土層錨桿無損檢測試驗研究

劉鵬，趙天野

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部，北京 100040）

0 引言

錨桿設(shè)計的目的是通過錨桿將破碎或不穩(wěn)定巖體與牢固穩(wěn)定的巖體粘結(jié)在一起［1-2］，以提高整體穩(wěn)定性。在錨桿使用過程中，各部段所發(fā)揮的作用不盡相同，錨桿的外端和內(nèi)端中任意一端錨固質(zhì)量不合格將會導(dǎo)致錨桿失效。內(nèi)端錨固質(zhì)量不合格，錨桿就會因為無法固定而失效；而外端錨固質(zhì)量不合格，錨桿就會因為外端的錨固力小于破碎或不穩(wěn)定巖體的自重而導(dǎo)致巖體失穩(wěn)。

目前使用的錨桿錨固質(zhì)量檢測方法多為拉拔試驗，而拉拔試驗具有明顯的局限性，原因如下：當(dāng)錨桿長度（L）遠(yuǎn)大于鋼筋直徑（d）時，用拉拔試驗無法準(zhǔn)確判斷錨桿各部段的錨固質(zhì)量。同時，拉拔試驗對巖體影響較大且費(fèi)時費(fèi)力。因此，如何準(zhǔn)確檢測錨桿各部段的錨固質(zhì)量非常關(guān)鍵。

1 工程概況

北京朝陽站位于北京市朝陽區(qū)，臨近東四環(huán)路、東五環(huán)路、姚家園路等城市骨干道路。新建站房中心里程為JK12+914.600?；?xùn)|側(cè)采用“樁+3 道錨”的支護(hù)形式，圍護(hù)樁采用直徑0.8 m、間距1.5 m的鉆孔灌注樁。車道采用放坡的支護(hù)形式，放坡坡率為1∶1.077。局部深坑采用“放坡+樁錨”的支護(hù)形式，豎向采用2道錨索，錨索水平間距為1.5 m。

2 土層錨桿無損檢測試驗研究

2.1 原理與方法

2.1.1 工作原理

基于錨固體系的錨桿動力學(xué)和一維波動理論，試驗采用應(yīng)力波反射法檢測錨桿［3］。小擾動應(yīng)力波反射法示意見圖1。在錨桿外端利用力錘對錨桿端部施加1 個垂直于錨桿的小沖擊擾動力F（t），激發(fā)一道應(yīng)力波，再由速度檢波器或加速度傳感器接收由初始信號和錨桿桿身缺陷位置（或桿底）產(chǎn)生的反射信號組合的時程曲線（或稱為波形），最后結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料和施工記錄對曲線進(jìn)行分析，判斷錨桿的完整性。

圖1 小擾動應(yīng)力波反射法示意圖

2.1.2 理論依據(jù)與錨桿動力學(xué)

由于一般錨桿長度L遠(yuǎn)大于錨桿直徑D［4］，在分析錨桿的縱向振動時，可以假設(shè)錨桿材料是均勻的、各向同性的，可以把錨桿看成是一維彈性桿狀體。由于激發(fā)應(yīng)力波時錨桿的動力位移相對較小，且縱波波長遠(yuǎn)大于錨桿直徑D，故錨桿的橫向位移可以忽略不計，則錨桿的波動方程如下：

式中：u為軸向坐標(biāo)為x的質(zhì)點在時刻t沿x軸方向的位移；Vp為錨桿內(nèi)應(yīng)力波的傳播速度，m/s；E 為彈性模量，kPa；ρ為錨桿桿體密度，kg/m3。

2.1.3 錨桿錨固段長度

對錨桿施加垂直于錨桿的小沖擊擾動力F（t）從而激發(fā)應(yīng)力波時，錨桿體內(nèi)穩(wěn)定的應(yīng)力波將沿錨桿桿身傳播，當(dāng)應(yīng)力波遇到變阻抗截面時將發(fā)生反射和透射，由連續(xù)條件及動量守恒定率，可求得反射系數(shù)F和折射系數(shù)T分別為：

式中：n為廣義波阻抗比。

由式（2）、式（3）可知，固端反射信號與首波信號相位相反，底端反射信號與首波反射信號相位相同［5］。

分析加速度響應(yīng)曲線，設(shè)錨桿的固端反射時間為T1、底端反射時間為T2，自由錨桿應(yīng)力波波速為Vp，錨桿自由段長度為L1、錨固段長度為L2，則：

2.1.4 錨桿錨固質(zhì)量密實度

根據(jù)檢測結(jié)果對錨桿的注漿密實度m 進(jìn)行質(zhì)量評價，可將錨桿注漿密實度分為4 個等級：A 級：m＞90%，合格（優(yōu)良）；B 級：75%＜m＜90% ，合格；C級：50%＜m＜75%，不合格；D級：m＜50%，不合格（廢桿）。

