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摘要:本文对隧道的锚杆锚固质量进行了无损检测试验研究, 并对检测技术进行了探讨。结果表明, 作为一种工程质量管理辅助手段, 采用应力波对锚杆锚固质量进行无损检测, 丰富了隧道围岩锚固质量检测方法, 为隧道工程建设提供更好的质量保障。
关键词: 锚杆; 无损检测; 声频应力波
中图分类号： U45 文献标识码： A
1检测基本原理
1.1工作原理
在隧道内锚杆、混凝土砂浆和围岩组成的系统中, 密实状态下的锚固剂凝固后, 密实度与锚杆杆体的密实度十分相近, 在锚杆孔中, 其与锚杆杆体紧密握裹, 可近似为一个组合杆体。而锚杆与锚固剂的强度明显大于隧道围岩, 故完全锚固时可把其组合体近似看作是嵌入围岩的一维杆状体, 但实际上有时不能完全锚固, 形成砂浆不连续, 此时锚杆的抗拔力下降, 这是需要检测的内容。
由锚杆端部發射的声频应力波经杆体向锚杆内传播, 当遇到存在波阻抗差异的界面(如空洞、锚杆与砂浆等界面) , 将发生反射、透射或散射。在实际工程中透射波不易测得, 但反射波可在其传至锚杆顶端时, 通过固定在锚杆顶部的传感器(加速度型或速度型) 测得, 由于反射波携带锚固系统内的信息, 将其放大、滤波和数据处理, 识别来自不同部位的反射信息。根据这些反射信息, 结合其他工程资料, 可判断锚固系统不同部位的锚固质量。超声波锚固系统无损检测原理见图1。
图1锚固系统无损检测原理示意
1.2分析原理
应力波法是基于一维杆件的波动理论。根据波在锚杆中传播的一维波动方程及波在上、下界面处质点位移的连续条件和力的平衡条件, 得出
式中, T 为透射系数; R 为反射系数;P1、c1、A1 分别为锚杆与锚固剂组合杆体的密度、波速、横截面; 波阻抗Z1 = P1 c1A1; P2、c2、A2 分别为锚杆杆体的密度、波速、横截面; 波阻抗Z2 = P2c2A2。
可以看出, 在杆中截面面积或材料性质发生变化时, 入射波将在该截面上发生反射和透射。其反射波和透射波幅值的大小与截面面积和波阻抗相对变化的程度有关。当锚杆、砂浆和围岩浇灌均匀密实时, 由于三者之间的波阻抗差异不大, 因此有大部分能量透射出去, 只有小部分能量反射回来。当砂浆浇灌不均匀、不密实时, 则在砂浆中出现空隙, 在空隙处呈现出强的波阻抗差异, 反射波能量大大增强。通过分析反射波与入射波之间的能量关系, 可以判断出锚杆、锚固系统的密实程度。同时, 当应力波遇到锚固缺陷时, 原有的振动发生变化, 表现为在缺陷处产生了相位突变, 因此可以通过分析反射波的相位变化位置判断出锚固缺陷的位置。从式( 2)可以看出: 当锚固系统沿锚杆轴向某处波阻抗Z 减小, 即P1 c1A1 > P2c2A2, 则R > 0, 此时反射波相位与入射波相位相同; 当锚固系统沿锚杆轴向某处波阻抗Z 增大, 即P1 c1A1 < P2 c2A2, 则R < 0, 此时反射波相位与入射波相位相反。
从实测的时域曲线中可以算出锚杆长度或缺陷位置
L = C t /2, ( 3)
式中, C 为纵波在锚杆体系中的平均波速; t为从激振开始到反射波至锚杆顶所需时间。
2工程实例分析
2.1检测仪器
针对隧道锚杆检测工作环境, 采用的仪器为武汉岩海的RS-ST01C 型非金属声波检测仪; 震源和接收换能器采用岳阳奥成科技公司的HX-GMMS45C型超磁致声波发射震源及配套的PZT-45C 接收换能器, 该震源性能稳定、重复性好、余震小、发射能量大, 且与武汉岩海RS-ST01C 型数字声波仪兼容性较好。
2.2不同质量锚固系统测试波形分析
在该段隧道, Ⅲ、Ⅳ类围岩居多。因受多期地质构造影响, 岩层大多倒转, 产状变化大, 褶皱、区域性大断裂及节理裂隙发育, 断裂带内糜棱岩化、片岩化强烈。硅质板岩中夹多层炭质板岩软弱层, 挤压破碎带岩石风化呈砂土状。
2.2.1自由状态的锚杆
