錨桿錨固質(zhì)量的高頻導(dǎo)波檢測(cè)方法

李 鵬，張昌鎖

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024)

隨著錨固理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，錨桿在地下工程、邊坡工程及隧道工程的支護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅煤礦每年采用的錨桿支護(hù)巷道長度近1×105km.由于錨桿的使用環(huán)境非常惡劣，在其服務(wù)期限內(nèi)經(jīng)常受到地下水、地應(yīng)力等影響，容易產(chǎn)生錨桿斷裂與錨固失效等問題。

鑒于錨桿支護(hù)檢測(cè)的重要性，許多學(xué)者進(jìn)行了無損檢測(cè)錨桿錨固質(zhì)量的研究。最早的檢測(cè)產(chǎn)品是瑞典Geodynamik公司研制開發(fā)的Boltometer儀器[1]。 其基本原理是：從錨桿外露端頭輸入一個(gè)P波和S波，然后用同一個(gè)傳感器接收從錨桿另一端頭反射回來的波；根據(jù)反射波形的幅值大小確定錨桿的錨固質(zhì)量。但由于P波和S波在錨固體系中的衰減較大，錨桿測(cè)試深度不宜偏大。倫敦帝國大學(xué)BEARD et al[2-3]利用超聲導(dǎo)波進(jìn)行了錨桿錨固質(zhì)量的檢測(cè)。

我國從20世紀(jì)90年代中期開始進(jìn)行錨桿錨固質(zhì)量的無損檢測(cè)，并且依據(jù)基本相似的一維波動(dòng)理論研究了錨桿無損檢測(cè)方法，并開發(fā)出許多檢測(cè)儀器[4-6]。但這些儀器存在的一個(gè)共同的、也是最大的問題是測(cè)試深度太淺，對(duì)于錨固質(zhì)量好的砂漿錨桿，測(cè)試深度不大于1 m；另一個(gè)問題是無法準(zhǔn)確確定錨桿長度。這些測(cè)試儀器使用的激發(fā)波頻率一般為5～25 kHz，而該頻率范圍內(nèi)的波速隨錨固質(zhì)量的變化非常大，錨固質(zhì)量很好時(shí)波速僅為自由錨桿中波速的一半[7-8]，因此無法通過一種測(cè)量方法同時(shí)確定錨桿長度與錨固質(zhì)量?jī)蓚€(gè)參數(shù)。長度不準(zhǔn)確導(dǎo)致對(duì)灌漿密實(shí)度的評(píng)價(jià)也不可能準(zhǔn)確，因而無法定量確定錨桿錨固質(zhì)量。

作者所在課題組對(duì)頻率在20～3 000 kHz范圍內(nèi)的縱向?qū)РㄟM(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)使用的直徑在16～30 mm范圍內(nèi)的錨桿，當(dāng)頻率在1 500 kHz以上時(shí)，導(dǎo)波在錨固錨桿中的傳播速度不隨錨固質(zhì)量的改變而改變，因此該頻率范圍內(nèi)的波適合進(jìn)行錨桿完整性的檢測(cè)。吳斌等[9]、何存富等[10]的研究也證實(shí)該頻率范圍的縱向?qū)Р捎脕頇z測(cè)錨桿長度。文獻(xiàn)[11-12]開展了利用高頻超聲導(dǎo)波檢測(cè)錨桿的研究，但并未利用高頻導(dǎo)波來定量檢測(cè)錨桿錨固質(zhì)量。此外，文獻(xiàn)[13-14]也開展了超聲波檢測(cè)錨桿錨固質(zhì)量的研究。

鑒于現(xiàn)場(chǎng)使用的錨固錨桿僅有一個(gè)外露端頭可用于測(cè)試，本研究建立了適合現(xiàn)場(chǎng)使用的單傳感器測(cè)試系統(tǒng)，激發(fā)波與接收波僅通過一個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室制作了不同錨固類型的錨固錨桿模型以模擬錨桿錨固質(zhì)量的改變，并利用所建立的測(cè)試系統(tǒng)研究高頻導(dǎo)波在不同試件中的衰減特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 錨桿錨固質(zhì)量測(cè)試原理

將超聲卡產(chǎn)生的一定頻率范圍內(nèi)的激勵(lì)信號(hào)輸入到具有一定頻帶寬度和固定中心頻率的超聲傳感器。安裝在錨桿端頭的傳感器將產(chǎn)生的振動(dòng)波形在錨固錨桿結(jié)構(gòu)中傳播，同時(shí)該傳感器可以接收由錨固結(jié)構(gòu)中傳出的振動(dòng)波形。當(dāng)激發(fā)波形與錨固結(jié)構(gòu)作用并從錨桿底端反射后，用同一個(gè)傳感器接收，即可獲得完整的測(cè)試波形。采用超聲卡采集這些波動(dòng)信息，同時(shí)將其采集的信號(hào)輸入到處理軟件中進(jìn)行處理，從而獲得錨桿錨固特征。由于錨桿錨固質(zhì)量及錨桿長度對(duì)波的傳播及衰減特征具有控制作用，因此可以利用導(dǎo)波在錨桿中的衰減特征量化錨桿錨固質(zhì)量。

