基于應(yīng)力波反射法的地鐵錨桿無損檢測試驗研究

司 磊，趙 碩

（1.青島市市政公用工程建設(shè)發(fā)展中心，山東 青島 266500；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266500）

引言

錨桿錨固支護廣泛應(yīng)用于隧道、邊坡等領(lǐng)域，是結(jié)構(gòu)初期支護穩(wěn)定性的重要保障。錨桿錨固效果的檢測以破壞性拉拔試驗、鉆孔取芯、預(yù)埋應(yīng)力計等方法為主，但會影響結(jié)構(gòu)受力，應(yīng)用受到一定的限制[1]。近年來，基于應(yīng)力波反射原理的無損檢測技術(shù)不斷發(fā)展成熟，結(jié)合一維桿波傳導(dǎo)理論開發(fā)的錨桿無損檢測設(shè)備也越來越多地應(yīng)用到工程建設(shè)中。采用錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)開展錨固質(zhì)量普查，輔以破壞性試驗進行驗證，不僅可以擴大檢測范圍、有效管控施工質(zhì)量，還可以通過分析缺陷類型指導(dǎo)施工工藝的優(yōu)化和提升[2-8]。

錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)已發(fā)展多年，研究和工程應(yīng)用多集中在煤礦巷道中，結(jié)合地鐵隧道工程建設(shè)的特性，通過分析波形能量損耗、振幅特征、相位變化研究復(fù)雜圍巖條件下的錨桿錨固質(zhì)量識別技術(shù)，為地鐵工程中錨桿錨固質(zhì)量無損檢測提供借鑒。

1 基本原理

錨桿錨固體由錨桿、錨固材料兩部分組成，在錨固體中傳播的應(yīng)力波波長與錨固體半徑之比≥10時，可忽略柱狀體的三維效應(yīng)，將其簡化為一維桿模型進行分析。地鐵隧道錨桿均在4 m 以上，錨固體半徑在0.15～0.20 m之間，檢測所用震源產(chǎn)生的縱波波長遠(yuǎn)大于錨桿半徑，因此，可將錨桿錨固體簡化為一維桿，將錨固體與圍巖的接觸簡化為摩阻力約束，忽略系統(tǒng)的橫向位移，并通過求解縱向波波動方程，判斷錨桿系統(tǒng)內(nèi)部的動力響應(yīng)。

據(jù)應(yīng)力波一維桿傳導(dǎo)理論，應(yīng)力波由大阻抗介質(zhì)進入小阻抗介質(zhì)時，反射波相位不變；應(yīng)力波由小阻抗介質(zhì)進入大阻抗介質(zhì)時，反射波相位反轉(zhuǎn)。錨固體缺陷和錨桿桿底均會造成阻抗變化，因此，應(yīng)力波在錨桿中傳播時，在桿底或錨固缺陷處也會有波形畸變[10]。錨固長度（缺陷深度）可以根據(jù)時域圖中錨固段起始端反射波和錨固底端（缺陷位置）反射波的時間差進行換算，波速可通過已知長度的錨固體進行標(biāo)定：

式中：L—錨固長度，m；Vp—錨固體內(nèi)界面波波速，m/s；t0—錨固段起始端反射時間，s；t1—錨固段底端反射時間，s。

2 模型試驗

2.1 試驗構(gòu)件

地鐵隧道錨桿通常是以一定的角度傾斜插入圍巖，并通過水泥砂漿（強度約15 MPa）進行錨固，錨固長度一般為4～10 m。因此，煤礦巷道等采用的1～2 m水泥錨固體模型不適用于地鐵隧道錨桿模型試驗。

本研究中錨固體采用Φ75～160 mm PVC管成型，見圖1，最小錨固長度4 m。模型制作時，通過墊塊固定錨桿桿體，分段澆筑砂漿，并根據(jù)需要調(diào)整密實度；缺陷設(shè)置時，在PVC管上部縱向開槽，并設(shè)置封堵，形成無漿液區(qū)域。

