摘要：在護(hù)邊坡與隧洞施工中，若圍巖質(zhì)量較差，往往采用大量錨桿的錨固支護(hù)方案。但護(hù)邊坡與隧洞圍巖的錨固屬隱蔽工程，錨桿支護(hù)效果的評(píng)價(jià)一直是工程中迫切需要解決的技術(shù)問題。本文采用聲波檢測(cè)儀與聲波發(fā)射震源，應(yīng)用聲頻應(yīng)力波的反射工作原理，對(duì)水利水電建設(shè)中的護(hù)邊坡與隧洞錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)研究，并對(duì)方法的可行性進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，聲頻應(yīng)力波法對(duì)工程錨桿錨固質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)是可行有效的，豐富了錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)手段，為水利水電工程建設(shè)提供更好的質(zhì)量保障。
1前言
在水利水電工程的堤壩、邊坡、隧洞的建設(shè)過程中經(jīng)常需要大量采用噴錨支護(hù)技術(shù)，錨桿的施工質(zhì)量的好壞直接影響著洞室或邊坡的安全。然而錨桿的施工屬于隱蔽工程，它的有效長(zhǎng)度、砂漿的密實(shí)度及砂漿的灌注缺陷越來越受到工程技術(shù)人員的關(guān)注。傳統(tǒng)的測(cè)試方法是用抗拔力來檢驗(yàn)，但這種方法并不能完全確定其施工質(zhì)量。試驗(yàn)證明，當(dāng)錨固長(zhǎng)度達(dá)到錨桿直徑的42倍時(shí)，握裹力不再隨錨桿長(zhǎng)度的增加而增加，工程錨桿的長(zhǎng)與直徑比有時(shí)達(dá)到了200～500，僅用抗拔力來檢驗(yàn)施工質(zhì)量是不完善的，因此，必須采用聲頻應(yīng)力波對(duì)錨桿的錨固質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和抗拔力試驗(yàn)，才能對(duì)錨桿的錨固質(zhì)量進(jìn)行很好地分析和評(píng)價(jià)。工程錨桿主要有錨固型、摩擦型及全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿三種，《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GB50086-2001）要求對(duì)錨固型和摩擦型錨桿須進(jìn)行一定數(shù)量的原位抗拔試驗(yàn)，以檢驗(yàn)錨桿的抗拔力，同時(shí)應(yīng)對(duì)錨桿檢查砂漿密實(shí)度，且注漿密實(shí)度大于75%為合格。因此，在水利水電工程中何檢驗(yàn)錨固型錨桿的有效錨固長(zhǎng)度及注漿密實(shí)度是值得我們研究和完善的迫切課題。
2檢測(cè)方法的基本原理
2.1工作原理
在護(hù)邊坡上與隧洞內(nèi)的錨桿、混凝土砂漿和圍巖組成的三合一系統(tǒng)中，密實(shí)狀態(tài)下的錨固劑凝固后，在錨桿孔中，其與錨桿桿體緊密握裹，可近似為一個(gè)組合桿件。又因錨桿與錨固劑的強(qiáng)度明顯大于護(hù)邊坡與遂洞的圍巖，故可把其密實(shí)組合體近似看作為嵌入圍巖的一維桿狀體。當(dāng)工程的錨桿構(gòu)件的尺寸為圓柱體且其直徑d遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度L時(shí)，則此錨桿完全可以作為彈性波中的一維桿件理論分析處理。由錨桿端部發(fā)射的聲頻應(yīng)力波經(jīng)桿體向里傳播，當(dāng)遇到存在波阻抗差異的界面（如空洞、錨桿與砂漿等界面），將發(fā)生反射、透射或散射。在實(shí)際工程中透射波不易測(cè)得，但反射波可在其傳至錨桿頂時(shí)，通過固定在錨桿頂部的傳感器(加速度型或速度型)測(cè)得，由于反射波攜帶錨固系統(tǒng)內(nèi)的信息，將其放大、濾波和數(shù)據(jù)處理，識(shí)別來自不同部位的反射信息根據(jù)這些反射信息，結(jié)合其他工程資料，可判斷錨固系統(tǒng)不同部位的質(zhì)量類別。
2.2方法分析原理
在一維彈性桿件體系中，應(yīng)力波法是基于一維桿件的波動(dòng)理論，應(yīng)力波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)，根據(jù)波在錨桿中傳播的一維波動(dòng)方程及波在上、下界面處質(zhì)點(diǎn)位移的連續(xù)條件和力的平衡條件，得出計(jì)算公式：波阻抗比；反射系數(shù)
式中Z=ρVcA；ρ：桿件材料密度（kg/m3）；Vc：桿件中應(yīng)力波傳播速度（m/s）；
