應(yīng)力波法在黏結(jié)型錨索質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究

曾輝輝，王立偉，朱本珍，李俊鵬

(1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000;2.中國中鐵置業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100055;3.西安中交公路巖土工程有限責(zé)任公司，西安 710068)

1 黏結(jié)型錨索概況

黏結(jié)型錨索(以下稱為錨索)是公路、鐵路及水電等行業(yè)的邊坡工程、地下工程和基礎(chǔ)工程加固的重要手段。錨索施工質(zhì)量(錨索長度、自由段套管破損、錨固段注漿缺陷等)是錨索能否發(fā)揮其最大效用的重要影響因素，因此，對錨索進(jìn)行質(zhì)量檢測極為重要。但目前國內(nèi)外尚無成熟的錨索檢測方法，而目前常用的拉拔試驗(yàn)一般僅能以拉拔力一項(xiàng)指標(biāo)作為對錨索施工質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，并且拉拔試驗(yàn)是一種破壞性試驗(yàn)，在邊坡工程施工過程中不宜作為常規(guī)的質(zhì)量檢測方法。為此，本文在應(yīng)力波法原理的基礎(chǔ)上，采用中鐵西北科學(xué)研究院2005年開發(fā)的錨索質(zhì)量檢測儀對錨索的長度、自由段套管破損、錨固段注漿缺陷進(jìn)行檢測，根據(jù)錨索檢測的數(shù)據(jù)，對錨索施工質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。

應(yīng)力波法是一種快速、易操作、較為準(zhǔn)確的無損檢測方法，不對錨索結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生任何破壞作用，適宜進(jìn)行大范圍的檢測。至今已在福建、甘肅和貴州地區(qū)的邊坡工程質(zhì)量檢測中得到應(yīng)用。

2 應(yīng)力波法檢測錨索質(zhì)量的基本原理

應(yīng)力波法檢測錨索的質(zhì)量是通過在鋼絞線頂部施加一垂直瞬態(tài)擾動(dòng)力后，由聯(lián)結(jié)于鋼絞線頂部的速度或加速度傳感器接收到的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的波形。其理論基礎(chǔ)為一維波動(dòng)理論［1］如式(1)

式中 u——鋼絞線橫截面的縱向位移，m;

x——橫截面的縱向位置，m;

t—— 時(shí)間，s;

c0——應(yīng)力波在鋼絞線中的傳播波速，m/s;

3 黏結(jié)型錨索的質(zhì)量檢測方法

首先將傳感器黏貼在連接器上，必須穩(wěn)定、牢固。通過專用錘敲擊連接器，從而在錨索中產(chǎn)生前進(jìn)方向的應(yīng)力波，應(yīng)力波在遇到阻抗變化的截面后將產(chǎn)生反射波，被傳感器接收到，再將其傳輸?shù)藉^索檢測儀進(jìn)行信號的編輯及預(yù)處理，然后再通過專用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的后處理及分析，得出黏結(jié)型錨索的特征反射信號、進(jìn)一步對錨索的質(zhì)量作出評判，如圖1。

圖1 錨索質(zhì)量檢測示意

4 應(yīng)力波在黏結(jié)型錨索中傳播特征［3］

當(dāng)錨索端頭受瞬態(tài)力P作用后，引起錨索頭質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，并以應(yīng)力波的形式向錨索底傳播。當(dāng)錨索中某一截面面積或材料性質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，入射波將在該截面處發(fā)生反射和透射，其反射和透射波的大小與截面面積和波阻抗相對變化的程度有關(guān)。在錨索體系中錨索、砂漿和圍巖三者之間砂漿灌注均勻密實(shí)時(shí)，應(yīng)力波的能量大部分透射到圍巖體中，只有小部分能量反射回來，且反射信號極有規(guī)律。當(dāng)砂漿灌注不均勻、不密實(shí)時(shí)，在砂漿中出現(xiàn)空穴，空穴處將出現(xiàn)不同程度的波阻抗變化面。在這種情況下所采集的信號顯得很雜亂，表明在原有的信號中疊加了強(qiáng)度不同的反射信號，或在不應(yīng)出現(xiàn)反射波處存在反射信號。

從上面的分析可知，全長黏結(jié)型錨索可以采用彈性波中的一維桿件理論來進(jìn)行分析，簡化模型如圖2。圖中，A1，A2分別表示桿1和桿2的橫截面積，m2;m1，m2分別表示桿1和桿2的單位長度質(zhì)量，kg;E1，E2分別表示桿1和桿2的彈性模量，Pa;ρ1，ρ2分別表示桿1和桿2的質(zhì)量密度，kg/m3。

圖2 錨索模型示意

在分析應(yīng)力波在錨索自由段端面、自由段與錨固段分界面、錨固段與孔底分界面及錨索中的間斷面(如砂漿不密實(shí)、孔洞、裂隙及夾雜異物等缺陷)中的反射及透射傳播特征時(shí)，首先假設(shè)在交界面處，兩種介質(zhì)是緊密黏結(jié)的，所以就可以利用在界面的位移、速度和力的連續(xù)條件，通過這些條件可以建立入射波、反射波和透射波之間的相互關(guān)系。

