應(yīng)力波法檢測錨桿錨固質(zhì)量的試驗(yàn)研究★

楊小偉 吳同情 許年春 劉國梁 王桂臣 王 偉

(重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 401331)

應(yīng)力波法檢測錨桿錨固質(zhì)量的試驗(yàn)研究★

楊小偉 吳同情 許年春 劉國梁 王桂臣 王 偉

(重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 401331)

對不同位置、不同缺陷長度錨桿錨固體系模型進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，探討了檢測錨桿錨固質(zhì)量時(shí)波的傳播規(guī)律，指出對于有缺陷的錨桿錨固體系，波形在缺陷位置處出現(xiàn)畸形，變得不規(guī)則，并呈現(xiàn)出緩慢衰減態(tài)勢；對于缺陷位置不同的錨桿，測試曲線表現(xiàn)出不同的波形特征。

應(yīng)力波，錨桿錨固質(zhì)量，無損檢測，試驗(yàn)

0 引言

由于錨桿錨固技術(shù)具有增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度、施工方便、工程造價(jià)低、安全快速等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于邊坡工程、隧道工程以及礦山巷道等巖土相關(guān)工程。在工程中錨桿施工質(zhì)量的好壞將對公路、鐵路、水利工程等巖土工程的安全穩(wěn)定有很大的影響。因而，采用應(yīng)力波無損檢測錨桿錨固質(zhì)量在一定程度上受到廣大研究人員的青睞。

錨桿錨固質(zhì)量檢測方法較多，然而通過拉拔試驗(yàn)對錨桿的抗拔力進(jìn)行檢測時(shí)，費(fèi)用相對較高，同時(shí)對圍巖產(chǎn)生較強(qiáng)的擾動(dòng)，從而降低了錨桿對圍巖的加固作用。王猛等[1]采用錨桿彈性波無損檢測儀，對國陽二礦進(jìn)行了應(yīng)力波法錨桿錨固質(zhì)量無損檢測現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究，對錨固長度、工作荷載、固結(jié)波速等進(jìn)行了探討。劉海峰等[2]在錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)研究中，基于錨固體系的錨桿動(dòng)力學(xué)和一維波動(dòng)理論，研究了錨固體系的振動(dòng)特征和錨固體系中應(yīng)力波的傳播規(guī)律。裴寶琳等[3]采用理論分析和實(shí)驗(yàn)測試方法對錨桿錨固中波傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。本文將采用理論分析與室內(nèi)試驗(yàn)測試相結(jié)合的方法探討應(yīng)力波檢測錨桿錨固質(zhì)量時(shí)波的傳播規(guī)律。

1 應(yīng)力波檢測原理

應(yīng)力波錨桿錨固質(zhì)量檢測法是指在錨桿端頭部位采用多種激發(fā)震源產(chǎn)生彈性波，沿錨桿傳播并向錨固系統(tǒng)周圍輻射能量，然后采用檢波器檢測其反射回波，對采集波信號曲線進(jìn)行頻域或時(shí)域分析，獲取波速、長度(錨固段長度、自由端長度和錨固系統(tǒng)中錨桿長度)以及施工缺陷等相關(guān)參數(shù)，從而可對錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)[4]。

在對錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行應(yīng)力波傳播分析時(shí)，假設(shè)錨桿材料是均勻的、各向同性的，在受到激發(fā)振動(dòng)時(shí)錨桿的變形是在彈性范圍內(nèi)，并且橫截面保持為平面，錨桿的橫向變形忽略不計(jì)，可得出錨桿縱向應(yīng)力波傳播的波動(dòng)方程為：

(1)

采用多種激發(fā)震源在錨桿端頭部位產(chǎn)生穩(wěn)定彈性應(yīng)力波，沿錨桿方向傳播，在錨桿端頭采用檢測儀對其進(jìn)行接收，當(dāng)波遇到變阻抗截面時(shí)將發(fā)生反射和透射。對采集的首波信號進(jìn)行相位分析可知，其相位與錨固端反射信號相反，與其底端反射相位相同，在應(yīng)力波響應(yīng)曲線上分別獲取錨固端和底端位置處的反射時(shí)間，根據(jù)連續(xù)性條件和牛頓第三定律可計(jì)算出反射系數(shù)R和折射系數(shù)T如下：