A：桿件的橫截面積（m2），σr：反射波應(yīng)力σt：透射波應(yīng)力
1）當(dāng)錨固系統(tǒng)沿錨桿軸向某處波阻抗Z減小，即Z1>Z2，則F>0，此時(shí)反射波相位與入射波相位相同。
2）當(dāng)錨固系統(tǒng)沿錨桿軸向某處波阻抗Z增大，即Z1可以看出，在變截面桿的頂端施加一個(gè)初始擾動(dòng)時(shí)，就產(chǎn)生應(yīng)力波并沿桿體傳播桿中某一截面面積或材料性質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，入射波將在該截面處發(fā)生反射和透射，其反射和透射波的大小與截面面積和波阻抗相對(duì)變化的程度有關(guān)。與變截面桿相類似，在錨桿體系中 ，錨桿、砂漿、和圍巖三者之間澆灌均勻密實(shí)時(shí)，應(yīng)力波的能量大部分透射到圍巖體中，只有小部分能量反射回來，且反射信號(hào)極有規(guī)律。當(dāng)砂漿澆灌不均勻、密實(shí)時(shí)，在砂漿中出現(xiàn)空穴，在空穴處將出現(xiàn)不同程度的波阻抗變化面。表現(xiàn)在原有的信號(hào)中迭加了強(qiáng)度不同的反射信號(hào)，或在不應(yīng)出現(xiàn)反射波處有反射信號(hào)，根據(jù)反射波位置和反射信號(hào)的強(qiáng)弱，分析所檢測(cè)反射波的旅行時(shí)間、波幅、頻率、相位和能量，可以判定錨桿的長(zhǎng)度和砂漿密實(shí)度及其位置，就可以確定錨桿錨固質(zhì)量并為其分級(jí)。
(a)變截面桿中的入射波、反射波和透射波
(b)錨固體系模型示意圖
3聲頻應(yīng)力波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用
3.1儀器設(shè)備
某抽水蓄能電站上庫(kù)進(jìn)出水口護(hù)邊坡及a#、b#隧洞的錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為3～6.0m，錨桿長(zhǎng)度及砂漿密實(shí)度的無(wú)損檢測(cè)使用岳陽(yáng)奧成科技公司的HX-GMM-S45C型超磁致聲波發(fā)射震源激發(fā)高能脈沖聲波，用RS-ST01C非金屬聲波檢測(cè)儀接收聲波信號(hào)，采取在外露鋼筋端部進(jìn)行端發(fā)端收的觀測(cè)方式。超磁致聲波震源系統(tǒng)具有激發(fā)能量強(qiáng)、信號(hào)穩(wěn)定、一致性好、可控等優(yōu)點(diǎn)；RS—ST01C非金屬聲波檢測(cè)儀具有計(jì)時(shí)精度高、聲幅準(zhǔn)確、分析處理功能全等特點(diǎn)且自帶數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，能對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理；試驗(yàn)表明檢測(cè)錨桿長(zhǎng)度在1.5～6.0m間，選擇l00Hz的加速度傳感器比較合適。
3.2現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件
?、佻F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可選擇端發(fā)端收、側(cè)發(fā)側(cè)收或端發(fā)側(cè)收，錨桿外露長(zhǎng)度宜為0.3m左右，桿頭宜平整、無(wú)浮漿。有掛網(wǎng)或噴射混凝土層時(shí)，宜將其與檢測(cè)的錨桿分開。
?、诿恳诲^桿應(yīng)重復(fù)測(cè)試3次，3次信號(hào)應(yīng)基本一致。
3.3成果分析的評(píng)判依據(jù)
根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)的反射波旅行時(shí)間、波幅、頻率、相位和能量的變化特征，結(jié)合各種錨桿施工工藝的特點(diǎn)，把錨桿的質(zhì)量分為四個(gè)等級(jí)。具體分級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見下表（一）。
表（一）錨桿無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量分級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)
錨桿質(zhì)量等級(jí) 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)
?、?span id="j3t311t" class="Apple-tab-span" style="white-space:pre"> 優(yōu) 砂漿密實(shí)度≥90%，長(zhǎng)度符合
