应力波法在黏结型锚索质量检测中的应用研究

2011-05-04曾辉辉王立伟朱本珍李俊鹏

铁道建筑 2011年6期

曾辉辉，王立伟，朱本珍，李俊鹏

(1.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000;2.中国中铁置业集团有限公司，北京 100055;3.西安中交公路岩土工程有限责任公司，西安 710068)

1 黏结型锚索概况

黏结型锚索(以下称为锚索)是公路、铁路及水电等行业的边坡工程、地下工程和基础工程加固的重要手段。锚索施工质量(锚索长度、自由段套管破损、锚固段注浆缺陷等)是锚索能否发挥其最大效用的重要影响因素，因此，对锚索进行质量检测极为重要。但目前国内外尚无成熟的锚索检测方法，而目前常用的拉拔试验一般仅能以拉拔力一项指标作为对锚索施工质量进行评价，并且拉拔试验是一种破坏性试验，在边坡工程施工过程中不宜作为常规的质量检测方法。为此，本文在应力波法原理的基础上，采用中铁西北科学研究院2005年开发的锚索质量检测仪对锚索的长度、自由段套管破损、锚固段注浆缺陷进行检测，根据锚索检测的数据，对锚索施工质量进行评价。

应力波法是一种快速、易操作、较为准确的无损检测方法，不对锚索结构本身产生任何破坏作用，适宜进行大范围的检测。至今已在福建、甘肃和贵州地区的边坡工程质量检测中得到应用。

2 应力波法检测锚索质量的基本原理

应力波法检测锚索的质量是通过在钢绞线顶部施加一垂直瞬态扰动力后，由联结于钢绞线顶部的速度或加速度传感器接收到的质点运动速度的波形。其理论基础为一维波动理论［1］如式(1)

式中 u——钢绞线横截面的纵向位移，m;

x——横截面的纵向位置，m;

t—— 时间，s;

c0——应力波在钢绞线中的传播波速，m/s;

3 黏结型锚索的质量检测方法

首先将传感器黏贴在连接器上，必须稳定、牢固。通过专用锤敲击连接器，从而在锚索中产生前进方向的应力波，应力波在遇到阻抗变化的截面后将产生反射波，被传感器接收到，再将其传输到锚索检测仪进行信号的编辑及预处理，然后再通过专用软件进行数据的后处理及分析，得出黏结型锚索的特征反射信号、进一步对锚索的质量作出评判，如图1。

图1 锚索质量检测示意

4 应力波在黏结型锚索中传播特征［3］

当锚索端头受瞬态力P作用后，引起锚索头质点振动，并以应力波的形式向锚索底传播。当锚索中某一截面面积或材料性质发生改变时，入射波将在该截面处发生反射和透射，其反射和透射波的大小与截面面积和波阻抗相对变化的程度有关。在锚索体系中锚索、砂浆和围岩三者之间砂浆灌注均匀密实时，应力波的能量大部分透射到围岩体中，只有小部分能量反射回来，且反射信号极有规律。当砂浆灌注不均匀、不密实时，在砂浆中出现空穴，空穴处将出现不同程度的波阻抗变化面。在这种情况下所采集的信号显得很杂乱，表明在原有的信号中叠加了强度不同的反射信号，或在不应出现反射波处存在反射信号。

从上面的分析可知，全长黏结型锚索可以采用弹性波中的一维杆件理论来进行分析，简化模型如图2。图中，A1，A2分别表示杆1和杆2的横截面积，m2;m1，m2分别表示杆1和杆2的单位长度质量，kg;E1，E2分别表示杆1和杆2的弹性模量，Pa;ρ1，ρ2分别表示杆1和杆2的质量密度，kg/m3。

图2 锚索模型示意

在分析应力波在锚索自由段端面、自由段与锚固段分界面、锚固段与孔底分界面及锚索中的间断面(如砂浆不密实、孔洞、裂隙及夹杂异物等缺陷)中的反射及透射传播特征时，首先假设在交界面处，两种介质是紧密黏结的，所以就可以利用在界面的位移、速度和力的连续条件，通过这些条件可以建立入射波、反射波和透射波之间的相互关系。

1)应力波在锚索自由段端面的传播特征分析

自由端面的边界条件是合力为零，即应力波到达自由段端面时产生一个符号相反、大小相等的反射波，在杆端截面叠加后，使杆端合力为零，而杆端截面处质点速度增加一倍。

实测的锚索自由段端面首波一般为正向波型，极少数为负向波形，且波幅值的绝对值最大。

2)应力波在锚索锚固段底端面的传播特征分析

锚固段底端面的边界条件是速度为零，即应力波到达锚固段底端面时，将产生一个与入射波相同的反射波，由于波的叠加作用，使在底端面处的应力增加一倍，合速度为零。

实测的锚索锚固段底端面反射波相位一般与首波相位同向、极少数与首波相位异向，主要取决于锚固段底部围岩与锚固段介质波阻抗的大小。

3)应力波在自由段和锚固段界面处的反射与透射

在杆件截面发生突变时，见图2，声阻抗由 z1=，根据变截面处的平衡条件、连续条件及F=zv，经推导可得反射系数 R［2］如下

式中 A1E1和A2E2——各杆件截面的抗拉刚度，N;

v—— 杆件中质点的运动速度，m/s;

F—— 应力波产生的力，N。

由于锚固段介质的波阻抗z2大于自由段介质波阻抗z1，再根据反射波与入射波的相位关系，可知应力波在锚索自由段与锚固段分界面的相位与首波相位相反。

5 应用实例

本文以黄土边坡锚固工程中的锚索质量检测为例，说明采用应力波法进行锚索质量检测的可行性与有效性。

5.1 锚索质量检测

该边坡位于兰州东出口，为厚层黄土边坡，共分为4级。一级坡为片石挡墙、四级坡为锚杆框架;二、三级坡设有黏结型锚索，二级坡锚索设计长度17.5 m，自由段长11.5 m、锚固段长6 m;三级坡锚索设计长度19.5 m，自由段长13.5 m、锚固段长6 m;该边坡锚固工程为典型锚索质量检测波形，见图3。图3中，(a)实测锚索自由段长11.78 m、锚固段6.15 m，完整锚索;(b)实测锚索自由段长13.69 m、锚固段6.21 m，完整锚索;(c)锚索自由段长11.39 m、锚固段6.08 m，波纹管破损的锚索;(d)锚索自由段长13.79 m、锚固段6.32 m，带有注浆缺陷的锚索。