第1章 绪论
锚杆锚固技术在岩土工程界已被广泛应用，同时因设计、施工存在问题而又无先进完备的检测手段，在现场所造成的事故与经济损失也越来越多，故锚杆损伤识别及锚固质量评价理论和新技术的研究成为当今岩土工程中一个迫切需要完成的课题。本书在锚杆-围岩结构系统低应变动力响应理论研究的基础上，力求建立一种既简便经济又迅速可靠的确定锚杆施工质量、工作状态的无损探伤与质量诊断技术，为锚固工程质量控制和可靠性检测提供保障与手段，确立对锚杆锚固质量进行大面积普查的方法，弥补以至取代传统的锚固体系检测方法。
1.1 背景及意义
岩土锚固技术在国内外的使用已比较久远，*早应用在20世纪初，1911年美国首先用岩石锚杆防护矿山巷道边坡，1918年西利西安矿山采用了锚索防护，当时锚索未加预应力，预应力锚索的首次应用是1933年阿尔及利亚的A.Coyne工程师对舍尔坝加高工程的加固，1957年西德在土建深基坑维护中使用土层锚杆。我国岩土锚固技术的应用始于20世纪50年代，1955年京西矿务局安滩煤矿等单位使用楔缝式锚杆支护矿山巷道。20世纪60年代，我国开始在矿山巷道、铁路隧道及边坡整治工程中大量应用普通砂浆锚杆与喷射混凝土支护。1964年，梅山水库的坝基加固采用了预应力锚索。20世纪70年代，北京国际信托大厦等基坑工程采用了土层锚杆支护。近年来，我国岩土锚固工程的发展尤为迅速，几乎已涉及矿山井巷、铁路隧洞、地下洞室支护、岩土边坡加固、坝基稳定、深基坑支档、结构抗浮与抗倾、悬索建筑的地下受拉结构等土木工程各个领域，如在三峡水利工程中，永久船闸两侧全部用数十万根高强锚杆进行预锚加固。
目前国内外各种类型锚杆已达600余种，每年使用的锚杆量已超过10亿根。美国、澳大利亚等把锚杆作为地下开采、围岩支护中普遍应用的常规手段，据不完全统计，我国1958～1992年用于岩土锚固的锚杆(索)使用量超过8×103km，年均使用量超过235km。1992～2002年，仅我国公路部门用于岩土锚固的锚杆(索)使用量就超过2×103km，年均使用量超过200km。另外，20世纪90年代更多地使用了土钉，其总数当以亿万计。
岩土锚固技术(锚杆、锚索、土钉工法等)的先进性、可靠性、经济性无可置疑。然而由于材料、施工、地质条件等因素的影响，锚固结构系统在施工和使用过程中必然存在许多损伤，如对于砂浆全长固结的锚杆-围岩结构系统，其主要损伤有：①锚杆体本身损伤，如材质不均匀，存在裂缝、孔洞，杆体锈蚀；②胶结体损伤，如胶结体密实度不够，内部有孔洞、裂隙、“蜂窝”等；③胶结体与锚杆体、围岩的胶结不好。另外，还包括地质界面、软弱地层对锚固质量的影响。具有这些损伤的锚杆-围岩结构系统，简称为“损伤锚杆”。随着这些损伤的产生、积累，会使具有永久支护的岩土工程失效。
对于岩土工程中的众多锚杆，其锚固质量如何、锚杆的长度是否与设计长度一致、其砂浆是否饱满、锚杆是否起到了应有的作用，这些问题对于岩土加固工程来说显得十分重要。所以，对锚固工程的损伤识别、质量诊断以及实时检测、补强，一直是岩土工程界广泛关注的问题。要对锚杆工作状态进行长期或短期监测，通常采用预埋各种根据机械、液压、振动、电气和光弹等原理制作的测力计进行监测，但这些测力计受电磁场干扰大，在潮湿、温差大的条件下灵敏度会大大降低。而对于工程界广泛使用而未预埋测力计的锚杆，则常采用现场拉拔实验的方法测定锚杆静荷载-位移曲线来确定锚杆极限承载力，这种方法直观可靠，但对锚杆所加固的岩体会产生较强的扰动，且对锚固力大小及其在长期运行中的变化情况无法进行评价。此外，要测出完整的荷载-位移曲线，不仅费时长、耗资大，而且为获得准确的极限承载力需进行破坏性实验，故检测面小，仅限于个别抽查。由于在各项工程中使用锚杆加固技术面宽量大，多为隐蔽工程，迫切需要开发一种既简便经济又迅速可靠的确定锚杆施工质量、工作状态的锚杆-围岩结构系统无损探伤理论与智能诊断技术，为锚固工程质量控制和可靠性检测提供了保障与手段，是保证围岩加固质量及其稳定的必要前提，弥补以至取代传统的锚固体系检测方法，以适应大规模工程施工的需要，这就是本书的研究目的所在，这也是目前岩土加固工程急需解决的关键技术问题。
