錨桿長(zhǎng)度無(wú)損檢測(cè)的影響因素分析

訾建峰， 楊森

(1.天津市市政公路工程質(zhì)量監(jiān)督站， 天津300000；2.四川升拓檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司， 成都610045)

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錨桿長(zhǎng)度無(wú)損檢測(cè)的影響因素分析

訾建峰1， 楊森2

(1.天津市市政公路工程質(zhì)量監(jiān)督站， 天津300000；2.四川升拓檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司， 成都610045)

用于錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)的主要方法為聲波反射法，而該方法測(cè)試精度會(huì)受到一些外在因素的影響。通過(guò)模擬某工程隧道錨桿設(shè)計(jì)方案，設(shè)置不同長(zhǎng)度錨桿，采用彈性波無(wú)損檢測(cè)方法，分析錨桿無(wú)損檢測(cè)中的影響因素。結(jié)果表明，在錨桿無(wú)損檢測(cè)中，對(duì)于錨桿底端反射波的準(zhǔn)確識(shí)別和有效判定以及激振頻率的合理選取及合適的傳感器與錨桿桿體間的耦合方式對(duì)測(cè)試精度有著直接的影響。

錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)；彈性波無(wú)損檢測(cè)；激振頻率；耦合方式

引言

對(duì)于錨桿長(zhǎng)度的檢測(cè)，目前國(guó)內(nèi)通常采用彈性波(也稱為聲波)作為測(cè)試媒介，而最常用的方法即為聲波反射法[1-2]。聲波反射法為動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法，其基本實(shí)施方案是在錨桿頂端施加單沖式瞬態(tài)沖擊力，激勵(lì)產(chǎn)生彈性波信號(hào)，彈性波在桿體(或桿系)中傳播并產(chǎn)生反射，安設(shè)在錨桿頂端附近的傳感器接受反射信號(hào)，通過(guò)對(duì)反射波信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，獲得錨桿有效長(zhǎng)度及錨固質(zhì)量等工作參數(shù)[3]。聲波反射法作為一種無(wú)損檢測(cè)方法，對(duì)錨桿、桿系及周圍巖體不會(huì)產(chǎn)生破壞作用，適宜進(jìn)行大面積的檢測(cè)應(yīng)用。

但聲波反射法在實(shí)際操作中，難免會(huì)受各種環(huán)境條件因素、信號(hào)激勵(lì)因素等影響，導(dǎo)致錨桿長(zhǎng)度測(cè)試精度達(dá)不到要求，甚至出現(xiàn)長(zhǎng)度測(cè)試誤判的現(xiàn)象。為此，本文從錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)基本原理出發(fā)，依據(jù)某工程邊坡錨桿設(shè)計(jì)方案，采用聲波(彈性波)無(wú)損檢測(cè)方法，通過(guò)建立模型錨桿標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)檔案，對(duì)錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)誤差及其規(guī)律進(jìn)行研究、分析[4-6]，明確錨桿長(zhǎng)度無(wú)損檢測(cè)的影響因素，為錨桿長(zhǎng)度實(shí)際檢測(cè)提供參考。

1 基本原理

錨桿長(zhǎng)度無(wú)損檢測(cè)方法的基本理論依據(jù)為一維桿件的聲波反射理論。在錨桿頂部激發(fā)彈性應(yīng)力波，當(dāng)彈性應(yīng)力波傳播到錨桿底部時(shí)由于錨桿和錨桿底部的巖體存在波阻抗差異，將產(chǎn)生反射波回到錨桿頂部，從而根據(jù)反射波的走時(shí)和錨桿中的應(yīng)力波傳播速度就可以采用時(shí)域或頻域分析方法確定出錨桿長(zhǎng)度[1]。

(1)

式中：Cm——同類錨桿的波速平均值；

Δte——桿底反射波傳播時(shí)間。

當(dāng)錨桿較短，桿底反射信號(hào)的起始點(diǎn)不易分辨時(shí)，可以采用頻譜分析的方法。

(2)

