道路邊坡錨桿質(zhì)量無損檢測技術(shù)

岳紅賓

（河北省交通建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

錨桿以其自身所具備的諸多特點(diǎn)，在公路邊坡加固中得到廣泛應(yīng)用。為確保錨桿的作用得以全面發(fā)揮，必須保證其質(zhì)量達(dá)標(biāo)?；谶@一前提，可采取無損檢測技術(shù)，檢驗(yàn)錨桿的施工質(zhì)量，看是否達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量不合格的錨桿，必須返工重做，以免影響邊坡的加固效果。

1 工程概況

某公路工程全長為28.965km，路基寬度為24.5m。該路段從樁號K32+500開始，連續(xù)降坡至樁號K41+700，平均縱坡為3.8%，最低與最高海拔相差1 435m。因海拔高差較大，使邊坡防護(hù)工程的重要性隨之顯現(xiàn)，工程數(shù)量也進(jìn)一步增加。為確保錨桿的支護(hù)作用充分發(fā)揮，必須保證錨桿的質(zhì)量達(dá)標(biāo)，所以開展錨桿質(zhì)量無損檢測顯得尤為必要。

2 道路邊坡錨桿質(zhì)量無損檢測技術(shù)

2.1 檢測方案

2.1.1 檢測頻率

在檢測邊坡錨桿的長度及注漿飽滿度時，應(yīng)合理選擇檢測頻率。通?？梢园凑展こ塘康?%抽檢，檢測數(shù)量不少于5根。當(dāng)工程有特殊要求時，可適當(dāng)增加檢測數(shù)量。當(dāng)參建各方對錨桿的質(zhì)量存在質(zhì)疑時，應(yīng)按規(guī)范要求檢測，某個單元內(nèi)錨桿檢測的不合格率超過30%，必須增加檢測量[1]。

2.1.2 抽檢部位

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求，邊坡錨桿的檢測部位應(yīng)由縱橫斷面控制，不得隨機(jī)抽檢。在同一個橫斷面內(nèi)，可將邊坡錨桿檢測的重點(diǎn)放在中下部；縱斷面的檢測重點(diǎn)為高度比較高的部位；高邊坡檢測的重點(diǎn)為不穩(wěn)定質(zhì)心以上的錨桿。其中，滑坡體的檢測重點(diǎn)為滑體質(zhì)心以下的錨桿。

2.1.3 檢測要點(diǎn)

（1）通過聲頻應(yīng)力波發(fā)射法，對邊坡錨桿的長度和注漿飽滿度無損檢測時，為降低干擾，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，可在檢測前，依據(jù)拉拔試驗(yàn)成果，分析檢測信號與錨固質(zhì)量的關(guān)系。

（2）被檢測的邊坡錨桿，至少要外露20～30cm，桿頭位置處采用細(xì)加工的方法處理，將浮漿全部鑿除，保證桿頭平整[2]。掛網(wǎng)的錨桿，要使桿網(wǎng)分離，錨桿上的焊接點(diǎn)必須全部鑿除，避免影響檢測結(jié)果。

（3）一根錨桿用不同的方式檢測三次，當(dāng)三次檢測的信號達(dá)到一致后，便可檢測下一根錨桿。如果錨桿的長度在10m以內(nèi)，誤差不得超過5%，長度超過10m的錨桿，誤差控制在10%以內(nèi)[3]。

（4）通過分析錨桿的長度，能夠獲得自由段和錨固段的錨桿具體長度，對比信號反射方式，能夠區(qū)分開地層反射信號、錨桿底部反射信號、砂漿不密實(shí)段反射信號。依據(jù)檢測頻率及波形特征，便可綜合判定錨桿的砂漿飽滿度是否達(dá)標(biāo)。

