自由锚杆中超声导波的最优激发波研究

　　近年来,岩土工程界中锚固金属杆的应用越来越广泛。金属杆和围岩一起附和而成的锚固体系能够承受较大的轴向和横向荷载从而起到一定的支护和加固作用,由于锚固支护是隐蔽工程,锚固质量和锚固状态的检测和监测对工程安全至关重要。目前,对锚杆工作状态的检测仍然局限于传统的拉拔试验和取芯检测等破坏性方法,迫切需要开发一种既简便经济又迅速可靠的无损检测手段[1-3]。

　　超声波在锚杆中实际上是以导波的形式传播的,即超声导波[4]。在波导介质中传播的超声导波信号包含传播过程中的全部信息,可以用于细小缺陷的检测[1]。利用导波的这种特性来检测材料结构的新技术具有更快捷、更灵敏、更经济的特点,是无损检测(NDT)领域中一个新近发展起来的重要课题[2-3]。目前超声导波在金属板、钢轨等材料的检测中已得到了广泛应用[5-9],近年来在国内外开展了将其应用于锚杆无损检测的研究。

　　早在2001年,北京工业大学的何存富通过对超声柱面导波技术进行研究并结合当时国外研究情况,预测了超声柱面导波无损检测技术在岩石防护用锚杆无损检测方面的应用前景[10]。加拿大戴尔豪斯大学GMI小组近年来对超声导波在锚杆中的传播特性进行了一系列深入细致的研究, Zou等(2007)通过试验分别获得了自由锚杆和锚固锚杆中不同频率的导波波速[11]。试验结果表明,在自由锚杆中随着导波频率的增加,波速有所下降,而在锚固锚杆中波速则随频率的增加而增加,但波速要比自由锚杆中低得多。前人的这些工作都验证了超声导波技术在锚杆检测方面的可行性,但是运用导波技术检测锚杆中不同缺陷问题未见报道。由于在实际工程中一般是研究导波在锚固锚杆中的传播规律并对缺陷进行检测,因此做好自由锚杆中导波传播规律的研究和缺陷的检测是解决实际工程问题的前提,其中怎样选择自由锚杆中最优激发波更是一切研究的前提和关键。本文对此问题进行了研究。

　　1 理论分析

　　在圆柱状波导中传播的超声导波存在3种模态,即纵向轴对称模态(L模态)、扭转模态(T模态)和弯曲模态(F模态)[1]。导波的一个最重要的特征是各模态具有不同的特性,同一模态在不同周期和不同频率下传播的特征也不同,包括波形特征以及衰减特征,这种特性与锚杆自身以及检测系统选取等有关。在低频段导波至少存在两种模态的导波,其中L(0,1)模态位移模式简单,易于激发,衰减最小(图1),能量速度最大,容易与其他速度较慢模态区别,适用于作为激发波的最佳模态。本次试验采用L(0,1)模态。利用最佳模态在自由锚杆导波检测中有可能找到激发波的最佳频率和最优周期,从而提高锚固锚杆以及缺陷的检测质量。