在目前研究现状的基础上，基于一维波动理论和结构动力学原理，通过波形识别和模态分析，建立锚杆锚固系统的健康监测与智能诊断系统，解决锚杆系统动测参数、损伤诊断、锚固质量定量评价等问题。这种系统有可能把目前广泛使用的离线、静态、被动的检查转变为在线、动态、实时的健康监测与控制，将对锚杆的安全监控和性能改善产生质的飞跃，从而进一步提高岩土锚杆加固工程施工质量管理的有效性和科学性，为岩土结构工程的稳定性研究提供一种方便、快捷的观察手段，在一定程度上保证锚杆加固技术和岩土工程的稳定性和可靠性，同时也将对锚杆加固理论研究进一步深入，为锚杆支护施工工艺的改进和锚杆支护技术的推广起到有益的促进作用。同时，本研究将进一步完善岩土工程的应力波检测理论，而且将使应力波测试技术逐步进入定量化阶段。它可为应力波测试技术在边坡工程、地下工程等施工过程以及后续管理中的质量监测、稳定性评价等提供可参考的理论依据。因而本研究不仅具有理论上的学术价值，而且具有广泛的工程应用价值。
1.2 国内外研究现状
传统的锚杆锚固状态的检测手段，主要依靠对锚杆的抗拔力测试。这种方法虽然适用于某些场合，但却存在着许多不足。该方法不仅是一种破坏性检测，而且所测定的抗拔力并不能完全反映锚杆的锚固状态。
近几十年发展起来的无损探伤技术主要利用相应的硬件设备和媒介以及获取结论的信号处理方法对岩土锚固进行安全评价，它是多学科紧密结合的高技术产物。现代材料科学和应用物理学的发展为无损探伤技术奠定了理论基础，现代电子技术和计算机科学的发展为无损探伤技术提供了现代化的测试工具。同时，现代土木工程中迅速发展的新设计、新材料、新工艺又对无损探伤技术不断地提出新的更高的要求，起着积极的促进作用。所以，它已成为测试技术体系中的一个重要分支，是建筑工程测试技术现代化的重要发展方向。无损探伤技术用于岩土锚固安全评价是近年来伴随数字电子技术和计算机技术的巨大发展而发展起来的，经几十年的研究和应用，发展起了多种多样的方法，可主要归纳为电磁波法和震动(地震波)-超声波探测法。
电磁波法主要包括地质雷达、红外线温度场扫描探测、射线诊断法、光学成像法等。震动-超声波探测法主要包括高分辨率地震波法、瑞利波法、TSP(tunnel seismic prediction，隧道震动探测)法、声波探测法、超声波探测法、应力波法等。工作机理上，前者由电磁振荡激发电磁波，后者为机械震动激发地震波、声波、超声法。电磁波的工作频率可从十几兆赫兹至2000MHz，震动-超声波法的工作频率从几赫兹至100kHz。工作方式上又可分为反射法和透射法。前人研究表明，地质雷达法可沿任一方向的表面进行高密度连续扫描探测，实时绘出彩色剖面图，速度快、分辨率高、成果直观，通过图像处理与分析研究可对锚杆的几何尺寸进行定量描述，对锚固系统中的灌浆饱和度及损伤情况进行定性或半定量描述，对周围岩土结构和完整性及含水情况进行定性描述。但该仪器的探测距离相对于长、大锚固系统而言是有限的。红外温度场扫描探测方法通过在结构物外表面连续扫描测量反映其内部结构的温度场变化而反演其内部结构，包括灌浆损伤、岩土体工程地质、水文地质变化等。但往往由于测试区内的温度场变化比较微弱，与地质雷达相比其灵敏度和分辨率较低，价格较昂贵。瑞利波法(地震面波)可用于研究锚固系统灌浆情况和岩土体块段检测评价，通过求取地震波速度和频谱对岩土体完整性及其强度进行定量描述。由于其有效探测范围限于一个波长内，所以探测深度视所选择的仪器工作频率而定，就当前的仪器开发水平而言，探测深度基本与地质雷达相当，分辨率低于地质雷达。应力波法(声波、超声波法)通过在锚杆顶部激发弹性应力波，当该弹性应力波传播到锚杆底部时由于锚杆与岩土体存在波阻抗差异，将产生反射波回到锚杆顶部，根据反射回波的走时和应力波在锚杆中的传播速度即可确定锚杆长度。此外，还可测试注浆饱满密实度。该仪器对于非金属物体的探测深度比较有限。高分辨率地震波法的优点是探测深度足够大，但主要可用于探测锚固系统中的岩土体块段完整性，可探测到岩土体中的较大裂缝或断层以及分界面等。TSP法本来是一种专门的隧道地震波探测技术，探测深度可达100m以上，但分辨率为1～2m。无损探伤技术成本低、费时少，对结构不产生破坏，正是由于这些强大的优点，使得该技术在国内外获得了广泛的应用与研究。