在现场根据已知长度锚杆的测试结果, 反算出波速, 根据多次测试, 自由锚杆中波速值约为5 200m / s。对一根锚杆在未知长度情况下进行测试, 所测波形如图2, 可看出波形衰减程度很小, 多次锚杆底端反射十分明显。测试长度为3. 90m, 和锚杆实际长度3. 87 m相差甚小, 这证明了该方法测试锚杆长度的可靠性。
图2锚杆的时域波形
2.2.2锚固质量优的锚杆
测试时根据施工所用材质不同, 要重新进行波速测定, 在该隧道锚杆中测得的波速约为5 100 m /s。图3是某隧道左墙离地4m 高处锚杆所测波形,设计是2. 5 m, 测得2. 58 m。从图中可以看出波速在锚固质量优的锚固系统中衰减较快, 且锚杆底端反射微弱, 波形最后回归基线, 说明注浆效果较好。经现场拉拔试验验证, 实际长度是2. 53 m, 抗拔力为40MPa, 证明该锚固系统质量为优。
图3锚固质量优的锚杆的时域波形
2.2.3锚固质量中等的锚杆
图4 是某隧道右墙离地3m 高处锚杆所测波形, 设计是2m, 测得1. 95m。从图中可以看出波在锚固质量优的锚固系统中衰减慢, 且锚杆底端反射明显, 波形最后趋近基线, 说明注浆效果一般, 在离锚杆外端0. 65m和1. 05m 处可见到反射子波的叠加, 可见该两处锚固效果不是很好。经现场拉拔试验验证, 抗拔力约为30MPa, 实际长度是1. 97m, 经综合判定该锚固系统质量为中等。
图4锚固质量中等的锚杆的时域波形
2.2.4锚固质量差的锚杆
图5是某隧道右墙3. 5 m 高处锚杆所测波形,设计是2. 5m, 测得2. 45m。可以看出, 波在锚固质量差的锚固系统中衰减较慢, 锚杆底端反射很明显,波形变化规律和自由锚杆相似。经拉拔试验验证,抗拔力仅为10MPa, 实际长度是2. 47 m, 测量误差为0. 02m, 综合判定该系统锚固质量较差。
图5锚固质量差的锚杆的时域波形
3结语
经现场拉拔试验验证, 本次检测解释结果与实际情况基本吻合, 达到了预期的效果, 表明该方法检测锚固系统质量具有一定的应用价值。
参考文献:
[ 1]徐攸在.桩的动测新技术(第二版) [M ] .北京:中国建筑工业出版社.
[ 2]夏代林,吕绍林,肖柏勋.基于小波时频分析的锚固缺陷诊断方法[ J] .物探与化探.
关键词: 锚杆; 无损检测; 声频应力波
中图分类号： U45 文献标识码： A
1检测基本原理
1.1工作原理
在隧道内锚杆、混凝土砂浆和围岩组成的系统中, 密实状态下的锚固剂凝固后, 密实度与锚杆杆体的密实度十分相近, 在锚杆孔中, 其与锚杆杆体紧密握裹, 可近似为一个组合杆体。而锚杆与锚固剂的强度明显大于隧道围岩, 故完全锚固时可把其组合体近似看作是嵌入围岩的一维杆状体, 但实际上有时不能完全锚固, 形成砂浆不连续, 此时锚杆的抗拔力下降, 这是需要检测的内容。
由锚杆端部發射的声频应力波经杆体向锚杆内传播, 当遇到存在波阻抗差异的界面(如空洞、锚杆与砂浆等界面) , 将发生反射、透射或散射。在实际工程中透射波不易测得, 但反射波可在其传至锚杆顶端时, 通过固定在锚杆顶部的传感器(加速度型或速度型) 测得, 由于反射波携带锚固系统内的信息, 将其放大、滤波和数据处理, 识别来自不同部位的反射信息。根据这些反射信息, 结合其他工程资料, 可判断锚固系统不同部位的锚固质量。超声波锚固系统无损检测原理见图1。
图1锚固系统无损检测原理示意
1.2分析原理
应力波法是基于一维杆件的波动理论。根据波在锚杆中传播的一维波动方程及波在上、下界面处质点位移的连续条件和力的平衡条件, 得出
式中, T 为透射系数; R 为反射系数;P1、c1、A1 分别为锚杆与锚固剂组合杆体的密度、波速、横截面; 波阻抗Z1 = P1 c1A1; P2、c2、A2 分别为锚杆杆体的密度、波速、横截面; 波阻抗Z2 = P2c2A2。
