錨桿聲波反射法質(zhì)量檢測的模擬試驗研究

秦 強，尹健民，吳從清，肖國強

（1.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2.湖南省水利水電勘測設計研究總院水科中心，長沙 410076）

錨桿聲波反射法質(zhì)量檢測的模擬試驗研究

秦 強1，2，尹健民1，吳從清1，肖國強1

（1.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2.湖南省水利水電勘測設計研究總院水科中心，長沙 410076）

為了研究錨桿錨固質(zhì)量聲波反射法檢測時錨固體中的聲波傳播規(guī)律，進行了不同長度完整錨桿與缺陷錨桿的模型試驗。對于完整錨桿，隨著錨桿長度的增加，響應波形規(guī)則性越好，底端反射波幅值逐漸減小，反射波的能量衰減隨之增大。對于有缺陷的錨桿，在缺陷位置處的波形出現(xiàn)畸變，波形變得不規(guī)則，呈緩慢衰減或間歇增強后衰減形態(tài)，當錨桿長度不同或缺陷位置不同時，測試曲線表現(xiàn)出不同的波形特征。錨固體固結(jié)波速隨錨桿長度增加而減小，缺陷增大而增大，但是變化幅度較小，一般在4 200～4 400 m／s范圍內(nèi)。

錨桿模型；錨固缺陷；聲波反射法；質(zhì)量檢測

1 概 述

錨桿加固技術是地下工程及邊坡工程施工中的一個重要支護手段。錨桿作為隱蔽工程，施工中往往存在偏離設計要求的質(zhì)量缺陷，其質(zhì)量檢測工作非常必要［1，2］。由于受到施工技術、復雜地質(zhì)條件、材料質(zhì)量等諸多因素的影響，錨桿錨固質(zhì)量檢測問題一直未能得到很好地解決，檢測方法仍處在發(fā)展之中。傳統(tǒng)拉拔試驗可以測量和判斷錨桿錨固力是否達到設計要求，卻不能檢測錨桿長度和評價錨固質(zhì)量狀態(tài)。聲波反射法通過分析錨固體中聲波的傳播特征，獲得有效錨固長度、注漿飽和度等參數(shù)，對錨桿錨固質(zhì)量進行評價。因聲波反射法能夠快速檢測錨固質(zhì)量，逐漸獲得廣泛使用，最近已被推薦為規(guī)范方法［3］。規(guī)范要求通過錨桿模型實驗，正確把握錨桿錨固體系中的聲波傳播規(guī)律，才能保證該方法進行錨桿質(zhì)量檢測評價的有效性。

本文通過某工程的錨桿模型試驗分析，對錨桿錨固質(zhì)量聲波反射法檢測中的動力響應問題進行了研究，獲得了聲波在錨固體系中的傳播特征。

2 錨桿模型制作與檢測方法

2.1 錨桿模型制作

錨桿試驗模型中，采用全長粘結(jié)型錨桿，錨固劑和圍巖均采用砂漿模擬。錨桿模型按照《水電水利工程錨桿無損檢測規(guī)程》的相關規(guī)定制作。具體方法為：在長度均為9 m、直徑為90 mm的PVC管中注入M30砂漿，在砂漿未凝固前，插入直徑為32 mm的錨桿，預留0.2 m長的鋼筋外露端。為了便于判斷，在錨固砂漿中設置缺陷，缺陷設計為空漿。為了在檢測過程中能獲得清晰的底端反射，采用波阻抗較小的砂漿來模擬巖石。模型幾何尺寸如圖1所示，各個模型、錨桿的設計參數(shù)見表1。

圖1 錨桿模型示意圖Fig.1 Anchor boltmodel

2.2 檢測方法

聲波反射法檢測錨固質(zhì)量的基本方法是通過手錘或特定的激振器在錨桿頂部施加瞬態(tài)激振荷載，在桿體質(zhì)點中產(chǎn)生壓縮應力波，應力波沿錨桿軸向傳播，當遇到錨桿本身或錨固介質(zhì)及圍巖發(fā)生斷裂、離析、擴張、裂隙、緊固等波阻抗發(fā)生明顯變化的界面時就會產(chǎn)生反射波，經(jīng)置于錨桿頂部附近傳感器的接收和處理，可識別來自不同部位的反射信息，通過對反射信號、頻率、幅值、固結(jié)波速等參數(shù)分析，對錨固系統(tǒng)的錨固質(zhì)量進行評價［4］。

檢測內(nèi)容分錨固長度和錨固質(zhì)量2個方面。根據(jù)聲波在錨固體中傳播的波形特征，對錨桿頂部接收到的響應曲線進行分析，按照式（1）和（2）計算出錨桿長度及缺陷位置，判斷錨固質(zhì)量［5－7］。

