錨桿無(wú)損檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)研究

王揚(yáng)圣，曹廣越

(1.深圳市水務(wù)工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東 深圳 518018;2.深圳市水務(wù)工程檢測(cè)有限公司，廣東 深圳 518018)

錨桿施工屬于隱蔽工程，水利水電工程錨桿多為全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿，錨桿長(zhǎng)度與錨桿飽滿度是錨桿質(zhì)量重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的錨桿抗拔力檢測(cè)對(duì)錨桿的錨固力判斷非常準(zhǔn)確，但仍有不足之處，一是抗拔力測(cè)試方法是一種破壞性檢測(cè)。二是抗拔力并不能完全反映錨桿的錨固狀態(tài)。三是錨桿飽滿度對(duì)錨固質(zhì)量有較大影響，若注漿對(duì)鋼筋的包裹不好，鋼筋會(huì)很快腐蝕而失去錨固作用。因此在傳統(tǒng)抗拔力檢測(cè)符合要求后，因錨桿飽滿度不足造成崩塌的事故仍時(shí)有發(fā)生。另外，傳統(tǒng)的拉拔力檢測(cè)也無(wú)法測(cè)出錨桿的實(shí)際長(zhǎng)度，而錨桿無(wú)損檢測(cè)技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確無(wú)損地檢測(cè)錨桿長(zhǎng)度與錨桿飽滿度。

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)快速發(fā)展，柯玉軍［1］等人應(yīng)用聲波透射、散射和反射理論，提出了預(yù)應(yīng)力孔道灌漿密實(shí)度檢測(cè)的方法;宋克民［2］采用雙排列電阻率法實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直鋪塑防滲工程施工質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果表明該方法是有效的;董廷朋［3］等人利用瞬變電磁法地下隱蔽工程質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。在錨桿無(wú)損檢測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究并取得豐富成果。郭世明［4］等1995年至1998年在大朝山水電站采用應(yīng)力波法對(duì)近千根錨桿進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)，說(shuō)明采用應(yīng)力波法對(duì)錨桿質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)是可行的。李義［5-7］等人在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了圓桶內(nèi)水泥、樹(shù)脂端錨實(shí)驗(yàn)和試塊內(nèi)水泥錨桿模擬夾層及離層實(shí)驗(yàn)，并對(duì)應(yīng)力波在不同邊界約束和軸向拉伸荷載作用下錨桿中的傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。在前人的研究基礎(chǔ)上，采用波的時(shí)域、頻域分析及瞬態(tài)導(dǎo)納法相結(jié)合的方法來(lái)檢測(cè)錨桿的錨固質(zhì)量，并且提出了運(yùn)用有效錨固長(zhǎng)度、幅值比、基頻、頻率比、衰減系數(shù)及基頻點(diǎn)的動(dòng)剛度來(lái)衡量錨桿錨固質(zhì)量的優(yōu)劣。我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國(guó)家能源局均發(fā)布了相關(guān)規(guī)程，但如何準(zhǔn)確可靠地開(kāi)展該檢測(cè)仍需大量實(shí)驗(yàn)去積累經(jīng)驗(yàn)。

1 錨桿無(wú)損檢測(cè)(應(yīng)力波反射法)原理

錨桿質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)的內(nèi)容為錨桿長(zhǎng)度和錨桿飽滿度。在由錨桿、粘結(jié)劑和圍巖組成的錨固體系中，當(dāng)在錨桿錨固體系中傳播的應(yīng)力波波長(zhǎng)λ＞10d(d為錨固體系直徑)且λ＜＜L(L為錨固體系長(zhǎng)度)，可將錨固體系簡(jiǎn)化為嵌入圍巖的一維勻質(zhì)變截面桿件。錨桿飽滿度的變化表現(xiàn)為桿件截面面積的變化，錨桿長(zhǎng)度表現(xiàn)為材質(zhì)的變化。無(wú)論錨桿長(zhǎng)度和錨桿飽滿度的改變，均表現(xiàn)為廣義波阻抗的變化。

當(dāng)錨桿的幾何尺寸或材料性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，其波阻抗將發(fā)生變化，其變化分界面稱為波阻抗界面，桿的缺陷部位(粘結(jié)劑缺失)及桿底端均可視為波阻抗界面。當(dāng)在錨桿端頭作用一激振力時(shí)，就會(huì)在桿端產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波沿桿體向桿件底端傳播，遇到波阻抗界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和透射應(yīng)力波，根據(jù)反射波的走時(shí)和錨桿中的應(yīng)力波傳播速度可以計(jì)算錨桿長(zhǎng)度(桿底反射波)和缺陷位置(桿中反射波)。

