錨桿無損檢測技術(shù)及應(yīng)用

前言

　　錨桿作為支護系統(tǒng)的一個重要組成部分被廣泛地應(yīng)用于水電工程洞室及邊坡圍巖加固與支護中。根據(jù)圍巖的類別以及服務(wù)特點采用全長錨固錨桿、部分錨固錨桿以及端錨式錨桿對圍巖及邊坡進行加固。不同的錨桿甚至距離很近的錨桿中所承受的拉應(yīng)力由于錨固條件的不同而不同。即使是同一根錨桿由于開挖過程中應(yīng)力的重新分布錨桿的受力也會在服務(wù)期限內(nèi)發(fā)生改變。這些應(yīng)力的作用會造成錨桿位移甚至斷裂，大大減低了支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而且錨桿的安裝作業(yè)以及錨固工人的錨固技巧也影響錨桿中的預(yù)加應(yīng)力與錨固質(zhì)量。因此，非常有必要對錨固質(zhì)量、錨桿的完整性以及錨桿中的應(yīng)力狀態(tài)進行實時監(jiān)控。傳統(tǒng)的檢測方法是采用抗拉拔力作為檢測指標(biāo)，國內(nèi)外試驗研究表明：對于高強螺紋錨桿，當(dāng)錨固長度達到錨桿直徑的42倍時，握裹力不再隨著錨桿長度的增加而增加，并且無法判斷水泥砂漿灌注飽滿與否。并且傳統(tǒng)的拉拔方法費時又費力，而無損檢測錨桿方法能夠準確、快速、無破壞地檢測錨桿的質(zhì)量，因此錨桿無損檢測錨桿方法在很多工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　2錨桿無損檢測原理

　　當(dāng)工程錨桿為圓柱體且其直徑d 遠遠小于其長度L 時，可將錨桿視為一維彈性桿，可采用彈性波中的一維桿理論對錨桿進行分析。錨桿檢測的一維彈性波波動方程為：

　　式中：u 為錨桿體的彈性波振動質(zhì)點位移，V 為錨桿體的彈性波振動質(zhì)點傳播速度，E為錨桿體的彈性模量，A為錨桿體的橫截面積，c為錨桿體的彈性阻尼系數(shù)，K為錨桿體的剛度系數(shù)。

　　在錨桿、水泥砂漿和圍巖組成的體系中，從錨桿端部發(fā)射的應(yīng)力波，經(jīng)錨桿向四周傳播，在錨桿與砂漿、砂漿與圍巖之間的界面發(fā)生復(fù)雜的反射和透射及能量衰減。通過對錨固體系的簡化模型――變截面桿的研究可知：

　　當(dāng)桿中某一截面面積或材料性質(zhì)發(fā)生改變時，入射波將在該截面處發(fā)生反射和透射，其反射和透射波的大小與截面面積和波阻抗相對變化的程度有關(guān)。錨桿、砂漿和圍巖三者之間澆灌均勻密實時，應(yīng)力波的能量大部分透射到圍巖體中，只有小部分能量反射回來，且反射信號極有規(guī)律。當(dāng)砂漿澆灌不均勻、不密實時，在砂漿中出現(xiàn)空腔，空腔處將出現(xiàn)不同程度的波阻抗變化面。其表明在原有的信號中迭加了強度不同的反射信號，或在不應(yīng)出現(xiàn)反射波處存在反射信號，根據(jù)反射波位置和反射信號的強弱，可以確定出錨桿錨固質(zhì)量并為其分級。

　　由一維彈性桿的波動理論可推導(dǎo)出反射系數(shù) Kr和透射系數(shù)Kt：

　　Kr=（Z1-Z2）/（Z1+Z2）                    （4）

　　Kt=Z1Z2/（Z1+Z2）                      （5）

　　由式4可知，當(dāng)彈性波由波阻抗較大的物質(zhì)，進入到波阻抗較小的物質(zhì)時（空漿、欠密實帶），在其分界面上會發(fā)生反射，其反射波和入射波相位相同，反之，當(dāng)彈性波由波阻抗較小的物質(zhì)，進入到波阻抗較大的物質(zhì)時，在其分界面上也會發(fā)生反射，其反射波和入射波相位相反。

