錨桿無損檢測對比試驗研究

王揚圣，曹廣越

(1.深圳市水務工程質量監(jiān)督站，廣東 深圳 518018;2.深圳市水務工程檢測有限公司，廣東 深圳 518018)

錨桿施工屬于隱蔽工程，水利水電工程錨桿多為全長粘結型錨桿，錨桿長度與錨桿飽滿度是錨桿質量重要指標。傳統(tǒng)的錨桿抗拔力檢測對錨桿的錨固力判斷非常準確，但仍有不足之處，一是抗拔力測試方法是一種破壞性檢測。二是抗拔力并不能完全反映錨桿的錨固狀態(tài)。三是錨桿飽滿度對錨固質量有較大影響，若注漿對鋼筋的包裹不好，鋼筋會很快腐蝕而失去錨固作用。因此在傳統(tǒng)抗拔力檢測符合要求后，因錨桿飽滿度不足造成崩塌的事故仍時有發(fā)生。另外，傳統(tǒng)的拉拔力檢測也無法測出錨桿的實際長度，而錨桿無損檢測技術能夠快速準確無損地檢測錨桿長度與錨桿飽滿度。

無損檢測技術近年來快速發(fā)展，柯玉軍［1］等人應用聲波透射、散射和反射理論，提出了預應力孔道灌漿密實度檢測的方法;宋克民［2］采用雙排列電阻率法實現對垂直鋪塑防滲工程施工質量進行無損檢測，測量結果表明該方法是有效的;董廷朋［3］等人利用瞬變電磁法地下隱蔽工程質量進行檢測。在錨桿無損檢測方面，國內外學者進行了大量研究并取得豐富成果。郭世明［4］等1995年至1998年在大朝山水電站采用應力波法對近千根錨桿進行了質量檢測，說明采用應力波法對錨桿質量進行檢測是可行的。李義［5-7］等人在實驗室進行了圓桶內水泥、樹脂端錨實驗和試塊內水泥錨桿模擬夾層及離層實驗，并對應力波在不同邊界約束和軸向拉伸荷載作用下錨桿中的傳播規(guī)律進行了研究。在前人的研究基礎上，采用波的時域、頻域分析及瞬態(tài)導納法相結合的方法來檢測錨桿的錨固質量，并且提出了運用有效錨固長度、幅值比、基頻、頻率比、衰減系數及基頻點的動剛度來衡量錨桿錨固質量的優(yōu)劣。我國住房和城鄉(xiāng)建設部、國家能源局均發(fā)布了相關規(guī)程，但如何準確可靠地開展該檢測仍需大量實驗去積累經驗。

1 錨桿無損檢測(應力波反射法)原理

錨桿質量無損檢測的內容為錨桿長度和錨桿飽滿度。在由錨桿、粘結劑和圍巖組成的錨固體系中，當在錨桿錨固體系中傳播的應力波波長λ＞10d(d為錨固體系直徑)且λ＜＜L(L為錨固體系長度)，可將錨固體系簡化為嵌入圍巖的一維勻質變截面桿件。錨桿飽滿度的變化表現為桿件截面面積的變化，錨桿長度表現為材質的變化。無論錨桿長度和錨桿飽滿度的改變，均表現為廣義波阻抗的變化。

當錨桿的幾何尺寸或材料性質發(fā)生變化時，其波阻抗將發(fā)生變化，其變化分界面稱為波阻抗界面，桿的缺陷部位(粘結劑缺失)及桿底端均可視為波阻抗界面。當在錨桿端頭作用一激振力時，就會在桿端產生應力波，應力波沿桿體向桿件底端傳播，遇到波阻抗界面時會產生反射和透射應力波，根據反射波的走時和錨桿中的應力波傳播速度可以計算錨桿長度(桿底反射波)和缺陷位置(桿中反射波)。

若錨桿中存在注漿不密實段，則復合桿件的截面面積及波阻抗發(fā)生變化，在波阻抗界面將產生反射應力波，桿中反射應力波的相對能量強度與錨桿飽滿度差異程度有關;一般錨桿飽滿度越差，反射波的能量越強，衰減越慢;不飽滿區(qū)段越多，則波阻抗界面越多，反射應力波越多。