表1 模型錨桿設計參數(shù)Table1 Parameters of the anchor boltmodel

式中：L為錨桿長度或阻抗改變界面距錨桿頂端的距離；Vc為錨固體系中的固結(jié)波速；t為錨固體頂端入射波與界面反射波的時間差；C1，C2分別為錨固介質(zhì)和錨桿在錨固狀態(tài)下的折算剛度，與兩者的粘結(jié)強度有關；ρ1，ρ2分別為錨桿桿體與錨固介質(zhì)的密度；A1，A2分別為控制體積內(nèi)錨桿桿體和錨固介質(zhì)的截面積。

根據(jù)一維波動理論，波的能量衰減形式有3種，即擴散衰減、散射衰減和吸收衰減。波動方程可表示為

式中A0e－αx是式（3）波幅波動方程的包絡線函數(shù)，由式A0e－αx可將波的的衰減系數(shù)表示為

式中：A0為初始波振幅；A為傳播距離為x的反射振幅。令A1為底端首次反射振幅，則（4）式可以寫為

式中：L為錨桿長度；B為初始振幅A與底端首次反射振幅A1之比（簡稱幅值比）。從以上分析可知，能量衰減系數(shù)和幅值比2個參數(shù)可以用來評價錨固體系中的聲波傳播過程中能量的衰減。

3 錨桿模型試驗結(jié)果及分析

3.1 無缺陷錨桿測試結(jié)果及分析

對長度為1～8 m的無缺陷模型錨桿進行檢測，結(jié)果見表2，部分測試曲線如圖2至圖5所示。

表2 模型檢測結(jié)果Table2 Results of the detection of anchor models

圖2 模型1（C1）測試結(jié)果Fig.2 Test result ofmodel 1（C1）

圖3 模型3（C3）測試結(jié)果Fig.3 Test result ofmodel3（C3）

圖4 模型6（C6）測試結(jié)果Fig.4 Test result ofmodel6（C6）

圖中a點為錨桿頂端施加激發(fā)荷載后測試的初始波形（以下簡稱為初始波）；b為錨桿底端反射波；c為模型底端反射波。對比圖2至圖5可知，隨著錨桿長度的增加，底端的反射時間增大，底端反射信號減弱，測試波形更規(guī)則。在圖4和圖5中存在2個反射波，第一個為錨桿底端的反射波，第二個反射波由模型的底端邊界產(chǎn)生。模型1和模型3中錨桿長度較小，錨桿底端與模型的底端之間的距離較大，2個反射波之間的時間差較大，由于模型底端邊界反射波對測試結(jié)果沒有影響，在測試過程中，采集時間設置較小，因此，圖3和圖4中沒有出現(xiàn)2個反射波形。

對試驗結(jié)果進行分析，測試曲線中底端反射均較清晰，而在實際測試中，當錨桿較長，錨固質(zhì)量較優(yōu)時，底端反射是很難得到，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是模型錨桿與工程錨桿之間存在一定的差異，同時，為了更好的對錨桿中聲波傳播規(guī)律進行研究，錨桿模型在制作時采用波阻抗較小的砂漿來模擬巖石，使錨桿底端界面的波阻抗差異增大，底端反射信號相對增強。表2為各錨桿模型的檢測結(jié)果。

表2的模型測試結(jié)果，如圖6至圖8所示。其中固結(jié)波速隨錨桿長度呈近似線形關系下降，但下降幅度較小，變化范圍在4 200～4 400 m／s之間。因此，在實際測試中，對于錨固質(zhì)量優(yōu)的較長錨桿，無法得到清晰的底端反射時，可采用能得到清晰底端反射較短錨桿的固結(jié)波速對無明顯底端反射信號的測試結(jié)果進行評價。幅值比和衰減系數(shù)作為評價錨桿聲波反射法檢測過程中能量衰減的主要參數(shù)。隨著錨桿長度的逐漸增加，錨固體系的動力響應曲線的幅值比與衰減系數(shù)也隨之減小，并近似呈負指數(shù)關系；但是隨著錨桿長度增加，能量衰減率隨之變小。

圖5 模型8（C8）測試結(jié)果Fig.5 Test result ofmodel8（C8）

圖6 固結(jié)波速與錨桿長度關系Fig.6 Relationship between consolidation wave velocity and bolt length