注漿密實度計算如下：

式中：L′為錨桿的外露長度；L1為缺陷長度；L 為錨桿長度。

2.1.5 檢測方法

在錨桿側(cè)面將傳感器固定牢固，使用小鐵錘敲擊錨桿，通過檢波器拾取信號。保存重復(fù)3次以上的波形用于該錨桿的分析。

2.1.6 測試系統(tǒng)與儀器

測試系統(tǒng)（見圖2）采用動態(tài)測試分析儀、微型加速度傳感器、外端面垂直激振，以及非金屬超聲波檢測儀。儀器配置情況見表1。

圖2 測試系統(tǒng)

2.2 錨桿檢測及注意問題

在試驗儀器、試驗?zāi)Ｐ偷葴?zhǔn)備工作完成后，按照試驗計劃對試驗對象進(jìn)行檢測。對錨桿外露端的橫截面進(jìn)行相關(guān)處理，將其打磨平整并涂上耦合劑。試驗時還需要注意檢測參數(shù)的設(shè)置、傳感器的安裝、激振錘的選擇、現(xiàn)場試驗方法、試驗數(shù)據(jù)采集等方面。

表1 儀器配置

2.2.1 現(xiàn)場試驗方法

試驗時需要去除敲擊面的污垢等雜質(zhì)且敲擊面應(yīng)盡量平整、干燥，必要時可用打磨器將其打磨平整，且加速度測量計與錨頭之間需有1～3 mm 的黃油或橡膠做耦合劑，以減少噪聲對入射波和反射波信號的干擾。敲擊錨頭時，敲擊點與加速度測量計不宜靠得太近，盡量使作用力垂直于錨桿軸線，重復(fù)3～5次敲擊，選擇效果最好的脈沖信號進(jìn)行記錄。

由于手錘激發(fā)的應(yīng)力波脈沖信號寬度窄、反射信號很弱，因此選擇加速度測量計時應(yīng)盡量選用頻率和靈敏度較高的。在收集脈沖信號時，還應(yīng)采用線性放大、指數(shù)放大等信號增強(qiáng)技術(shù)以應(yīng)對反射波信號微弱的情況。

2.2.2 模型試驗數(shù)據(jù)采集

將傳感器貼在錨桿外露端不同的部位進(jìn)行反復(fù)試驗，避免因位置過遠(yuǎn)導(dǎo)致信號減弱。試驗時，需在每根錨桿的不同部位進(jìn)行多次敲擊，采集不少于4 條波形，并將采集的波形儲存為1次試驗結(jié)果。若波形圖的形態(tài)特征差別很小則說明此次試驗的重復(fù)性較好，反之則說明此次試驗的重復(fù)性較差或敲擊力度不均勻，應(yīng)重新測試。

為增加測試分析數(shù)據(jù)，每個試塊的超聲波波速測點采用2 對，3 個試塊為1 組，并取其平均值作為該組的超聲波速度。去除聲速偏差超過平均聲速±5%的數(shù)據(jù)，保證檢測結(jié)果的可靠性。

2.3 錨桿模型制作

試件尺寸為600 mm×600 mm×2 400 mm，錨桿橫截面尺寸見圖3。M-4、M-5 和M-6 號錨桿外包砂漿提前一天澆筑好。同時制作一定數(shù)量的水泥砂漿標(biāo)準(zhǔn)試塊，并同條件下養(yǎng)護(hù)。錨桿設(shè)計情況見表2。

圖3 錨桿橫截面尺寸

表2 錨桿設(shè)計情況

2.4 試驗數(shù)據(jù)分析

2.4.1 試件質(zhì)量檢測分析

錨桿頻域和時域曲線見圖4、圖5。根據(jù)實測曲線整理出的模型試件檢測結(jié)果見表3。

圖4 錨桿頻域曲線

圖5 錨桿時域曲線

表3 模型試件檢測結(jié)果

2.4.2 砂漿超聲波速度與強(qiáng)度的關(guān)系

在不同齡期下，將同條件養(yǎng)護(hù)的砂漿試件通過超聲波檢測儀測試其彈性波速的變化，同時將砂漿試件分批分組測得其抗壓強(qiáng)度（見圖6—圖10）。

圖6 超聲波法檢測砂漿試塊的波速

圖7 1∶3砂漿試塊不同齡期下彈性波速的變化

圖8 1∶3 砂漿試塊不同齡期下強(qiáng)度的變化

從圖7—圖10 曲線關(guān)系可以看出，隨著砂漿試件齡期的增長，其強(qiáng)度在不斷增大，在14 d 左右后趨于平緩，即強(qiáng)度基本趨于定值，這在彈性波速隨齡期變化中也充分體現(xiàn)。從試驗中得知，1∶2 砂漿試件的彈性波速為3 100～4 200 m/s，1∶3 砂漿試件為2 800～4 100 m/s。

