摘要
超声导波无损检测技术因其无损性、易操作、成本低等优点已经成为锚固锚杆质量检测的重要方法之一。但是在实际应用中，激发的大多数测试波会在锚固结构中迅速衰减而无法获得锚杆的底端反射信号，因而无法判断锚固质量的好坏。造成这种现象的主要原因是超声导波的频散性和多模态性，这会使不同频率的超声导波在锚固结构中的传播规律截然不同。除此之外，锚固结构的尺寸和材料参数也是重要的影响因素。因此，研究超声导波在锚固结构中的传播特性，对无损检测中激发波的选择具有重要指导意义。本文应用理论计算、数值模拟、以及与文献中实验测试的结果进行对比的方法分别对超声导波在频域范围和时域范围的传播规律进行研究，主要的研究内容与结论如下： (1)锚固结构中超声导波的频散规律是选择无损检测激发波的重要理论基础。锚固结构的频散方程是超越方程，它包含圆频率、实波数和虚波数三个变量且有无穷多个解，因此求解频散方程并追踪频散曲线的难度非常大。本文为了研究不同锚杆结构中超声导波的频散规律，首先应用全局矩阵法建立超声导波在锚固结构中的频散方程；然后通过外推法和二分法两步算法计算频散方程的解，解决了频散曲线的分类和相交等难题；最后自主编写相应的程序，实现了程序化求解频散方程的解。应用该程序计算了不同锚固锚杆结构中超声导波的频散曲线，并与商用软件Disperse的计算结果吻合，从而验证了全局矩阵法建立频散方程的合理性、求解频散方程算法的高效性以及自主编写程序的正确性。 (2)超声导波具有纵向模态、扭转模态和弯曲模态三种模态类型，并且各自的衰减特性完全不同。本文应用理论计算和数值模拟的方法分别计算并分析了0~2.5MHz范围内这三种模态类型超声导波在服役阶段砂浆锚杆结构中的传播规律。研究结果表明，频率大于500kHz的纵向模态超声导波由于衰减小、易激发等优点可以作为砂浆锚杆无损检测的首选测试波；而频率小于500kHz的纵向模态超声导波，以及所有频率的扭转模态和弯曲模态超声导波都由于衰减太大而不作为无损检测的首选测试波。 (3)锚固锚杆结构的径向尺寸对0~100kHz范围内的低频纵向模态超声导波的传播影响很大，实验室以有限锚固厚度的实验模型测试得到的激发波无法应用到现场锚固于无限岩体中的锚杆检测。研究结果表明，有限锚固厚度的实验模型中确实存在衰减小并能传播更远距离的低频超声导波，但是这些“低频最优导波”在无限锚固厚度的现场砂浆锚杆中由于衰减太大而无法测得锚固质量。 (4)砂浆锚杆的浆液龄期直接影响低频纵向模态超声导波的无损检测效果。目前，许多基于实验测试结果设计的砂浆锚杆无损检测仪仍然使用10kHz左右的低频测试波对完成注浆3~5天的砂浆锚杆进行检测。通过研究低频纵向导波的衰减与浆液龄期的关系，得到的结论表明，无损检测仪激发的10kHz左右的低频纵向导波随着砂浆锚杆浆液龄期的增长快速衰减，并且对于浆液弹性模量迅速增长的砂浆锚杆，这些低频纵向导波需要在注浆完成的8小时内进行无损检测。
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