一种基于导波技术检测锚杆长度及缺陷的新方法

　　锚杆锚固技术广泛应用于矿业采掘和岩土工程中。然而,其施工质量的评估是当前的难点问题,其中锚杆有效长度是锚杆施工质量评价中一个重要的指标。目前国内外对锚杆的检测尚停留在用千斤顶拉拔试验阶段,这种方法既费工又费时,且检测方法是破损性的,故仅限于抽检^[1]。瑞典的H FThurner利用超声波的原理研发了锚杆质量检测仪,但该方法激发条件苛刻、衰减快、重复性差且检测锚杆长度的精确性较低。Beard M D^[2]等应用导波方法检测锚杆端面回波并取得了一定的进展,证明了利用导波对锚杆进行检测的可能性,但仅限于实验室研究阶段。由于锚杆结构属于隐蔽工程,采用常规方法往往难以准确检测其长度及缺陷。我国学者^[3]对锚杆检测的研究大多限于应用脉冲应力波法,目前还处于探索阶段,测试结果不甚理想,而应用导波技术对锚杆检测的研究还鲜见报道。由于导波沿传播路径衰减很小,沿杆件可传播很远,接收到的信号则包含了杆件的整体性信息^[4,5]。笔者根据钢杆的频散曲线,采用导波技术,试验研究了检测锚杆有效长度及缺陷的无损检测新方法。

　　1　杆中的导波

　　超声波在板、杆及空心圆柱壳等波导中传播时,由于受其边界的作用来回反射形成导波。导波在结构中传播时,在无能量泄漏的体系中如真空中的钢杆,因无声波能量泄漏到真空中,杆导波的群速度与能量速度相等;但是在有能量泄漏的体系中如置于土壤中的杆,有部分声波能量泄漏到杆周围的土壤中,这时杆导波的群速度与能量速度有所差别,能量速度能更准确地表示波包的速度,此时应以能量速度作为波包的传播速度^[4,6]。由于空气的声阻抗与钢杆相比非常小,可近似忽略,所以将置于空气中的杆视为真空中的杆来计算(下面无论在空气中还是土壤中,均称为能量速度)。图1为通过计算得到的分别置于空气中和无限大土壤中钢杆的频散曲线。

　　钢杆和土壤的密度分别为7.932和1.6 g/cm³,横波速度分别为5 960和310 m/s,纵波速度分别为3 260和95 m/s^[4]。从图1频散曲线可看出,钢杆中导波的能量速度随频率的变化而改变,且对应一个频率点上,存在多种导波模态。导波的这种频散特性和多模态特性使得对接收信号的分析和处理变得困难,因此,选择合适的导波模式和激励频率显得尤为重要。从图1b中可以看出:

　　(1)置于土壤中钢杆的能量速度曲线与空气中钢杆的能量速度频散曲线相比,变化不大厦,表1给出了几个特殊频率点的L(0,1)模态的能量速度值。

　　(2)对这种钢杆,在低频段(0~90 kHz)L(0,1)模态是速度最快的模态,信号第一个到达接收端,同时频散特性不明显,这有利识别接收到的信号。