中空注漿錨桿的動(dòng)力響應(yīng)特征及質(zhì)量評(píng)價(jià)研究*

蔡俊華，盧偉平，閆小波

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.三明市交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建 三明 365000；3.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350100)

0 引言

錨桿作為錨噴結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，在各類隧道及基坑工程中都是重要的建筑材料。以福建莆炎高速公路三明尤溪中仙段西華隧道為例，V級(jí)圍巖段每延米中空錨桿的長(zhǎng)度達(dá)80.25m，IV級(jí)圍巖段每延米砂漿錨桿的質(zhì)量達(dá)126.65kg。但在現(xiàn)場(chǎng)施工中，錨桿特別是拱頂部位的中空注漿錨桿，施工工序相對(duì)繁多，注漿量經(jīng)常達(dá)不到要求或長(zhǎng)度不足，不能深入基巖，嚴(yán)重影響其工作性能。對(duì)于公路隧道及建筑基坑的錨桿檢測(cè)，目前主要采取抗拉拔試驗(yàn)進(jìn)行抽檢。拉拔試驗(yàn)本身是破壞性，同時(shí)出于設(shè)備操作的限制，檢測(cè)人員多選擇邊墻部位的錨桿，因此存在較大局限性[1-3]。

通過聲波進(jìn)行錨桿無損檢測(cè)的效果已被實(shí)踐證明，但仍有許多技術(shù)問題需進(jìn)一步探討。不少工程技術(shù)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，對(duì)如何基于錨桿動(dòng)力響應(yīng)判斷檢測(cè)結(jié)果展開深入研究。李國(guó)斌[4]在基于聲波反射法測(cè)試的基礎(chǔ)上，結(jié)合模擬試驗(yàn)，對(duì)不同長(zhǎng)度的中空錨桿進(jìn)行試驗(yàn)研究，進(jìn)而有效判定中空錨桿長(zhǎng)度。李義等[5-6]通過試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)錨桿中傳播的應(yīng)力波波速在固結(jié)段減小現(xiàn)象，提出固結(jié)波的概念和錨固狀態(tài)綜合參數(shù)動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)方法。許明等[7]采用瞬態(tài)激振測(cè)定錨桿的振動(dòng)響應(yīng)來估計(jì)和推斷錨桿的完整性，并基于小波包分析得到能量特征向量，作為缺陷特征向量進(jìn)行無損檢測(cè)。李維樹等[8]通過錨桿邊界條件突變進(jìn)而引起的相位變化，根據(jù)波形中反射相位的相鄰點(diǎn)計(jì)算空漿或不密實(shí)的位置及長(zhǎng)短來判斷密實(shí)性狀。Beard等[9]利用導(dǎo)向超聲波對(duì)錨桿進(jìn)行檢測(cè)，綜合考慮了圍巖巖石模量、環(huán)氧層模量及厚度、錨固質(zhì)量等因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

綜上所述，針對(duì)普通砂漿錨桿的動(dòng)力檢測(cè)的相關(guān)研究成果較為豐富，而針對(duì)中空錨桿水泥漿齡期影響的相關(guān)研究仍較少見。本文在基于中空注漿錨桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，從固結(jié)波速和衰減系數(shù)2個(gè)方向探討了水泥漿齡期對(duì)中空注漿錨桿動(dòng)力檢測(cè)效果的影響。

1 基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的中空錨桿動(dòng)力試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)選擇廣東梅大高速公路項(xiàng)目11標(biāo)段楊公坑隧道，后期在福建莆炎高速公路三明尤溪中仙段西華隧道進(jìn)行了補(bǔ)充檢測(cè)。中空錨桿均設(shè)計(jì)在V級(jí)圍巖段，錨桿直徑25mm，長(zhǎng)3.5m，環(huán)向、縱向間距均為1.0m。中空錨桿桿體采用Q345鋼，外熱鍍鋅層厚度≥0.061mm(3點(diǎn)平均)；錨桿成孔直徑為50mm，初噴混凝土完成后進(jìn)行正反循環(huán)注漿，水泥砂漿(強(qiáng)度不低于M20)水灰比為0.4～0.5、砂灰比為0～1、砂子直徑<1mm。錨桿墊板與噴射混凝土層緊密密貼，砂漿凝固前不得加力。

