錨桿無損檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

摘要：本文通過錨桿無損檢測(cè)技術(shù)在某水電站導(dǎo)流洞施工質(zhì)量檢測(cè)的運(yùn)用，介紹了錨桿無損檢測(cè)技術(shù)的原理和方法，以及運(yùn)用效果。闡明了錨桿無損檢測(cè)技術(shù)已成為控制錨桿施工質(zhì)量不可缺少的重要方法，是錨桿施工質(zhì)量評(píng)價(jià)和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)之一。

關(guān)鍵詞：錨桿無損檢測(cè);錨桿;波速;長(zhǎng)度;密實(shí)度

1前言

錨桿作為支護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分被廣泛地應(yīng)用于水電工程洞室及邊坡圍巖加固與支護(hù)中。根據(jù)圍巖的類別以及服務(wù)特點(diǎn)采用全長(zhǎng)錨固錨桿、部分錨固錨桿以及端錨式錨桿對(duì)圍巖及邊坡進(jìn)行加固。不同的錨桿甚至距離很近的錨桿中所承受的拉應(yīng)力由于錨固條件的不同而不同。即使是同一根錨桿由于開挖過程中應(yīng)力的重新分布錨桿的受力也會(huì)在服務(wù)期限內(nèi)發(fā)生改變。這些應(yīng)力的作用會(huì)造成錨桿位移甚至斷裂，大大減低了支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而且錨桿的安裝作業(yè)以及錨固工人的錨固技巧也影響錨桿中的預(yù)加應(yīng)力與錨固質(zhì)量。因此，非常有必要對(duì)錨固質(zhì)量、錨桿的完整性以及錨桿中的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是采用抗拉拔力作為檢測(cè)指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)研究表明：對(duì)于高強(qiáng)螺紋錨桿，當(dāng)錨固長(zhǎng)度達(dá)到錨桿直徑的42倍時(shí)，握裹力不再隨著錨桿長(zhǎng)度的增加而增加，并且無法判斷水泥砂漿灌注飽滿與否。并且傳統(tǒng)的拉拔方法費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而無損檢測(cè)錨桿方法能夠準(zhǔn)確、快速、無破壞地檢測(cè)錨桿的質(zhì)量，因此錨桿無損檢測(cè)錨桿方法在很多工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

2錨桿無損檢測(cè)原理

當(dāng)工程錨桿為圓柱體且其直徑d 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度L 時(shí)，可將錨桿視為一維彈性桿，可采用彈性波中的一維桿理論對(duì)錨桿進(jìn)行分析。錨桿檢測(cè)的一維彈性波波動(dòng)方程為：

式中：u 為錨桿體的彈性波振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)位移，V 為錨桿體的彈性波振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)傳播速度，E為錨桿體的彈性模量，A為錨桿體的橫截面積，c為錨桿體的彈性阻尼系數(shù)，K為錨桿體的剛度系數(shù)。

在錨桿、水泥砂漿和圍巖組成的體系中，從錨桿端部發(fā)射的應(yīng)力波，經(jīng)錨桿向四周傳播，在錨桿與砂漿、砂漿與圍巖之間的界面發(fā)生復(fù)雜的反射和透射及能量衰減。通過對(duì)錨固體系的簡(jiǎn)化模型——變截面桿的研究可知：

從上式及圖可以看出，當(dāng)桿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(duì)變化的程度有關(guān)。錨桿、砂漿和圍巖三者之間澆灌均勻密實(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(hào)極有規(guī)律。當(dāng)砂漿澆灌不均勻、不密實(shí)時(shí)，在砂漿中出現(xiàn)空腔，空腔處將出現(xiàn)不同程度的波阻抗變化面。其表明在原有的信號(hào)中迭加了強(qiáng)度不同的反射信號(hào)，或在不應(yīng)出現(xiàn)反射波處存在反射信號(hào)，根據(jù)反射波位置和反射信號(hào)的強(qiáng)弱，可以確定出錨桿錨固質(zhì)量并為其分級(jí)。

由一維彈性桿的波動(dòng)理論可推導(dǎo)出反射系數(shù) Kr和透射系數(shù)Kt：

Kr=（Z1-Z2）/（Z1+Z2）""""""""""""""""""" （4）

Kt=Z1Z2/（Z1+Z2）""""""""""""""""""""" （5）

由式4可知，當(dāng)彈性波由波阻抗較大的物質(zhì)，進(jìn)入到波阻抗較小的物質(zhì)時(shí)（空漿、欠密實(shí)帶），在其分界面上會(huì)發(fā)生反射，其反射波和入射波相位相同，反之，當(dāng)彈性波由波阻抗較小的物質(zhì)，進(jìn)入到波阻抗較大的物質(zhì)時(shí)，在其分界面上也會(huì)發(fā)生反射，其反射波和入射波相位相反。