(2)

其中，z2,z1分別為變阻截面前后兩個(gè)截面的波阻抗。

通過測得的彈性應(yīng)力波的波速Vc，即可按下式計(jì)算錨桿自由端長度l1，錨固段長度l2：

(3)

通常采用錨固系統(tǒng)中的固結(jié)波速對錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)，其固結(jié)波速是指激發(fā)震源產(chǎn)生的彈性應(yīng)力波通過錨固段時(shí)的波速，由式(4)進(jìn)行確定:

(4)

其中，Vc為錨固體系中的固結(jié)波速；A1為控制體內(nèi)錨桿桿體截面面積,m2;A2為錨固介質(zhì)面積,m2；ρ1為錨桿的密度,kg/m3;ρ2為錨固介質(zhì)的密度,kg/m3；C1,C2分別為在錨固狀態(tài)下錨桿和錨固介質(zhì)的折算剛度，N/m2，受粘結(jié)強(qiáng)度影響。

從式(4)計(jì)算可知，其大小介于自由錨桿與錨固段波速之間，與錨固介質(zhì)間粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)，粘結(jié)強(qiáng)度愈強(qiáng)，錨桿錨固質(zhì)量愈好，固結(jié)波速就愈小。在室內(nèi)采用應(yīng)力波對錨桿模型進(jìn)行測試，對應(yīng)力波曲線進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，讀取錨桿固端和底端的反射波時(shí)間和波速等參數(shù)，計(jì)算出固結(jié)波速，從而可對體系的錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)[5，6]。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

按照《水利水電工程錨桿無損檢測規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定制作室內(nèi)試驗(yàn)試件，錨固介質(zhì)和圍巖采用石膏或砂漿、混凝土進(jìn)行模擬。根據(jù)上述原理，制作0.3 m×0.3 m×0.5 m和0.2 m×0.2 m×0.5 m混凝土立方體，其配合比為水∶水泥∶砂=0.5∶1∶2，沿高度方向留有φ50錨桿孔，錨桿鋼筋擬選φ12，φ18螺紋鋼，長度選70 cm～500 cm不等，在預(yù)留孔中注入M30砂漿，部分錨桿外露端長度為0.2 m。為了便于判斷，在錨固砂漿中不同位置處設(shè)置不同長度大小的缺陷，模型的幾何尺寸如圖1所示。

3 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)使用武漢長盛工程檢測技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的JL-MG(C)錨桿質(zhì)量檢測儀對錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行檢測，測試部分曲線如圖2所示，圖中A點(diǎn)為缺陷部分所在位置，在波形圖中截取一個(gè)周期，激發(fā)應(yīng)力波的起始時(shí)間為177 μs，激發(fā)應(yīng)力波傳播第二次到達(dá)的時(shí)間462 μs，在錨桿中應(yīng)力波的傳播時(shí)間為：T=285 μs。由于應(yīng)力波在錨桿中傳播是雙程，從而可計(jì)算出自由段的波速為5 120 m/s，錨固段波速為4 700 m/s。通過對不同位置、不同大小缺陷錨桿模型進(jìn)行測試，其應(yīng)力波波形曲線會(huì)在缺陷位置處發(fā)生畸形，整條波形曲線也不規(guī)則。當(dāng)錨固體前段存在缺陷時(shí)，測試曲線的前端存在不規(guī)則波形，在缺陷開始位置的反射波受到干擾，呈現(xiàn)出增強(qiáng)后再緩慢衰減形態(tài)；當(dāng)錨桿系統(tǒng)中缺陷位于中段時(shí)，測試的波形曲線相對較規(guī)則，缺陷開始和接收位置的波未受到干擾；當(dāng)缺陷處于錨桿系統(tǒng)底端時(shí)，由于變化斷面處反射波疊加的影響，波形變得不規(guī)則。