　　由式5可知，Kt恒為正值，即透射波永遠和入射波相位相同。

　　由桿端發(fā)射的聲波向桿底傳播，到錨固缺陷（砂漿欠密實或空漿等）位置和桿底時，由于該處截面的面積或材料性質(zhì)改變而導(dǎo)致波阻抗發(fā)生變化，入射波將在該截面上發(fā)生反射和透射，表現(xiàn)為在原有的信號波形上迭加了一個反射波信號，其反射波和透射波幅值的大小與波阻抗相對變化的程度有關(guān)。同樣是缺陷，但空漿處的反射波幅值一定會大于砂漿欠密實處的反射波幅值，也大于一般裂縫的發(fā)射波幅值;錨桿的注漿密實度跟錨桿與砂漿、砂漿與圍巖的接觸以及砂漿的膠結(jié)程度有關(guān)。分析波形特征、頻譜特征、衰減特征等，可以分析錨桿注漿密實度。一般情況下，注漿密實度越好，所測的波形就規(guī)則、反射雜波少、頻率較高且集中，相應(yīng)的振幅小、衰減快;反之，注漿密實度差的錨桿，所測得的波形比較復(fù)雜，反射雜波多，頻率較低且分散，振幅大且衰減慢，據(jù)此可推斷錨桿是否存在注漿欠密實或空漿等情況。反射波回來被傳感器接收，由儀器所記錄的回聲時間可按照下式計算出缺陷的位置和錨桿長度;

　　L=vt/2                              （6）

　　上示中，L為桿端到桿底或錨固缺陷處的距離，v為彈性波在錨桿中的傳播速度，t為回聲反射時間。

　　3應(yīng)用

　　四川某水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河流域水電梯級近期開發(fā)的大型水電站工程之一。壩址處控制流域面積55880km2，多年平均流量821m3/s.初擬正常蓄水位1690m，庫容約10.4億m3，最大壩高241m，裝機容量2600MW。

　　導(dǎo)流洞位于大渡河右岸，我公司承擔(dān)了導(dǎo)流洞錨桿無損檢測任務(wù)。設(shè)計錨桿數(shù)為30696根，檢測錨桿數(shù)為2106 根，抽檢比例為6.86%，其中1998 根錨固質(zhì)量為合格，108 根錨固質(zhì)量為不合格，合格率為94.9%。 　　3.1錨桿波速測定

　　這里所說的錨桿，是鋼筋和砂漿的綜合體。錨桿波速取值是否正確，直接關(guān)系到錨桿長度和注漿密實度判斷解釋是否準確，因此正確確定錨桿波速值在整個錨桿無損檢測中是相當(dāng)關(guān)鍵的一步。

　　3.1.1鋼筋波速值測定

　　某電站導(dǎo)流洞錨桿支護中，在不同部位、不同地質(zhì)條件下，錨桿的設(shè)計長度、鋼筋直徑各不相同。錨桿設(shè)計長度有4.5m、6.0m、9.0m等，錨桿鋼筋直徑為25mm、28mm、32mm 的螺紋鋼筋。鋼筋波速值是在現(xiàn)場采用反射波法進行測定，波速計算公式如下：

　　V = 2L/（T1- T0）             （7）

　　式中，V為反射波波速;L 為錨桿長度;T1為反射波到達時間;T0 為儀器系統(tǒng)延時時間。

　　測試結(jié)果表明：

　?。?）鋼筋長度（4.5～9m）對波速的影響較小，可忽略不計;

　?。?）鋼筋直徑對波速有一定影響，直徑越大、波速越高，但對錨桿所用的直徑為22mm、25mm、28mm、32mm 四種規(guī)格螺紋鋼的波速影響不大，波速在5150～5250m/ s。

　　3.1.2 錨桿波速測定

　　用PVC 管針對不同直徑、不同長度制作模擬錨桿，然后作測試，確定錨桿系的波速。波速測定同樣采用直達波法，波速亦按式（6）計算。

　　測試結(jié)果表明：

　?。?）注漿密度度較好的錨桿，波速一般在4300m/ s左右;

　?。?）砂漿質(zhì)量對錨桿波速有一定的影響，砂漿質(zhì)量越好錨桿波速越高;