1.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)儀器布置如圖1所示。在中空注漿錨桿外露端激振，產(chǎn)生的彈性應(yīng)力波信號(hào)沿錨桿桿體傳播，當(dāng)鋼筋周圍或底端介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)(砂漿不飽滿或空漿)，將產(chǎn)生反射信號(hào)。同時(shí)，當(dāng)應(yīng)力波遇到錨固缺陷時(shí)，原有的振動(dòng)信號(hào)將產(chǎn)生相位突變，可通過分析其變化判斷錨固缺陷位置，也可通過波形讀取行波的波長(zhǎng)、波速及振幅并計(jì)算出衰減系數(shù)，判斷錨桿的注漿飽滿度。同時(shí)，參照標(biāo)定試驗(yàn)，選取錨固系統(tǒng)的波阻抗、動(dòng)剛度等參數(shù)來判斷錨桿長(zhǎng)度和砂漿飽滿度。

圖1 錨桿應(yīng)力波法質(zhì)量無損檢測(cè)示意

1.2 試驗(yàn)方案

針對(duì)中空錨桿的結(jié)構(gòu)特征，選取不同水泥漿液凝固時(shí)間的錨桿進(jìn)行動(dòng)力測(cè)試。不同齡期水泥漿將改變錨固體的波阻抗或單位動(dòng)剛度，從而可得到不同波形。再對(duì)固結(jié)波速、衰減系數(shù)等行波參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出表征檢測(cè)結(jié)果的動(dòng)力響應(yīng)特性。

檢測(cè)試驗(yàn)在同一隧道鄰近部位設(shè)置4組，每組3根錨桿，按不同的砂漿凝結(jié)時(shí)間檢測(cè)5次。根據(jù)GB 175—1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》中對(duì)硅酸鹽水泥的主要凝結(jié)時(shí)間，選擇6，45min，10h及3，7d共5個(gè)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)選擇在西華隧道K158+610—K158+645段邊墻部位。錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為3.5m，直徑為25mm，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 不同水泥漿齡期錨桿檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1水泥漿齡期對(duì)固結(jié)波速的影響

根據(jù)波形頂?shù)锥朔瓷湫盘?hào)間的時(shí)域差(首波的來回時(shí)程)對(duì)3根錨桿的固結(jié)波速進(jìn)行計(jì)算，繪制數(shù)據(jù)相對(duì)完整的1，2，3號(hào)錨桿的固結(jié)波速隨齡期變化趨勢(shì)曲線，如圖2所示。

圖2 中空注漿錨桿固結(jié)波速隨水泥漿齡期變化曲線

由圖2可知，當(dāng)水泥漿齡期在10h(lnt=2.3)內(nèi)時(shí)，錨桿的固結(jié)波速變化范圍較小，其值在3 962～4 100m/s，其中3號(hào)錨桿的波速略呈下降，最小值3 962m/s。這是由于水泥漿在初凝齡期內(nèi)，中空錨桿的密實(shí)度及強(qiáng)度較小，并使固結(jié)波速略微減小。隨水泥漿齡期的增加，中空注漿錨桿的密實(shí)度、強(qiáng)度不斷提高，固結(jié)波速也不斷在增大，在7d時(shí)達(dá)到最大為4 560m/s，固結(jié)波速的變化總體上為先下降后呈指數(shù)式增長(zhǎng)趨勢(shì)。

1.3.2水泥漿齡期對(duì)衰減系數(shù)的影響

考慮齡期對(duì)衰減系數(shù)的影響，衰減系數(shù)反映了水泥漿對(duì)應(yīng)力波能量的吸收情況，衰減系數(shù)較大時(shí)，能量吸收較多，對(duì)應(yīng)的桿側(cè)阻尼較大，側(cè)向剛度較??；反之，衰減系數(shù)較小時(shí)，能量吸收較少，則桿側(cè)阻尼較小，側(cè)向剛度較大。繪制1，2，3號(hào)錨桿的衰減系數(shù)隨齡期變化趨勢(shì)曲線，如圖3所示。

由圖3可知，在注漿后，因錨桿內(nèi)外漿體處于流塑狀態(tài)，整個(gè)錨固結(jié)合體的阻尼小，能量吸收弱，故其衰減系數(shù)值變??；隨著齡期增長(zhǎng)造成水泥漿對(duì)錨桿體耦合作用加強(qiáng)，水泥漿與錨桿結(jié)合體的阻尼增大，能量的吸收增強(qiáng)，衰減系數(shù)增大。3根錨桿的衰減系數(shù)變化趨勢(shì)均為先下降后上升并逐漸趨于穩(wěn)定。最終達(dá)到水泥漿齡期7d時(shí)，3根錨桿的衰減系數(shù)分別為0.397，0.429，0.413，能量衰減較強(qiáng)烈。齡期7d的注漿狀態(tài)為密實(shí)，在判斷中空錨桿注漿密實(shí)等級(jí)時(shí)，上述衰減系數(shù)值可作為錨固等級(jí)評(píng)價(jià)的依據(jù)。

