錨桿長度無損檢測的影響因素分析

訾建峰， 楊森

(1.天津市市政公路工程質量監督站， 天津300000；2.四川升拓檢測技術有限責任公司， 成都610045)

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錨桿長度無損檢測的影響因素分析

訾建峰1， 楊森2

(1.天津市市政公路工程質量監督站， 天津300000；2.四川升拓檢測技術有限責任公司， 成都610045)

用于錨桿長度檢測的主要方法為聲波反射法，而該方法測試精度會受到一些外在因素的影響。通過模擬某工程隧道錨桿設計方案，設置不同長度錨桿，采用彈性波無損檢測方法，分析錨桿無損檢測中的影響因素。結果表明，在錨桿無損檢測中，對于錨桿底端反射波的準確識別和有效判定以及激振頻率的合理選取及合適的傳感器與錨桿桿體間的耦合方式對測試精度有著直接的影響。

錨桿長度檢測；彈性波無損檢測；激振頻率；耦合方式

引言

對于錨桿長度的檢測，目前國內通常采用彈性波(也稱為聲波)作為測試媒介，而最常用的方法即為聲波反射法[1-2]。聲波反射法為動態無損檢測方法，其基本實施方案是在錨桿頂端施加單沖式瞬態沖擊力，激勵產生彈性波信號，彈性波在桿體(或桿系)中傳播并產生反射，安設在錨桿頂端附近的傳感器接受反射信號，通過對反射波信號進行時域、頻域分析，獲得錨桿有效長度及錨固質量等工作參數[3]。聲波反射法作為一種無損檢測方法，對錨桿、桿系及周圍巖體不會產生破壞作用，適宜進行大面積的檢測應用。

但聲波反射法在實際操作中，難免會受各種環境條件因素、信號激勵因素等影響，導致錨桿長度測試精度達不到要求，甚至出現長度測試誤判的現象。為此，本文從錨桿長度檢測基本原理出發，依據某工程邊坡錨桿設計方案，采用聲波(彈性波)無損檢測方法，通過建立模型錨桿標準數據檔案，對錨桿長度檢測誤差及其規律進行研究、分析[4-6]，明確錨桿長度無損檢測的影響因素，為錨桿長度實際檢測提供參考。

1 基本原理

錨桿長度無損檢測方法的基本理論依據為一維桿件的聲波反射理論。在錨桿頂部激發彈性應力波，當彈性應力波傳播到錨桿底部時由于錨桿和錨桿底部的巖體存在波阻抗差異，將產生反射波回到錨桿頂部，從而根據反射波的走時和錨桿中的應力波傳播速度就可以采用時域或頻域分析方法確定出錨桿長度[1]。

(1)

式中：Cm——同類錨桿的波速平均值；

Δte——桿底反射波傳播時間。

當錨桿較短，桿底反射信號的起始點不易分辨時，可以采用頻譜分析的方法。

(2)

式中：Cm——同類錨桿的波速平均值；

Δf——幅頻曲線上相鄰諧振峰之間的頻差。

由錨桿檢測基本原理知，錨桿長度測試的關鍵在于錨桿(桿系)波速確定和時域或頻差確定。波速與錨桿材質及其所處環境狀態相關，可以通過模擬實驗或現場標定得到，而時域和頻域的影響因素則更為復雜。

2 檢測成果與影響因素分析

2.1 反射信號的影響

2.1.1檢測試驗

在錨桿長度檢測中，反射信號的識別是確定時域的關鍵。根據彈性波傳播理論，在均質體或無阻抗差異結構中，不會產生反射，對于存在阻抗差異的結構界面均會產生反射[7-8]。

試驗中，分別對兩根焊接錨桿做不同的預處理[9](表1)。

表1 錨桿預處理情況

對mg-1錨桿采集波形如圖1所示。

圖1 錨桿mg-1采集波形

由圖1可知，mg-1波形存在多次明顯反射。其中，根據對波形計算可知，1號點反射所對應的錨桿長度為1.5m，而2號點反射所對應的錨桿長度則為3.5m，同時結合設計及施工資料顯示：1號點的同向反射屬于焊接處的反射；2號點的同向反射則是錨桿底部的正常反射；3號和4號點的反射屬于設計值范圍之外的反射，也可能是重復反射。

mg-2錨桿的采集波形如圖2所示。

圖2 錨桿mg-2采集波形

圖2mg-2波形顯示仍然存在多次明顯反射。同理，根據計算可知，1、2、3號反射位于設計值范圍之內，1號點為同相反射，2、3號點為反相反射，而3號點則是設計值范圍之外的同相反射。