若錨桿中存在注漿不密實(shí)段，則復(fù)合桿件的截面面積及波阻抗發(fā)生變化，在波阻抗界面將產(chǎn)生反射應(yīng)力波，桿中反射應(yīng)力波的相對(duì)能量強(qiáng)度與錨桿飽滿度差異程度有關(guān);一般錨桿飽滿度越差，反射波的能量越強(qiáng)，衰減越慢;不飽滿區(qū)段越多，則波阻抗界面越多，反射應(yīng)力波越多。

2 錨桿無(wú)損檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)流程

本次研究包含室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，參照相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)了操作流程:收集基礎(chǔ)資料、調(diào)試檢測(cè)儀器、模型錨桿的施工制作、無(wú)損檢測(cè)采集數(shù)據(jù)、剖管驗(yàn)證(室內(nèi)試驗(yàn))、檢測(cè)數(shù)據(jù)處理及對(duì)比分析。

2.2 模型錨桿設(shè)計(jì)與制作

室內(nèi)模型錨桿孔采用內(nèi)徑80mm的PVC管，其長(zhǎng)度比模擬的錨桿長(zhǎng)1m以上;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇具有代表性較強(qiáng)的深圳兩個(gè)水利工程，試驗(yàn)錨桿位置選擇在能代表被檢測(cè)工程錨桿條件的部位，并且不影響主體工程施工。本次研究采用直徑20mm熱扎帶肋鋼筋，桿端加工平整，膠結(jié)材料采用水泥砂漿，設(shè)置缺陷空腔部位采用泡沫充填，缺陷模型材料在錨桿設(shè)計(jì)位置上固定，編號(hào)記錄;先插桿、后注漿、封口，完成后不得振動(dòng)、敲打及錨桿按齡期養(yǎng)護(hù);錨桿檢測(cè)按3d、7d、14d、28d不同齡期進(jìn)行檢測(cè);檢測(cè)時(shí)改變激振方式、激振力、儀器參數(shù)等，并取得全部記錄。

2.3 檢測(cè)成果

本次檢測(cè)資料分析以時(shí)域分析為主，輔以頻域分析，并結(jié)合工程地質(zhì)條件、施工工藝、錨固段長(zhǎng)度、激振方式、錨桿外露長(zhǎng)度、水泥砂漿齡期和波形特征等多重因素進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)設(shè)置的與實(shí)測(cè)的缺陷位置和注漿密實(shí)度吻合程度很高，具體見(jiàn)表1和表2。

表1 實(shí)驗(yàn)室錨桿檢測(cè)成果表

表2 工程現(xiàn)場(chǎng)錨桿檢測(cè)成果表

續(xù)表2

3 錨桿無(wú)損檢測(cè)對(duì)比分析

3.1 錨桿飽滿度分析

3.1.1 無(wú)缺陷錨桿波形分析

錨桿飽滿度無(wú)缺陷的模擬錨桿波形特征如圖(1～3)，錨桿飽滿度無(wú)缺陷的錨桿波形規(guī)則，除桿底外，沿錨桿方向波阻抗相同，沒(méi)有明顯的波阻抗界面，在桿長(zhǎng)深度范圍內(nèi)沒(méi)有反射波，只在桿底可能產(chǎn)生微弱的反射信號(hào)。

圖1 桿長(zhǎng)3m飽滿度100%

圖2 桿長(zhǎng)6m飽滿度100%

圖3 桿長(zhǎng)9m飽滿度100%

3.1.2 有缺陷錨桿波形分析

圖4 桿長(zhǎng)3m飽滿度84%

圖5 桿長(zhǎng)9m飽滿度62%

圖6 桿長(zhǎng)6m飽滿度86%

錨桿飽滿度有缺陷的模擬錨桿波形特征如圖(4～6)，錨桿飽滿度有缺陷的錨桿波形不規(guī)則，剖管驗(yàn)證不規(guī)則波形缺陷主要分3種。一是圖4所示，波形局部畸變，剖管驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)局部?jī)魸{不飽滿或者不密實(shí)或者輕微離析;二是圖5所示，波形某段嚴(yán)重衰減，剖管驗(yàn)證該段有空漿;三是圖6所示，波形反射某段波振幅時(shí)大時(shí)小，剖管驗(yàn)證該段有少量?jī)魸{或者半漿。

