錨桿在工程中應(yīng)用廣泛，主要用于加固和穩(wěn)定土體、巖體及各類建筑結(jié)構(gòu)，是橋梁、隧道、邊坡、礦山、大壩、高層建筑等工程的重要支護(hù)手段，其施工質(zhì)量直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和長期穩(wěn)定性。
現(xiàn)階段對錨桿施工質(zhì)量檢測可采用錨桿荷載試驗(yàn)和無損檢測兩種方法，一般根據(jù)檢測目的不同選擇對應(yīng)的方法。錨桿荷載試驗(yàn)可對錨桿的力學(xué)性能進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果直觀。但是整體檢測效率低、不適合大范圍普查，同時(shí)可能會對整體結(jié)構(gòu)造成破壞。而錨桿無損檢測則側(cè)重于對錨桿長度、灌漿密實(shí)度進(jìn)行檢測，具有檢測效率高、現(xiàn)場操作簡單適合大范圍普查同時(shí)不會對整體結(jié)構(gòu)造成破壞，與錨桿荷載試驗(yàn)形成互補(bǔ)。
本文將詳細(xì)介紹錨桿無損檢測的基本原理、錨桿無損檢測波形的判讀技巧，幫助工程技術(shù)人員準(zhǔn)確解讀檢測信號。
一、錨桿無損檢測的基本原理
錨桿無損檢測主要通過聲波反射法進(jìn)行。振源(超磁振源或手錘)在錨桿頂部激發(fā)沖擊彈性波，彈性波沿著錨桿軸線方向傳播，當(dāng)遇到波阻抗變化界面(灌漿缺陷或桿底)時(shí)發(fā)生反射，形成反射波?？筛鶕?jù)反射波的到達(dá)時(shí)間和能量衰減情況來評估錨桿長度、錨固缺陷位置和灌漿密實(shí)度。
▲錨樁無損檢測現(xiàn)場
二、錨桿實(shí)測波形的物理意義
傳感器采集的是與傳感器底部接觸質(zhì)點(diǎn)的振動信號。傳感器一般安裝在錨桿端部，未激振時(shí)，錨桿端部質(zhì)點(diǎn)處于平衡狀態(tài)，此時(shí)波形幅值趨近于0。激振后，錨桿端部質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置開始呈規(guī)律性的振動，振動幅度整體呈衰減趨勢。錨桿端部質(zhì)點(diǎn)振動時(shí)，還會帶動其相鄰質(zhì)點(diǎn)一起振動，該振動以波的形式逐步沿錨桿軸向向底部傳播，當(dāng)傳播途中遇到桿底或者缺陷位置時(shí)，一部分發(fā)生反射，反射波沿著原傳播路徑傳回至錨桿端部被傳感器接收，在波形上體現(xiàn)的是在傳播回錨桿端部的這一時(shí)刻波形上有明顯的反射波信號。
▲錨桿波形圖
三、錨桿波形桿長分析
桿長分析是根據(jù)彈性波在錨桿中傳播的縱波波速以及桿頭桿底之間反射波時(shí)間差來計(jì)算錨桿長度的過程。實(shí)際計(jì)算桿長時(shí)通常是將錨桿分為自由段和錨固段兩部分，自由段部分一般未灌漿，分析時(shí)采用桿體波速進(jìn)行計(jì)算，錨固段一般指灌漿段，分析時(shí)采用桿系波速進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際分析時(shí)主要針對的是錨固段。
分析桿長時(shí)需要得到波速以及桿頭桿底之間反射波時(shí)間差。
1、波速的獲取