1)應(yīng)力波在錨索自由段端面的傳播特征分析

自由端面的邊界條件是合力為零，即應(yīng)力波到達(dá)自由段端面時(shí)產(chǎn)生一個(gè)符號相反、大小相等的反射波，在桿端截面疊加后，使桿端合力為零，而桿端截面處質(zhì)點(diǎn)速度增加一倍。

實(shí)測的錨索自由段端面首波一般為正向波型，極少數(shù)為負(fù)向波形，且波幅值的絕對值最大。

2)應(yīng)力波在錨索錨固段底端面的傳播特征分析

錨固段底端面的邊界條件是速度為零，即應(yīng)力波到達(dá)錨固段底端面時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)與入射波相同的反射波，由于波的疊加作用，使在底端面處的應(yīng)力增加一倍，合速度為零。

實(shí)測的錨索錨固段底端面反射波相位一般與首波相位同向、極少數(shù)與首波相位異向，主要取決于錨固段底部圍巖與錨固段介質(zhì)波阻抗的大小。

3)應(yīng)力波在自由段和錨固段界面處的反射與透射

在桿件截面發(fā)生突變時(shí)，見圖2，聲阻抗由 z1=，根據(jù)變截面處的平衡條件、連續(xù)條件及F=zv，經(jīng)推導(dǎo)可得反射系數(shù) R［2］如下

式中 A1E1和A2E2——各桿件截面的抗拉剛度，N;

v—— 桿件中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度，m/s;

F—— 應(yīng)力波產(chǎn)生的力，N。

由于錨固段介質(zhì)的波阻抗z2大于自由段介質(zhì)波阻抗z1，再根據(jù)反射波與入射波的相位關(guān)系，可知應(yīng)力波在錨索自由段與錨固段分界面的相位與首波相位相反。

5 應(yīng)用實(shí)例

本文以黃土邊坡錨固工程中的錨索質(zhì)量檢測為例，說明采用應(yīng)力波法進(jìn)行錨索質(zhì)量檢測的可行性與有效性。

5.1 錨索質(zhì)量檢測

該邊坡位于蘭州東出口，為厚層黃土邊坡，共分為4級。一級坡為片石擋墻、四級坡為錨桿框架;二、三級坡設(shè)有黏結(jié)型錨索，二級坡錨索設(shè)計(jì)長度17.5 m，自由段長11.5 m、錨固段長6 m;三級坡錨索設(shè)計(jì)長度19.5 m，自由段長13.5 m、錨固段長6 m;該邊坡錨固工程為典型錨索質(zhì)量檢測波形，見圖3。圖3中，(a)實(shí)測錨索自由段長11.78 m、錨固段6.15 m，完整錨索;(b)實(shí)測錨索自由段長13.69 m、錨固段6.21 m，完整錨索;(c)錨索自由段長11.39 m、錨固段6.08 m，波紋管破損的錨索;(d)錨索自由段長13.79 m、錨固段6.32 m，帶有注漿缺陷的錨索。

圖3 邊坡錨固工程典型錨索質(zhì)量檢測波形

5.2 檢測結(jié)果分析

1)通過對錨索長度的檢測并與錨索的設(shè)計(jì)長度進(jìn)行對比，二級坡錨索實(shí)測總長最大值為17.93 m、最小值為17.47 m，最大誤差為2.5%;三級坡錨索實(shí)測總長最大值為20.11 m、最小值為19.90 m，最大誤差為3.1%。說明采用應(yīng)力波法檢測黏結(jié)型錨索長度的準(zhǔn)確性是比較高的。

2)通過圖3可以看出，黏結(jié)型錨索自由段與錨固段分界面的反射波相位與應(yīng)力波首波相位相反;錨固段底部反射波相位與首波相位相同;自由段波紋管破損缺陷的應(yīng)力波相位與首波相位相反;自由段與錨固段注漿缺陷的相位均與首波相位相同。這些特征均符合第4節(jié)中應(yīng)力波在黏結(jié)型錨索中的傳播特征。

6 結(jié)語

本文將應(yīng)力波法應(yīng)用于黏結(jié)型錨索的質(zhì)量檢測，并通過對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)給予驗(yàn)證。

1)將應(yīng)力波法應(yīng)用于黏結(jié)型錨索的質(zhì)量(長度、缺陷)檢測是可行和有效的。

2)應(yīng)力波在黏結(jié)型錨索自由段與錨固段分界面的反射波相位與應(yīng)力波首波相位相反;錨固段底部反射波相位與首波相位相同;自由段波紋管破損缺陷的應(yīng)力波相位與首波相位相反;自由段與錨固段注漿缺陷的相位均與首波相位相同。

3)采用應(yīng)力波法檢測黏結(jié)型錨索質(zhì)量的方法，仍需進(jìn)一步修改和完善。

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