2 基于數(shù)值模擬的中空錨桿動(dòng)力響應(yīng)

為便于與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果比照驗(yàn)證，通過FLAC3D數(shù)值平臺(tái)對(duì)錨桿動(dòng)態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析水泥漿齡期變化對(duì)固結(jié)波速、衰減系數(shù)等行波參數(shù)的影響。

2.1 錨固體系模型建立

2.1.1幾何尺寸

建立中空注漿錨桿的計(jì)算模型，各構(gòu)件的具體尺寸如下：錨桿長(zhǎng)度為3.0m、直徑為25mm、壁厚為5mm，圍巖上的錨桿孔直徑為50mm，水泥砂漿錨固(劑)體的內(nèi)外徑分別為25，50mm，底部圍巖沿桿軸線方向上的長(zhǎng)度為50cm。其中，外部邊界縱橫向尺寸的確定如下：根據(jù)水泥砂漿錨桿的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可計(jì)算得振動(dòng)波波長(zhǎng)約為1.30m作為波長(zhǎng)，因此確立了錨桿中心到縱橫向邊界上的距離取半波長(zhǎng)0.60m。根據(jù)網(wǎng)格劃分原則，在能達(dá)到應(yīng)有計(jì)算精度的前提下，盡量減小單元數(shù)量，實(shí)際建立的典型錨固體系模型如圖4所示。

圖4 中空注漿錨桿動(dòng)力計(jì)算三維模型

2.1.2接觸面設(shè)置

在巖土體模擬中，接觸面定義尤為關(guān)鍵，其將直接影響模擬結(jié)果準(zhǔn)確性及精度。故將中空錨桿砂漿與圍巖的接觸平面定義為接觸面1，砂漿與底部圍巖的平面接觸定義為接觸面2，砂漿與錨桿間柱面接觸定義為接觸面3，以模擬它們之間的相互作用。具體的三維模型如圖5所示。

圖5 中空注漿錨桿動(dòng)力計(jì)算模型的接觸面設(shè)置

2.1.3計(jì)算參數(shù)

Ⅴ級(jí)圍巖的材料單元設(shè)置為莫爾-庫(kù)侖模型，參數(shù)的選取依據(jù)楊公坑隧道地質(zhì)勘察報(bào)告，具體數(shù)值如表2所示，其中E，ν為材料彈性模量和泊松比，c，φ分別為土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，γ為材料重度。

表2 圍巖與錨桿的物性參數(shù)

圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的耦合作用可通過接觸面關(guān)系模擬。各力學(xué)參數(shù)的取值不僅與支護(hù)結(jié)構(gòu)幾何性質(zhì)及材料性質(zhì)有關(guān)，更與接觸圍巖的土層分布及土層性質(zhì)密切相關(guān)。參考楊公坑隧道地質(zhì)勘察報(bào)告，各參數(shù)取值如表3所示，其中cs_nk和cs_sk分別表示法向和剪切耦合彈簧單位面積上剛度。

表3 圍巖-砂漿接觸面的物性參數(shù) (GPa·m-1)

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

試驗(yàn)工況同現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，模擬不同水泥漿齡期對(duì)中空注漿錨桿的固結(jié)波速及衰減系數(shù)的影響。

2.2.1水泥漿齡期對(duì)固結(jié)波速的影響

根據(jù)底端反射信號(hào)的聲時(shí)差對(duì)各錨桿的固結(jié)波速進(jìn)行計(jì)算，繪制固結(jié)波速隨水泥漿凝結(jié)對(duì)數(shù)時(shí)間關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 中空注漿錨桿固結(jié)波速隨水泥漿齡期變化曲線