桿中局部不飽滿時(shí)，在桿中存在多個(gè)波阻抗界面，每個(gè)界面均會(huì)產(chǎn)生正相位或負(fù)相位的反射波，在桿長(zhǎng)范圍內(nèi)有多個(gè)反射波信號(hào);當(dāng)桿口空漿而深部密實(shí)時(shí)，錨桿孔口段將形成多次反射波，入射波的特點(diǎn)是第一次反射波為負(fù)相位，第二次反射為正相位，交替出現(xiàn)。

3.2 桿體波速與桿系波速檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)

錨桿桿體波速應(yīng)通過(guò)所檢測(cè)工程錨桿同樣材質(zhì)、直徑的自由桿測(cè)試取得;桿系波速應(yīng)采用錨桿模擬試驗(yàn)結(jié)果或類似工程錨桿的波速值。試驗(yàn)表明，一維自由彈線性體的波速和有一定邊界條件的一維彈線性體的波速存在一定的差異，即錨桿桿體的聲波縱波速度與包裹一定厚度砂漿的錨桿桿系的聲波縱波速度是不一樣的，計(jì)算砂漿包裹的錨桿桿體長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)采用桿系波速，計(jì)算自由桿桿體長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)采用桿體波速。波速差異的因素與聲波波長(zhǎng)、錨桿直徑、膠粘物厚度、膠粘物波速及聲波尺度效應(yīng)等有關(guān)，因此錨桿桿長(zhǎng)計(jì)算時(shí)采用的波速平均值應(yīng)考慮密實(shí)度的影響。由于桿系平均波速受多方面因素的影響，尚無(wú)法準(zhǔn)確地確定與密實(shí)度的關(guān)系，但在實(shí)際檢測(cè)工作中應(yīng)考慮由此帶來(lái)的檢測(cè)桿長(zhǎng)誤差。一般錨桿桿體的波速比桿系的波速高，錨桿桿體波速一般為5120m/s，經(jīng)此次研究對(duì)錨桿桿體和桿系波速進(jìn)行多次檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)，得出經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2，室內(nèi)模型錨桿桿系波速范圍3359～4506m/s，平均波速3757m/s，波動(dòng)范圍約30%;現(xiàn)場(chǎng)模型錨桿桿系波速范圍3687～4374m/s之間，平均波速4018m/s，波動(dòng)范圍約20%。即使能夠準(zhǔn)確測(cè)出錨桿桿底的反射波時(shí)間，由此計(jì)算的錨桿長(zhǎng)度的誤差也很大。

3.3 反射波性質(zhì)的判定

反射波信號(hào)可能來(lái)自桿中或桿底，桿底反射信號(hào)計(jì)算錨桿長(zhǎng)度，桿中反射信號(hào)計(jì)算缺陷位置，因此判斷反射波信號(hào)的性質(zhì)非常重要。本次實(shí)驗(yàn)得出以下經(jīng)驗(yàn):(1)與入射波反相位(第一次反射)的反射信號(hào)，為桿中反射信號(hào)，其反射界面兩側(cè)的密實(shí)度是從不密實(shí)至密實(shí);(2)與入射波同相位的反射信號(hào)，可能為桿底反射信號(hào)或桿中反射信號(hào)，須結(jié)合其他因素綜合判定;(3)出現(xiàn)多次的同相反射信號(hào)為桿底反射信號(hào);(4)桿中同相反射界面兩側(cè)的密實(shí)度是從密實(shí)至不密實(shí);(5)一般情況下，根據(jù)桿底反射信號(hào)計(jì)算的桿長(zhǎng)與設(shè)計(jì)長(zhǎng)度相近。

3.4 影響檢測(cè)結(jié)果的因素

錨桿錨固質(zhì)量受諸多因素影響，如工程地質(zhì)條件、施工工藝、錨固段長(zhǎng)度、錨固介質(zhì)對(duì)錨固體的握裹力、錨桿類型等，本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)桿頭平整度、錘擊方式、錨桿外露長(zhǎng)度、水泥砂漿齡期等可能影響因素進(jìn)行了分析。

