應(yīng)力波反射法在杭州市第二水源千島湖配水工程錨桿檢測中的運(yùn)用分析

高海峰，劉曉遠(yuǎn)，付 磊

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.樂清市水利局，浙江 樂清 325600）

1 問題的提出

杭州市第二水源千島湖配水工程輸水線路長112 km，以輸水隧洞為主。該工程輸水線路長，且圍巖類型復(fù)雜，地下水系豐富，工程布置錨桿數(shù)量眾多，達(dá)80多萬根。錨桿在復(fù)雜環(huán)境下，易受地下水侵蝕而產(chǎn)生銹蝕，從而失去錨固作用，影響隧洞支護(hù)體系的結(jié)構(gòu)安全。因此，加強(qiáng)錨桿錨固質(zhì)量控制非常必要。

錨桿錨固質(zhì)量常規(guī)檢測方法是通過拉拔試驗(yàn)檢測錨桿的拉拔力。拉拔法是一種破壞性的檢測方法，而且工作量大、操作不方便，只適合對少量的描桿進(jìn)行抽查，不適用于大范圍的普查[1]。此外，抗拔力不能完全反映錨桿的錨固狀態(tài)，對于錨固較好的錨桿只要錨固段長于鋼筋直徑的40倍或高強(qiáng)鋼筋的42倍時(shí)，拉拔力不在隨錨固長度增加而增加[2]，因此錨桿拉拔力試驗(yàn)不能全面、客觀地反映錨桿錨固長度和注漿密實(shí)度。為更加快速、便捷、準(zhǔn)確的批量檢測錨桿質(zhì)量，該工程采用應(yīng)力波反射法檢測錨桿注漿質(zhì)量及錨桿長度。

2 檢測原理

應(yīng)力波反射法主要理論模型為一維彈性桿，當(dāng)給予桿件一個(gè)激振聲波信號，實(shí)測錨桿加速度或者速度響應(yīng)曲線，依據(jù)波動理論進(jìn)行分析，評價(jià)錨桿錨固質(zhì)量[3]。

錨桿桿體為均勻介質(zhì)，與周圍砂漿包裹層、巖土層的波阻抗存在一定差異，兩者的波阻抗差異越大，模型越接近理論模型。實(shí)際工程中，由于包裹介質(zhì)不同的包裹厚度、配合比、強(qiáng)度、密實(shí)度等都會產(chǎn)生不同的波阻抗，對錨固段波速影響較大，檢測前應(yīng)做室內(nèi)模擬試驗(yàn)[4-5]。

3 室內(nèi)模擬試驗(yàn)

室內(nèi)模擬試驗(yàn)主要測定裸桿波速，同時(shí)率定儀器參數(shù)設(shè)置以及檢驗(yàn)儀器對錨桿缺陷位置及錨桿密實(shí)度判定的準(zhǔn)確性。中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所的劉明貴研究員等人[6-8]，利用自制的RSM智能儀器，做了大量的現(xiàn)場試驗(yàn)和理論研究，研制的錨桿無損檢測系統(tǒng)在三峽工程中得到應(yīng)用。本次模擬試驗(yàn)儀器采用的是RSM-RBT錨桿質(zhì)量檢測儀。

3.1 裸桿試驗(yàn)

選取1根長2.00 m的Ф25鋼筋進(jìn)行試驗(yàn)，桿體波速設(shè)定為5 150 m/s，試驗(yàn)采集6次，檢測結(jié)果見圖1。

由圖1可看出各波形桿底反射明顯，通過時(shí)域反射波法來確定錨桿長度。實(shí)測錨桿長度為2.00 m，與實(shí)際錨桿長度一致，且反射波波形有規(guī)律性衰減，說明設(shè)定的桿體波速合理，錨桿實(shí)際的傳播速度和理論值幾乎一致。

圖1 2.00 m長錨桿裸桿檢測曲線圖

3.2 室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)

制作4根鋼筋長1.60 m的Ф25鋼筋標(biāo)準(zhǔn)件，采用長1.50 mPVC管模擬孔道，灌入M20砂漿。標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)置為：①密實(shí)度100%完全錨固錨桿I，鋼筋外露0.16 m，管內(nèi)鋼筋長1.44 m。PVC管內(nèi)砂漿完全包裹密實(shí)；②密實(shí)度50%錨固錨桿II（中部缺陷0.70 m套軟管，距PVC頂端40 cm）。鋼筋外露0.18 m，管內(nèi)鋼筋長1.42 m。PVC管內(nèi)砂漿完全包裹密實(shí)；③密實(shí)度75%錨固錨桿III（中部缺陷0.33 m套軟管，距PVC頂端52 cm）。鋼筋外露0.20 m，管內(nèi)鋼筋長1.40 m。PVC管內(nèi)完成砂漿包裹密實(shí)；④密實(shí)度90%錨固錨桿IV（底端缺陷0.15 m套軟管）。鋼筋外露0.19 m，管內(nèi)鋼筋長1.41 m。PVC管內(nèi)完成砂漿包裹密實(shí)。標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)置具體情況見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)置表

7 d后對I ～ IV錨桿進(jìn)行檢測，檢測后的錨桿波形見圖2 ～ 8。

圖2 I號錨桿檢測曲線圖

圖3 II號錨桿檢測曲線圖

圖4 III號錨桿檢測曲線圖

圖5 IV號錨桿檢測曲線圖

從圖2 ～ 5可看出，I號錨桿波形規(guī)則，呈快速衰減，持續(xù)時(shí)間短，有較明顯的桿底反射。II號、III號、IV號錨桿分別距離桿頭0.80 ～ 1.50，1.00 ～ 1.30，1.25 ～ 1.40 m處均有明顯缺陷反射曲線，波峰也不按指數(shù)曲線衰減，同時(shí)桿底均出現(xiàn)較為明顯的桿底反射。