式中：Cm——同類錨桿的波速平均值；

Δf——幅頻曲線上相鄰諧振峰之間的頻差。

由錨桿檢測(cè)基本原理知，錨桿長(zhǎng)度測(cè)試的關(guān)鍵在于錨桿(桿系)波速確定和時(shí)域或頻差確定。波速與錨桿材質(zhì)及其所處環(huán)境狀態(tài)相關(guān)，可以通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定得到，而時(shí)域和頻域的影響因素則更為復(fù)雜。

2 檢測(cè)成果與影響因素分析

2.1 反射信號(hào)的影響

2.1.1檢測(cè)試驗(yàn)

在錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)中，反射信號(hào)的識(shí)別是確定時(shí)域的關(guān)鍵。根據(jù)彈性波傳播理論，在均質(zhì)體或無(wú)阻抗差異結(jié)構(gòu)中，不會(huì)產(chǎn)生反射，對(duì)于存在阻抗差異的結(jié)構(gòu)界面均會(huì)產(chǎn)生反射[7-8]。

試驗(yàn)中，分別對(duì)兩根焊接錨桿做不同的預(yù)處理[9](表1)。

表1 錨桿預(yù)處理情況

對(duì)mg-1錨桿采集波形如圖1所示。

圖1 錨桿mg-1采集波形

由圖1可知，mg-1波形存在多次明顯反射。其中，根據(jù)對(duì)波形計(jì)算可知，1號(hào)點(diǎn)反射所對(duì)應(yīng)的錨桿長(zhǎng)度為1.5m，而2號(hào)點(diǎn)反射所對(duì)應(yīng)的錨桿長(zhǎng)度則為3.5m，同時(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)及施工資料顯示：1號(hào)點(diǎn)的同向反射屬于焊接處的反射；2號(hào)點(diǎn)的同向反射則是錨桿底部的正常反射；3號(hào)和4號(hào)點(diǎn)的反射屬于設(shè)計(jì)值范圍之外的反射，也可能是重復(fù)反射。

mg-2錨桿的采集波形如圖2所示。

圖2 錨桿mg-2采集波形

圖2mg-2波形顯示仍然存在多次明顯反射。同理，根據(jù)計(jì)算可知，1、2、3號(hào)反射位于設(shè)計(jì)值范圍之內(nèi)，1號(hào)點(diǎn)為同相反射，2、3號(hào)點(diǎn)為反相反射，而3號(hào)點(diǎn)則是設(shè)計(jì)值范圍之外的同相反射。

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)可知，1號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為2.0m，為焊接點(diǎn)反射；2號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為2.5m，為預(yù)設(shè)的缺陷反射；3號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為3.5m，為底部反射(因底部為堅(jiān)硬巖石，產(chǎn)生了反相反射)；4號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為4.0m，為焊接點(diǎn)的二次反射；而5號(hào)和6號(hào)是設(shè)計(jì)外的長(zhǎng)度值，疑為受錨桿周圍的灌漿質(zhì)量或巖體的影響。

同時(shí)，綜合mg-1、mg-2的波形圖對(duì)比可知：兩者的波形均收斂較好，但相比mg-1，mg-2的波形前端的振動(dòng)信號(hào)較強(qiáng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況得出，mg-2的外露長(zhǎng)度較長(zhǎng)，激振時(shí)引起的外露端的自由振動(dòng)混入了原始信號(hào)中，從而出現(xiàn)相對(duì)較強(qiáng)的振動(dòng)信號(hào)[10]。

2.1.2反射信號(hào)影響因素分析

在均質(zhì)桿體中，阻抗相同不產(chǎn)生反射，對(duì)于桿底或焊接點(diǎn)由于存在阻抗差異，因此會(huì)產(chǎn)生反射，如mg-1、mg-2波形中的1號(hào)反射點(diǎn)[11]。

在土質(zhì)或軟弱巖體材料中，由于土體材料的阻抗較低，則反射信號(hào)的相位與入射信號(hào)相同，如mg-1波形中的2號(hào)反射點(diǎn)；而桿體底部在堅(jiān)硬巖石或高強(qiáng)混凝土?xí)r，由于阻抗增加，則反射信號(hào)的相位與入射信號(hào)相反，如mg-2波形中的3號(hào)反射點(diǎn)。