由式5可知，Kt恒為正值，即透射波永遠(yuǎn)和入射波相位相同。

由桿端發(fā)射的聲波向桿底傳播，到錨固缺陷（砂漿欠密實(shí)或空漿等）位置和桿底時(shí)，由于該處截面的面積或材料性質(zhì)改變而導(dǎo)致波阻抗發(fā)生變化，入射波將在該截面上發(fā)生反射和透射，表現(xiàn)為在原有的信號(hào)波形上迭加了一個(gè)反射波信號(hào)，其反射波和透射波幅值的大小與波阻抗相對(duì)變化的程度有關(guān)。同樣是缺陷，但空漿處的反射波幅值一定會(huì)大于砂漿欠密實(shí)處的反射波幅值，也大于一般裂縫的發(fā)射波幅值;錨桿的注漿密實(shí)度跟錨桿與砂漿、砂漿與圍巖的接觸以及砂漿的膠結(jié)程度有關(guān)。分析波形特征、頻譜特征、衰減特征等，可以分析錨桿注漿密實(shí)度。一般情況下，注漿密實(shí)度越好，所測(cè)的波形就規(guī)則、反射雜波少、頻率較高且集中，相應(yīng)的振幅小、衰減快;反之，注漿密實(shí)度差的錨桿，所測(cè)得的波形比較復(fù)雜，反射雜波多，頻率較低且分散，振幅大且衰減慢，據(jù)此可推斷錨桿是否存在注漿欠密實(shí)或空漿等情況。反射波回來被傳感器接收，由儀器所記錄的回聲時(shí)間可按照下式計(jì)算出缺陷的位置和錨桿長(zhǎng)度;

L=vt/2""""""""""""""""""""""""""""" （6）

上示中，L為桿端到桿底或錨固缺陷處的距離，v為彈性波在錨桿中的傳播速度，t為回聲反射時(shí)間。

3應(yīng)用

四川某水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河流域水電梯級(jí)近期開發(fā)的大型水電站工程之一。壩址處控制流域面積55880km2，多年平均流量821m3/s.初擬正常蓄水位1690m，庫(kù)容約10.4億m3，最大壩高241m，裝機(jī)容量2600MW。

導(dǎo)流洞位于大渡河右岸，我公司承擔(dān)了導(dǎo)流洞錨桿無損檢測(cè)任務(wù)。設(shè)計(jì)錨桿數(shù)為30696根，檢測(cè)錨桿數(shù)為2106 根，抽檢比例為6.86%，其中1998 根錨固質(zhì)量為合格，108 根錨固質(zhì)量為不合格，合格率為94.9%。

3.1錨桿波速測(cè)定

這里所說的錨桿，是鋼筋和砂漿的綜合體。錨桿波速取值是否正確，直接關(guān)系到錨桿長(zhǎng)度和注漿密實(shí)度判斷解釋是否準(zhǔn)確，因此正確確定錨桿波速值在整個(gè)錨桿無損檢測(cè)中是相當(dāng)關(guān)鍵的一步。

3.1.1鋼筋波速值測(cè)定

某電站導(dǎo)流洞錨桿支護(hù)中，在不同部位、不同地質(zhì)條件下，錨桿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度、鋼筋直徑各不相同。錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度有4.5m、6.0m、9.0m等，錨桿鋼筋直徑為25mm、28mm、32mm 的螺紋鋼筋。鋼筋波速值是在現(xiàn)場(chǎng)采用反射波法進(jìn)行測(cè)定，波速計(jì)算公式如下：

V = 2L/（T₁- T₀）"""""""""""" （7）

式中，V為反射波波速;L 為錨桿長(zhǎng)度;T₁為反射波到達(dá)時(shí)間;T₀ 為儀器系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間。

測(cè)試結(jié)果表明：

（1）鋼筋長(zhǎng)度（4.5～9m）對(duì)波速的影響較小，可忽略不計(jì);

（2）鋼筋直徑對(duì)波速有一定影響，直徑越大、波速越高，但對(duì)錨桿所用的直徑為22mm、25mm、28mm、32mm 四種規(guī)格螺紋鋼的波速影響不大，波速在5150～5250m/ s。

3.1.2 錨桿波速測(cè)定

用PVC 管針對(duì)不同直徑、不同長(zhǎng)度制作模擬錨桿，然后作測(cè)試，確定錨桿系的波速。波速測(cè)定同樣采用直達(dá)波法，波速亦按式（6）計(jì)算。

測(cè)試結(jié)果表明：

（1）注漿密度度較好的錨桿，波速一般在4300m/ s左右;

（2）砂漿質(zhì)量對(duì)錨桿波速有一定的影響，砂漿質(zhì)量越好錨桿波速越高;

（3）注漿密度度對(duì)錨桿波速有一定的影響，密實(shí)度越低錨桿波速越高。

3.2錨桿長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)波形讀取錨桿底部反射時(shí)間，再根據(jù)反射時(shí)間計(jì)算錨桿長(zhǎng)度，可用式（6）來計(jì)算。