根據試驗設計可知，1號點對應的長度為2.0m，為焊接點反射；2號點對應的長度為2.5m，為預設的缺陷反射；3號點對應的長度為3.5m，為底部反射(因底部為堅硬巖石，產生了反相反射)；4號點對應的長度為4.0m，為焊接點的二次反射；而5號和6號是設計外的長度值，疑為受錨桿周圍的灌漿質量或巖體的影響。

同時，綜合mg-1、mg-2的波形圖對比可知：兩者的波形均收斂較好，但相比mg-1，mg-2的波形前端的振動信號較強，結合現場情況得出，mg-2的外露長度較長，激振時引起的外露端的自由振動混入了原始信號中，從而出現相對較強的振動信號[10]。

2.1.2反射信號影響因素分析

在均質桿體中，阻抗相同不產生反射，對于桿底或焊接點由于存在阻抗差異，因此會產生反射，如mg-1、mg-2波形中的1號反射點[11]。

在土質或軟弱巖體材料中，由于土體材料的阻抗較低，則反射信號的相位與入射信號相同，如mg-1波形中的2號反射點；而桿體底部在堅硬巖石或高強混凝土時，由于阻抗增加，則反射信號的相位與入射信號相反，如mg-2波形中的3號反射點。

在實際錨桿長度檢測過程中，由于巖體環境條件復雜、注漿質量各異，在實際測試信號中反射信息不是唯一的，反射信號強弱也各異[12]。因此，明確反射信號如何識別，對錨桿長度檢測精度的提高就顯得尤為重要。2.2激振頻率的影響

2.2.1檢測試驗

在錨桿長度實際檢測過程中，除了存在上述反射信號的影響因素外，其激振頻率也會對錨桿長度檢測精度產生一定的影響[13-14]。

試驗采用七種不同長度的模型錨桿，并分別采用直徑為Φ10、Φ17、Φ30的激振錘以及激振錐作為激振源進行數據采集。其測試結果見表2。

2.2.2影響因素分析

由表2可知，不同的激振頻率對于不同長度的錨桿測試精度影響不同。

表2 錨桿長度實際值與測試值對比

激振頻率較高(如Φ10)的激振源，對于測試短桿有著較高的精度，但隨著錨桿長度的增加，頻率較高的激振卻會對長度測試結果產生一定的影響。

激振頻率較低(如激振錐)的激振源，對較短的錨桿長度檢測會產生影響，要么不能識別到反射波，要么會比實際長度偏長；但隨著長度的增加，頻率較低的激振卻有著較高的精度。

在實際的檢測過程中，因檢測人員對于錨桿長度的客觀認識是設計長度，但是，在實際施工過程中，錨桿長度可能低于設計長度，如有些錨桿的長度僅有0.5m，甚至僅有0.2m。

錨桿長度的檢測主要是基于錨桿底部的反射波來判定，同時根據反射理論，激振波長與反射信號間存在表3的關系。

表3 激振波長與反射信號的關系

由表3可知，不同的激振波長對于不同長度錨桿的測試精度有著不同的影響。

不同的激振波長意味著不同的激振頻率，如測試實心錨桿(波速取5.2km/s)，可以得到不同激振方式可以測試的最短錨桿(實心)的長度見表4

表4 激振方式與最短測試長度的近似關系

因此，對于2m以下的錨桿，建議采用Φ30以下的激振錘，而激振錐則適用于3m以上的錨桿。另一方面，頻率越高的激振信號，其衰減也越快，從而不利于測試較長的錨桿。

綜上所述，在進行錨桿長度檢測時，首先，對于激振頻率的選擇要合適，可根據設計長度同時選擇兩種或兩種以上不同頻率的激振源；其次，激振時，激振源要平行于錨桿，以免產生其他成份的波，從而影響對錨桿底部反射信號的判別；最后，在激振時應該干脆，避免產生二次敲擊，且敲擊力度要適中。

2.3 傳感器耦合方式的影響

2.3.1檢測試驗

傳感器采用不同的固定及耦合方式，則采集的振動信號會有較大的區別，從而對檢測人員的分析產生較大的影響。

按照傳感器的固定位置，可以分為桿頂和桿側兩種固定方式，兩種傳感器固定方式對測試信號的影響及優缺點見表5。

表5 傳感器桿頂固定和桿側固定對比表

在相關規程中均建議采用桿頂固定的方式。但無論桿頂還是桿側固定，其采用的耦合方式都會對信號的采集產生較大的影響。

關于傳感器與錨桿間的連接耦合的具體方式，一般有磁性、粘接劑(熱熔膠、兩面膠)、耦合劑(黃油、凡士林等)和壓著等方式。盡管在相關規程中，建議采用磁性卡座的耦合方式，但本次試驗還是對耦合方式進行了研究。

