錨桿無損檢測技術及應用

摘要：本文通過錨桿無損檢測技術在某水電站導流洞施工質量檢測的運用，介紹了錨桿無損檢測技術的原理和方法，以及運用效果。闡明了錨桿無損檢測技術已成為控制錨桿施工質量不可缺少的重要方法，是錨桿施工質量評價和驗收的標準之一。

關鍵詞：錨桿無損檢測;錨桿;波速;長度;密實度

1前言

錨桿作為支護系統的一個重要組成部分被廣泛地應用于水電工程洞室及邊坡圍巖加固與支護中。根據圍巖的類別以及服務特點采用全長錨固錨桿、部分錨固錨桿以及端錨式錨桿對圍巖及邊坡進行加固。不同的錨桿甚至距離很近的錨桿中所承受的拉應力由于錨固條件的不同而不同。即使是同一根錨桿由于開挖過程中應力的重新分布錨桿的受力也會在服務期限內發生改變。這些應力的作用會造成錨桿位移甚至斷裂，大大減低了支護系統的穩定性。而且錨桿的安裝作業以及錨固工人的錨固技巧也影響錨桿中的預加應力與錨固質量。因此，非常有必要對錨固質量、錨桿的完整性以及錨桿中的應力狀態進行實時監控。傳統的檢測方法是采用抗拉拔力作為檢測指標，國內外試驗研究表明：對于高強螺紋錨桿，當錨固長度達到錨桿直徑的42倍時，握裹力不再隨著錨桿長度的增加而增加，并且無法判斷水泥砂漿灌注飽滿與否。并且傳統的拉拔方法費時又費力，而無損檢測錨桿方法能夠準確、快速、無破壞地檢測錨桿的質量，因此錨桿無損檢測錨桿方法在很多工程中得到了廣泛的應用。

2錨桿無損檢測原理

當工程錨桿為圓柱體且其直徑d 遠遠小于其長度L 時，可將錨桿視為一維彈性桿，可采用彈性波中的一維桿理論對錨桿進行分析。錨桿檢測的一維彈性波波動方程為：

式中：u 為錨桿體的彈性波振動質點位移，V 為錨桿體的彈性波振動質點傳播速度，E為錨桿體的彈性模量，A為錨桿體的橫截面積，c為錨桿體的彈性阻尼系數，K為錨桿體的剛度系數。

在錨桿、水泥砂漿和圍巖組成的體系中，從錨桿端部發射的應力波，經錨桿向四周傳播，在錨桿與砂漿、砂漿與圍巖之間的界面發生復雜的反射和透射及能量衰減。通過對錨固體系的簡化模型——變截面桿的研究可知：

從上式及圖可以看出，當桿中某一截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。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、不密實時，在砂漿中出現空腔，空腔處將出現不同程度的波阻抗變化面。其表明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存在反射信號，根據反射波位置和反射信號的強弱，可以確定出錨桿錨固質量并為其分級。

由一維彈性桿的波動理論可推導出反射系數 Kr和透射系數Kt：

Kr=（Z1-Z2）/（Z1+Z2）""""""""""""""""""" （4）

Kt=Z1Z2/（Z1+Z2）""""""""""""""""""""" （5）

由式4可知，當彈性波由波阻抗較大的物質，進入到波阻抗較小的物質時（空漿、欠密實帶），在其分界面上會發生反射，其反射波和入射波相位相同，反之，當彈性波由波阻抗較小的物質，進入到波阻抗較大的物質時，在其分界面上也會發生反射，其反射波和入射波相位相反。

由式5可知，Kt恒為正值，即透射波永遠和入射波相位相同。

由桿端發射的聲波向桿底傳播，到錨固缺陷（砂漿欠密實或空漿等）位置和桿底時，由于該處截面的面積或材料性質改變而導致波阻抗發生變化，入射波將在該截面上發生反射和透射，表現為在原有的信號波形上迭加了一個反射波信號，其反射波和透射波幅值的大小與波阻抗相對變化的程度有關。同樣是缺陷，但空漿處的反射波幅值一定會大于砂漿欠密實處的反射波幅值，也大于一般裂縫的發射波幅值;錨桿的注漿密實度跟錨桿與砂漿、砂漿與圍巖的接觸以及砂漿的膠結程度有關。分析波形特征、頻譜特征、衰減特征等，可以分析錨桿注漿密實度。一般情況下，注漿密實度越好，所測的波形就規則、反射雜波少、頻率較高且集中，相應的振幅小、衰減快;反之，注漿密實度差的錨桿，所測得的波形比較復雜，反射雜波多，頻率較低且分散，振幅大且衰減慢，據此可推斷錨桿是否存在注漿欠密實或空漿等情況。反射波回來被傳感器接收，由儀器所記錄的回聲時間可按照下式計算出缺陷的位置和錨桿長度;

L=vt/2""""""""""""""""""""""""""""" （6）

上示中，L為桿端到桿底或錨固缺陷處的距離，v為彈性波在錨桿中的傳播速度，t為回聲反射時間。

3應用

四川某水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，是大渡河流域水電梯級近期開發的大型水電站工程之一。壩址處控制流域面積55880km2，多年平均流量821m3/s.初擬正常蓄水位1690m，庫容約10.4億m3，最大壩高241m，裝機容量2600MW。

導流洞位于大渡河右岸，我公司承擔了導流洞錨桿無損檢測任務。設計錨桿數為30696根，檢測錨桿數為2106 根，抽檢比例為6.86%，其中1998 根錨固質量為合格，108 根錨固質量為不合格，合格率為94.9%。