通過對比分析實(shí)測缺陷位置與設(shè)計(jì)缺陷位置，誤差值相對較小，測試結(jié)果的可靠性較好，可對實(shí)際錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。

當(dāng)錨固系統(tǒng)中存在缺陷時(shí)，應(yīng)力波在傳播過程中遇到不同波阻抗界面，從而產(chǎn)生多次反射和透射，其能量發(fā)生改變，致使應(yīng)力波曲線在介質(zhì)交界面處出現(xiàn)畸形，隨后應(yīng)力波曲線表現(xiàn)出緩慢衰減或增強(qiáng)后再衰減特征。

錨桿長度較短時(shí)，由于缺陷位置處和錨桿底端的反射信號和錨桿端頭激發(fā)信號相互疊加，測試應(yīng)力波響應(yīng)曲線整體呈現(xiàn)不規(guī)則態(tài)勢。如缺陷位置和錨桿底端的反射信號不明顯，應(yīng)力波響應(yīng)曲線較難以分析，但可減小采樣間隔對缺陷位置處的特征曲線進(jìn)行評判分析。

4 結(jié)語

通過對錨桿模型進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測試與分析，結(jié)果表明：

1)分析應(yīng)力波特征曲線，可知實(shí)測缺陷部位與設(shè)計(jì)缺陷部位基本相符，測試結(jié)果的可靠性較好，因而可用于對實(shí)際錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行檢測評價(jià)。

2)如錨桿錨固系統(tǒng)中存在缺陷，應(yīng)力波特征響應(yīng)曲線將在缺陷交界面處波形變得不規(guī)則，出現(xiàn)畸變，呈現(xiàn)出緩慢衰減，或者增強(qiáng)后再衰減態(tài)勢。對不同錨桿長度和不同缺陷長度進(jìn)行測試時(shí)，其波形曲線也不盡相同，測試曲線在曲線部位表現(xiàn)出的波形特征也不同。

[1] 王 猛,李 義,董 嘉.應(yīng)力波法錨桿錨固質(zhì)量無損檢測現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭技術(shù),2013,32(1):203-204.

[2] 劉海峰,崔自治,朱雪福，等.錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)研究[J].寧夏工程技術(shù),2003,2(3):266-268.

[3] 裴寶琳,楊 棟.錨桿錨固質(zhì)量的無損檢測探究[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2014,34(1):81-84.

[4] 汪明武,王鶴齡.錨固質(zhì)量的無損檢測技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(1):126-129.

[5] 尹健民,秦 強(qiáng),肖國強(qiáng).聲波在不同長度錨桿錨固體中傳播規(guī)律研究[J].人民長江,2011,42(3):95-98.

[6] 秦 強(qiáng),尹健民,吳從清，等.錨桿聲波反射法質(zhì)量檢測的模擬試驗(yàn)研究[J].長江科學(xué)院院報(bào),2011,28(8):41-45.

Experiment study on bolt bonding integrity with stress wave method★

Yang Xiaowei Wu Tongqing Xu Nianchun Liu Guoliang Wang Guichen Wang Wei

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，ChongqingUniversityofScience&Technology，Chongqing401331，China)

Models of different location and defective anchor bolts of different lengths are tested to study the rules of stress wave propagation in the anchoring body when stress wave nondestructive method is used to detect the anchorage quality. For the defective anchor bolts， the wave at defective location is distorted with an irregular wave attenuating slowly. The testing curves of acceleration response signal at bolt head exhibit different waveform characteristics when the defective location is different.

stress wave， bolt bonding integrity， non-destructive， experimental

2015-02-01★：重慶市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：201311551010)；重慶市建設(shè)城鄉(xiāng)委員會(huì)資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：城科字2011第(82)號)

楊小偉(1989- )，男，在讀本科生； 吳同情(1982- )，男，碩士，講師； 許年春(1977- )，男，博士，副教授

1009-6825(2015)11-0044-02

P631

A