圖1 錨固體模型制作與缺陷設(shè)置

2.2 試驗方法

在錨桿錨固質(zhì)量測試中，采集得到的信號為界面波[11]，界面波波速即應(yīng)力波在錨固體系中的傳播速度。因此，在定位缺陷位置時采用的波速為界面波波速。采用雙通道沖擊回波儀在試件兩端設(shè)置傳感器測定應(yīng)力波傳導(dǎo)波速，測試得出空桿波速約為5 200 m/s，錨固體波速約3 200 m/s。

模型檢測方法：（1）在錨桿頂端施加一個瞬態(tài)沖擊荷載，該荷載在錨桿內(nèi)激發(fā)應(yīng)力波，應(yīng)力波在錨固體系內(nèi)傳導(dǎo)時會根據(jù)阻抗的變化發(fā)生反射、透射、繞射；（2）錨桿頂端的傳感器將收集反射波并記錄采集試件；（3）應(yīng)力波的激發(fā)與采集裝置均位于錨桿頂端，可以將該反射波簡化為垂直反射波，通過分析信號的相位、幅值變化判斷錨固長度及錨固質(zhì)量。本研究分別采用手錘、定頻震源開展測試。部分典型模型參數(shù)見表 1。

表1 典型模型參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

由圖2可知，試件a桿底位置波形變化不明顯，將相位圖中存在相位變化的位置標(biāo)記，計算點幅值比，幅值比最小處即能量衰減最大處，可近似確定為桿底位置。

圖2 試件a時域圖及相位圖

由圖3可知，b試件時域圖整體波形近似空桿波形，但其幅值有所變化，證明仍有頻散現(xiàn)象；c試件較其它試件的錨固體密度低，時域圖中的桿底反射更為明顯；d試件缺陷位置處的波形有明顯的畸變；e試件桿底反射明顯。

圖3 試件b～e時域

（1）由圖2（a）與圖3（a）對比，錨桿與錨固劑的黏結(jié)強度對反射波的波形有顯著影響，幅值比隨著黏結(jié)強度的增加而減小，超過一定范圍后桿底反射在時域圖中表現(xiàn)不明顯。（2）由圖2（a）、圖3（b）、圖3（c）三組對比，同一密實度下，應(yīng)力波波速對錨固砂漿的強度的變化并不敏感，密實度對應(yīng)力波波速影響較大，隨著密實度增大，波速逐漸降低，最終近似于混凝土內(nèi)的應(yīng)力波波速，具體關(guān)系有待進一步研究分析。（3）由圖3（b）、圖3（d）對比，模型長度和模型直徑變化不會對試驗結(jié)果產(chǎn)生較大影響，進而證明了應(yīng)力波反射法的適用性，錨固長度的檢測結(jié)果的計算值見表3。

表3 錨固長度檢測結(jié)果

將Φ75 mm、Φ110 mm、Φ160 mm的錨桿錨固體模型進行了對比測試，發(fā)現(xiàn)模型直徑的變化主要影響激振能量衰減的速度，波形幾乎不發(fā)生改變，對缺陷和桿底的識別影響較小。

3 結(jié)語

（1）經(jīng)試驗論證，當(dāng)錨桿錨固密度＞90%時，僅根據(jù)反射波的時域圖分析錨固長度難度較大，結(jié)合頻域、相位圖分析后可以提高準(zhǔn)確度，測試的4 m 錨桿長度檢測誤差在0.7 %以內(nèi)。（2）錨固體內(nèi)部存在缺陷時，反射波時域圖中振幅變化最為明顯，根據(jù)振幅變化判斷缺陷起點位置具有較高的準(zhǔn)確度。（3）在一定范圍內(nèi)，錨固試件模型的直徑對檢測結(jié)果影響較小，小直徑模型更有利于模型制作和激振能量控制。（4）錨桿無損檢測技術(shù)在實際工程應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)不同的圍巖和錨固條件，制作模擬模型標(biāo)定波速、明確測試有效長度，以此提高檢測的準(zhǔn)確度。