不同耦合劑的粘度、剛性以及溫度特性對采集的信號都有較大的影響，且有不同的縮頻作用，經過反復試驗，并研制了專用的耦合劑。該耦合劑具有良好的耦合性、溫感小、無毒、不粘手、涂抹方便且對激振信號的自由振動部分有很好的衰減作用的特點。因此，本次試驗結合錨桿現場檢測的實際情況對傳感器與桿體的耦合方式分為三種：手按、磁性卡座、特制耦合劑。采用這三種耦合方式分別對2.2試驗中所用的7根不同長度的錨桿進行檢測，其典型波形對比如圖3～圖5所示。

圖3 傳感器手按方式采集波形

圖4 傳感器磁性卡座方式采集波形

圖5 傳感器特制耦合劑方式采集波形

2.3.2影響因素分析

由圖3、圖4和圖5可以明顯看出：采用特制耦合劑對傳感器與桿體進行耦合時，所采集的波形是最為理想的，其桿底反射明顯，且波形收斂較好。

在試驗過程中發現，采用人工手按的方式時，其壓著力度的大小也會對波形產生很大影響，且在現場不宜保持靜止，傳感器與桿體接觸不好，從而造成所采集的波形品質不好。

采用磁性卡座的固定方式，其粘性阻尼小，在沖擊型激振荷載作用下，其自由振動衰減慢，持續時間長，因此，磁性卡座方式宜用于桿側固定。

采用特制耦合劑，具有較好的彈性、阻尼比剛性及溫度特性，對激振信號的自由振動部分起到了很好的衰減作用，提升了測試信號的品質。

為此，在理論和試驗分析的基礎上，現場檢測時建議采用：桿頂：傳感器+耦合劑，桿側：傳感器+磁性卡的固定方式組合較為理想。

3 結論

綜上所述，無損檢測方法可以作為一種錨桿長度檢測的手段，同時，在利用無損檢測方法對錨桿長度進行實際檢測中，影響檢測效果的因素較多，檢測工作應著重注意以下3點：

(1)錨桿底部反射要準確判定

不同地質情況條件下，錨桿長度檢測的波形不同，在判定錨桿底部反射信號時，應充分結合綜合情況：如錨桿的巖體質量、現場施工情況(如有無焊接、灌漿質量、錨桿外露端長度等)等，以便準確判定錨桿的底部反射信號。

(2)錨桿長度實際檢測中，對于激振頻率的選擇要合適

不同長度的錨桿在不同錘激振的條件下，波形表現為不同特征。激振源的激振頻率越高，產生干擾信號越強，小錘(頻率較高)激振源的測試長度會十分有限；相反激振源的激振頻率越低，其測試長度越長，同時其測試短錨桿的能力降低。因此，對于不同的錨桿，可根據設計長度同時選擇兩種或兩種以上不同頻率的激振源。且激振時，激振源要平行于錨桿，激振干脆且力度適中，以免產生二次激振或其他成份的波，從而影響對錨桿底部反射信號的判別。

(3)采用合適的傳感耦合方式

考慮到對測試信號品質及現場實際情況，不同固定方式，可采用不同的耦合方式：在桿頂固定傳感器時，可用具有合適的溫度特性、阻尼比和剛性的耦合劑；而在桿側固定時，可采用磁性卡座。通過兩種方式的有機結合，可以進一步提高檢測結果的信賴程度及檢測精度。

在明確了錨桿長度無損檢測的影響因素后，對錨桿長度檢測能比較準確的加以判定。因而它可以為隱蔽工程、重點工程質量監理控制工作快速提供第一手質量檢測資料，輔助監理工作的順利進行，也為施工單位尋找產生質量問題的原因和采取改進措施提供依據。

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Influencing Factors Analysis of the Nondestructive Detection of Bolt Length

ZIJianfeng1,YANGSen2

(1.Tianjin Municipal Road Engineering Quality Surveillance Station, Tianjin 300000, China;2.Sichuan Central Inspection Technology Co.,Ltd., Chengdu 610045, China)

At present, the main method used to detect anchor length is acoustic reflection method，and the test accuracy of this method tends to be affected by some external factors. By simulating a tunnel engineering anchor design, setting bolts of different length, the influencing factors of bolt nondestructive testing are analyzed through the NDT methods with elastic waves. The results show that, in the bolt nondestructive testing, the accurate identification and effective judgment of reflected wave at the bottom of bolt, the reasonable selection of excitation frequency, and the suitable coupling way of sensor and anchor rod body have a direct impact on test accuracy.

bolt length detection; elastic wave nondestructive testing; excitation frequency; coupling way

2015-04-09

訾建峰(1977-)，男，天津人，高級工程師，主要從事工程項目檢測、監督管理方面的研究，(E-mail)549664424@qq.com

1673-1549(2015)03-0071-05

10.11863/j.suse.2015.03.15

TU132

A