2 錨桿無損檢測對比試驗

2.1 試驗流程

本次研究包含室內試驗和現場試驗，參照相關規(guī)范設計了操作流程:收集基礎資料、調試檢測儀器、模型錨桿的施工制作、無損檢測采集數據、剖管驗證(室內試驗)、檢測數據處理及對比分析。

2.2 模型錨桿設計與制作

室內模型錨桿孔采用內徑80mm的PVC管，其長度比模擬的錨桿長1m以上;現場試驗選擇具有代表性較強的深圳兩個水利工程，試驗錨桿位置選擇在能代表被檢測工程錨桿條件的部位，并且不影響主體工程施工。本次研究采用直徑20mm熱扎帶肋鋼筋，桿端加工平整，膠結材料采用水泥砂漿，設置缺陷空腔部位采用泡沫充填，缺陷模型材料在錨桿設計位置上固定，編號記錄;先插桿、后注漿、封口，完成后不得振動、敲打及錨桿按齡期養(yǎng)護;錨桿檢測按3d、7d、14d、28d不同齡期進行檢測;檢測時改變激振方式、激振力、儀器參數等，并取得全部記錄。

2.3 檢測成果

本次檢測資料分析以時域分析為主，輔以頻域分析，并結合工程地質條件、施工工藝、錨固段長度、激振方式、錨桿外露長度、水泥砂漿齡期和波形特征等多重因素進行綜合分析，發(fā)現試驗設置的與實測的缺陷位置和注漿密實度吻合程度很高，具體見表1和表2。

表1 實驗室錨桿檢測成果表

表2 工程現場錨桿檢測成果表

續(xù)表2

3 錨桿無損檢測對比分析

3.1 錨桿飽滿度分析

3.1.1 無缺陷錨桿波形分析

錨桿飽滿度無缺陷的模擬錨桿波形特征如圖(1～3)，錨桿飽滿度無缺陷的錨桿波形規(guī)則，除桿底外，沿錨桿方向波阻抗相同，沒有明顯的波阻抗界面，在桿長深度范圍內沒有反射波，只在桿底可能產生微弱的反射信號。

圖1 桿長3m飽滿度100%

圖2 桿長6m飽滿度100%

圖3 桿長9m飽滿度100%

3.1.2 有缺陷錨桿波形分析

圖4 桿長3m飽滿度84%

圖5 桿長9m飽滿度62%

圖6 桿長6m飽滿度86%

錨桿飽滿度有缺陷的模擬錨桿波形特征如圖(4～6)，錨桿飽滿度有缺陷的錨桿波形不規(guī)則，剖管驗證不規(guī)則波形缺陷主要分3種。一是圖4所示，波形局部畸變，剖管驗證發(fā)現局部凈漿不飽滿或者不密實或者輕微離析;二是圖5所示，波形某段嚴重衰減，剖管驗證該段有空漿;三是圖6所示，波形反射某段波振幅時大時小，剖管驗證該段有少量凈漿或者半漿。

桿中局部不飽滿時，在桿中存在多個波阻抗界面，每個界面均會產生正相位或負相位的反射波，在桿長范圍內有多個反射波信號;當桿口空漿而深部密實時，錨桿孔口段將形成多次反射波，入射波的特點是第一次反射波為負相位，第二次反射為正相位，交替出現。

3.2 桿體波速與桿系波速檢測與統(tǒng)計

錨桿桿體波速應通過所檢測工程錨桿同樣材質、直徑的自由桿測試取得;桿系波速應采用錨桿模擬試驗結果或類似工程錨桿的波速值。試驗表明，一維自由彈線性體的波速和有一定邊界條件的一維彈線性體的波速存在一定的差異，即錨桿桿體的聲波縱波速度與包裹一定厚度砂漿的錨桿桿系的聲波縱波速度是不一樣的，計算砂漿包裹的錨桿桿體長度時應采用桿系波速，計算自由桿桿體長度時應采用桿體波速。波速差異的因素與聲波波長、錨桿直徑、膠粘物厚度、膠粘物波速及聲波尺度效應等有關，因此錨桿桿長計算時采用的波速平均值應考慮密實度的影響。由于桿系平均波速受多方面因素的影響，尚無法準確地確定與密實度的關系，但在實際檢測工作中應考慮由此帶來的檢測桿長誤差。一般錨桿桿體的波速比桿系的波速高，錨桿桿體波速一般為5120m/s，經此次研究對錨桿桿體和桿系波速進行多次檢測與統(tǒng)計，得出經驗數據如表1和表2，室內模型錨桿桿系波速范圍3359～4506m/s，平均波速3757m/s，波動范圍約30%;現場模型錨桿桿系波速范圍3687～4374m/s之間，平均波速4018m/s，波動范圍約20%。即使能夠準確測出錨桿桿底的反射波時間，由此計算的錨桿長度的誤差也很大。