3.4.1 桿頭平整度的影響

研究發(fā)現(xiàn)，桿頭平整度對(duì)檢測(cè)結(jié)果有較大影響，平整度越好檢測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確，平整度不好將產(chǎn)生干擾信息，因此檢測(cè)前應(yīng)對(duì)桿頭打磨。

3.4.2 錘擊方式的影響

針對(duì)不同長(zhǎng)度錨桿應(yīng)采用不同錘擊方式，錨桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)應(yīng)擊振速度慢，應(yīng)力波頻率較低，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能量衰減慢，得出較好圖形;錨桿長(zhǎng)度短應(yīng)擊振速度快，應(yīng)力波頻率較高，波長(zhǎng)較短，可得出多次反射信號(hào)，有利于圖形分析。

3.4.3 錨桿外露長(zhǎng)度的影響

通過(guò)對(duì)0.1m、0.2m、0.3m、0.5m等4種不同外露長(zhǎng)度的錨桿在4種水泥砂漿齡期進(jìn)行檢測(cè)表明，外露長(zhǎng)度越長(zhǎng)對(duì)波速指標(biāo)影響越大。主要原因是錨桿無(wú)損檢測(cè)時(shí)，外露鋼筋橫向擺動(dòng)產(chǎn)生的余振影響了初始脈沖的單一性，將掩蓋錨桿上部的缺陷信號(hào)，錨桿外露長(zhǎng)度越長(zhǎng)對(duì)初始波的影響越大。外露較長(zhǎng)時(shí)，特別是直徑較小的，如果不能控制住外露鋼筋的橫向擺動(dòng)，余振不能衰減，影響到桿底部后，致使桿底信號(hào)不能確定，無(wú)法得到準(zhǔn)確的波速，對(duì)整個(gè)錨桿的定性分析可能造成誤差。

3.4.4 水泥砂漿齡期的影響

通過(guò)對(duì)29根錨桿3d、7d、14d和28d檢測(cè)表明，同一錨桿不同齡期水泥砂漿的桿系波速檢測(cè)結(jié)果差異性很小，主要原因是水泥砂漿前期強(qiáng)度增長(zhǎng)很快，缺陷位置定型也很快，3d以后的砂漿強(qiáng)度基本上不再會(huì)較大幅度增長(zhǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用反射波信號(hào)可判斷錨桿缺陷位置和錨桿飽滿度狀態(tài)。

(2)桿頭平整度、錘擊方式、錨桿外露長(zhǎng)度對(duì)錨桿無(wú)損檢測(cè)有較大影響，而3d后水泥砂漿齡期影響較小。

(3)錨桿無(wú)損檢測(cè)前應(yīng)做模擬錨桿，利用模擬試驗(yàn)結(jié)果確定桿系波速，從而更好設(shè)置檢測(cè)參數(shù)。

(4)現(xiàn)場(chǎng)錨桿與圍巖情況不盡相同，測(cè)出波形呈多樣化，因此有必要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)的數(shù)量，爭(zhēng)取建立更多的模型錨桿圖譜，以提高錨桿無(wú)損檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

［1］柯玉軍等.基于彈性波原理的預(yù)應(yīng)力橋梁波紋管注漿密實(shí)度檢測(cè)方法的機(jī)理研究與應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014(02):48-50.

［2］宋克民.垂直鋪塑防滲帷幕之地球物理特性及其施工質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2008(05):26-28.

［3］董廷朋，等.瞬變電磁法在地下隱蔽工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2006(01):39-40.

［4］郭世明，等.彈性應(yīng)力波法錨桿質(zhì)量檢測(cè)初探［J］.西部探礦工程，1999(03):9-10.

［5］李義，等.應(yīng)力波反射法檢測(cè)錨桿錨固質(zhì)量實(shí)驗(yàn)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2000(20):160-164.

［6］李義，等.錨桿錨固狀態(tài)參數(shù)無(wú)損檢測(cè)及其應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004(10):1741-1744.

［7］劉海峰，等.錨桿錨固質(zhì)量動(dòng)測(cè)法底端反射顯現(xiàn)規(guī)律研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(01):41-43.

［8］JGJ/T 182-2009.錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)規(guī)程.

［9］DL/T5424-2009.水電水利工程錨桿無(wú)損檢測(cè)規(guī)程.