?、?span id="1b1r3v5" class="Apple-tab-span" style="white-space:pre"> 良 90%＞砂漿密實(shí)度≥80%，長(zhǎng)度符合
?、?span id="lr3p1th" class="Apple-tab-span" style="white-space:pre"> 合格 80%＞砂漿密實(shí)度≥75%，長(zhǎng)度符合
?、?span id="d5hnb13" class="Apple-tab-span" style="white-space:pre"> 不合格 砂漿密實(shí)度<75%或錨桿長(zhǎng)度比設(shè)計(jì)值短5%以上
3.4不同錨固質(zhì)量類型的錨桿檢測(cè)數(shù)據(jù)曲線分析
在室內(nèi)通過彈性波波動(dòng)理論對(duì)錨桿的錨固質(zhì)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，根據(jù)接收到的彈性波波形特征，對(duì)錨桿的錨固質(zhì)量作出分類評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見上表(一)。 本次測(cè)試中各種不同錨固質(zhì)量類型的錨桿檢測(cè)數(shù)據(jù)代表曲線。
1檢測(cè)波形所對(duì)應(yīng)的的錨桿實(shí)際長(zhǎng)度為4.51m，測(cè)量長(zhǎng)度約為4.49m，從圖中可以看出波在錨固系統(tǒng)中衰減較快，且錨桿底端反射微弱，波形最后回歸基線，總密實(shí)度>90%，證明該錨桿錨固質(zhì)量很好。
2檢測(cè)波形所對(duì)應(yīng)的錨桿實(shí)際長(zhǎng)度為6.92m，測(cè)量長(zhǎng)度約為6.90m，從圖中可知波在該錨固系統(tǒng)中衰減變慢，且錨桿底端反射明顯，波形最后趨近基線，密實(shí)度一般（2.6～5.2m內(nèi)局部缺漿），證明該錨桿錨固質(zhì)量一般。
3檢測(cè)波形所對(duì)應(yīng)的錨桿實(shí)際長(zhǎng)度為5.31m，測(cè)量長(zhǎng)度約為5.29m，從記錄波形來看，錨桿底端反射不明顯，中間存一個(gè)異常信號(hào)，缺陷位置在2.8m左右，密實(shí)度較好，說明該錨桿錨固質(zhì)量良好。
4檢測(cè)波形所對(duì)應(yīng)的錨桿實(shí)際長(zhǎng)度為6.0m，測(cè)量長(zhǎng)度約為5.99m，從該錨桿的實(shí)測(cè)記錄波形來看，波在錨桿的錨固體系中衰減很慢，且錨桿底端反射十分明顯，波形難以回歸基線，波形變化規(guī)律與自由錨桿類同。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證，抗拔力不符合設(shè)計(jì)要求，綜合判定該系統(tǒng)錨固質(zhì)量差。
4結(jié)論
水利水電工程中的護(hù)邊坡與隧洞工程常大量采用錨桿對(duì)圍巖進(jìn)行加固處理，加固好的錨桿質(zhì)量檢測(cè)迫切需要得到很好的解決。通過本工程實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果說明聲頻應(yīng)力波法無(wú)損檢測(cè)作為一種工程質(zhì)量檢測(cè)手段，不管從原理上和還是從方法上都是可行的，且現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單，所需人力少、時(shí)間短，不影響工程進(jìn)度，同時(shí)能夠定量反映工程錨桿注漿質(zhì)量，從而為水利水電隧洞和邊坡工程建設(shè)提供更好的質(zhì)量保障。在實(shí)際數(shù)據(jù)采集過程中，影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素較多，應(yīng)注意如下幾方面：
1）測(cè)試前錨桿端頭是否清理干凈，檢測(cè)時(shí)盡量減少噪音干擾，還有安裝傳感器的粘接劑不要彈性太好或太厚，同時(shí)用扎帶綁牢，以免影響測(cè)試信號(hào)。
2）采集信號(hào)時(shí)選取效果較好的信號(hào)存取，所采集的較好信號(hào)應(yīng)該是：a、多次采集的波形重復(fù)性好；b、波形光滑，不應(yīng)含毛刺或振蕩波形；c、波形最后趨近于基線。
3）對(duì)于錨桿灌漿體內(nèi)部孔洞、裂隙、“蜂窩”等缺陷的探測(cè)，可用聲時(shí)、幅值、波形、頻譜等參數(shù)綜合起來作為判斷的依據(jù)；把信號(hào)的能量特征與相位特征結(jié)合起來考慮，可使判斷更為可靠，從而對(duì)錨桿長(zhǎng)度及錨固狀態(tài)作出綜合而準(zhǔn)確的評(píng)判。
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