3.3 反射波性質的判定

反射波信號可能來自桿中或桿底，桿底反射信號計算錨桿長度，桿中反射信號計算缺陷位置，因此判斷反射波信號的性質非常重要。本次實驗得出以下經驗:(1)與入射波反相位(第一次反射)的反射信號，為桿中反射信號，其反射界面兩側的密實度是從不密實至密實;(2)與入射波同相位的反射信號，可能為桿底反射信號或桿中反射信號，須結合其他因素綜合判定;(3)出現多次的同相反射信號為桿底反射信號;(4)桿中同相反射界面兩側的密實度是從密實至不密實;(5)一般情況下，根據桿底反射信號計算的桿長與設計長度相近。

3.4 影響檢測結果的因素

錨桿錨固質量受諸多因素影響，如工程地質條件、施工工藝、錨固段長度、錨固介質對錨固體的握裹力、錨桿類型等，本次實驗針對桿頭平整度、錘擊方式、錨桿外露長度、水泥砂漿齡期等可能影響因素進行了分析。

3.4.1 桿頭平整度的影響

研究發(fā)現，桿頭平整度對檢測結果有較大影響，平整度越好檢測結果越準確，平整度不好將產生干擾信息，因此檢測前應對桿頭打磨。

3.4.2 錘擊方式的影響

針對不同長度錨桿應采用不同錘擊方式，錨桿長度較長應擊振速度慢，應力波頻率較低，波長較長，能量衰減慢，得出較好圖形;錨桿長度短應擊振速度快，應力波頻率較高，波長較短，可得出多次反射信號，有利于圖形分析。

3.4.3 錨桿外露長度的影響

通過對0.1m、0.2m、0.3m、0.5m等4種不同外露長度的錨桿在4種水泥砂漿齡期進行檢測表明，外露長度越長對波速指標影響越大。主要原因是錨桿無損檢測時，外露鋼筋橫向擺動產生的余振影響了初始脈沖的單一性，將掩蓋錨桿上部的缺陷信號，錨桿外露長度越長對初始波的影響越大。外露較長時，特別是直徑較小的，如果不能控制住外露鋼筋的橫向擺動，余振不能衰減，影響到桿底部后，致使桿底信號不能確定，無法得到準確的波速，對整個錨桿的定性分析可能造成誤差。

3.4.4 水泥砂漿齡期的影響

通過對29根錨桿3d、7d、14d和28d檢測表明，同一錨桿不同齡期水泥砂漿的桿系波速檢測結果差異性很小，主要原因是水泥砂漿前期強度增長很快，缺陷位置定型也很快，3d以后的砂漿強度基本上不再會較大幅度增長。

4 結語

(1)實驗發(fā)現利用反射波信號可判斷錨桿缺陷位置和錨桿飽滿度狀態(tài)。

(2)桿頭平整度、錘擊方式、錨桿外露長度對錨桿無損檢測有較大影響，而3d后水泥砂漿齡期影響較小。

(3)錨桿無損檢測前應做模擬錨桿，利用模擬試驗結果確定桿系波速，從而更好設置檢測參數。

(4)現場錨桿與圍巖情況不盡相同，測出波形呈多樣化，因此有必要加強現場模型試驗的數量，爭取建立更多的模型錨桿圖譜，以提高錨桿無損檢測的準確性。

［1］柯玉軍等.基于彈性波原理的預應力橋梁波紋管注漿密實度檢測方法的機理研究與應用［J］.水利規(guī)劃與設計，2014(02):48-50.

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［3］董廷朋，等.瞬變電磁法在地下隱蔽工程質量檢測中的應用［J］.水利技術監(jiān)督，2006(01):39-40.

［4］郭世明，等.彈性應力波法錨桿質量檢測初探［J］.西部探礦工程，1999(03):9-10.

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［7］劉海峰，等.錨桿錨固質量動測法底端反射顯現規(guī)律研究［J］.遼寧工程技術大學學報，2004(01):41-43.

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