在實(shí)際錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)過(guò)程中，由于巖體環(huán)境條件復(fù)雜、注漿質(zhì)量各異，在實(shí)際測(cè)試信號(hào)中反射信息不是唯一的，反射信號(hào)強(qiáng)弱也各異[12]。因此，明確反射信號(hào)如何識(shí)別，對(duì)錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)精度的提高就顯得尤為重要。2.2激振頻率的影響

2.2.1檢測(cè)試驗(yàn)

在錨桿長(zhǎng)度實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，除了存在上述反射信號(hào)的影響因素外，其激振頻率也會(huì)對(duì)錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)精度產(chǎn)生一定的影響[13-14]。

試驗(yàn)采用七種不同長(zhǎng)度的模型錨桿，并分別采用直徑為Φ10、Φ17、Φ30的激振錘以及激振錐作為激振源進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2.2影響因素分析

由表2可知，不同的激振頻率對(duì)于不同長(zhǎng)度的錨桿測(cè)試精度影響不同。

表2 錨桿長(zhǎng)度實(shí)際值與測(cè)試值對(duì)比

激振頻率較高(如Φ10)的激振源，對(duì)于測(cè)試短桿有著較高的精度，但隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，頻率較高的激振卻會(huì)對(duì)長(zhǎng)度測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

激振頻率較低(如激振錐)的激振源，對(duì)較短的錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生影響，要么不能識(shí)別到反射波，要么會(huì)比實(shí)際長(zhǎng)度偏長(zhǎng)；但隨著長(zhǎng)度的增加，頻率較低的激振卻有著較高的精度。

在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，因檢測(cè)人員對(duì)于錨桿長(zhǎng)度的客觀認(rèn)識(shí)是設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，但是，在實(shí)際施工過(guò)程中，錨桿長(zhǎng)度可能低于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，如有些錨桿的長(zhǎng)度僅有0.5m，甚至僅有0.2m。

錨桿長(zhǎng)度的檢測(cè)主要是基于錨桿底部的反射波來(lái)判定，同時(shí)根據(jù)反射理論，激振波長(zhǎng)與反射信號(hào)間存在表3的關(guān)系。

表3 激振波長(zhǎng)與反射信號(hào)的關(guān)系

由表3可知，不同的激振波長(zhǎng)對(duì)于不同長(zhǎng)度錨桿的測(cè)試精度有著不同的影響。

不同的激振波長(zhǎng)意味著不同的激振頻率，如測(cè)試實(shí)心錨桿(波速取5.2km/s)，可以得到不同激振方式可以測(cè)試的最短錨桿(實(shí)心)的長(zhǎng)度見(jiàn)表4

表4 激振方式與最短測(cè)試長(zhǎng)度的近似關(guān)系

因此，對(duì)于2m以下的錨桿，建議采用Φ30以下的激振錘，而激振錐則適用于3m以上的錨桿。另一方面，頻率越高的激振信號(hào)，其衰減也越快，從而不利于測(cè)試較長(zhǎng)的錨桿。

綜上所述，在進(jìn)行錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)時(shí)，首先，對(duì)于激振頻率的選擇要合適，可根據(jù)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度同時(shí)選擇兩種或兩種以上不同頻率的激振源；其次，激振時(shí)，激振源要平行于錨桿，以免產(chǎn)生其他成份的波，從而影響對(duì)錨桿底部反射信號(hào)的判別；最后，在激振時(shí)應(yīng)該干脆，避免產(chǎn)生二次敲擊，且敲擊力度要適中。

2.3 傳感器耦合方式的影響

2.3.1檢測(cè)試驗(yàn)

傳感器采用不同的固定及耦合方式，則采集的振動(dòng)信號(hào)會(huì)有較大的區(qū)別，從而對(duì)檢測(cè)人員的分析產(chǎn)生較大的影響。

按照傳感器的固定位置，可以分為桿頂和桿側(cè)兩種固定方式，兩種傳感器固定方式對(duì)測(cè)試信號(hào)的影響及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表5。

表5 傳感器桿頂固定和桿側(cè)固定對(duì)比表

在相關(guān)規(guī)程中均建議采用桿頂固定的方式。但無(wú)論桿頂還是桿側(cè)固定，其采用的耦合方式都會(huì)對(duì)信號(hào)的采集產(chǎn)生較大的影響。

