不规则，手持传感器等带来的误差，提高了测试成果的可靠度。 4.3 检测方法
参照锚杆的参数设置最佳的采样参数，采样长度应为锚杆实际长度的2～4倍。
将检波器牢固于孔口的钢筋上，在钢筋外端用普通力锤锤击，每根锚杆反复测试多次，直至3个波形重复为止。
5 模型锚杆制作
在室内制作5根砂浆模型锚杆和现场制作16根模型锚杆，制作工艺严格控制。锚杆直径φ25 mm ，砂浆强度等级为M30。在模型中制作一些人为缺陷，为便于判别，缺陷设计为空浆。室内模型锚杆砂浆厚度为40 cm ，钢筋埋入砂浆长度为 6.5 m 。现场模型锚杆孔深约8 m ，锚杆长9 m ，锚固长度左8 m 左右。各根锚杆模型情况如表1所 示。
同时，在地下厂房置换洞的边墙及洞顶，模拟
与设计要求的施工参数及方法完全相同的条件进行
施工，制作了41根锚杆。锚杆为全长粘结型，钢筋
长度为9 m，锚杆直径φ25 mm，锚固长度8～9 m，
锚杆钻孔直径φ750 mm，砂浆强度等级为M20。
表1 工程模型锚杆有关参数
Table 1 Parameters of model anchor bars
编号锚筋长度
/m
锚固长度
/m
缺陷位置
/ m
砂浆密实度
/ %
1 9 7.85
2 9 8.14
无100
3 9 7.9
4 9 7.9
5 9 8.0
1～3 75
6 9 8.1
7 9 8.23
8 9 8.24
3～5 75
9 9 7.71
10 9 8.22
11 9 8.19
4.2～8.2 50
12 9 8.37
13 9 8.2
14 9 8.3
6.2～8.2 75
15 9 8.2
16 9 8.17
0～2 50
17 7 6.54 无100
18 7 6.56 1～2 70
19 7 6.57 1～2，4.6～5.6 38
20 7 6.56 1～3 54
21 7 6.55 4.5～6.5 70
6 模型锚杆测试成果及分析
6.1 裸钢筋波形特征
将φ25 mm×7 m工程锚杆置于空气中，用隔声材料与其它介质隔离，震源和检波器置于钢筋的同一端，锤击并检测波在钢筋中的传播规律，测试曲线见图2示。可见弹性波在钢筋的端部有十分明显的反射波，且与首波同相位，而在钢筋的其它部位，波的传播基本为直线，说明当钢筋周围为均匀介质时，不产生反射波。实际钢筋长度7 m，实测钢筋长度7.03 m，则钢筋在空气中的波速为
5 185 m/s。
6.2 注浆密实的锚杆的波形特征
在模型锚杆中，有目的地制作了无缺陷的锚杆，满浆无缺陷的砂浆锚杆有1根，满浆无缺陷的岩石锚杆有2根。实测波形见图3所示。
由图可见，注浆密实无缺陷的锚杆波形规则，锚杆内端反射波易于判断。根据已知长度和钢筋内端反射波的位置计算波在复合介质中的波速分别为5 224，5 395 m/s，因此，1#~16# 岩石模型锚杆的综合波速取5 400 m/s。17#～21# 砂浆锚杆的综合波速取5 200 m/s，
6.3 注浆不满的锚杆的波形特征
注浆不满的锚杆实测典型曲线如图4所示。
当弹性波在有空浆的缺陷锚杆中传播时，空浆段反射波很弱，这是因为空浆段一般为空气，介质相对均匀；当砂浆有局部缺陷时，围裹在钢筋周围的介质不均匀，将产生强烈的反射波信号或者引起该部位波形畸变；在钢筋内端，由于钢筋、砂浆和岩石三者的波阻抗有明显的差别，因此，反射波信号一般较明显。一般施工中，下斜或者水平孔的孔底都存在少量的残碴，朝天孔或者上斜孔孔底存在少量的空气。
6.4 评价锚杆质量的参数
（1）砂浆缺陷是指砂浆在钻孔中某处存在如空浆、不饱满或欠密实或轻微离析等。当曲线中某段的波形出现严重的衰减，则判断为空浆；当波形某段反射波振幅时大时小，判断为该段有少量砂
191岩土力学 2003年
浆或者半浆；当波形局部畸变时，判断为局部砂浆不饱满或者欠密实或者轻微离析。根据该批锚杆完整波形初步确定锚杆的综合波速，直接从波形上读出缺陷的位置及长度。