2.2 檢測方法

本次檢測選用聲頻應(yīng)力波反射法，對該無損檢測方法應(yīng)用的過程中，應(yīng)明確傳播特性和衰減規(guī)律。

2.2.1 傳播特性

（1）聲場是聲振動在介質(zhì)內(nèi)波及的質(zhì)點(diǎn)占據(jù)的范圍，在對聲場描述時，通常會用到以下物理量：聲壓、聲強(qiáng)等。在界面上，與聲波的行為相關(guān)的重要參數(shù)為聲阻抗。聲壓用P表示，單位為Pa，一個聲場內(nèi)，每個點(diǎn)的聲壓均不相同，是動態(tài)變化的量，與時間和距離有關(guān)。當(dāng)平面余弦波無衰減時，聲壓主要與介質(zhì)的密度、聲波的傳播速度、時間等因素有關(guān)；聲強(qiáng)用I表示，指聲能量，單位為W/cm2，聲強(qiáng)主要與質(zhì)點(diǎn)的振幅、振動速度和聲壓等因素有關(guān)；聲阻抗時聲波在介質(zhì)中傳播時，某點(diǎn)聲壓與振幅的比值，用Z表示，單位為g/（cm2?s），聲阻抗的大小決定了質(zhì)點(diǎn)的振動速度，在聲壓一定時，二者成反比關(guān)系。

（2）一個介質(zhì)中有幾列波同時傳播時，若這些波在某個點(diǎn)相遇，就會產(chǎn)生干涉，該點(diǎn)的振動是由各列波共同作用所致，由此產(chǎn)生的聲場聲壓即為每列聲波聲壓的矢量和。在波的干涉現(xiàn)象中存在一個特例，即駐波，具體是指兩列振幅相同的相干波，在同一條直線上，沿著反方向傳播時，疊加而成的波。駐波波線上的某些點(diǎn)會保持靜止不動，還有一些點(diǎn)的振幅會始終處于最大值，最大值的點(diǎn)被稱之為波腹，波節(jié)則是振幅等于零的點(diǎn)。連續(xù)波以垂直的方式入射界面時，入射波會與反射波相互疊加，是駐波出現(xiàn)的典型情況。當(dāng)物體的平行表面數(shù)量為2個時，經(jīng)過疊加后的波，會形成較為強(qiáng)烈的駐波，由此會引起物體共振。

2.2.2 衰減規(guī)律

聲波在傳播的過程中會出現(xiàn)衰減的現(xiàn)象，具體是指聲壓隨著距離增大而減小。引起聲波衰減的原因相對較多，大體上可歸納為以下幾個方面：聲束擴(kuò)散、介質(zhì)吸收、晶粒對聲波散射等。

（1）聲束擴(kuò)散會引起擴(kuò)散衰減，波形特定的聲場內(nèi)，當(dāng)傳播距離增大后，聲束的截面會隨之不斷擴(kuò)大，單位面積內(nèi)的聲壓會有所減弱。擴(kuò)散衰減主要與波陣面的形狀有關(guān)，傳聲介質(zhì)并不會影響到擴(kuò)散衰減的強(qiáng)弱。通常情況下，可以用聲場的規(guī)律描述擴(kuò)散衰減的規(guī)律。如，當(dāng)聲場遠(yuǎn)離聲源時，柱面波的聲壓與聲源距離的平方根成反比，而球面波的聲壓則與聲源的距離成反比。

（2）聲波在材料中傳播時，因材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，會產(chǎn)生多處聲阻抗，由此會引起散射，進(jìn)而導(dǎo)致聲壓減弱，即散射衰減。在介質(zhì)中，散射聲波出現(xiàn)后，會沿著復(fù)雜的路徑繼續(xù)傳播，有一少部分聲波會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽€有一部分會傳到探頭形成噪聲。

（3）聲波在介質(zhì)中的衰減主要與頻率有關(guān)，頻率增大會隨之增大。由于聲波的波長要比晶粒的直徑大，所以當(dāng)晶粒的直徑增大時，聲波的散射衰減也會增大，這是晶粒材料衰減大的性質(zhì)所決定的。為使聲波在材料中的穿透力進(jìn)一步增大，在選擇聲波時，頻率越低越好。檢測的邊坡錨桿尺寸比較長時，可以不采用超聲波，可選用頻率更低且在可聽范圍內(nèi)的波。

