锚杆锚固支护技术在国内外的采矿工程及岩土工程中有大量的应用,对锚杆的锚固质量等进行有效检测是亟待解决的工程难题。超声导波检测技术具有检测距离长、衰减较小和过程简单等优点,然而超声导波多模态和频散的特性使其在锚固结构中的传播情况非常复杂,采用实验研究盲目性大、研究成本高。数值模拟具有成本低、可重复性高、易操作等优点,故本文主要采用数值模拟方法并辅以试件测试实验研究了锚杆中的纵向超声导波的传播特征。本文首先介绍了超声导波的基本理论并采用数值方法求解了轴对称纵向模态的超声导波在自由锚杆中传播的频率和位移方程;然后给出了超声导波在锚杆中传播的数值模型并模拟了1MHz~3MHz内特定高频超声导波在自由锚杆中的传播;接着采用特定实验装置研究了低频(10kHz~180kHz)超声导波在不同锚固质量锚杆中的传播情况并用数值模拟进行了验证,同时也对不同锚固长度、厚度的锚杆进行了数值模拟研究;最后采用按中心频率的波结构加载的方法分别在板和自由锚杆的激发端施加位移载荷,尝试在结构中激励单一模态的超声导波。根据本文的研究结果得到的重要结论如下:1)求解方程得到了自由锚杆的相速度、群速度频散曲线以及各模态在特定频率下的位移分布。对各模态的相速度、群速度曲线以及位移曲线进行了分析,并发现各高阶模态的最大群速度所对应频率的位移分布非常相似且其轴向位移在杆边缘为零,这些频率适合用于锚杆检测。2)自由锚杆中高频超声导波传播的模拟结果与理论基本吻合。当高阶模态的群速度达到最大时,时域波形图中对应模态波包的传播时间明显要比其它模态的短且不会与其它模态的波包叠加,因此采用高阶模态的最大群速度所对应的频率检测锚杆在信号处理和分析方面有很大优势。同时模拟结果还表明高频时模态L(0,1)的超声导波衰减较小、传播更远。3)实验表明相同频率的超声导波在不同锚固质量锚杆中的传播速度和衰减不尽相同,可以根据这种差异判别锚杆的锚固质量;超声导波在自由锚杆与锚固体交界处会发生衍射,对衍射后波的传播情况进行了分析,给出了时域波形图结合群速度频散曲线计算锚杆的锚固长度和厚度的方法。4)在一定频率范围内,采用按中心频率的波结构加载的方法虽然并不能在板和自由锚杆中激励完全单一模态的超声导波,但能够使信号的能量在一定程度上集中于目标模态,有利于增加检测长度。