（2）有效锚固长度根据波在裸钢筋中的传播和反射规律，找出锚杆在孔底的反射波信号，根据该批完整锚杆波形初步确定锚杆的综合波速，直接从波形上读出锚杆的有效长度。当孔底反射波信号不明显时，可以参照相邻锚杆或者该批锚杆的有效长度确定。
（3）注浆密实度砂浆的密实度为缺陷的总长度与锚杆有效长度的百分比。当波形严重畸变时，以与首波同相位的位置为起点，以缺陷后部与首波反向的位置为终点；当存在不连续的波形畸变现象时，每个畸变点缺陷长度按5～10 cm计算。
6.5 模型锚杆测试成果与分析
根据6.1~6.4节分析结果，对21根模型锚杆实测波形进行分析判断和计算，测试成果见表2。
表2 模型锚杆测试成果
Table 2 Results of model anchors 编号
缺陷设置
位置/ m
设置砂浆密
实度/ %
实测砂浆缺
陷位置/ m
实测砂
浆密实
度/ %
实测锚
杆有效
长度/ m
1 100 无100 7.7
2
无
100 局部90 8.36
3 1～3 75 1.19～2.81 73 7.7
4 1～3 7
5 3.60～5.20 79 7.98
5 1～3 75 1.0～3.15 73 7.93
6 2～4 75 3.40～5.60 73 8.07
7 2～4 75 4.26～5.77 77 8.18
8 2～4 75 2.22～5.88 76 8.18
9 4～8 50 3.50～7.78 45 7.78
10 4～8 50 4.08～7.55 54 7.55
11 4～8 50 4.51～8.06 56 8.06
12 6～8 75 6.68～8.04 77 8.04
13 6～8 75 3.92～5.80 77 8.10
14 6～8 75 6.54～8.29 79 8.29
15 0～2 60 4.20～6.12 76 8.05
16 0～2 60 0～3.31 60 8.19
17 无100 无100 6.55
18 1～2 85 1.2～3.3，4.5 66 6.66
19 1～2，
4.6～
5.6 70
1.56～
2.46，
4.68～
5.83 68
6.49
20 1～3 70 1.2～3.15 70 6.53
21 4.5～6.5 70 4.68～6.6 70 6.53
对比模型锚杆的缺陷位置及注浆密实度，实测缺陷位置及注浆密实度与模型设计的参数十分吻合，吻合率达到94.6 %。说明建立的注浆密实度与波形特征关系能够反映锚杆的实际情况，判断方法和表征锚杆的注浆参数合理。
根据测试结果和波形特征，按砂浆密实度分为五大类：Ⅰ类：波形规则，砂浆密实饱满，砂浆饱和度大于90 %；Ⅱ类：波形基本规则，局部砂浆不饱满或欠密实或有轻微离析，砂浆饱和度75 %～ 90 %；Ⅲ类：波形畸变，砂浆不饱满或欠密实，局部有空浆，砂浆饱和度55 %～75 %；Ⅳ类：波形严重畸变，空浆或半浆或砂浆不密实，砂浆饱和度小于55 %。
Ⅰ，Ⅱ类为合格；Ⅲ，Ⅳ类不合格，Ⅲ类锚杆中当相邻锚杆全部合格时，该锚杆可以使用；Ⅳ类需处理。当抽检的锚杆中Ⅰ，Ⅱ类锚杆数量占抽检
192增刊李维树等：工程锚杆注浆质量无损检测技术研究与应用
总数的75 %以上时，该排锚杆为合格。当抽检的锚
杆中Ⅰ，Ⅱ类锚杆数量占抽检总数的75 %以下时，
应增加1倍抽检数量，再统计计算，若增加抽检数
量后Ⅰ，Ⅱ类锚杆数量占抽检总数的75 %以上时为
合格，否则，该工程的锚杆不合格。
经过多次反复测试与分析，初步地确定了适合
该工程锚杆检测验收标准（见表3）。
表3 清江水布垭水利枢纽工程锚杆验收标准
Table 3 Standard of non-destructive detection for
engineering anchor bars of Shuibuya
类别
评价参数
ⅠⅡⅢⅣ
单根锚杆砂浆密实度/% ＞90 75～90 55~75 ＜55
单根锚杆评价合格不合格
场地锚杆评价抽检样本总量中75 %以上的锚杆达到Ⅰ类和Ⅱ类为合格。
锚杆有效长度评价单根锚杆有效长度应为设计长度的80 %以上，抽检样本总量中平均有效长度为设计长度的90 %以上。