3.1錨桿波速測定

這里所說的錨桿，是鋼筋和砂漿的綜合體。錨桿波速取值是否正確，直接關系到錨桿長度和注漿密實度判斷解釋是否準確，因此正確確定錨桿波速值在整個錨桿無損檢測中是相當關鍵的一步。

3.1.1鋼筋波速值測定

某電站導流洞錨桿支護中，在不同部位、不同地質條件下，錨桿的設計長度、鋼筋直徑各不相同。錨桿設計長度有4.5m、6.0m、9.0m等，錨桿鋼筋直徑為25mm、28mm、32mm 的螺紋鋼筋。鋼筋波速值是在現場采用反射波法進行測定，波速計算公式如下：

V = 2L/（T₁- T₀）"""""""""""" （7）

式中，V為反射波波速;L 為錨桿長度;T₁為反射波到達時間;T₀ 為儀器系統延時時間。

測試結果表明：

（1）鋼筋長度（4.5～9m）對波速的影響較小，可忽略不計;

（2）鋼筋直徑對波速有一定影響，直徑越大、波速越高，但對錨桿所用的直徑為22mm、25mm、28mm、32mm 四種規格螺紋鋼的波速影響不大，波速在5150～5250m/ s。

3.1.2 錨桿波速測定

用PVC 管針對不同直徑、不同長度制作模擬錨桿，然后作測試，確定錨桿系的波速。波速測定同樣采用直達波法，波速亦按式（6）計算。

測試結果表明：

（1）注漿密度度較好的錨桿，波速一般在4300m/ s左右;

（2）砂漿質量對錨桿波速有一定的影響，砂漿質量越好錨桿波速越高;

（3）注漿密度度對錨桿波速有一定的影響，密實度越低錨桿波速越高。

3.2錨桿長度計算

根據波形讀取錨桿底部反射時間，再根據反射時間計算錨桿長度，可用式（6）來計算。

3.3錨桿注漿密實度計算

根據在不同激發、接收條件下得到的多條波形曲線，進行綜合的定性分析，確定錨桿注漿的缺陷類型。在確定了錨桿注漿缺陷類型之后，根據其缺陷段反射波的旅行時間來計算其所處的位置和缺陷段長度，并用下式計算注漿密實度。

（1）錨桿飽滿度進行定量評價時，可用有效長度法計算錨桿飽滿度。

式中：D——錨桿飽滿度;Lr——錨桿設計錨固段長度，m;Lx——錨桿缺陷段累計長度，m。

（2）除孔口段缺漿而深部密實外，也可依據反射波能量法計算錨桿飽滿度：

式中：β——錨桿聲波波動能量修正系數;η——錨桿聲波波動能量反射系數;Er——錨桿反射波波動總能量，N.m;Eo——錨桿入射波波動總能量，N.m;Es——錨桿波動總能量，N.m。

3.4典型錨桿曲線及分析

（1）密實度較好錨桿

圖1為某水電站導流洞邊墻錨桿，設計參數：Φ32，L=9.0m。測試結果為：該錨桿外露長度為0.3m，實測長度8.9m，錨固長度8.6m，基本密實，密實度91%（能量法為91%）（樁底反射較弱）。

圖1" 邊墻k0+236m錨桿實測曲線

圖2為某水電站導流洞出水口洞臉處錨桿，設計參數：Φ32，L=4.5m。測試結果為：該錨桿外露長度為0.2m，實測長度4.5m，錨固長度4.3m，基本密實，密實度95%（能量法為95%）（樁底反射較弱）。

圖2" 出口洞臉錨桿實測曲線

（2）全段空漿錨桿

圖3為某水電站導流洞邊墻錨桿，設計參數：Φ32，L=4.5m。測試結果為：該錨桿外露長度為0.4m，實測長度4.5m，錨固長度4.1m，0.8～4.5m處空漿，密實度小于50%（能量法為50%）（樁底反射強）。

圖3" 邊墻k0+514m錨桿實測曲線

（3）前段空降錨桿

圖4為某水電站導流洞出口洞臉處錨桿，設計參數：Φ32，L=9.0m。測試結果為：該錨桿外露長度為0.5m，測試長度9.0m，1.0～2.4m處空漿，密實度為80%（樁底反射不明顯）。

圖4" 出口洞臉錨桿實測曲線

圖5為某水電站導流洞邊墻錨桿，設計參數：Φ25，L=4.5m。測試結果為：該錨桿外露長度為0.5m，測試長度2.2m，0.8～2.2m處空漿，密實度小于50%（樁底反射明顯）。

圖5" 邊墻k0+514m錨桿實測曲線

（4）掛筋

圖6為某水電站導流洞邊墻掛筋，設計參數：Φ25，L=1.0m。測試結果為：該錨桿外露長度為0.5m，測試長度1.0m，0.6～1.0m處空漿，密實度小于50%（樁底反射不明顯）。

4結束語

通過對某水電站導流洞錨桿無損檢測，檢測結果反映了實際施工質量情況，幫助業主了解、控制錨桿施工質量。目前錨桿無損檢測技術已成為控制錨桿施工質量不可缺少的重要方法，是錨桿施工質量評價和驗收的標準之一。

參考文獻：

[1]夏代林、劉春生.錨桿錨固質量快速無損檢測研究[M].武漢：中國水利電力大學出版社，2000.

[2]徐永煜.錨桿測試方法及實踐[J].工程物探，2007，（1）

[3]王國瀅.錨桿檢測技術在小灣水電工程中的應用.工程物探，2004，2

[4]王國瀅，等.錨桿無損試技術的應用研究[J].工程物探，2008，（4）