關(guān)于傳感器與錨桿間的連接耦合的具體方式，一般有磁性、粘接劑(熱熔膠、兩面膠)、耦合劑(黃油、凡士林等)和壓著等方式。盡管在相關(guān)規(guī)程中，建議采用磁性卡座的耦合方式，但本次試驗(yàn)還是對(duì)耦合方式進(jìn)行了研究。

不同耦合劑的粘度、剛性以及溫度特性對(duì)采集的信號(hào)都有較大的影響，且有不同的縮頻作用，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，并研制了專用的耦合劑。該耦合劑具有良好的耦合性、溫感小、無(wú)毒、不粘手、涂抹方便且對(duì)激振信號(hào)的自由振動(dòng)部分有很好的衰減作用的特點(diǎn)。因此，本次試驗(yàn)結(jié)合錨桿現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的實(shí)際情況對(duì)傳感器與桿體的耦合方式分為三種：手按、磁性卡座、特制耦合劑。采用這三種耦合方式分別對(duì)2.2試驗(yàn)中所用的7根不同長(zhǎng)度的錨桿進(jìn)行檢測(cè)，其典型波形對(duì)比如圖3～圖5所示。

圖3 傳感器手按方式采集波形

圖4 傳感器磁性卡座方式采集波形

圖5 傳感器特制耦合劑方式采集波形

2.3.2影響因素分析

由圖3、圖4和圖5可以明顯看出：采用特制耦合劑對(duì)傳感器與桿體進(jìn)行耦合時(shí)，所采集的波形是最為理想的，其桿底反射明顯，且波形收斂較好。

在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用人工手按的方式時(shí)，其壓著力度的大小也會(huì)對(duì)波形產(chǎn)生很大影響，且在現(xiàn)場(chǎng)不宜保持靜止，傳感器與桿體接觸不好，從而造成所采集的波形品質(zhì)不好。

采用磁性卡座的固定方式，其粘性阻尼小，在沖擊型激振荷載作用下，其自由振動(dòng)衰減慢，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，因此，磁性卡座方式宜用于桿側(cè)固定。

采用特制耦合劑，具有較好的彈性、阻尼比剛性及溫度特性，對(duì)激振信號(hào)的自由振動(dòng)部分起到了很好的衰減作用，提升了測(cè)試信號(hào)的品質(zhì)。

為此，在理論和試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)建議采用：桿頂：傳感器+耦合劑，桿側(cè)：傳感器+磁性卡的固定方式組合較為理想。

3 結(jié)論

綜上所述，無(wú)損檢測(cè)方法可以作為一種錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)的手段，同時(shí)，在利用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)錨桿長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)中，影響檢測(cè)效果的因素較多，檢測(cè)工作應(yīng)著重注意以下3點(diǎn)：

(1)錨桿底部反射要準(zhǔn)確判定

不同地質(zhì)情況條件下，錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)的波形不同，在判定錨桿底部反射信號(hào)時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合綜合情況：如錨桿的巖體質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)施工情況(如有無(wú)焊接、灌漿質(zhì)量、錨桿外露端長(zhǎng)度等)等，以便準(zhǔn)確判定錨桿的底部反射信號(hào)。

(2)錨桿長(zhǎng)度實(shí)際檢測(cè)中，對(duì)于激振頻率的選擇要合適

不同長(zhǎng)度的錨桿在不同錘激振的條件下，波形表現(xiàn)為不同特征。激振源的激振頻率越高，產(chǎn)生干擾信號(hào)越強(qiáng)，小錘(頻率較高)激振源的測(cè)試長(zhǎng)度會(huì)十分有限；相反激振源的激振頻率越低，其測(cè)試長(zhǎng)度越長(zhǎng)，同時(shí)其測(cè)試短錨桿的能力降低。因此，對(duì)于不同的錨桿，可根據(jù)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度同時(shí)選擇兩種或兩種以上不同頻率的激振源。且激振時(shí)，激振源要平行于錨桿，激振干脆且力度適中，以免產(chǎn)生二次激振或其他成份的波，從而影響對(duì)錨桿底部反射信號(hào)的判別。