圖9 1∶2砂漿試塊不同齡期下彈性波速的變化

圖10 1∶2砂漿試塊不同齡期下強(qiáng)度的變化

2.5 錨桿錨固系統(tǒng)信號處理及分析

分析完整錨桿和具有不同缺陷位置錨桿在不同齡期下的減速度響應(yīng)曲線可知，試驗中收集到的反射波脈沖信號很難準(zhǔn)確確定，這將直接影響應(yīng)力波波速的確定，對錨桿錨固質(zhì)量的判斷造成不小的困擾［6］，因此，在試驗中需要用到各種信號處理手段以便從加速度響應(yīng)曲線中找到明顯的底端反射信號，解決應(yīng)力波波速確定的問題，從而對錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

眾所周知，描述信號的主要參數(shù)是時間和頻率。傳統(tǒng)信號分析和處理的方法是廣義頻域濾波法，這種方法在對時域信號進(jìn)行分析時，對頻域信號的分析頻率為零而對時域信號的分析頻率為無窮大；在對頻域信號進(jìn)行分析時，對時域信號的分析頻率為零而對頻域信號的分析頻率為無窮大。因此傅立葉變換只適用于平穩(wěn)信號的研究。

一般的時頻分析方法，如循環(huán)統(tǒng)計量理論、調(diào)幅調(diào)頻信號分析等雖然解決了傅立葉變換不能同時分析時域信號和頻域信號的問題，但不能對時域信號和頻域信號進(jìn)行定量分析，不能確定缺陷位置和缺陷長度，無法達(dá)到檢測的最終目的，因此未能得到廣泛使用。

動態(tài)測試信號的時頻分析是指通過聯(lián)合函數(shù)來表達(dá)時域信號和頻域信號的特征，聯(lián)合函數(shù)能夠直觀地表達(dá)時域信號和頻域信號之間的變化關(guān)系，從而建立一種合理分布，能同時表示加速度響應(yīng)曲線在時域和頻域上的強(qiáng)度或能量，獲得具有期望的時頻分布特征的信號。由于錨桿錨固質(zhì)量檢測過程中所得到的信號都是離散的、非周期信號，無法用準(zhǔn)確的解析式來表達(dá)，因此，動態(tài)測試信號時頻分析法還不能實際應(yīng)用，但它卻為研究人員提供了思路。

在此，旨在解決底端反射較難確定的問題，以便由準(zhǔn)確的底端反射確定較準(zhǔn)確的波速，為準(zhǔn)確的錨桿錨固狀態(tài)判斷提供依據(jù)，故分別采用快速傅立葉變換和短時傅立葉變換，對完整錨桿的實測信號進(jìn)行分析處理。

3 結(jié)論

通過用黏土代替土層進(jìn)行錨桿室內(nèi)模擬試驗，測試并記錄完整錨桿和有不同缺陷的全長粘結(jié)型錨桿的波動特性，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，分析應(yīng)力波在完整和具有不同缺陷錨桿中傳播的差異，同時與實際模型設(shè)置數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗證錨桿錨固長度檢測和注漿密實度檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，并總結(jié)應(yīng)力波在不同錨桿中的傳播規(guī)律，進(jìn)一步研究探討錨桿的無損檢測技術(shù)。

（1）收集整理有關(guān)土層錨桿質(zhì)量檢測技術(shù)資料，分析目前土層錨桿質(zhì)量檢測技術(shù)的不足。

（2）試驗采用信號分析儀方法檢測錨桿錨固質(zhì)量，精度較高，檢測結(jié)果與模型基本吻合，表明該方法基本能滿足工程實際應(yīng)用要求。

（3）由于該試驗錨桿周圍模擬錨固介質(zhì)的黏土是人工夯實，隨機(jī)性較大，錨桿中應(yīng)力波的傳播速度會受到不同程度的影響。試驗中已錨固錨桿的波速，在砂漿中為3 800～4 200 m/s，在土中為1 400～2 000 m/s，未錨固的錨桿波度約為5 000 m/s，由此可見錨桿周圍介質(zhì)的種類對應(yīng)力波波速的影響較為明顯。

（4）對于M-1、M-2、M-3號錨桿，由于土與鋼筋粘結(jié)很不一致，對于波速確定、缺陷判斷增加了難度，對于M-4、M-5、M-6號錨桿，其原始記錄波形能較好地反映簡單、規(guī)則缺陷的位置。

（5）由于錨固介質(zhì)較軟，粘性阻尼明顯，對波的吸收較大，應(yīng)力波衰減明顯，故底部反射信號不明顯。