3.3錨桿注漿密實(shí)度計(jì)算

根據(jù)在不同激發(fā)、接收條件下得到的多條波形曲線，進(jìn)行綜合的定性分析，確定錨桿注漿的缺陷類型。在確定了錨桿注漿缺陷類型之后，根據(jù)其缺陷段反射波的旅行時(shí)間來計(jì)算其所處的位置和缺陷段長(zhǎng)度，并用下式計(jì)算注漿密實(shí)度。

（1）錨桿飽滿度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)時(shí)，可用有效長(zhǎng)度法計(jì)算錨桿飽滿度。

式中：D——錨桿飽滿度;Lr——錨桿設(shè)計(jì)錨固段長(zhǎng)度，m;Lx——錨桿缺陷段累計(jì)長(zhǎng)度，m。

（2）除孔口段缺漿而深部密實(shí)外，也可依據(jù)反射波能量法計(jì)算錨桿飽滿度：

式中：β——錨桿聲波波動(dòng)能量修正系數(shù);η——錨桿聲波波動(dòng)能量反射系數(shù);Er——錨桿反射波波動(dòng)總能量，N.m;Eo——錨桿入射波波動(dòng)總能量，N.m;Es——錨桿波動(dòng)總能量，N.m。

3.4典型錨桿曲線及分析

（1）密實(shí)度較好錨桿

圖1為某水電站導(dǎo)流洞邊墻錨桿，設(shè)計(jì)參數(shù)：Φ32，L=9.0m。測(cè)試結(jié)果為：該錨桿外露長(zhǎng)度為0.3m，實(shí)測(cè)長(zhǎng)度8.9m，錨固長(zhǎng)度8.6m，基本密實(shí)，密實(shí)度91%（能量法為91%）（樁底反射較弱）。

圖1" 邊墻k0+236m錨桿實(shí)測(cè)曲線

圖2為某水電站導(dǎo)流洞出水口洞臉處錨桿，設(shè)計(jì)參數(shù)：Φ32，L=4.5m。測(cè)試結(jié)果為：該錨桿外露長(zhǎng)度為0.2m，實(shí)測(cè)長(zhǎng)度4.5m，錨固長(zhǎng)度4.3m，基本密實(shí)，密實(shí)度95%（能量法為95%）（樁底反射較弱）。

圖2" 出口洞臉錨桿實(shí)測(cè)曲線

（2）全段空漿錨桿

圖3為某水電站導(dǎo)流洞邊墻錨桿，設(shè)計(jì)參數(shù)：Φ32，L=4.5m。測(cè)試結(jié)果為：該錨桿外露長(zhǎng)度為0.4m，實(shí)測(cè)長(zhǎng)度4.5m，錨固長(zhǎng)度4.1m，0.8～4.5m處空漿，密實(shí)度小于50%（能量法為50%）（樁底反射強(qiáng)）。

圖3" 邊墻k0+514m錨桿實(shí)測(cè)曲線

（3）前段空降錨桿

圖4為某水電站導(dǎo)流洞出口洞臉處錨桿，設(shè)計(jì)參數(shù)：Φ32，L=9.0m。測(cè)試結(jié)果為：該錨桿外露長(zhǎng)度為0.5m，測(cè)試長(zhǎng)度9.0m，1.0～2.4m處空漿，密實(shí)度為80%（樁底反射不明顯）。

圖4" 出口洞臉錨桿實(shí)測(cè)曲線

圖5為某水電站導(dǎo)流洞邊墻錨桿，設(shè)計(jì)參數(shù)：Φ25，L=4.5m。測(cè)試結(jié)果為：該錨桿外露長(zhǎng)度為0.5m，測(cè)試長(zhǎng)度2.2m，0.8～2.2m處空漿，密實(shí)度小于50%（樁底反射明顯）。

圖5" 邊墻k0+514m錨桿實(shí)測(cè)曲線

（4）掛筋

圖6為某水電站導(dǎo)流洞邊墻掛筋，設(shè)計(jì)參數(shù)：Φ25，L=1.0m。測(cè)試結(jié)果為：該錨桿外露長(zhǎng)度為0.5m，測(cè)試長(zhǎng)度1.0m，0.6～1.0m處空漿，密實(shí)度小于50%（樁底反射不明顯）。

4結(jié)束語

通過對(duì)某水電站導(dǎo)流洞錨桿無損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果反映了實(shí)際施工質(zhì)量情況，幫助業(yè)主了解、控制錨桿施工質(zhì)量。目前錨桿無損檢測(cè)技術(shù)已成為控制錨桿施工質(zhì)量不可缺少的重要方法，是錨桿施工質(zhì)量評(píng)價(jià)和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏代林、劉春生.錨桿錨固質(zhì)量快速無損檢測(cè)研究[M].武漢：中國(guó)水利電力大學(xué)出版社，2000.

[2]徐永煜.錨桿測(cè)試方法及實(shí)踐[J].工程物探，2007，（1）

[3]王國(guó)瀅.錨桿檢測(cè)技術(shù)在小灣水電工程中的應(yīng)用.工程物探，2004，2

[4]王國(guó)瀅，等.錨桿無損試技術(shù)的應(yīng)用研究[J].工程物探，2008，（4）