其中，桿體波速是指錨桿本身材質(zhì)的波速，一般可根據(jù)未錨固的錨桿進(jìn)行標(biāo)定來獲取。桿系波速指錨桿錨固段與砂漿圍巖形成的整個(gè)體系的波速，可根據(jù)相同施工工藝條件下同類型錨桿的波速進(jìn)行取值，或根據(jù)錨桿模擬試驗(yàn)即模型桿的測試結(jié)果來取值。
2、桿頭桿底之間反射波時(shí)間差
需要根據(jù)曲線特征來分析錨桿桿頭和桿底反射波的到達(dá)時(shí)間。常見的判讀方式有兩種，根據(jù)波形起跳點(diǎn)判讀或根據(jù)波形的峰值點(diǎn)判讀。實(shí)際分析時(shí)根據(jù)個(gè)人習(xí)慣來選擇，但是桿頭和桿底的判讀標(biāo)準(zhǔn)要統(tǒng)一。
四、錨固密實(shí)度分析
（一）密實(shí)度的綜合評判標(biāo)準(zhǔn)
A類(90%≤D)：
時(shí)域信號波形規(guī)則，呈指數(shù)衰減，持續(xù)時(shí)間短。2L/Cm時(shí)刻前無缺陷反射波，桿底反射波信號微弱或沒有。幅頻信號呈單峰形態(tài)，或可見微弱的桿底諧振峰，其相鄰頻差△f≈Cm/2L。
B類(80%≤D<90%)：
時(shí)域信號波形較規(guī)則，呈較快指數(shù)衰減，持續(xù)時(shí)間短。2L/Cm時(shí)刻前有較弱的缺陷反射波，或可見較清晰的桿底反射波。頻域信號呈單峰或不對稱的雙峰形態(tài)，或可見微弱的諧振峰，其相鄰頻差△f≥Cm/2L。
C類(75%≤D<80%)：
時(shí)域信號波形欠規(guī)則，呈逐步衰減或間歇衰減趨勢形態(tài)，持續(xù)時(shí)間較長。2L/Cm時(shí)刻前可見明顯的缺陷反射波或清晰的桿底反射波，但無桿底多次反射波。幅頻信號呈不對稱的多峰形態(tài)，可見諧振峰，其相鄰頻差△f≥Cm/2L。
D類(D<75%)：
波形不規(guī)則，呈慢速衰減或間歇增強(qiáng)后衰減形態(tài)，持續(xù)時(shí)間較長。2L/Cm時(shí)刻前可見明顯的缺陷反射波及多次反射波，或清晰的多次桿底反射波信號。呈多峰形態(tài)，桿底諧振峰明顯、連續(xù)，或相鄰頻差△f≥Cm/2L。
（二）密實(shí)度的估算
除了根據(jù)時(shí)域信號和幅頻信號特征來定性評估密實(shí)度外，還可以通過有效長度法或能量法對密實(shí)度進(jìn)行估算。
1、有效長度法
根據(jù)有效錨固段占總錨固段的長度比例進(jìn)行估算。
2、能量法
采用錨桿反射波能量計(jì)算并評價(jià)錨桿密實(shí)度/飽滿度的方法。不適用于錨桿孔口或底部有缺陷的情況。
五、錨桿波形分析的技巧
（一）波形判讀
桿頭：一般以首波為基準(zhǔn)，取首波峰值點(diǎn)或起跳點(diǎn)。
桿底：以預(yù)設(shè)桿長為參考，在預(yù)設(shè)桿長對應(yīng)的時(shí)域波形附近觀察是否存在明顯的波形起跳位置，即波幅相對于前面的波形為上升趨勢。判讀時(shí)與桿頭信號判別基準(zhǔn)一致，同取峰值點(diǎn)或起跳點(diǎn)。
缺陷：出現(xiàn)在外露段和桿底反射之間，觀察該區(qū)間的波形是否存在明顯的反射信號。
缺陷段長度的分析：缺陷段長度分析涉及到密實(shí)度估算，密實(shí)度估算結(jié)果應(yīng)與根據(jù)時(shí)域波形和幅頻信號特征定性判斷的錨固質(zhì)量等級相符合，以此為基準(zhǔn)，來判讀錨固缺陷的長度。一般來說，缺陷越淺、越嚴(yán)重，反射信號幅值越大;缺陷越深、越輕微，反射信號幅值越小。以下是同一缺陷位于錨桿模型中部和靠近錨桿底部的實(shí)測波形情況。