4根錨桿檢測波形圖中的缺陷位置及砂漿密實(shí)度檢測成果與桿件設(shè)置基本吻合，模擬效果較好。但4根錨桿桿系實(shí)測波速為3 900 ～ 4 300 m/s，與類似工程實(shí)際波速差異較大。分析認(rèn)為造成差異的主要原因?yàn)槟M桿件與工程實(shí)際錨桿的邊界條件不一致導(dǎo)致。本次模擬的桿件為直徑20 mmM20砂漿包裹的桿系，而實(shí)際工程錨桿桿系為砂漿及外圍巖土層膠結(jié)形成的密實(shí)半無限體，能較快的吸收能力和傳播速度，同時(shí)桿底反射不明顯。而模擬桿件砂漿包裹量有限且砂漿強(qiáng)度一般，桿系傳播速度較慢。另一方面，由于室內(nèi)條件限制，模擬桿件只有1.60 m，與現(xiàn)場錨桿實(shí)際長度4.50 m及錨固長度差距較大，對檢測帶來一定的影響。因此要通過現(xiàn)場試驗(yàn)來確定錨桿桿系波速。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

杭州市第二水源千島湖配水工程III類、IV類圍巖采用長4.50 m、直徑Ф25錨桿進(jìn)行錨固。在隧洞現(xiàn)場選取4根約4.50 m長錨桿進(jìn)行現(xiàn)場樣桿試驗(yàn)，檢測結(jié)果見圖6 ～ 9。

被檢4根錨桿都是密實(shí)度100%的密實(shí)桿，錨桿均呈指數(shù)快速衰減，桿底均無明顯的反射，實(shí)測波速為4 900，4 700，4 850，4 650 m/s?？梢娫摴こ倘軐?shí)桿波速不是定值，而有一定的波動范圍，數(shù)值為4 600 ～ 4 900 m/s。若不是密實(shí)桿，其波速值更小，結(jié)合室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)件試驗(yàn)成果分析，該工程錨桿錨固段波速分布在4 450 ～ 4 900 m/s。

分析室內(nèi)試桿跟現(xiàn)場試桿檢測波形圖不難發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)試桿有明顯的桿底反射，而現(xiàn)場試桿桿底均無明顯反射，同時(shí)室內(nèi)試桿收到多次反射曲線，而4根試桿只收到1次反射，試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了工程實(shí)際錨桿為砂漿及外圍巖土層膠結(jié)形成的密實(shí)半無限體，能較快的吸收能力和傳播速度，同時(shí)桿底反射不明顯的結(jié)論。

圖6 現(xiàn)場1#樣桿波檢測曲線圖

圖7 現(xiàn)場2#樣桿波檢測曲線圖

圖8 現(xiàn)場3#樣桿波檢測曲線圖

圖9 現(xiàn)場4#樣桿波檢測曲線圖

5 工程運(yùn)用

5.1 全密實(shí)錨桿檢測波形

結(jié)合上述4根試桿和現(xiàn)場1#密實(shí)桿檢測曲線（見圖10）、2#密實(shí)桿檢測曲線（見圖11），全密實(shí)桿波形均有規(guī)律地呈指數(shù)快速衰減，桿底均無明顯的反射或有一點(diǎn)微弱的反射。

圖10 現(xiàn)場1#密實(shí)桿檢測曲線圖

圖11 現(xiàn)場2#密實(shí)桿檢測曲線圖

5.2 不密實(shí)錨桿檢測波形

不密實(shí)錨桿波形基本規(guī)律，一般有清晰的桿底反射，不密實(shí)部位波形略有畸變，波峰波谷無明顯峰點(diǎn)，呈現(xiàn)扁片狀（見圖12 ～ 13）。

圖12 現(xiàn)場1#不密實(shí)桿檢測曲線圖

圖13 現(xiàn)場2#不密實(shí)桿檢測曲線圖

5.3 空漿缺陷錨桿

此類錨桿波形不規(guī)律，有清晰的桿底反射，在空漿位置波形畸變或反射明顯（見圖14 ～ 15）。

圖14 現(xiàn)場3#空漿缺陷桿檢測曲線圖

圖15 現(xiàn)場4#空漿缺陷桿檢測曲線圖

5.4 外露桿件過長錨桿

錨桿外露桿件過長或孔口不密實(shí)，則外露桿體桿底易形成多次強(qiáng)反射，干擾有效信號，影響有效信號識別、判斷（見圖16），不易分析錨桿實(shí)際桿長及缺位位置及大小。因此，現(xiàn)場檢測時(shí)盡量避免待檢錨桿外露過長，若有特殊要求，應(yīng)進(jìn)行同類型的錨桿模擬試驗(yàn)。

圖16 錨桿外露桿件過長檢測曲線圖

6 結(jié) 語

應(yīng)力波反射法的確能快速檢測錨桿錨固質(zhì)量，但由于錨桿桿底反射極不明顯，且波速分布有一定的范圍，一定要通過室內(nèi)、現(xiàn)場試桿試驗(yàn)，率定儀器參數(shù)，確定波速范圍，以免錨桿長度誤判。同時(shí)，盡量避免外露錨桿過長帶來的干擾。應(yīng)力波反射法對錨桿錨桿長度的判斷仍存在一定的不確定性，所以在施工過程中還必須加強(qiáng)施工工程的監(jiān)控，切不能全依賴檢測，而忽視施工過程的管理與監(jiān)督。