可以看出, 在杆中截面面积或材料性质发生变化时, 入射波将在该截面上发生反射和透射。其反射波和透射波幅值的大小与截面面积和波阻抗相对变化的程度有关。当锚杆、砂浆和围岩浇灌均匀密实时, 由于三者之间的波阻抗差异不大, 因此有大部分能量透射出去, 只有小部分能量反射回来。当砂浆浇灌不均匀、不密实时, 则在砂浆中出现空隙, 在空隙处呈现出强的波阻抗差异, 反射波能量大大增强。通过分析反射波与入射波之间的能量关系, 可以判断出锚杆、锚固系统的密实程度。同时, 当应力波遇到锚固缺陷时, 原有的振动发生变化, 表现为在缺陷处产生了相位突变, 因此可以通过分析反射波的相位变化位置判断出锚固缺陷的位置。从式( 2)可以看出: 当锚固系统沿锚杆轴向某处波阻抗Z 减小, 即P1 c1A1 > P2c2A2, 则R > 0, 此时反射波相位与入射波相位相同; 当锚固系统沿锚杆轴向某处波阻抗Z 增大, 即P1 c1A1 < P2 c2A2, 则R < 0, 此时反射波相位与入射波相位相反。
从实测的时域曲线中可以算出锚杆长度或缺陷位置
L = C t /2, ( 3)
式中, C 为纵波在锚杆体系中的平均波速; t为从激振开始到反射波至锚杆顶所需时间。
2工程实例分析
2.1检测仪器
针对隧道锚杆检测工作环境, 采用的仪器为武汉岩海的RS-ST01C 型非金属声波检测仪; 震源和接收换能器采用岳阳奥成科技公司的HX-GMMS45C型超磁致声波发射震源及配套的PZT-45C 接收换能器, 该震源性能稳定、重复性好、余震小、发射能量大, 且与武汉岩海RS-ST01C 型数字声波仪兼容性较好。
2.2不同质量锚固系统测试波形分析
在该段隧道, Ⅲ、Ⅳ类围岩居多。因受多期地质构造影响, 岩层大多倒转, 产状变化大, 褶皱、区域性大断裂及节理裂隙发育, 断裂带内糜棱岩化、片岩化强烈。硅质板岩中夹多层炭质板岩软弱层, 挤压破碎带岩石风化呈砂土状。
2.2.1自由状态的锚杆
在现场根据已知长度锚杆的测试结果, 反算出波速, 根据多次测试, 自由锚杆中波速值约为5 200m / s。对一根锚杆在未知长度情况下进行测试, 所测波形如图2, 可看出波形衰减程度很小, 多次锚杆底端反射十分明显。测试长度为3. 90m, 和锚杆实际长度3. 87 m相差甚小, 这证明了该方法测试锚杆长度的可靠性。
图2锚杆的时域波形
2.2.2锚固质量优的锚杆
测试时根据施工所用材质不同, 要重新进行波速测定, 在该隧道锚杆中测得的波速约为5 100 m /s。图3是某隧道左墙离地4m 高处锚杆所测波形,设计是2. 5 m, 测得2. 58 m。从图中可以看出波速在锚固质量优的锚固系统中衰减较快, 且锚杆底端反射微弱, 波形最后回归基线, 说明注浆效果较好。经现场拉拔试验验证, 实际长度是2. 53 m, 抗拔力为40MPa, 证明该锚固系统质量为优。
图3锚固质量优的锚杆的时域波形
2.2.3锚固质量中等的锚杆
图4 是某隧道右墙离地3m 高处锚杆所测波形, 设计是2m, 测得1. 95m。从图中可以看出波在锚固质量优的锚固系统中衰减慢, 且锚杆底端反射明显, 波形最后趋近基线, 说明注浆效果一般, 在离锚杆外端0. 65m和1. 05m 处可见到反射子波的叠加, 可见该两处锚固效果不是很好。经现场拉拔试验验证, 抗拔力约为30MPa, 实际长度是1. 97m, 经综合判定该锚固系统质量为中等。
图4锚固质量中等的锚杆的时域波形
2.2.4锚固质量差的锚杆
图5是某隧道右墙3. 5 m 高处锚杆所测波形,设计是2. 5m, 测得2. 45m。可以看出, 波在锚固质量差的锚固系统中衰减较慢, 锚杆底端反射很明显,波形变化规律和自由锚杆相似。经拉拔试验验证,抗拔力仅为10MPa, 实际长度是2. 47 m, 测量误差为0. 02m, 综合判定该系统锚固质量较差。
图5锚固质量差的锚杆的时域波形
3结语
经现场拉拔试验验证, 本次检测解释结果与实际情况基本吻合, 达到了预期的效果, 表明该方法检测锚固系统质量具有一定的应用价值。
参考文献:
[ 1]徐攸在.桩的动测新技术(第二版) [M ] .北京:中国建筑工业出版社.
[ 2]夏代林,吕绍林,肖柏勋.基于小波时频分析的锚固缺陷诊断方法[ J] .物探与化探.