1.2 測(cè)試裝置

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。測(cè)試設(shè)備由具有單通道發(fā)射接收功能的超聲卡、超聲卡控制與數(shù)據(jù)采集處理軟件、超聲探頭和工控機(jī)組成。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是激發(fā)電壓高(300 V)，激發(fā)信號(hào)頻帶寬(25～12 000 kHz)，適合采用多種頻率傳感器進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)單傳感器也符合現(xiàn)場(chǎng)錨桿測(cè)試的基本要求。其缺點(diǎn)是只能夠激發(fā)出一種矩形窗方波信號(hào)，且輸出信號(hào)在周期數(shù)較少時(shí)有一定的畸變，因此在傳感器中產(chǎn)生的波頻率范圍較廣，給信號(hào)處理帶來一定困難。

圖1 可控電激振單傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of testing system using controllable single tranducer

1.3 試件制備

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所使用的不同類型錨固錨桿的物理模型，在實(shí)驗(yàn)室制作了如圖2所示的錨桿。混凝土砂漿直徑為20 cm，水灰比為0.45，澆注混凝土砂漿試件時(shí)外部采用PVC管作為模具。1號(hào)試件為部分錨固錨桿，錨固段長度為70 cm，自由段長度為80 cm； 2號(hào)試件錨固段長度與4號(hào)試件均為100 cm，但2號(hào)試件中部有30 cm長充填干沙以模擬未錨固狀態(tài)；3號(hào)試件為長度70 cm的全長錨固錨桿；5號(hào)試件為自由錨桿，長度為68 cm.

圖2 試件示意圖Fig.2 Sketch map of samples

1.4 錨桿的測(cè)試波形

不同模態(tài)的導(dǎo)波均可以在錨固結(jié)構(gòu)中傳播，但不同模態(tài)的導(dǎo)波傳播的速度不同，衰減規(guī)律也不同；多模態(tài)同時(shí)存在時(shí)無法解釋測(cè)試結(jié)果。因此，采用導(dǎo)波檢測(cè)時(shí)必須尋找與錨固結(jié)構(gòu)相匹配的最優(yōu)導(dǎo)波。最優(yōu)導(dǎo)波在錨固結(jié)構(gòu)中傳播的距離最遠(yuǎn)，測(cè)試深度最大；此時(shí)其他模態(tài)的導(dǎo)波由于衰減太大在測(cè)試波形中消失。

對(duì)不同頻率的激發(fā)波進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，中心頻率為2 250 kHz時(shí)錨固結(jié)構(gòu)中的衰減最小，這說明該頻率能夠檢測(cè)的錨桿長度最長。因此，測(cè)試中采用的所有激發(fā)波均為中心頻率2 250 kHz的方波。圖3為典型的測(cè)試波形時(shí)程曲線。從圖中可以看到：初始的波為入射波；其后有兩次等時(shí)間間隔的波包，可以確定為兩次底端反射。增大儀器的增益后能夠看到更多次反射，例如，80 dB的增益下可以得到5個(gè)底端反射，如圖4所示。根據(jù)3號(hào)試件的錨固長度(70 cm)可以計(jì)算出最大測(cè)試深度應(yīng)為3.5 m.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)波動(dòng)方程的包絡(luò)線函數(shù)，可將導(dǎo)波在錨桿中傳播時(shí)反射回波包絡(luò)線的幅值表示為：

A=A0e-βx.

(1)

式中：A0為初始激發(fā)波經(jīng)傳感器后該模態(tài)的振幅；A為傳播距離為x后的振幅；β為衰減系數(shù)。

如果在測(cè)試同一根錨固錨桿時(shí)接收信號(hào)中有兩個(gè)反射波包(圖3)，則二次接收波波包傳播的距離是首波接收波波包的2倍。用A1表示首波波包的最大幅度，A2表示二次接收波包的最大幅度，則

A1=A0e-βx,

(2)

A2=A0e-β(2x).

(3)

對(duì)于長度為L的錨桿，第一次反射傳播的距離為x=2L，第二次反射傳播的距離為x=4L，則

R=A2/A1=e2Lβ-4Lβ=e-2Lβ.