（二）桿底反射難以識別的情況
部分情況下，從實(shí)測波形中可能難以識別桿底反射波，常見的有兩種情況。
1、錨桿注漿密實(shí)，錨桿錨固段波阻抗與巖體波阻抗相近，彈性波在傳播過程中能量基本上通過介質(zhì)擴(kuò)散至注漿體及圍巖中，反射回波較微弱難以識別;
2、錨桿存在缺陷的多次反射波或多個(gè)缺陷的反射波，缺陷反射波疊加到信號中，將桿底反射信號給湮沒。
不管是以上哪種情況，要想通過對信號分析和處理來得到真實(shí)的錨桿長度是比較困難的。此時(shí)，雖然桿底反射信號難以識別，但不影響通過該波形對錨桿中是否存在缺陷進(jìn)行分析。
（三）錨固質(zhì)量等級評價(jià)
在進(jìn)行錨固質(zhì)量等級評價(jià)時(shí)，需要觀察時(shí)域信號和頻譜的特征，然后定性的評估密實(shí)度的等級。實(shí)際分析時(shí)可以先從幅頻信號入手，再觀察時(shí)域信號。根據(jù)幅頻信號單峰、雙峰、多峰等形態(tài)先初步確定質(zhì)量等級，然后再觀察時(shí)域信號來復(fù)核確認(rèn)。確定密實(shí)度等級后，可以參考該密實(shí)度等級對應(yīng)的密實(shí)度區(qū)間，來輔助判讀錨固缺陷的長度。
（四）密實(shí)度估算方法的選擇
密實(shí)度分析方法有長度法和能量法兩種。
長度法：適用范圍更廣，計(jì)算時(shí)需要判讀缺陷段的長度，一般缺陷起始點(diǎn)相對容易識別，缺陷的終點(diǎn)在波形上難以識別，需要結(jié)合信號特征定性判斷的密實(shí)度等級來綜合分析。
能量法：在錨桿孔口或者桿底附近有缺陷時(shí)不適用。因?yàn)楫?dāng)孔口有缺陷時(shí)，入射波會受淺部缺陷的影響，導(dǎo)致入射波能量計(jì)算存在較大偏差;而在桿底附近有缺陷時(shí)，桿底反射波與缺陷反射波會疊加到一起，會影響反射波能量的計(jì)算。同理外露段過長或自由段過長的錨桿，能量法估算密實(shí)度的誤差也會較大。
（五）頻域分析
頻域分析通過傅里葉變換揭示信號的頻率成分，其結(jié)果是橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)的幅度大小表示該頻率成分在信號中占比多少。
頻域分析在錨桿波形分析中有兩種用法，1、用于計(jì)算錨桿長度及缺陷位置;2、用于錨固質(zhì)量等級評價(jià)。
1、錨桿長度及缺陷位置計(jì)算
頻譜用于錨桿長度或缺陷位置計(jì)算時(shí)，要求要在頻譜圖上有明顯的錨桿底部或缺陷反射的諧振峰。一般在時(shí)域信號底部反射或缺陷反射明顯時(shí)，頻譜圖上才能觀察到較明顯的諧振峰，尤其是存在多次反射時(shí)，諧振峰更明顯。此時(shí)諧振峰的頻差應(yīng)與時(shí)域信號的反射時(shí)間接近互為倒數(shù)。
2、錨固質(zhì)量等級評價(jià)
規(guī)范中對于錨固質(zhì)量等級及其對應(yīng)的信號特征給出了較為明確的判定依據(jù)，根據(jù)其中關(guān)于幅頻信號的描述，可以定性的對錨固質(zhì)量等級進(jìn)行評價(jià)。
（六）相位分析