圖7 幅值比與錨桿長度關系Fig.7 Relationship between amplitude ratio and bolt length

圖9 模型9（Q1）測試結(jié)果Fig.9 Test result ofmodel9（Q1）

3.2 缺陷錨桿測試結(jié)果及分析

采用聲波反射法對缺陷模型錨桿Q1－Q15進行測試，部分測試曲線如圖9至圖14所示，圖中a點為錨桿頂端施加激發(fā)荷載后測試的初始波形（以下簡稱為初始波）；b為缺陷開始部位反射波；c為缺陷結(jié)束部位反射波；d為錨桿底端反射波。圖9至圖11為錨桿長度3 m，不同位置存在缺陷模型錨桿的測試曲線，曲線的波形多處發(fā)生畸變，整條曲線的波形不規(guī)則；圖12至圖14為錨桿長度6m，不同位置存在缺陷模型錨桿的測試曲線，曲線的波形局部發(fā)生畸變，波形變得不規(guī)則，呈緩慢衰減或間歇增強后衰減形態(tài)。當錨固體前端存在缺陷時，如圖9和圖12所示，測試曲線前端和底端的波形不規(guī)則，呈間歇增強后緩慢衰減形態(tài)，缺陷開始位置處的反射波受到干擾；當錨固體中部存在缺陷時，如圖10和圖13所示，測試曲線的前端和底端的波形較規(guī)則，缺陷開始和接受部位的反射波未受到干擾；當錨固體底端存在缺陷時，如圖11和圖14所示，測試曲線底端波形不規(guī)則，缺陷結(jié)束部位的反射波與底端反射波疊加。對所有缺陷模型錨桿的測試曲線進行分析處理，結(jié)果見表3。

根據(jù)測試結(jié)果分析如下：

圖10 模型10（Q2）測試結(jié)果Fig.10 Test result ofmodel10（Q2）

圖11 模型11（Q3）測試結(jié)果Fig.11 Test result ofmodel11（Q3）

圖12 模型15（Q7）測試結(jié)果Fig.12 Test result ofmodel15（Q7）

圖13 模型16（Q8）測試結(jié)果Fig.13 Test result ofmodel16（Q8）

圖14 模型16（Q9）測試結(jié)果Fig.14 Test result ofmodel16（Q9）

表3 測試結(jié)果與設計參數(shù)對比Table3 Comparison of the test results and design parameters

（1）實測缺陷部位與設計缺陷部位之間誤差較小，測試結(jié)果可靠。測試結(jié)果可用于錨固質(zhì)量聲波反射法檢測時聲波傳播規(guī)律的研究，實測波形也可用于實際錨桿的檢測評價。

（2）當錨固體局部存在缺陷時，即在應力波傳播途徑中增加了不同波阻抗的交界面時，波形產(chǎn)生更多次的反射、透射、疊加、扭曲，介質(zhì)交界面處響應曲線的波形出現(xiàn)畸變，呈緩慢衰減或間歇增強后衰減形態(tài)。

（3）當錨桿長度較小時，測試曲線中缺陷位置處的反射信號、錨桿頂端激振信號、錨桿底端的反射信號三者互相疊加，整個測試曲線不規(guī)則，缺陷和錨桿底端處的反射不明顯，測試結(jié)果較難分析，實際測試中，可首先采用較大采樣間隔準確判斷桿底信號，后續(xù)采用較小采樣間隔對缺陷部位及特征進行判斷。對于較長錨桿，缺陷始末部位一般都回出現(xiàn)反射信號，當缺陷位于錨固體前端時，缺陷開始部位與錨桿頂端的距離較小，錨桿測試的激振信號還沒有完全衰減，缺陷開始部位的的反射信號與激振信號發(fā)生疊加，造成缺陷開始部位的反射信號不明顯，增大缺陷開始部位確定的難度，但缺陷結(jié)束部位的反射信號未受影響，可用缺陷結(jié)束部位的二次反射信號反推缺陷開始部位；當缺陷位于錨固體中部及缺陷較長時，缺陷結(jié)束部位反射信號比開始部位的信號更強；缺陷位于錨桿底部時，錨桿底端反射信號被加強，但由于缺陷結(jié)束部位與錨桿底端之間的距離較小，底端的反射信號被干擾，使錨桿長度的判斷受到一定的影響。

（4）隨著缺陷的增大，固結(jié)波速也隨之增加，但是增加的幅度較小，波速基本在4 200～4 400 m／s范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

通過不同長度及不同位置缺陷的模擬錨桿測試與分析，得出以下結(jié)論：

（1）實測缺陷部位與設計缺陷部位基本相符，從實測波形與檢測結(jié)果獲得的聲波傳播規(guī)律，可用于實際錨桿檢測中的質(zhì)量評價。

（2）對于完整錨桿，隨著錨桿長度的增加，錨桿頂端動力響應曲線的波形越規(guī)則，底端反射波幅值逐漸減小，底端反射時間增大，聲波在錨固體中傳播的能量也逐漸減小。