(3)采用合適的傳感耦合方式

考慮到對(duì)測(cè)試信號(hào)品質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，不同固定方式，可采用不同的耦合方式：在桿頂固定傳感器時(shí)，可用具有合適的溫度特性、阻尼比和剛性的耦合劑；而在桿側(cè)固定時(shí)，可采用磁性卡座。通過(guò)兩種方式的有機(jī)結(jié)合，可以進(jìn)一步提高檢測(cè)結(jié)果的信賴程度及檢測(cè)精度。

在明確了錨桿長(zhǎng)度無(wú)損檢測(cè)的影響因素后，對(duì)錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)能比較準(zhǔn)確的加以判定。因而它可以為隱蔽工程、重點(diǎn)工程質(zhì)量監(jiān)理控制工作快速提供第一手質(zhì)量檢測(cè)資料，輔助監(jiān)理工作的順利進(jìn)行，也為施工單位尋找產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題的原因和采取改進(jìn)措施提供依據(jù)。

[1] JGJT 182-2009,錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] DLT 5424-2009,水電水利工程錨桿無(wú)損檢測(cè)規(guī)程[S].

[3] 鮑先凱,劉歡歡.基于應(yīng)力波法的錨桿無(wú)損檢測(cè)[J].露天采礦技術(shù),2015(1):58-61.

[4] 張小波,吳銀成,孫志飛,等.一種礦用錨桿(索)長(zhǎng)度無(wú)損測(cè)量方法[J].工礦自動(dòng)化,2015(1):76-79.

[5] 孫冰,郭閃閃,曾晟,等.錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].金屬礦山,2014(12):8-12.

[6] 張勝利,張昌鎖,王銀濤.錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)方法分析[J].煤礦安全,2014(5):212-215.

[7] 劉濤,葉義成,王文杰,等.玻璃鋼錨桿錨固質(zhì)量聲波檢測(cè)技術(shù)[J].金屬礦山,2014(3):36-39.

[8] 彭璞.高速公路錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[J].科技傳播,2013(6):182-183.

[9] 王猛,李義,董嘉.應(yīng)力波法錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭技術(shù),2013(1):203-204.

[10] 郭世明,高才坤.彈性應(yīng)力波法錨桿質(zhì)量檢測(cè)初探[J].西部探礦工程,1999,16(1):46-49.

[11] 孫冰,曾晟,丁德馨,等.錨固系統(tǒng)與錨固介質(zhì)材料中應(yīng)力波波速的關(guān)系[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2013(3):305-310.

[12] 劉東輝,米博,趙東松,等.基于HHT的錨桿錨固質(zhì)量聲波無(wú)損檢測(cè)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013(3):208-212.

[13] 楊湖,王成.彈性波在錨桿錨固體系中傳播規(guī)律的研究[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),2003,17(2):145-149.

[14] 張昌鎖,李義,趙陽(yáng)升,等.錨桿錨固質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)中的激發(fā)波研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(6):124-125.

Influencing Factors Analysis of the Nondestructive Detection of Bolt Length

ZIJianfeng1,YANGSen2

(1.Tianjin Municipal Road Engineering Quality Surveillance Station, Tianjin 300000, China;2.Sichuan Central Inspection Technology Co.,Ltd., Chengdu 610045, China)

At present, the main method used to detect anchor length is acoustic reflection method，and the test accuracy of this method tends to be affected by some external factors. By simulating a tunnel engineering anchor design, setting bolts of different length, the influencing factors of bolt nondestructive testing are analyzed through the NDT methods with elastic waves. The results show that, in the bolt nondestructive testing, the accurate identification and effective judgment of reflected wave at the bottom of bolt, the reasonable selection of excitation frequency, and the suitable coupling way of sensor and anchor rod body have a direct impact on test accuracy.

bolt length detection; elastic wave nondestructive testing; excitation frequency; coupling way

2015-04-09

訾建峰(1977-)，男，天津人，高級(jí)工程師，主要從事工程項(xiàng)目檢測(cè)、監(jiān)督管理方面的研究，(E-mail)549664424@qq.com

1673-1549(2015)03-0071-05

10.11863/j.suse.2015.03.15

TU132

A