摘要：本文對(duì)隧道的錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)研究，并對(duì)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，作為一種工程質(zhì)量管理輔助手段，采用應(yīng)力波對(duì)錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，豐富了隧道圍巖錨固質(zhì)量檢測(cè)方法，為隧道工程建設(shè)提供更好的質(zhì)量保障。
1檢測(cè)基本原理
1.1工作原理
在隧道內(nèi)錨桿、混凝土砂漿和圍巖組成的系統(tǒng)中，密實(shí)狀態(tài)下的錨固劑凝固后，密實(shí)度與錨桿桿體的密實(shí)度十分相近，在錨桿孔中，其與錨桿桿體緊密握裹，可近似為一個(gè)組合桿體。而錨桿與錨固劑的強(qiáng)度明顯大于隧道圍巖，故完全錨固時(shí)可把其組合體近似看作是嵌入圍巖的一維桿狀體，但實(shí)際上有時(shí)不能完全錨固，形成砂漿不連續(xù)，此時(shí)錨桿的抗拔力下降，這是需要檢測(cè)的內(nèi)容。
由錨桿端部發(fā)射的聲頻應(yīng)力波經(jīng)桿體向錨桿內(nèi)傳播，當(dāng)遇到存在波阻抗差異的界面(如空洞、錨桿與砂漿等界面)，將發(fā)生反射、透射或散射。在實(shí)際工程中透射波不易測(cè)得，但反射波可在其傳至錨桿頂端時(shí)，通過(guò)固定在錨桿頂部的傳感器(加速度型或速度型)測(cè)得，由于反射波攜帶錨固系統(tǒng)內(nèi)的信息，將其放大、濾波和數(shù)據(jù)處理，識(shí)別來(lái)自不同部位的反射信息。根據(jù)這些反射信息，結(jié)合其他工程資料，可判斷錨固系統(tǒng)不同部位的錨固質(zhì)量。
1.2分析原理
應(yīng)力波法是基于一維桿件的波動(dòng)理論。根據(jù)波在錨桿中傳播的一維波動(dòng)方程及波在上、下界面處質(zhì)點(diǎn)位移的連續(xù)條件和力的平衡條件，得出
式中，T為透射系數(shù)；R為反射系數(shù)；P1、c1、A1分別為錨桿與錨固劑組合桿體的密度、波速、橫截面；波阻抗Z1=P1c1A1；P2、c2、A2分別為錨桿桿體的密度、波速、橫截面；波阻抗Z2=P2c2A2。
可以看出，在桿中截面面積或材料性質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，入射波將在該截面上發(fā)生反射和透射。其反射波和透射波幅值的大小與截面面積和波阻抗相對(duì)變化的程度有關(guān)。當(dāng)錨桿、砂漿和圍巖澆灌均勻密實(shí)時(shí)，由于三者之間的波阻抗差異不大，因此有大部分能量透射出去，只有小部分能量反射回來(lái)。當(dāng)砂漿澆灌不均勻、不密實(shí)時(shí)，則在砂漿中出現(xiàn)空隙，在空隙處呈現(xiàn)出強(qiáng)的波阻抗差異，反射波能量大大增強(qiáng)。通過(guò)分析反射波與入射波之間的能量關(guān)系，可以判斷出錨桿、錨固系統(tǒng)的密實(shí)程度。同時(shí)，當(dāng)應(yīng)力波遇到錨固缺陷時(shí)，原有的振動(dòng)發(fā)生變化，表現(xiàn)為在缺陷處產(chǎn)生了相位突變，因此可以通過(guò)分析反射波的相位變化位置判斷出錨固缺陷的位置。從式(2)可以看出：當(dāng)錨固系統(tǒng)沿錨桿軸向某處波阻抗Z減小，即P1c1A1>P2c2A2，則R>0，此時(shí)反射波相位與入射波相位相同；當(dāng)錨固系統(tǒng)沿錨桿軸向某處波阻抗Z增大，即P1c1A1<P2c2A2，則R<0，此時(shí)反射波相位與入射波相位相反。
從實(shí)測(cè)的時(shí)域曲線中可以算出錨桿長(zhǎng)度或缺陷位置
L=Ct/2，(3)
式中，C為縱波在錨桿體系中的平均波速；t為從激振開(kāi)始到反射波至錨桿頂所需時(shí)間。
2工程實(shí)例分析
2.1檢測(cè)儀器