（3）對于缺陷錨桿，當錨固體局部存在缺陷時，缺陷部位的響應曲線出現(xiàn)畸變，波形變得不規(guī)則，呈緩慢衰減或間歇增強后衰減形態(tài)。當錨桿長度和缺陷位置不同時，缺陷部位的反射信號對測試曲線的波形產(chǎn)生不同影響，測試曲線表現(xiàn)出不同的波形特征。

（4）錨固體固結(jié)波速隨錨桿長度增加而減小，隨缺陷增大而增大，但是變化幅度較小，一般在4 200～4 400 m／s范圍內(nèi)。

［1］ 田 凱.巖土工程錨桿檢測技術的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.施工技術，2007，36（1）：344－345.（TIAN Kai.The Status Quo of Development on Inspection Technology of Anchor in Geotechnical Engineering［J］.Construction Technolo gy，2007，36（1）：344－345.（in Chinese））

［2］ 李張明.錨桿錨固質(zhì)量無損檢測理論與智能診斷技術研究［D］.天津：天津大學水利水電工程系，2007.（LI Zhang ming.A Study on Nondestructive Detection Theory and Intelligent Diagnosis Technology of Rockbolt Anchor age Quality［D］.Tianjin：Tianjin University，2007.（in Chinese））

［3］ DL／T 5424－2009，水電水利工程錨桿無損檢測規(guī)程［S］.北京：中國水利水電出版社.（DL／T 5424－2009，Code for Anchor Bolt Nondestructive Detection of Hydro projects［S］.Beijing：China Water Power Press.（in Chi nese））

［4］ 汪明武，王鶴齡.錨固質(zhì)量的無損檢測技術［J］.巖石力學與工程學報，2002，21（1）：126－129.（WANG Ming wu，WANG He ling.Nondestructive Testing of An choring Quality［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21（1）：126－129.（in Chi nese））

［5］ 汪天翼，肖國強，成傳歡.聲頻應力波法檢測水布埡工程錨桿施工質(zhì)量［J］.長江科學院院報，2004，21（4）：22－24.（WANG Tian yi，XIAO Guo qiang，CHENG Chuan huan.Application of Sonic Frequency Stress Wave in Inspection of Anchorage Construction Quality in Shuibuya Project［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2004，21（4）：22－24.（in Chinese））

［6］ 朱自強，何現(xiàn)啟.全長錨桿的無損檢測研究［J］.工程地球物理學報報，2005，5（2）：330－334.（ZHU Zi qiang，HE Xian qi.Research on Nondestructive Detec tion Technique of Full Grouted Bolt［J］.Chinese Journal of Engineering Geophysics，2005，5（2）：330－334.（in Chinese））

［7］ 李 義，劉海峰，王富春.錨桿錨固狀態(tài)參數(shù)無損檢測及其應用［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（10）：17.（LIYi，LIU Hai feng，WANG Fu chun.Nondestruc tive Testing of Parameters of Bolt Anchoring State and Its Application［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（10）：17.（in Chinese） ）

（編輯：姜小蘭）

Simulation of the Application of Sonic Reflection M ethod in Rockbolt Anchorage Quality Detection

QIN Qiang1，2，YIN Jian min1，WU Cong qing1，XIAO Guo qiang1
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Hunan Hydro power Design Institute，Changsha 410076，China）

Models of intact and defective anchor bolts of different lengths are tested to study the rules of acoustic wave propagation in the anchoring body when sonic reflection method is used to detect the anchorage quality.For the intact bolts，the response wave getsmore regular with the increase of the bolt length；at themeantime，the

amplitude of bottom reflected wave reduces gradually and the reflected wave decaysmore severely.For the defective anchor bolts，the wave at defective location is distorted with an irregularwave attenuating slowly or attenuating after intermittent increase.The testing curves of acceleration response signal atbolt head exhibit differentwaveform char acteristics when the bolt length or defective location is different.The consolidation wave velocity of bolt anchoring system reduces slightly with the increase of bolt length，and increases slightly along with the increase of defect size both within the range of 4200 m／s to 4400m／s.

anchor boltmodel；anchorage defect；sonic reflection method；quality detection

TU459.3

A

1001－5485（2011）08－0041－05

2010 09 25

中央級公益性科研所基金項目（CKSF2010018）

秦 強（1984 ），男，河南信陽人，碩士，主要從事巖土工程研究，（電話）15802537356（電子信箱）qinqiang1008＠163.com。