由圖6可看出，當(dāng)水泥漿齡期在10h(lnt=2.3)以內(nèi)時(shí)，錨桿的固結(jié)波速變化范圍較小，其值在3 965～4 200m/s，這是由于水泥漿在初凝齡期內(nèi)，中空錨桿的密實(shí)度及強(qiáng)度較小，并使固結(jié)波速略微減小。隨水泥漿齡期的增加，中空注漿錨桿的密實(shí)度、強(qiáng)度不斷提高，固結(jié)波速也不斷在增大，在7d時(shí)達(dá)到最大為4 481m/s，固結(jié)波速的變化總體上先下降后上升呈指數(shù)式增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.2.2水泥漿齡期對(duì)衰減系數(shù)的影響

根據(jù)波形各峰值對(duì)應(yīng)的聲時(shí)計(jì)算出波長(zhǎng)，再由波長(zhǎng)求出各齡期對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù)。繪制其衰減系數(shù)變化規(guī)律曲線，如圖7所示。由圖7可知，中空注漿錨桿的衰減系數(shù)隨水泥漿齡期增加，其變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相同，均為先下降后上升并逐漸趨于穩(wěn)定。設(shè)計(jì)7d齡期錨桿的注漿狀態(tài)為密實(shí)，故在判斷中空錨桿注漿密實(shí)等級(jí)時(shí)，上述7d齡期的衰減系數(shù)值可作為評(píng)價(jià)依據(jù)。

圖7 中空注漿錨桿衰減系數(shù)隨水泥漿齡期變化曲線

3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比研究

3.1 固結(jié)波速的對(duì)比

為驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)固結(jié)波速精確性，將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬中固結(jié)波速隨水泥漿齡期的變化規(guī)律共同繪制于圖8中。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬中固結(jié)波速隨水泥漿齡期的變化曲線

由圖8可知，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬規(guī)律一致，其固結(jié)波速隨水泥漿齡期增加的變化趨勢(shì)均為先減小再增大；其不同之處在于，數(shù)值模擬中其固結(jié)波速陡增時(shí)，其水泥漿齡期為10h(lnt=2.3)，而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)則為72h(lnt=4.28)，這是由于數(shù)值模擬較現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)理想化，當(dāng)水泥漿齡期為10h時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)z結(jié)效果較差，水泥漿仍處于流塑狀態(tài)；但7d后，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相近，表明當(dāng)水泥漿齡期達(dá)到7d后，其固結(jié)波速將處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 衰減系數(shù)的對(duì)比

為驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)衰減系數(shù)精確性，將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬中衰減系數(shù)隨水泥漿齡期的變化規(guī)律共同繪制于圖9中。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬中衰減系數(shù)隨水泥漿齡期的變化曲線

由圖9可知，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的衰減系數(shù)隨水泥漿齡期增加的變化規(guī)律基本一致，其變化趨勢(shì)均為先減小再增大；相異之處在于，其衰減系數(shù)陡降時(shí)，數(shù)值模擬中水泥漿齡期為10h(lnt=2.3)，而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)則為72h(lnt=4.28)，與3.1節(jié)固結(jié)波速結(jié)論對(duì)應(yīng)。當(dāng)水泥漿齡期為10h時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)z結(jié)效果較差，水泥漿仍處于流塑狀態(tài)，阻尼小，能量吸收弱；但7d后，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果相近，表明當(dāng)水泥漿齡期達(dá)到7d后，其衰減系數(shù)將處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在水泥漿不同齡期的作用下，錨固體系的固結(jié)波速和衰減系數(shù)均有一個(gè)先減小后增大趨勢(shì)，可見注漿齡期對(duì)動(dòng)力響應(yīng)有顯著影響，得到的固結(jié)波速和衰減系數(shù)可作為檢測(cè)時(shí)的參照依據(jù)。

2)在錨桿周圍砂漿密實(shí)情況下，中空注漿錨桿的衰減系數(shù)在0.34～0.42。在初凝(45min)時(shí)，中空注漿錨桿的衰減系數(shù)最小；在7d齡期時(shí)，中空注漿錨桿的衰減系數(shù)最大。隨齡期增長(zhǎng)，中空注漿錨桿的衰減系數(shù)變化呈先下降后上升的指數(shù)式增長(zhǎng)趨勢(shì)，可作為評(píng)判錨固體系密實(shí)度的依據(jù)。

3)中空注漿錨桿不同水泥漿齡期對(duì)應(yīng)的固結(jié)波速和衰減系數(shù)差別較大，為了對(duì)中空錨桿錨固長(zhǎng)度和注漿飽滿度進(jìn)行有效判斷，建議在注漿7d后對(duì)中空注漿錨桿作檢測(cè)。