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(duì)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(duì)應(yīng)的方法。錨桿荷載試驗(yàn)可對(duì)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(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)造成破壞。而錨桿無損檢測則側(cè)重于對(duì)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(huì)對(duì)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(hào)。

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。可根據(jù)反射波的到達(dá)時(shí)間和能量衰減情況來評(píng)估錨桿長度、錨固缺陷位置和灌漿密實(shí)度。

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(dòng)信號(hào)。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(dòng)，振動(dòng)幅度整體呈衰減趨勢(shì)。錨桿端部質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)時(shí)，還會(huì)帶動(dòng)其相鄰質(zhì)點(diǎn)一起振動(dòng)，該振動(dòng)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(hào)。

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(duì)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

1、密實(shí)度的綜合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

A類（90%≤D）：

時(shí)域信號(hào)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(hào)微弱或沒有。幅頻信號(hào)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(hào)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(hào)呈單峰或不對(duì)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(hào)波形欠規(guī)則，呈逐步衰減或間歇衰減趨勢(shì)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(hào)呈不對(duì)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(hào)。呈多峰形態(tài)，桿底諧振峰明顯、連續(xù)，或相鄰頻差△f≥Cm/2L。

2、 密實(shí)度的估算

除了根據(jù)時(shí)域信號(hào)和幅頻信號(hào)特征來定性評(píng)估密實(shí)度外，還可以通過有效長度法或能量法對(duì)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(píng)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

1、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(duì)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(duì)于前面的波形為上升趨勢(shì)。判讀時(shí)與桿頭信號(hào)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(hào)。

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(hào)特征定性判斷的錨固質(zhì)量等級(jí)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(hào)幅值越大；缺陷越深、越輕微，反射信號(hào)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。

2、桿底反射難以識(shí)別的情況

部分情況下，從實(shí)測波形中可能難以識(shí)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(shí)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(hào)中，將桿底反射信號(hào)給湮沒。

不管是以上哪種情況，要想通過對(duì)信號(hào)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(hào)難以識(shí)別，但不影響通過該波形對(duì)錨桿中是否存在缺陷進(jìn)行分析。

3、錨固質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)
在進(jìn)行錨固質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)時(shí)，需要觀察時(shí)域信號(hào)和頻譜的特征，然后定性的評(píng)估密實(shí)度的等級(jí)。實(shí)際分析時(shí)可以先從幅頻信號(hào)入手，再觀察時(shí)域信號(hào)。根據(jù)幅頻信號(hào)單峰、雙峰、多峰等形態(tài)先初步確定質(zhì)量等級(jí)，然后再觀察時(shí)域信號(hào)來復(fù)核確認(rèn)。確定密實(shí)度等級(jí)后，可以參考該密實(shí)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的密實(shí)度區(qū)間，來輔助判讀錨固缺陷的長度。

4、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(duì)容易識(shí)別，缺陷的終點(diǎn)在波形上難以識(shí)別，需要結(jié)合信號(hào)特征定性判斷的密實(shí)度等級(jí)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(huì)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(huì)疊加到一起，會(huì)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(huì)較大。

5、頻域分析

頻域分析通過傅里葉變換揭示信號(hào)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(hào)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(jí)評(píng)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(hào)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(hào)的反射時(shí)間接近互為倒數(shù)。

② 錨固質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)

規(guī)范中對(duì)于錨固質(zhì)量等級(jí)及其對(duì)應(yīng)的信號(hào)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(hào)的描述，可以定性的對(duì)錨固質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

6、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(duì)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(shì)繼續(xù)傳播，此時(shí)相位圖上也會(huì)有相關(guān)的體現(xiàn)。

六、錨桿實(shí)測案例分析

1、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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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。

2、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(hào)桿底諧振峰明顯，密實(shí)度等級(jí)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(hào)介于單峰和雙峰之間，時(shí)域信號(hào)觀察有輕微缺陷，密實(shí)度等級(jí)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(hào)中缺陷及底部反射均有輕微的諧振峰，時(shí)域信號(hào)觀察有明顯缺陷，密實(shí)度等級(jí)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(hào)呈單峰，密實(shí)度等級(jí)A類，綜合判定該錨桿為Ⅰ類桿。