摘要：采用聲頻應(yīng)力波法對(duì)金沙江溪洛渡水電站工程錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行無損檢測(cè)，對(duì)水泥砂漿的飽和度、缺陷位置和錨桿的實(shí)際長(zhǎng)度均能準(zhǔn)確判斷，取得了良好的檢測(cè)效果，為工程建設(shè)提供了更好的質(zhì)量保障，同時(shí)也為如何應(yīng)用無損檢測(cè)技術(shù)快速檢測(cè)錨桿錨固質(zhì)量，提供了可借鑒的方法與經(jīng)驗(yàn)。
1概述
錨桿支護(hù)被廣泛應(yīng)用在高邊坡護(hù)理、地下洞室及隧道支護(hù)等工程，錨桿的施工質(zhì)量直接影響著邊坡或洞室的安全穩(wěn)定。錨桿支護(hù)是通過錨入圍巖內(nèi)部的錨桿改變圍巖本身的力學(xué)狀態(tài)，將圍巖中一定范圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)由單向（或雙向）受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴軌?，從而提高其環(huán)向抗壓強(qiáng)度，使壓縮帶既可承受其自身重量，又可承受一定的外部載荷，使其有效地控制圍巖變形。
錨桿施工屬于隱蔽工程，全長(zhǎng)粘結(jié)砂漿錨桿握裹水泥砂漿的灌注飽滿與否是錨桿能否按設(shè)計(jì)要求起作用的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的錨桿錨固質(zhì)量主要通過設(shè)計(jì)、施工、試驗(yàn)和驗(yàn)收等過程進(jìn)行控制。試驗(yàn)主要是進(jìn)行材料試驗(yàn)和錨桿抗拔力試驗(yàn)。據(jù)有關(guān)研究結(jié)果表明，當(dāng)錨桿握裹長(zhǎng)度達(dá)到42倍錨桿直徑時(shí)，其握裹力已達(dá)到錨桿材質(zhì)極限抗拉強(qiáng)度，握裹力不再隨錨桿長(zhǎng)度的增加而增加。金沙江溪洛渡水電站工程錨桿的長(zhǎng)徑比達(dá)到了180~375，因此錨桿拉拔力試驗(yàn)無法全面、客觀地反映錨桿整體施工質(zhì)量狀況，特別是難以反映錨桿的錨固密實(shí)度。采用聲頻應(yīng)力波對(duì)錨桿的錨固質(zhì)量進(jìn)行無損檢測(cè)，能夠?qū)﹀^桿的錨固質(zhì)量作出較全面的評(píng)價(jià)[1]。本文結(jié)合金沙江溪洛渡水電站天然邊坡處理工程錨桿錨固質(zhì)量無損檢測(cè)結(jié)果，探索了聲波錨桿無損檢測(cè)技術(shù)的可行性，同時(shí)也為如何應(yīng)用無損檢測(cè)技術(shù)快速檢測(cè)錨桿錨固質(zhì)量，提供了可借鑒的方法與經(jīng)驗(yàn)。
2檢測(cè)原理
當(dāng)工程錨桿構(gòu)件的尺寸為圓柱體且其直徑d遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度L時(shí)，即L﹥﹥d，加之錨固體中的彈性波傳播速度遠(yuǎn)大于其圍巖（或土體）的波速，所以錨桿可以作為一維桿件的波動(dòng)理論分析處理。錨桿中傳播的一維彈性波動(dòng)方程可以表示為：
式中，u為截面的縱向位移；x、t為空間、時(shí)間坐標(biāo)；γ為錨桿周圍介質(zhì)的阻尼系數(shù)；S、E分別表示錨桿的截面積及錨桿材料的彈性模量；C為錨桿的縱波波速；，ρ為錨桿材料的質(zhì)量密度。在小阻尼情況下，式（1）的解可近似簡(jiǎn)化為：
式中，γ/2sρ為衰減因子，w為無阻尼條件下的圓頻率。由式（2）可見，波在傳播過程中幅值隨傳播時(shí)間的增加按指數(shù)規(guī)律衰減；當(dāng)γ值不變時(shí)，S值或ρ值愈小則波幅值隨時(shí)間衰減愈快。在由錨桿、混凝土砂漿和圍巖組成的體系中，由錨桿端部發(fā)射的聲波經(jīng)桿體向四周傳播，在錨桿與砂漿、砂漿與圍巖等界面發(fā)生入射、反射和透射。入射波應(yīng)力為σi反射波應(yīng)力σr與透射波應(yīng)力σt之間的關(guān)系分別為：
式中，波阻抗Z=ρcA，ρ、c、A分別為介質(zhì)的密度、聲速和截面積。
從上述可以看出，當(dāng)桿中某一截面面面積或材料性質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，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(duì)變化的程度有關(guān)。與變截面桿相類似，錨桿、砂漿、和圍巖三者之間澆灌均勻密實(shí)時(shí)，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(hào)極有規(guī)律。當(dāng)砂漿澆灌不均勻、密實(shí)時(shí)，在砂漿中出現(xiàn)空穴，在空穴處將出現(xiàn)不同程度的波阻抗變化面。表現(xiàn)在原有的信號(hào)中迭加了強(qiáng)度不同的反射信號(hào)，或在不應(yīng)出現(xiàn)反射波處有反射信號(hào)，根據(jù)反射波位置和反射信號(hào)的強(qiáng)弱，就可以確定錨桿錨固質(zhì)量并為其分級(jí)。