7 工程模拟锚杆测试成果与分析
该部位岩体为P q4层含炭泥质微晶生物碎屑灰岩，微新风化带，岩体相对较完整，对该段的边墙及拱顶41根锚杆检测结果为：56 %的锚杆波形规则，砂浆密实度为90 %～100 %，为Ⅰ类；27 %的锚杆波形基本规则，局部波形畸变，说明局部砂浆有缺陷，砂浆密实度为75 %～90 %，为Ⅱ类；17 %的锚杆为Ⅲ类、Ⅳ类，波形严重畸变，有空浆或砂浆不饱满或欠密实，砂浆密实度为52 %～75 %。Ⅰ，Ⅱ类锚杆占检测数量的83 %。锚杆设计长度为9.0 m，锚固长度为7.8～8.3 m，实测锚杆有效长度为7.3～8.6 m，单根锚杆有效长度为设计锚固长度的比值为87.8 %～101 %，平均值为97.4 %。该批检测的锚杆为合格。锚杆检测结果见表4。由此说明，采用本工程建立的验收标准来评价该批锚杆的注浆质量，能满足设计要求，并且能反映锚杆内部的缺陷，有利于改进施工工艺，提高注浆质量和水平。
8 工程应用
溢洪道右边坡锚杆为梅花型布置，钻孔间距约3 m，锚杆直径φ28 mm，锚杆设计长度为8 m，锚固长度为7.5～8 m，砂浆强度等级M30。在高程
表4 清江水布垭地下厂房模拟锚杆测试成果
Table 4 Tested results model anchors on underground
powerhouse of Shuibuya
编号缺陷位置
/ m
锚杆有效
长度/ m
砂浆饱
和度/ % 评价
1 无8.40 100 合格
2 1.78～2.61，4.63～6.18 8.31 75 合格
3 局部8.29 80 合格
4 无8.41 100 合格
5 7.31 8.49 94 合格
6 4.19～8.0
7 7.47 52 不合格
7 3.80～6.41 7.87 67 不合格
8 5.35～8.85 8.25 不合格
9 0～1.43 7.83 82 合格
10 无8.19 100 合格
11 4.67～9.0 8.60 55 不合格
12 局部7.30 98 合格
13 无8.00 100 合格
14 无8.40 100 合格
15 3.97～5.35 8.40 84 合格
16 无8.40 100 合格
17 3.97～5.44 8.21 82 合格
18 无8.39 100 合格
19 无8.45 100 合格
20 0.5～0.71 7.85 91 合格
21 无8.15 100 合格
22 无8.57 100 合格
23 无8.60 100 合格
24 4.0～6.5 7.67 78 合格
25 无8.45 100 合格
26 无8.56 100 合格
27 2.26～3.44，7.21 7.90 75 合格
28 3.15～5.87 7.50 76 合格
29 无8.34 100 合格
30 无7.83 100 合格
31 局部8.49 95 合格
32 0～1.42 7.37 82 合格
33 0～3.08，6.3 8.20 63 不合格
34 局部8.25 80 合格
35 无7.81 100 合格
36 5.19～9.05 8.45 54 不合格
37 0～0.5 8.22 95 合格
38 2.0～4.3，6.8～8.4 8.51 57 不合格
39 2.0～3.2，5.4～6.8 8.15 76 合格
40 3～3.6，8.1～8.6 8.29 88 合格
41 局部7.90 95 合格
▽435～450 m，桩号0+35～0+130 m段共有55根工程锚杆，上排19根，中排18根，下排19根。对中排和下排33根锚杆进行了无损检测，锚杆检测结果见表5，6。经反复测试与分析，该批锚杆中有
193岩土力学 2003年
表5 溢洪道右边坡中排锚杆测试成果
Table 5 Tested results of anchors on right slope middle
row of spillway
编号缺陷位置
/ m
锚杆有效
长度/m
砂浆饱
和度/%
