36003-锚杆锚固质量无损检测技术研究

1锚杆锚固锚杆锚固锚杆锚固锚杆锚固质量无损检测质量无损检测质量无损检测质量无损检测技术技术技术技术研究研究研究研究黄华林1，朱自强1，杨天春2，王齐仁3，鲁光银11中南大学信息物理工程学院(410083)2湖南大学土木工程学院(410082)3湖南科技大学土木工程学院(411201)E-mail:[e-mail]摘摘摘摘要要要要：：：：在隧道施工中，若围岩质量较差，往往采用大量锚杆的锚固支护方案。但隧道围岩的锚固属隐蔽工程，支护效果的评价一直是工程中迫切需要解决的技术问题。本文采用声波检测仪，应用声频应力波在不同波阻抗面反射的能量和相位的变化原理，对隧道的锚杆锚固质量进行了无损检测试验研究，并对检测技术进行了探讨。结果表明，应力波法对锚杆锚固质量的无损检测作为一种工程质量管理辅助手段，丰富了隧道围岩锚固质量检测手段，为隧道工程建设提供更好的质量保障。关键词关键词关键词关键词：：：：锚杆；无损检测；声频应力波；反射法1111．．．．引言引言引言引言锚喷支护从最初引进国内到现在，已在地下结构工程中得到了广泛的应用。特别是在较软弱、破碎的岩体中,它具有其它支护方式无可比拟的优越性。但隧道围岩的锚固属隐蔽工程，在施工过程中的管理和监督较为困难，且影响锚固系统质量的因素极其复杂，诸多因素如地质条件、施工技术等造成部分锚固系统存在不同程度的缺陷。锚固系统稳定性预测一旦失误，往往给工程带来不可估量的损失，因而需要检查它是否按设计预定的方式起作用。传统的检测方法“拉拔法”和“钻孔法”只能限于抽查，而且都是破坏性的、操作麻烦；而应力波反射法检测锚固系统,是综合分析和研究接收到的反射波，来对锚固系统的锚杆长度、注浆饱满度等指标进行综合判定，该方法以其无损、经济、快速、可靠等优点被广泛使用。2222．．．．检测基本原理检测基本原理检测基本原理检测基本原理2.1工作工作工作工作原理原理原理原理在隧道内锚杆、混凝土砂浆和围岩组成的系统中，密实状态下的锚固剂凝固后，密实度与锚杆杆体的密实度十分相近，在锚杆孔中，其与锚杆杆体紧密握裹，可近似为一个组合杆体。而锚杆与锚固剂的强度明显大于隧道围岩，故可把其组合体近似看作是嵌入围岩的一维杆状体。由锚杆端部发射的声频应力波经杆体向里传播,当遇到存在波阻抗差异的界面（如空洞、锚杆与砂浆等界面），将发生反射、透射或散射。在实际工程中透射波不易测得，但反射波可在其传至锚杆顶时，通过固定在锚杆顶部的传感器(加速度型或速度型)测得，由于2反射波携带锚固系统内的信息，将其放大、滤波和数据处理，识别来自不同部位的反射信息。根据这些反射信息，结合其他工程资料，可判断锚固系统不同部位的质量。超声波锚固系统无损检测原理示意图见图1。黑至白黑至白黑至白白至黑白至黑反射波入射波空洞锚杆砂浆图1锚固系统无损检测原理示意图2.2分析原理分析原理分析原理分析原理应力波法是基于一维杆件的波动理论。根据波在锚杆中传播的一维波动方程及波在上、下界面处质点位移的连续条件和力的平衡条件，得出：反射波应力irZZZZσσ112121+-=（1）透射波应力itZZAAZZσσ1))((2212121+=（2）反射系数2221112221112121AcAcAcAcZZZZRρρρρ+-=+-=（3）式中1111AcZρ=为锚杆与锚固剂组合杆体的波阻抗（杆体密实度1ρ，波速1c和杆体横断面积1A的乘积），2222AcZρ=为锚杆杆体的波阻抗。可以看出,在杆中截面面积或材料性质发生变化时,入射波将在该截面上发生反射和透射。其反射波和透射波幅值的大小与截面面积和波阻抗相对变化的程度有关。当锚杆、砂浆和围岩浇灌均匀、密实时,由于三者之间的波阻抗差异不大,因此有大部分能量透射出去,只有小部分能量反射回来。当砂浆浇灌不均匀、不密实时,则在砂浆中出现空隙,在空隙处呈现出强的波阻抗差异,反射波能量大大增强。通过分析反射波与入射波之间的能量关系,可以判断出锚杆、锚固系统的密实程度。