3檢測(cè)方法及質(zhì)量判斷
檢測(cè)方法有很多種，最常用的檢測(cè)方法是利用錨桿的螺紋鋼外露端，在其端部安放發(fā)射裝制和接收換能器。因?yàn)槁菁y鋼的介質(zhì)均勻，速度一定，對(duì)檢測(cè)結(jié)果比較簡(jiǎn)單，且信號(hào)比較穩(wěn)定，這大大提高了檢測(cè)結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性。溪洛渡水電站工程錨桿的質(zhì)量判斷是根據(jù)《水利水電物探規(guī)程》（SL326-2005）及《金沙江溪洛渡水電站錨桿無損檢測(cè)工作實(shí)施細(xì)則》（溪工建技【2008】107號(hào)）的要求：①抽檢比例：按作業(yè)區(qū)200根為1組（不足200根按1組計(jì)），由監(jiān)理工程師根據(jù)實(shí)際情況隨機(jī)指定抽查。抽查比例不得低于錨桿總量的3%，每組不得少于6根。②評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：?jiǎn)胃^桿注漿密實(shí)度大于80%，且錨桿桿體孔內(nèi)長(zhǎng)度大于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的95%為合格。當(dāng)同一部位錨桿抽查合格率大于80%，且最低注漿密實(shí)度不低于70%，最低錨桿孔內(nèi)長(zhǎng)度不低于90%時(shí)，認(rèn)為抽查作業(yè)分區(qū)錨桿合格。當(dāng)合格率小于80%時(shí)，將抽查比例增大至6%，如合格率仍小于80%時(shí)，對(duì)作業(yè)分區(qū)內(nèi)錨桿全部檢測(cè)，對(duì)不合格的錨桿重新施工。
4模型錨桿試驗(yàn)
必須指出，模型實(shí)驗(yàn)是解決錨桿錨固質(zhì)量聲波檢測(cè)的不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)。模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一方面可以檢驗(yàn)理論正演結(jié)果的正確性，另一方面還可以補(bǔ)救理論研究工作的不足。更有益者，當(dāng)模型實(shí)驗(yàn)的工作量大到一定程度時(shí)，我們可以建立起標(biāo)準(zhǔn)圖庫，利用模式識(shí)別和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來處理解釋實(shí)測(cè)資料，這種辦法也是解決錨桿錨固質(zhì)量無損檢測(cè)的一種途徑。總之，模型實(shí)驗(yàn)會(huì)給錨桿錨固質(zhì)量的無損檢測(cè)工作帶來很多好處[5]。
5工程應(yīng)用
溪洛渡水電站左岸天然邊坡總處理面積約95507m2，邊坡高陡，最大高度在110m左右，邊坡坡比基本在1：0.3~1：0.5之間，施工難度大，邊坡上危巖體、雜草、碎石和松動(dòng)石塊分布較多。合同工程錨桿約5萬根，長(zhǎng)度分別為4.5m、6.0m、9.0m和12.0m，工程系統(tǒng)錨桿呈梅花形布置，錨桿間排距為1.5m×1.5m，設(shè)計(jì)外露長(zhǎng)度為15cm，砂漿強(qiáng)度等級(jí)M20。下面截取溪洛渡工程實(shí)際檢測(cè)中的一些典型波做以分析。當(dāng)應(yīng)力波在有缺陷的空漿錨桿中傳播時(shí)，空漿段反射波很弱，這是因?yàn)榭諠{段一般為空氣，介質(zhì)相對(duì)均勻；當(dāng)砂漿有局部缺陷時(shí)，圍裹在鋼筋周圍的介質(zhì)不均勻，將產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射波信號(hào)或者引起該部位波形畸變；在鋼筋底端，由于鋼筋、砂漿和巖石三者的波阻抗有明顯的差別，因此，反射波信號(hào)一般較明顯。一般施工中，下斜或者水平孔的孔底都存在少量的殘?jiān)?，朝天孔或者上斜孔孔底存在少量的空氣?/div>
6結(jié)語
通過對(duì)模型錨桿和溪洛渡水電站工程錨桿進(jìn)行大量的無損檢測(cè)試驗(yàn)與研究，說明：利用聲頻應(yīng)力波在不同波阻抗界面發(fā)生發(fā)射的原理檢測(cè)錨桿錨固質(zhì)量是有效和可行的。除其檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)間短，對(duì)錨桿無損傷等優(yōu)點(diǎn)外，還能夠?qū)﹀^桿長(zhǎng)度、缺陷位置以及砂漿密實(shí)度等參數(shù)作出定量評(píng)價(jià)，為工程建設(shè)提供了更好的質(zhì)量保障，同時(shí)也為如何應(yīng)用無損檢測(cè)技術(shù)快速檢測(cè)錨桿錨固質(zhì)量，提供了可借鑒的方法與經(jīng)驗(yàn)。
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