评价
a1 3.4～4.67 7.66 83 合格
a3 3.3～4.6，6.4 7.66 80 合格
a4 3.3～4.4，6.1 7.37 82 合格
a6 0～1. 7.70 78 合格
a7 局部7.80 88 合格
a8 局部7.65 80 合格
a9 0～0.82，4.15～5.68 7.48 75 合格
a10 局部7.37 90 合格
a12 3.28～4.59 7.70 83 合格
a13 0～0.7 7.70 93 合格
a14 4.15，5.73 7.43 90 合格
a15 0～0.7 7. 91 合格
a16 2.2～3.0 7.14 合格
a17 0～0.7，1.9~2.8 7.37 78 合格
a18 0～1.2，5.9～7.4 7.40 不合格
表6 溢洪道右边坡下排锚杆测试成果
Table 6 Tested results of anchors on right slope lower row
of spillway
编号缺陷位置
/ m 锚杆有效
长度/m
砂浆饱
和度/% 评价
b1 无7.82 100 合格b3 3.5～5.9 7.70 70 不合格b4 3～8 7.53 38 不合格b5 3.17～5.57 7.0 62 不合格b6 4.3～5.7 7.75 82 合格b7 2.78～5.57 7.50 60 不合格b8 0～0.95 ，5.51～6.56 7.88 75 合格b9 1~2，4.3～6 7.43 65 不合格b10 局部7.48 75 合格b11 1.42～3.10 7.92 76 合格b12 4.6～7.3 7.92 62 合格b13 4.26～6.01 7. 77 合格b14 3.6，7.0 7.00 80 合格b15 1.1～.6，4.6～5.2 7.92 85 合格b16 无8.00 100 合格b17 0～1、3.7～5.0 8.00 84 合格b18 5.99～7.90 8.00 75 合格b19 1～1.7、3.5、5.5～6.3 8.10 79 合格18 %的锚杆波形规则，砂浆饱满密实，为Ⅰ类；
61 %的锚杆波形基本规则，局部波形畸变，说明局部砂浆有缺陷，为Ⅱ类；21 %的锚杆为Ⅲ，Ⅳ类，波形严重畸变，有空浆或砂浆严重不饱满或不密实。Ⅰ，Ⅱ类锚杆占检测数量的79 %，锚杆设计长度为8.0 m，实测锚杆长度为7～8 m。单根锚杆有效长度为设计长度的比值范围为87.5 %～101 %，平均值为95.3 %。该批检测的锚杆为合格。
9 结语
（1）利用声频应力波原理对锚杆施工质量作出评价，除其检测试验时间短，对锚杆无损伤等优点外，还能对锚杆长度、缺陷位置以及砂浆密实度等参数作出评价。
（2）在对模型锚杆和工程锚杆进行大量的测试与研究的基础上，初步形成了工程锚杆的无损检测方法，在目前国内尚无理想的专用设备和成熟的检测技术条件下，借鉴基桩检测的原理及方法对锚杆进行无损检测，无论从原理上和还是从方法上都是可行的。该方法能够定量反映工程锚杆注浆质量。
（3）在模型锚杆的基础上，建立了水布垭工程锚杆无损检测验收标准。经对地下厂房和溢洪道共54根锚杆的检测应用与验证，该验收标准可行。
参考资料
[1] GB50086-2001，锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].
[2] Von Koten H., et al. E quipment for integrity and bearing
capacity of piles[A]. 第一届应力波理论在桩基工程中
的应用国际会议[C]. 斯德哥尔摩：[ s. n. ]. 1980.
[3] JGJ/T93-95，基桩低应变动力检测规程[S].
[4] 北京航空学院，南京航空学院. 传感器原理[M]. 北京：
国防工业出版社，1980.
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