由于波传播具有许多独特的性质，以超声法为代表的研究工作正蓬勃发展，超声法已成为现代无损探伤技术的主要工具之一。超声法在研究岩石(体)的声学特性、桩基检测等方面得到了广泛的应用与发展。
20世纪80年代以来，超声法被逐渐应用于锚固工程的质量检测中。1978年瑞典的H.E.Thurner提出用测超声波能量损耗的原理来检测锚杆的灌注质量，并由GendynamikAB公司于1980年推出了Boltometer Version锚杆质量检测仪[1]，但该方法检测结果仍为锚杆的抗拔力，因存在激发条件苛刻和衰减快等缺点而未得到广泛应用。20世纪90年代，美国矿业管理局开发出能检测锚杆应变和长度的超声波仪器[2，3]，但它无法评价锚杆的施工质量。超声波方法的缺点是衰减快，对于较长锚杆的检测无能为力，且激发条件苛刻又不能作出定量化评价。为了得到比较好的超声波信号，锚头必须磨平，故现场适用性较差。1995～1998年，郭世明等在大朝山水电站采用应力波法对近千根锚杆进行了质量检测[4]，通过在测试中的对比研究，取得了一定的效果，说明采用应力波法对锚杆质量进行检测是可行的。
锚杆长度检测采用应力反射波法进行测定，该方法的基本理论依据为一维杆件的弹性应力波反射理论，在锚杆顶部激发弹性应力波，当弹性应力波传播到锚杆底部时由于锚杆和锚杆底部的岩石存在波阻抗差异，将产生反射波回到锚杆顶。根据反射波的走时和锚杆中的应力波传播速度就可以确定出锚杆长度。应力波在坚硬完整的介质中传播速度大，衰减速度快，而在松散及不完整介质中的传播速度小，衰减速度慢。因此可以利用应力波的这一传播特性来判断注浆饱和度情况。对于注浆饱满的，砂浆和岩石的耦合性好，可看成完整的介质，因此应力波的波形衰减快，近似于指数衰减；对于注浆饱满程度差的，则砂浆和岩石间的耦合性差，可看成松散不完整的介质，应力波的波形杂乱，衰减慢。根据不同方向、不同部位激振的应力波衰减曲线就可以对注浆饱和度作出判断，但对于锚杆锚固质量只能作粗略的定性或半定量的质量评价，且主观性较大。
南京大学的汪明武和淮南矿业学院的王鹤龄等根据应力波传播规律，利用锚固段长度及应力波能量衰减系数来评价锚杆锚固状态，并给出了分级标准，提出了快速普查检测锚杆锚固质量及预测锚固力的无损拉拔实验方法[5，6]。研究表明，由于锚固体系广义波阻抗的变化，激发的声频应力波在波阻抗界面处发生界面效应，产生反射波和透射波，应力波能量重新分配，介质质点间内摩擦也导致能量向其他形式转化。此外，反射波的相位特征及能量衰减规律反映了锚杆的锚固状态和侧阻力分布状态，且应力波能量吸收系数与锚固段长度有关。检测工作的核心之一是锚固段长度的测定，工作关键是系统参数的合理设定。通过现场锚杆拉拔实验可知，锚杆锚固体系的拉拔曲线在锚固体系临破坏前有明显的变化，若自动跟踪绘制拉拔曲线形态和拉拔系数的变化特征，来判断锚杆受力是否达到临界破坏，并用拉拔曲线转折前后曲线割线交点预测锚固力，既可测定锚杆锚固力，又不损坏锚杆锚固力。现场实测拉拔曲线可能呈现出复杂的变化规律，这是因为锚杆锚固力的影响因素多且复杂，锚固体系的破坏方式也是多样变化。实测位移除锚固体系的弹性和塑性变形外，还有锚杆垫板的变形和压入松散岩面的位移，以及杆体与锚固介质、锚固介质对
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