錨桿錨固質量無損檢測技術研究與應用

摘要：采用聲頻應力波法對金沙江溪洛渡水電站工程錨桿錨固質量進行無損檢測，對水泥砂漿的飽和度、缺陷位置和錨桿的實際長度均能準確判斷，取得了良好的檢測效果，為工程建設提供了更好的質量保障，同時也為如何應用無損檢測技術快速檢測錨桿錨固質量，提供了可借鑒的方法與經驗。

關鍵詞：錨桿 應力波 無損檢測 錨固質量

1 概述

錨桿支護被廣泛應用在高邊坡護理、地下洞室及隧道支護等工程，錨桿的施工質量直接影響著邊坡或洞室的安全穩定。錨桿支護是通過錨入圍巖內部的錨桿改變圍巖本身的力學狀態，將圍巖中一定范圍巖體的應力狀態由單向（或雙向）受壓轉變為三向受壓，從而提高其環向抗壓強度，使壓縮帶既可承受其自身重量，又可承受一定的外部載荷，使其有效地控制圍巖變形。

錨桿施工屬于隱蔽工程，全長粘結砂漿錨桿握裹水泥砂漿的灌注飽滿與否是錨桿能否按設計要求起作用的重要指標。傳統的錨桿錨固質量主要通過設計、施工、試驗和驗收等過程進行控制。試驗主要是進行材料試驗和錨桿抗拔力試驗。據有關研究結果表明，當錨桿握裹長度達到42倍錨桿直徑時，其握裹力已達到錨桿材質極限抗拉強度，握裹力不再隨錨桿長度的增加而增加。金沙江溪洛渡水電站工程錨桿的長徑比達到了180~375，因此錨桿拉拔力試驗無法全面、客觀地反映錨桿整體施工質量狀況，特別是難以反映錨桿的錨固密實度。采用聲頻應力波對錨桿的錨固質量進行無損檢測，能夠對錨桿的錨固質量作出較全面的評價[1]。本文結合金沙江溪洛渡水電站天然邊坡處理工程錨桿錨固質量無損檢測結果，探索了聲波錨桿無損檢測技術的可行性，同時也為如何應用無損檢測技術快速檢測錨桿錨固質量，提供了可借鑒的方法與經驗。

2 檢測原理[2~4]

當工程錨桿構件的尺寸為圓柱體且其直徑d遠遠小于其長度L時，即L﹥﹥d，加之錨固體中的彈性波傳播速度遠大于其圍巖（或土體）的波速，所以錨桿可以作為一維桿件的波動理論分析處理。錨桿中傳播的一維彈性波動方程可以表示為：

式中，u為截面的縱向位移；x、t為空間、時間坐標；γ為錨桿周圍介質的阻尼系數；S、E分別表示錨桿的截面積及錨桿材料的彈性模量；C為錨桿的縱波波速； ，ρ為錨桿材料的質量密度。在小阻尼情況下，式（1）的解可近似簡化為：

式中，γ/2sρ為衰減因子，w為無阻尼條件下的圓頻率。由式（2）可見，波在傳播過程中幅值隨傳播時間的增加按指數規律衰減；當γ值不變時，S值或ρ值愈小則波幅值隨時間衰減愈快。在由錨桿、混凝土砂漿和圍巖組成的體系中，由錨桿端部發射的聲波經桿體向四周傳播，在錨桿與砂漿、砂漿與圍巖等界面發生入射、反射和透射。入射波應力為σi反射波應力σr與透射波應力σt之間的關系分別為：

式中，波阻抗Z=ρcA，ρ、c、A分別為介質的密度、聲速和截面積。

從上述公式及圖2-1可以看出，當桿中某一截面面面積或材料性質發生改變時，入射波將在該截面處發生反射和透射，其反射和透射波的大小與截面面積和波阻抗相對變化的程度有關。與變截面桿相類似，在錨桿體系中如圖2-2，錨桿、砂漿、和圍巖三者之間澆灌均勻密實時，應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，且反射信號極有規律。當砂漿澆灌不均勻、密實時，在砂漿中出現空穴，在空穴處將出現不同程度的波阻抗變化面。表現在原有的信號中迭加了強度不同的反射信號，或在不應出現反射波處有反射信號，根據反射波位置和反射信號的強弱，就可以確定錨桿錨固質量并為其分級。