　?。?）注漿密度度對錨桿波速有一定的影響，密實度越低錨桿波速越高。

　　3.2錨桿長度計算

　　根據(jù)波形讀取錨桿底部反射時間，再根據(jù)反射時間計算錨桿長度，可用式（6）來計算。

　　3.3錨桿注漿密實度計算

　　根據(jù)在不同激發(fā)、接收條件下得到的多條波形曲線，進行綜合的定性分析，確定錨桿注漿的缺陷類型。在確定了錨桿注漿缺陷類型之后，根據(jù)其缺陷段反射波的旅行時間來計算其所處的位置和缺陷段長度，并用下式計算注漿密實度。

　?。?）錨桿飽滿度進行定量評價時，可用有效長度法計算錨桿飽滿度。

　　式中：D――錨桿飽滿度;Lr――錨桿設(shè)計錨固段長度，m;Lx――錨桿缺陷段累計長度，m。

　?。?）除孔口段缺漿而深部密實外，也可依據(jù)反射波能量法計算錨桿飽滿度：

　　式中：β――錨桿聲波波動能量修正系數(shù);η――錨桿聲波波動能量反射系數(shù);Er――錨桿反射波波動總能量，N.m;Eo――錨桿入射波波動總能量，N.m;Es――錨桿波動總能量，N.m。

　　3.4典型錨桿曲線及分析

　?。?）密實度較好錨桿

　　圖1為某水電站導(dǎo)流洞邊墻錨桿，設(shè)計參數(shù)：Φ32，L=9.0m。測試結(jié)果為：該錨桿外露長度為0.3m，實測長度8.9m，錨固長度8.6m，基本密實，密實度91%（能量法為91%）（樁底反射較弱）。

　　圖1  邊墻k0+236m錨桿實測曲線

　　圖2為某水電站導(dǎo)流洞出水口洞臉處錨桿，設(shè)計參數(shù)：Φ32，L=4.5m。測試結(jié)果為：該錨桿外露長度為0.2m，實測長度4.5m，錨固長度4.3m，基本密實，密實度95%（能量法為95%）（樁底反射較弱）。

　　圖2  出口洞臉錨桿實測曲線

　　（2）全段空漿錨桿

　　圖3為某水電站導(dǎo)流洞邊墻錨桿，設(shè)計參數(shù)：Φ32，L=4.5m。測試結(jié)果為：該錨桿外露長度為0.4m，實測長度4.5m，錨固長度4.1m，0.8～4.5m處空漿，密實度小于50%（能量法為50%）（樁底反射強）。

　　圖3  邊墻k0+514m錨桿實測曲線

　?。?）前段空降錨桿

　　圖4為某水電站導(dǎo)流洞出口洞臉處錨桿，設(shè)計參數(shù)：Φ32，L=9.0m。測試結(jié)果為：該錨桿外露長度為0.5m，測試長度9.0m，1.0～2.4m處空漿，密實度為80%（樁底反射不明顯）。

　　圖4  出口洞臉錨桿實測曲線

　　圖5為某水電站導(dǎo)流洞邊墻錨桿，設(shè)計參數(shù)：Φ25，L=4.5m。測試結(jié)果為：該錨桿外露長度為0.5m，測試長度2.2m，0.8～2.2m處空漿，密實度小于50%（樁底反射明顯）。

　　圖5  邊墻k0+514m錨桿實測曲線

　?。?）掛筋

　　圖6為某水電站導(dǎo)流洞邊墻掛筋，設(shè)計參數(shù)：Φ25，L=1.0m。測試結(jié)果為：該錨桿外露長度為0.5m，測試長度1.0m，0.6～1.0m處空漿，密實度小于50%（樁底反射不明顯）。

　　結(jié)束語

　　通過對某水電站導(dǎo)流洞錨桿無損檢測，檢測結(jié)果反映了實際施工質(zhì)量情況，幫助業(yè)主了解、控制錨桿施工質(zhì)量。目前錨桿無損檢測技術(shù)已成為控制錨桿施工質(zhì)量不可缺少的重要方法，是錨桿施工質(zhì)量評價和驗收的標(biāo)準之一。