相位指一個(gè)周期性波形在其周期中的特定位置。它表示的是波形相對于某一參考點(diǎn)的偏移量，其縱坐標(biāo)通常用角度來表示，橫坐標(biāo)為時(shí)間與時(shí)域波形橫坐標(biāo)一致。
通常當(dāng)波形呈有規(guī)律的正弦波上下交替出現(xiàn)時(shí)，相位圖也呈規(guī)律性的從-90°→0→90°來回循環(huán)變化。如果波形中出現(xiàn)異常反射，波形沒有沿原趨勢繼續(xù)傳播，此時(shí)相位圖上也會有相關(guān)的體現(xiàn)。
六、錨桿實(shí)測案例分析
（一）模型桿
1、空錨桿(即鋼筋)，直徑22mm，長度2.5m。
底部反射明顯，桿底反射時(shí)間973μs，幅頻信號桿底諧振峰明顯。根據(jù)桿長2.50m計(jì)算波速為5139m/s。
2、同一錨桿，密實(shí)度100%，M25水泥砂漿，齡期0.5天。
底部反射明顯，桿底反射時(shí)間979μs，幅頻信號桿底諧振峰明顯。根據(jù)桿長2.50m計(jì)算波速為5107m/s，波速略有下降。
3、同一錨桿，齡期7天。
底部反射輕微，桿底反射時(shí)間1210μs，幅頻信號為單峰。根據(jù)桿長2.50m計(jì)算波速為4132m/s。
4、模型桿，直徑22mm，長度2.5m，設(shè)計(jì)密實(shí)度80%，缺陷靠近桿底，M25水泥砂漿，齡期7天。
底部反射明顯，桿底反射時(shí)間1160μs，幅頻信號桿底諧振峰明顯。定桿長2.50m計(jì)算波速為4310m/s，桿底反射前有明顯缺陷反射波。
5、模型桿，直徑22mm，長度2.5m，設(shè)計(jì)密實(shí)度80%，缺陷靠近中部，M25水泥砂漿，齡期7d。
底部反射明顯，桿底反射時(shí)間1150μs，幅頻信號桿底諧振峰明顯。定桿長2.50m計(jì)算波速為4319m/s，錨桿中部反射前有明顯缺陷反射波，且相比模型4，缺陷反射波能量更大。
（二）工程錨桿
1、設(shè)計(jì)長度4.5m，直徑22mm。齡期超過7天。
底部反射明顯，有多次反射波，幅頻信號桿底諧振峰明顯，密實(shí)度等級D類，桿底反射時(shí)間1728μs，根據(jù)設(shè)計(jì)桿長4.5m計(jì)算波速為5208m/s，明顯異常，根據(jù)同單元其他錨桿的平均波速4580m/s，計(jì)算長度3.98m，長度疑似不合格，綜合判定該錨桿為Ⅳ類桿。
2、設(shè)計(jì)長度8m，直徑22mm。齡期超過7天。
底部反射較明顯，幅頻信號介于單峰和雙峰之間，時(shí)域信號觀察有輕微缺陷，密實(shí)度等級B類，桿底反射時(shí)間3536μs，根據(jù)同單元其他錨桿平均波速4511m/s計(jì)算桿長為7.98m，桿長合格，綜合判定該錨桿為Ⅱ類桿。
3、設(shè)計(jì)長度3m，直徑22mm。齡期超過7天。
底部反射明顯，幅頻信號中缺陷及底部反射均有輕微的諧振峰，時(shí)域信號觀察有明顯缺陷，密實(shí)度等級C類，桿底反射時(shí)間1308μs，根據(jù)同單元其他錨桿平均波速4545m/s計(jì)算桿長為2.97m，桿長合格，綜合判定該錨桿為Ⅲ類桿。
4、設(shè)計(jì)長度3m，直徑22mm。齡期超過7天。
底部反射不明顯，幅頻信號呈單峰，密實(shí)度等級A類，綜合判定該錨桿為Ⅰ類桿。
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