同时,当应力波遇到锚固缺陷时,原有的振动发生变化,表现为在缺陷处产生了相位突变,因此可以通过分析反射波的相位变化位置判断出锚固缺陷的位置。从（3）式可以看出：1）当锚固系统沿锚杆轴向某处波阻抗Z减小，即111Acρ222Acρ，则R0，此时反射波相位与入射波相位相同。2）当锚固系统沿锚杆轴向某处波阻抗Z增大，即111Acρ222Acρ，则R0，此时反射波相位与入射波相位相反。3从实测的时域曲线中可以算出锚杆长度或缺陷位置(L)。L=Ct/2式中，C为纵向应力波平均波速；t为从激振开始到反射波至锚杆顶所需时间3．．．．工程实例分析工程实例分析工程实例分析工程实例分析3.1检测仪器检测仪器检测仪器检测仪器在邵（阳）—怀（化）高速公路某段隧道我们检测锚杆4000多根，经验证效果较好。针对隧道锚杆检测工作环境，我们采用的仪器为武汉岩海的RS-ST01C型非金属声波检测仪，震源采用岳阳奥成科技公司的HX-GMM-S45C型超磁致声波发射震源，其性能稳定、重复性好、余震小、发射能量大，且与武汉岩海RS-ST01C型数字声波仪兼容性较好。根据现场多次试验,检测锚杆长度在1.5～6.0m间选择l00Hz的加速度传感器比较合适。3.2不同质量锚固系统测试波形分析不同质量锚固系统测试波形分析不同质量锚固系统测试波形分析不同质量锚固系统测试波形分析按照技术规程及相关建设和设计方的补充要求,我们对邵（阳）—怀（化）高速公路部分隧道的锚杆进行了锚杆无损检测。检测过程中对发现的问题及时进行了补强；监理和施工单位进一步加强了对锚杆质量的针对性措施；委托方多次检查认为邵怀高速公路隧道的锚杆施工质量稳步提高,合格情况稳定。以下为几个典型时域波形与分析结果：3.2.1自由状态自由状态自由状态自由状态的锚杆的锚杆的锚杆的锚杆对一根锚杆在未知长度情况下进行测试，所测波形如图4。从图中可看出波形衰减程度很小，多次锚杆底端反射十分明显。测试长度为3.90m，和锚杆实际长度3.87m相差甚小，这证明了该方法测试锚杆长度的可靠性。图2自由锚杆的时域波形3.2.2锚固质量优的锚杆锚固质量优的锚杆锚固质量优的锚杆锚固质量优的锚杆图3是某隧道左墙离地4.0m高处锚杆所测波形，设计是2.50m，测得2.58m。从图中可以看出波在锚固质量优的锚固系统中衰减较快，且锚杆底端反射微弱，波形最后回归基线，说明注浆效果较好。经现场拉拔试验验证，实际长度是2.53m，抗拔力为40MPa，证明该锚固系统质量为优。4图3锚固质量优的锚杆的时域波形3.2.3333锚固质量中等的锚杆锚固质量中等的锚杆锚固质量中等的锚杆锚固质量中等的锚杆图4是某隧道右墙离地3.0m高处锚杆所测波形，设计是2.00m，测得1.95m。从图中可以看出波在锚固质量优的锚固系统中衰减慢，且锚杆底端反射明显，波形最后趋近基线，说明注浆效果一般，在离锚杆外端0.65和1.05处可见到波形有反射子波的叠加，可见该两处锚固效果不是很好。经现场拉拔试验验证，抗拔力约为30MPa，实际长度是1.97m，经综合判定该锚固系统质量为中等。图4锚固质量中等的锚杆的时域波形3.2.4444锚固质量差的锚杆锚固质量差的锚杆锚固质量差的锚杆锚固质量差的锚杆图5是某隧道右墙离地3.5m高处锚杆所测波形，设计是2.50m，测得2.45m。从图中可以看出，波在锚固质量差的锚固系统中衰减较慢，锚杆底端反射十分明显，波形变化规律和自由锚杆相似。经现场拉拔试验验证，抗拔力仅为10MPa，实际长度是2.47m，量测误差为0.02m，综合判定该系统锚固质量较差。图5锚固质量差的锚杆的时域波形图3．．．．结束语结束语结束语结束语本次检测解释结果经过现场拉拔试验验证，和实际情况基本吻合，达到了预期的效果，表明声频应力波反射法检测锚固系统质量具有一定的应用价值。随着高速公路的大量建设，隧道和边坡工程的锚杆质量检测技术迫切需要得到很好的解决。应力波法无损检测作为一种5工程质量管理辅助手段，现场操作简单，所需人力少、时间短，不影响工程进度，能为隧道工程建设提供更好的质量保障，相信在以后会得到广泛的应用。