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不會對整體結(jié)構(gòu)造成破壞，與錨桿荷載試驗形成互補。

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）時發(fā)生反射，形成反射波?？筛鶕?jù)反射波的到達(dá)時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度。

二、錨桿實測波形的物理意義

傳感器采集的是與傳感器底部接觸質(zhì)點的振動信號。傳感器一般安裝在錨桿端部，未激振時，錨桿端部質(zhì)點處于平衡狀態(tài)，此時波形幅值趨近于0。激振后，錨桿端部質(zhì)點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)點振動時，還會帶動其相鄰質(zhì)點一起振動，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，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刻波形上有明顯的反射波信號。

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間差來計算錨桿長度的過程。實際計算桿長時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，分析時采用桿體波速進(jìn)行計算，錨固段一般指灌漿段，分析時采用桿系波速進(jìn)行計算，實際分析時主要針對的是錨固段。

分析桿長時需要得到波速以及桿頭桿底之間反射波時間差。

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)錨桿模擬試驗即模型桿的測試結(jié)果來取值。

②桿頭桿底之間反射波時間差

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)時間。常見的判讀方式有兩種，根據(jù)波形起跳點判讀或根據(jù)波形的峰值點判讀。實際分析時根據(jù)個人習(xí)慣來選擇，但是桿頭和桿底的判讀標(biāo)準(zhǔn)要統(tǒng)一。

四、錨固密實度分析

1、密實度的綜合評判標(biāo)準(zhǔn)

A類（90%≤D）：

時域信號波形規(guī)則，呈指數(shù)衰減，持續(xù)時間短。2L/Cm時刻前無缺陷反射波，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%）：

時域信號波形較規(guī)則，呈較快指數(shù)衰減，持續(xù)時間短。2L/Cm時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)時間較長。2L/Cm時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)時間較長。2L/Cm時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。

2、 密實度的估算

除了根據(jù)時域信號和幅頻信號特征來定性評估密實度外，還可以通過有效長度法或能量法對密實度進(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算并評價錨桿密實度/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)，取首波峰值點或起跳點。

桿底：以預(yù)設(shè)桿長為參考，在預(yù)設(shè)桿長對應(yīng)的時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。判讀時與桿頭信號判別基準(zhǔn)一致，同取峰值點或起跳點。

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度估算，密實度估算結(jié)果應(yīng)與根據(jù)時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測波形情況。

2、桿底反射難以識別的情況

部分情況下，從實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，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的錨桿長度是比較困難的。此時，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。

3、錨固質(zhì)量等級評價
在進(jìn)行錨固質(zhì)量等級評價時，需要觀察時域信號和頻譜的特征，然后定性的評估密實度的等級。實際分析時可以先從幅頻信號入手，再觀察時域信號。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，然后再觀察時域信號來復(fù)核確認(rèn)。確定密實度等級后，可以參考該密實度等級對應(yīng)的密實度區(qū)間，來輔助判讀錨固缺陷的長度。

4、密實度估算方法的選擇
密實度分析方法有長度法和能量法兩種。

長度法：適用范圍更廣，計算時需要判讀缺陷段的長度，一般缺陷起始點相對容易識別，缺陷的終點在波形上難以識別，需要結(jié)合信號特征定性判斷的密實度等級來綜合分析。

能量法：在錨桿孔口或者桿底附近有缺陷時不適用。因為當(dāng)孔口有缺陷時，入射波會受淺部缺陷的影響，導(dǎo)致入射波能量計算存在較大偏差；而在桿底附近有缺陷時，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算。同理外露段過長或自由段過長的錨桿，能量法估算密實度的誤差也會較大。

5、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用于計算錨桿長度及缺陷位置；②用于錨固質(zhì)量等級評價。

① 錨桿長度及缺陷位置計算

頻譜用于錨桿長度或缺陷位置計算時，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。一般在時域信號底部反射或缺陷反射明顯時，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，諧振峰更明顯。此時諧振峰的頻差應(yīng)與時域信號的反射時間接近互為倒數(shù)。

② 錨固質(zhì)量等級評價

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。

6、相位分析

相位指一個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的偏移量，其縱坐標(biāo)通常用角度來表示，橫坐標(biāo)為時間與時域波形橫坐標(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，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，此時相位圖上也會有相關(guān)的體現(xiàn)。

六、錨桿實測案例分析

1、模型桿

① 空錨桿（即鋼筋），直徑22mm，長度2.5m。

底部反射明顯，桿底反射時間973μs，幅頻信號桿底諧振峰明顯。根據(jù)桿長2.50m計算波速為5139m/s。

② 同一錨桿，密實度100%，M25水泥砂漿，齡期0.5天。

底部反射明顯，桿底反射時間979μs，幅頻信號桿底諧振峰明顯。根據(jù)桿長2.50m計算波速為5107m/s，波速略有下降。

③ 同一錨桿，齡期7天。

底部反射輕微，桿底反射時間1210μs，幅頻信號為單峰。根據(jù)桿長2.50m計算波速為4132m/s。

④ 模型桿，直徑22mm，長度2.5m，設(shè)計密實度80%，缺陷靠近桿底，M25水泥砂漿，齡期7天。

底部反射明顯，桿底反射時間1160μs，幅頻信號桿底諧振峰明顯。定桿長2.50m計算波速為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)計密實度80%，缺陷靠近中部，M25水泥砂漿，齡期7d。

底部反射明顯，桿底反射時間1150μs，幅頻信號桿底諧振峰明顯。定桿長2.50m計算波速為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，密實度等級D類，桿底反射時間1728μs，根據(jù)設(shè)計桿長4.5m計算波速為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，時域信號觀察有輕微缺陷，密實度等級B類，桿底反射時間3536μs，根據(jù)同單元其他錨桿平均波速4511m/s計算桿長為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，時域信號觀察有明顯缺陷，密實度等級C類，桿底反射時間1308μs，根據(jù)同單元其他錨桿平均波速4545m/s計算桿長為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，密實度等級A類，綜合判定該錨桿為Ⅰ類桿。