（4）錨桿在錨固狀態(tài)下，桿體內(nèi)傳播的是平面縱波，經(jīng)過耦合后產(chǎn)生的波體，會向錨固介質(zhì)以輻射的方式發(fā)出能量，此時的波體會繼續(xù)向錨桿所在的圍巖中傳播，其中的部分能量會透射到圍巖中，部分會反射會錨桿中，透射的大小主要與錨固體的強(qiáng)度有關(guān)。

2.3 檢測設(shè)備

2.3.1 激振設(shè)備

（1）基于碰撞理論用手錘激振獲取反射波信息，用于檢測邊坡錨桿質(zhì)量。在激振中，將振源視為瞬態(tài)脈沖信號，合理確定脈沖寬度、力幅度、主瓣寬度等指標(biāo)。理想的單位脈沖力頻率覆蓋0至∞頻域，頻域隨著脈沖寬度的逐步減小而逐步變寬，呈現(xiàn)出能量分散狀態(tài)，反之脈沖寬度越大則表明能量越集中。

（2）擊錘材質(zhì)越軟，其碰撞速度相對偏低，信號脈沖寬度越大。在激振設(shè)備選取中，小鋼錘的信號脈沖寬度最小，橡皮錘的信號脈沖寬度最大；在邊坡錨桿檢測中，濾波頻率的高通與低通分別為500Hz、6kHz，用材質(zhì)堅硬的尖頭小鋼錘對桿體激振獲取高頻域；在邊坡錨索檢測中，濾波頻率的高通與低通分別為10Hz、2kHz，用材質(zhì)軟的大頭橡皮錘對錨索套筒激振獲取頻域較低的激振源[4]。

2.3.2 傳感器

在檢測中共使用三種類型的傳感器，具體為：選用頻帶寬、阻尼速度高的速度傳感器；選用能夠滿足反射波檢驗(yàn)要求的加速度傳感器；根據(jù)反射波法的檢測判定依據(jù)，需要借助速度曲線分析速度信號，為此還需選用位移傳感器，確定速度信號的位移變化。

2.3.3 檢測儀器

檢測設(shè)備選用采樣精度高、功耗低、存儲量大、作業(yè)時間長、便捷性好、功能強(qiáng)大的錨桿質(zhì)量檢測儀，檢測儀技術(shù)指標(biāo)為：

（1）錨桿質(zhì)量檢測儀由發(fā)射震源、分析軟件、采集儀和檢波器構(gòu)成，采樣AD精度為24位，電壓6V，功耗0.8w，在充滿電狀態(tài)下可連續(xù)檢測30h；檢測儀重量為2.0kg，體積偏小，尺寸為23cm×18cm×65cm，方便檢測人員單人操作[5]。

（2）錨桿質(zhì)量檢測儀提供大容量數(shù)據(jù)存儲容量，可以存儲實(shí)測數(shù)據(jù)2.4萬條；儀器提供大屏幕顯示，能夠同時顯示三條曲線；儀器能夠自動建立錨桿索模型，分析濾波、小波、積分、頻譜等分類參數(shù)數(shù)據(jù)，自動提取出反射波信號。

2.4 檢測步驟

在檢測過程中，先向檢測對象發(fā)射震源，再由檢測儀器檢測到通過錨桿傳播上來的反射波，檢測儀器分析和存儲反射波信號，根據(jù)反射波信號判斷錨桿周圍灌漿質(zhì)量。在檢測分析中，通過處理反射波信號，還可以判定錨桿長度是否達(dá)到技術(shù)規(guī)范要求。

2.4.1 檢測前準(zhǔn)備

在檢測之前，清理干凈待測錨桿端，將探頭安置到端頭截面平整處，防止在擊振中滑動探頭，確保檢測儀器能夠在正確方向接收到回波信號；連接好檢測儀器的測試系統(tǒng)，保證檢測儀器正常運(yùn)行。

2.4.2 參數(shù)設(shè)置

在檢測過程中根據(jù)邊坡錨桿的實(shí)際情況設(shè)置儀器參數(shù)，具體包括：①選擇通道觸發(fā)方式；②選擇積分狀態(tài)下的加速度計傳感器；③設(shè)置深度坐標(biāo)標(biāo)度方式，以便于快速找到質(zhì)量缺陷位置；④設(shè)置指數(shù)放大方式，當(dāng)入射波峰值達(dá)到1.2倍時按照指數(shù)放大桿長。也可以設(shè)置滿幅放大方式，放大處理錨桿頂與底部波形；根據(jù)檢測人員操作習(xí)慣設(shè)置入射波的顯示方向。