但检测的方法和理论还不是十分成熟，在今后工作中需作进一步研究。实际操作中影响效果的因素较多，应注意：1）测试前锚杆端头是否清理干净，检测时尽量减少噪音干扰，还有安装传感器的粘接剂不要弹性太好或太厚，以免影响测试信号。2）采集信号时选取效果较好的信号保存，所采集的较好信号应该是:a、多次采集的波形重复性好；b、波形光滑，不应含毛刺或振荡波形；c、波形最后趋近于基线。3）仪器和配套软件中对首波的判定应尽量准确。4）对于锚杆灌浆体内部孔洞、裂隙、“蜂窝”等缺陷的探测，可用声时、幅值、波形、频谱等参数综合起来作为判断的依据；把信号的能量特征与相位特征结合起来考虑，可使判断更为可靠，从而对锚杆长度及锚固状态作出综合而准确的判断。参考文献参考文献参考文献参考文献[1]陈仲候，王兴泰，杜世汉，《工程与环境物探教程》，地质出版社，1993。[2]徐攸在，《桩的动测新技术》(第二版)，北京：中国建筑工业出版社，2002。[3]王成,辉寿榕.应力波理论在动测锚杆锚固质量中的应用.地震工程与工程振动.200l-3[4]汪明武，王鹤龄，罗国煜,等.锚杆锚固质量无损检测的研究.工程地质学报,1999,7(1):72-76.ResearchonTunnelNondestructiveDetectionTechniqueofAnchorageQualityHuangHualin1ZhuZiqiang1YangTianchun2WangQiren3LuGuangyin11SchoolofInfoandPhysicsEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083;2SchoolofCivilEngineering,HunanUniversity,Changsha410083;3SchoolofCivilEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201Abstract：：：：Lotsoftreatmentplansofboltanchorageareadoptedintunnalengineering,whoserockallaroundisbad.Buttheanchorageoftunnel’srockisconcealmentengineering,thesolvingoffathereffect’sappraisementistechnologyproblemallthetimes,Inthispaper,theinstrumentofsoundwavedetectionisadopted,andthespecialacousticwaveemissionandreceiptapparatuscanbeadoptedtodetecttheanchoragequalityofboltbymeansofvariationprincipleofthereflectedenergyandphaseofaudio-frequencystresswaveonthedifferentwaveimpedancesurface.Throughtheapplicationofthedetectiontechniquetothistunnal,itshowsthat,asaassistantsupervisemeansinengineeringquality,6thestresswaveinnondestructivedetectionofanchoringqualityenrichdetectionmeansintunnel’sanchoragequality，anditprovidereliablesupportforthequalityoftunnelengineering。Keywords：：：：bolt；non