3 檢測方法及質量判斷

檢測方法有很多種，最常用的檢測方法是利用錨桿的螺紋鋼外露端，在其端部安放發射裝制和接收換能器。因為螺紋鋼的介質均勻，速度一定，對檢測結果比較簡單，且信號比較穩定，這大大提高了檢測結果的精度和準確性。溪洛渡水電站工程錨桿的質量判斷是根據《水利水電物探規程》（SL326-2005）及《金沙江溪洛渡水電站錨桿無損檢測工作實施細則》（溪工建技【2008】107號）的要求：①抽檢比例：按作業區200根為1組（不足200根按1組計），由監理工程師根據實際情況隨機指定抽查。抽查比例不得低于錨桿總量的3%，每組不得少于6根。②評判標準：單根錨桿注漿密實度大于80%，且錨桿桿體孔內長度大于設計長度的95%為合格。當同一部位錨桿抽查合格率大于80%，且最低注漿密實度不低于70%，最低錨桿孔內長度不低于90%時，認為抽查作業分區錨桿合格。當合格率小于80%時，將抽查比例增大至6%，如合格率仍小于80%時，對作業分區內錨桿全部檢測，對不合格的錨桿重新施工。

4模型錨桿試驗

必須指出，模型實驗是解決錨桿錨固質量聲波檢測的不可缺少的一個環節。模型實驗的結果一方面可以檢驗理論正演結果的正確性，另一方面還可以補救理論研究工作的不足。更有益者，當模型實驗的工作量大到一定程度時，我們可以建立起標準圖庫，利用模式識別和神經網絡技術來處理解釋實測資料，這種辦法也是解決錨桿錨固質量無損檢測的一種途徑?？傊?，模型實驗會給錨桿錨固質量的無損檢測工作帶來很多好處[5]。

5 工程應用

溪洛渡水電站左岸天然邊坡總處理面積約95507m2，邊坡高陡，最大高度在110m左右，邊坡坡比基本在1:0.3~1:0.5之間，施工難度大，邊坡上危巖體、雜草、碎石和松動石塊分布較多。合同工程錨桿約5萬根，長度分別為4.5m、6.0m、9.0m和12.0m，工程系統錨桿呈梅花形布置，錨桿間排距為1.5m×1.5m，設計外露長度為15cm，砂漿強度等級M20。下面截取溪洛渡工程實際檢測中的一些典型波做以分析。當應力波在有缺陷的空漿錨桿中傳播時，空漿段反射波很弱，這是因為空漿段一般為空氣，介質相對均勻；當砂漿有局部缺陷時，圍裹在鋼筋周圍的介質不均勻，將產生強烈的反射波信號或者引起該部位波形畸變；在鋼筋底端，由于鋼筋、砂漿和巖石三者的波阻抗有明顯的差別，因此，反射波信號一般較明顯。一般施工中，下斜或者水平孔的孔底都存在少量的殘渣，朝天孔或者上斜孔孔底存在少量的空氣。

6 結語

通過對模型錨桿和溪洛渡水電站工程錨桿進行大量的無損檢測試驗與研究，說明：利用聲頻應力波在不同波阻抗界面發生發射的原理檢測錨桿錨固質量是有效和可行的。除其檢測試驗時間短，對錨桿無損傷等優點外，還能夠對錨桿長度、缺陷位置以及砂漿密實度等參數作出定量評價，為工程建設提供了更好的質量保障，同時也為如何應用無損檢測技術快速檢測錨桿錨固質量，提供了可借鑒的方法與經驗。

參考文獻：

[1]王軍民.超磁材料與CJ型換能器，《水利水電快報》，1999年第20卷增刊，26-28.

[2]Von Koten H，et al.Equipment for integrity and bearing capacity of piles[A].第一屆應力波理論在樁基工程中的應用國際會議[C].斯德哥爾摩：[s.n.].1980.

[3]JGJ/T93-95.基樁低應變動力檢測規程[S].

[4]北京航空學院，南京航空學院.傳感器原理[M].北京:國防工業出版社，1980.

[5]鐘宏偉，肖柏勛等.工程地球物理學報.第2卷第1期.