針對(duì)隧道錨桿檢測(cè)工作環(huán)境，采用的儀器為武漢巖海的RS-ST01C型非金屬聲波檢測(cè)儀；震源和接收換能器采用岳陽(yáng)奧成科技公司的HX-GMMS45C型超磁致聲波發(fā)射震源及配套的PZT-45C接收換能器，該震源性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、余震小、發(fā)射能量大，且與武漢巖海RS-ST01C型數(shù)字聲波儀兼容性較好。
2.2不同質(zhì)量錨固系統(tǒng)測(cè)試波形分析
在該段隧道，Ⅲ、Ⅳ類(lèi)圍巖居多。因受多期地質(zhì)構(gòu)造影響，巖層大多倒轉(zhuǎn)，產(chǎn)狀變化大，褶皺、區(qū)域性大斷裂及節(jié)理裂隙發(fā)育，斷裂帶內(nèi)糜棱巖化、片巖化強(qiáng)烈。硅質(zhì)板巖中夾多層炭質(zhì)板巖軟弱層，擠壓破碎帶巖石風(fēng)化呈砂土狀。
2.2.1自由狀態(tài)的錨桿
在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)已知長(zhǎng)度錨桿的測(cè)試結(jié)果，反算出波速，根據(jù)多次測(cè)試，自由錨桿中波速值約為5200m/s。對(duì)一根錨桿在未知長(zhǎng)度情況下進(jìn)行測(cè)試，所測(cè)波形如圖2，可看出波形衰減程度很小，多次錨桿底端反射十分明顯。測(cè)試長(zhǎng)度為3.90m，和錨桿實(shí)際長(zhǎng)度3.87m相差甚小，這證明了該方法測(cè)試錨桿長(zhǎng)度的可靠性。
2.2.2錨固質(zhì)量?jī)?yōu)的錨桿
測(cè)試時(shí)根據(jù)施工所用材質(zhì)不同，要重新進(jìn)行波速測(cè)定，在該隧道錨桿中測(cè)得的波速約為5100m/s。圖3是某隧道左墻離地4m高處錨桿所測(cè)波形，設(shè)計(jì)是2.5m，測(cè)得2.58m。從圖中可以看出波速在錨固質(zhì)量?jī)?yōu)的錨固系統(tǒng)中衰減較快，且錨桿底端反射微弱，波形最后回歸基線，說(shuō)明注漿效果較好。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)際長(zhǎng)度是2.53m，抗拔力為40MPa，證明該錨固系統(tǒng)質(zhì)量為優(yōu)。
2.2.3錨固質(zhì)量中等的錨桿
某隧道右墻離地3m高處錨桿所測(cè)波形，設(shè)計(jì)是2m，測(cè)得1.95m。從圖中可以看出波在錨固質(zhì)量?jī)?yōu)的錨固系統(tǒng)中衰減慢，且錨桿底端反射明顯，波形最后趨近基線，說(shuō)明注漿效果一般，在離錨桿外端0.65m和1.05m處可見(jiàn)到反射子波的疊加，可見(jiàn)該兩處錨固效果不是很好。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證，抗拔力約為30MPa，實(shí)際長(zhǎng)度是1.97m，經(jīng)綜合判定該錨固系統(tǒng)質(zhì)量為中等。
2.2.4錨固質(zhì)量差的錨桿
某隧道右墻3.5m高處錨桿所測(cè)波形，設(shè)計(jì)是2.5m，測(cè)得2.45m?？梢钥闯觯ㄔ阱^固質(zhì)量差的錨固系統(tǒng)中衰減較慢，錨桿底端反射很明顯，波形變化規(guī)律和自由錨桿相似。經(jīng)拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證，抗拔力僅為10MPa，實(shí)際長(zhǎng)度是2.47m，測(cè)量誤差為0.02m，綜合判定該系統(tǒng)錨固質(zhì)量較差。
3結(jié)語(yǔ)
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)驗(yàn)證，本次檢測(cè)解釋結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，達(dá)到了預(yù)期的效果，表明該方法檢測(cè)錨固系統(tǒng)質(zhì)量具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
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