2.4.3 采集信號

（1）根據(jù)錨桿長度設(shè)置采樣間隔，確定波速，一般在1 700～5 120m/s，標(biāo)定波速的準(zhǔn)確值[6]；設(shè)置采樣間隔，延長錨桿檢測長度，提高波動分析的準(zhǔn)確性。

（2）按照錨桿長5/3倍計算采樣總時間，確定波形采樣時間間隔；默認(rèn)“低”通道檔觸發(fā)電平；默認(rèn)單次采樣，每測一錘采集一次采樣信息，保證足夠的采集數(shù)據(jù)，盡量不選用連續(xù)采樣和疊加采樣的采樣方式。

（3）在橫軸標(biāo)尺參數(shù)選取中，選擇時間坐標(biāo)和深度坐標(biāo)；用小錘尖頭對錨桿頂端垂直敲擊，根據(jù)信號放大系數(shù)控制敲擊力度，盡量控制在2～10N；對長度超過9m的錨桿，要適當(dāng)增加敲擊力度，保證敲擊干脆，根據(jù)信號重復(fù)性、M值取舍信號，判斷錨桿底端是否傳回反射信號[7]。

2.4.4 數(shù)據(jù)傳輸

在數(shù)據(jù)采集后，數(shù)據(jù)要經(jīng)過數(shù)據(jù)線的串口存儲到檢測儀的存儲設(shè)備中，下一步進(jìn)入檢測數(shù)據(jù)分析階段，自動生成檢測曲線圖[8]。

2.5 質(zhì)量評定

根據(jù)錨桿無損檢測結(jié)果，以波形特征作為灌漿飽滿度的評價依據(jù)，具體的評定標(biāo)準(zhǔn)如下：①波形規(guī)則，底部無發(fā)射波或是反射波非常微弱，灌漿飽滿度為密實(shí)，質(zhì)量優(yōu)；②波形比較規(guī)則，底部存在反射波，且以小幅S波發(fā)射為主，局部灌漿欠密實(shí)，質(zhì)量良；③波形欠規(guī)則，局部存在較強(qiáng)的反射波，以大幅S波反射為主，局部灌漿不密實(shí)或有空漿，質(zhì)量合格；④波形不規(guī)則，反射波強(qiáng)烈，P波回波，多處關(guān)鍵不密實(shí)，質(zhì)量不合格，需要返工重做。

3 結(jié)語

在檢測邊坡錨桿的長度及注漿飽滿度時，應(yīng)合理選擇檢測頻率。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求，邊坡錨桿的檢測部位應(yīng)由縱橫斷面控制，不得隨機(jī)抽檢[10]。通過分析錨桿的長度，能夠獲得自由段和錨固段的錨桿具體長度，對比信號發(fā)射方式，能夠區(qū)分開地層反射信號、錨桿底部反射信號、砂漿不密實(shí)段發(fā)射信號。依據(jù)檢測頻率及波形特征，便可綜合判定錨桿的砂漿飽滿度是否達(dá)標(biāo)。在檢測過程中根據(jù)邊坡錨桿的實(shí)際情況設(shè)置儀器參數(shù)，具體包括：①選擇通道觸發(fā)方式；②選擇積分狀態(tài)下的加速度計傳感器；③設(shè)置深度坐標(biāo)標(biāo)度方式，以便于快速找到質(zhì)量缺陷位置；④設(shè)置指數(shù)放大方式，當(dāng)入射波峰值達(dá)到1.2倍時按照指數(shù)放大桿長[11]。

道路邊坡錨桿質(zhì)量無損檢測是一項(xiàng)非常重要的工作，與邊坡結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性密切相關(guān)。為此，應(yīng)采取合理可行的技術(shù)，對邊坡錨桿進(jìn)行無損檢測，確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，及時處理質(zhì)量不合格的錨桿。