(4)

式中，R為波幅比。由式(1)、(4)可知，錨桿的錨固質(zhì)量與β或R有定量關(guān)系。對(duì)于確定的錨桿長度，β或R都可以定量衡量錨桿錨固質(zhì)量；但對(duì)于不同長度的錨固錨桿，可以用衰減系數(shù)β來定量判定錨固質(zhì)量。根據(jù)不同試件的測(cè)試波形可以定量確定波幅比，匯總結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同試件的波幅比RFig.5 Amplitude ratio R of different samples

實(shí)際測(cè)試中，不同錨固質(zhì)量及不同長度錨桿測(cè)試波的衰減程度是不同的；衰減大的波形需要放大增益才能獲得完整的波形。因此，測(cè)試得到的波形是在不同增益下獲得的。圖5顯示：增益對(duì)波幅比的影響比較小，錨固質(zhì)量對(duì)波幅比的影響比較大；不同增益下的測(cè)試結(jié)果具有可比性。

從圖5可以看出：在不同的增益下，同一試件的R值基本不變；錨固質(zhì)量越好，波幅比R越小。對(duì)于同一批試件，混凝土砂漿的澆注質(zhì)量基本相同。如果全長錨固錨桿的長度為100 cm，則4號(hào)試件錨桿長度為100 cm且無缺錨段，因此錨固質(zhì)量最好；2號(hào)試件錨桿長度為100 cm，但有30 cm長度范圍為缺錨，錨固質(zhì)量次之；3號(hào)試件錨桿長度比設(shè)計(jì)長度短30 cm，錨固質(zhì)量最差。分別把3號(hào)試件R的平均值(0.104)與錨桿長度(70 cm)以及4號(hào)試件R的平均值(0.039)和錨桿長度(100 cm)代入(4)式，即可得到相應(yīng)的β值分別為1.619，1.622.由于3號(hào)和4號(hào)試件為同一配比混凝土砂漿，因此密實(shí)度相差不大；兩個(gè)試件的β值基本相同，說明其單位錨固質(zhì)量基本相同。

3 衰減系數(shù)的疊加規(guī)律

一般來說，測(cè)試儀器得到的波的衰減由多部分組成。有些部分與頻率相關(guān)，有些部分與長度相關(guān)，有些部分由測(cè)試系統(tǒng)造成。總體衰減是其他各部分衰減的廣義和。1號(hào)試件是一個(gè)端錨錨桿,該試件的衰減可以通過疊加5號(hào)自由錨桿及3號(hào)全長錨固錨桿的衰減得到。通過測(cè)試得出，5號(hào)自由錨桿的衰減系數(shù)β0為1.25，3號(hào)全長錨固錨桿的衰減系數(shù)β1為1.62. 1號(hào)試件錨固段長l1=70 cm，自由段長l0=80 cm.代入下式中可以求出整體端錨錨桿的衰減系數(shù)β：

β=(2l0β0+2l1β1)/(2(l0+l1))=1.422 .

(5)

實(shí)測(cè)得到的1號(hào)試件的衰減系數(shù)為1.438.雖然測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果有一定的誤差，但比較接近。這一誤差主要是由于測(cè)試儀器及耦合帶來的系統(tǒng)誤差，消除這些誤差后可以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。實(shí)際測(cè)試中得到的波幅比如下式：

Rm=RR1.

(6)

式中：Rm為儀器測(cè)試得到的波幅比；R為由于波在錨桿及錨固介質(zhì)的衰減得到的波幅比(與錨固質(zhì)量相關(guān))；R1為由于測(cè)試儀器及耦合條件造成的衰減(與錨固質(zhì)量無關(guān))。如果能夠確定由測(cè)試系統(tǒng)造成的信號(hào)衰減R1，則可以通過測(cè)試結(jié)果Rm確定只與錨固質(zhì)量相關(guān)的R，并由此確定錨固結(jié)構(gòu)的實(shí)際衰減系數(shù)β.如果能確定整體衰減系數(shù)和各部分衰減系數(shù)的加權(quán)關(guān)系，則通過已知的錨固結(jié)構(gòu)尺寸，可以定量確定錨固部分的衰減系數(shù)β.利用單位長度的錨固質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，有利于建立同一錨固質(zhì)量的評(píng)價(jià)體系。

由以上研究結(jié)果可以推知，整體錨桿的衰減系數(shù)等于各部分錨桿衰減系數(shù)的代數(shù)和，即

(7)

式中:βi為第i部分錨桿及錨固介質(zhì)的衰減系數(shù)；li為第i部分的長度，L為錨桿總長度。

4 結(jié)論

1) 高頻導(dǎo)波可以用來測(cè)量錨桿錨固質(zhì)量。對(duì)于錨固質(zhì)量最好的砂漿錨桿，測(cè)試深度應(yīng)不大于3.5 m.

2) 由兩次反射的波幅比R及衰減系數(shù)β可以定量確定錨桿錨固質(zhì)量。波幅比R可以定量確定相同長度錨桿的錨固質(zhì)量，衰減系數(shù)β可以用來定量確定不同長度錨桿的錨固質(zhì)量。