锚杆无损检测对比试验研究

2015-10-18王扬圣曹广越

水利技术监督 2015年4期

王扬圣，曹广越

(1.深圳市水务工程质量监督站，广东深圳 518018;2.深圳市水务工程检测有限公司，广东深圳 518018)

锚杆施工属于隐蔽工程，水利水电工程锚杆多为全长粘结型锚杆，锚杆长度与锚杆饱满度是锚杆质量重要指标。传统的锚杆抗拔力检测对锚杆的锚固力判断非常准确，但仍有不足之处，一是抗拔力测试方法是一种破坏性检测。二是抗拔力并不能完全反映锚杆的锚固状态。三是锚杆饱满度对锚固质量有较大影响，若注浆对钢筋的包裹不好，钢筋会很快腐蚀而失去锚固作用。因此在传统抗拔力检测符合要求后，因锚杆饱满度不足造成崩塌的事故仍时有发生。另外，传统的拉拔力检测也无法测出锚杆的实际长度，而锚杆无损检测技术能够快速准确无损地检测锚杆长度与锚杆饱满度。

无损检测技术近年来快速发展，柯玉军［1］等人应用声波透射、散射和反射理论，提出了预应力孔道灌浆密实度检测的方法;宋克民［2］采用双排列电阻率法实现对垂直铺塑防渗工程施工质量进行无损检测，测量结果表明该方法是有效的;董廷朋［3］等人利用瞬变电磁法地下隐蔽工程质量进行检测。在锚杆无损检测方面，国内外学者进行了大量研究并取得丰富成果。郭世明［4］等1995年至1998年在大朝山水电站采用应力波法对近千根锚杆进行了质量检测，说明采用应力波法对锚杆质量进行检测是可行的。李义［5-7］等人在实验室进行了圆桶内水泥、树脂端锚实验和试块内水泥锚杆模拟夹层及离层实验，并对应力波在不同边界约束和轴向拉伸荷载作用下锚杆中的传播规律进行了研究。在前人的研究基础上，采用波的时域、频域分析及瞬态导纳法相结合的方法来检测锚杆的锚固质量，并且提出了运用有效锚固长度、幅值比、基频、频率比、衰减系数及基频点的动刚度来衡量锚杆锚固质量的优劣。我国住房和城乡建设部、国家能源局均发布了相关规程，但如何准确可靠地开展该检测仍需大量实验去积累经验。

1 锚杆无损检测(应力波反射法)原理

锚杆质量无损检测的内容为锚杆长度和锚杆饱满度。在由锚杆、粘结剂和围岩组成的锚固体系中，当在锚杆锚固体系中传播的应力波波长λ＞10d(d为锚固体系直径)且λ＜＜L(L为锚固体系长度)，可将锚固体系简化为嵌入围岩的一维匀质变截面杆件。锚杆饱满度的变化表现为杆件截面面积的变化，锚杆长度表现为材质的变化。无论锚杆长度和锚杆饱满度的改变，均表现为广义波阻抗的变化。

当锚杆的几何尺寸或材料性质发生变化时，其波阻抗将发生变化，其变化分界面称为波阻抗界面，杆的缺陷部位(粘结剂缺失)及杆底端均可视为波阻抗界面。当在锚杆端头作用一激振力时，就会在杆端产生应力波，应力波沿杆体向杆件底端传播，遇到波阻抗界面时会产生反射和透射应力波，根据反射波的走时和锚杆中的应力波传播速度可以计算锚杆长度(杆底反射波)和缺陷位置(杆中反射波)。

若锚杆中存在注浆不密实段，则复合杆件的截面面积及波阻抗发生变化，在波阻抗界面将产生反射应力波，杆中反射应力波的相对能量强度与锚杆饱满度差异程度有关;一般锚杆饱满度越差，反射波的能量越强，衰减越慢;不饱满区段越多，则波阻抗界面越多，反射应力波越多。

2 锚杆无损检测对比试验

2.1 试验流程

本次研究包含室内试验和现场试验，参照相关规范设计了操作流程:收集基础资料、调试检测仪器、模型锚杆的施工制作、无损检测采集数据、剖管验证(室内试验)、检测数据处理及对比分析。

2.2 模型锚杆设计与制作

室内模型锚杆孔采用内径80mm的PVC管，其长度比模拟的锚杆长1m以上;现场试验选择具有代表性较强的深圳两个水利工程，试验锚杆位置选择在能代表被检测工程锚杆条件的部位，并且不影响主体工程施工。本次研究采用直径20mm热扎带肋钢筋，杆端加工平整，胶结材料采用水泥砂浆，设置缺陷空腔部位采用泡沫充填，缺陷模型材料在锚杆设计位置上固定，编号记录;先插杆、后注浆、封口，完成后不得振动、敲打及锚杆按龄期养护;锚杆检测按3d、7d、14d、28d不同龄期进行检测;检测时改变激振方式、激振力、仪器参数等，并取得全部记录。

2.3 检测成果

本次检测资料分析以时域分析为主，辅以频域分析，并结合工程地质条件、施工工艺、锚固段长度、激振方式、锚杆外露长度、水泥砂浆龄期和波形特征等多重因素进行综合分析，发现试验设置的与实测的缺陷位置和注浆密实度吻合程度很高，具体见表1和表2。

表1 实验室锚杆检测成果表

表2 工程现场锚杆检测成果表

续表2

3 锚杆无损检测对比分析

3.1 锚杆饱满度分析

3.1.1 无缺陷锚杆波形分析

锚杆饱满度无缺陷的模拟锚杆波形特征如图(1～3)，锚杆饱满度无缺陷的锚杆波形规则，除杆底外，沿锚杆方向波阻抗相同，没有明显的波阻抗界面，在杆长深度范围内没有反射波，只在杆底可能产生微弱的反射信号。

图1 杆长3m饱满度100%

图2 杆长6m饱满度100%

图3 杆长9m饱满度100%

3.1.2 有缺陷锚杆波形分析

图4 杆长3m饱满度84%

图5 杆长9m饱满度62%

图6 杆长6m饱满度86%

锚杆饱满度有缺陷的模拟锚杆波形特征如图(4～6)，锚杆饱满度有缺陷的锚杆波形不规则，剖管验证不规则波形缺陷主要分3种。一是图4所示，波形局部畸变，剖管验证发现局部净浆不饱满或者不密实或者轻微离析;二是图5所示，波形某段严重衰减，剖管验证该段有空浆;三是图6所示，波形反射某段波振幅时大时小，剖管验证该段有少量净浆或者半浆。

杆中局部不饱满时，在杆中存在多个波阻抗界面，每个界面均会产生正相位或负相位的反射波，在杆长范围内有多个反射波信号;当杆口空浆而深部密实时，锚杆孔口段将形成多次反射波，入射波的特点是第一次反射波为负相位，第二次反射为正相位，交替出现。

3.2 杆体波速与杆系波速检测与统计

锚杆杆体波速应通过所检测工程锚杆同样材质、直径的自由杆测试取得;杆系波速应采用锚杆模拟试验结果或类似工程锚杆的波速值。试验表明，一维自由弹线性体的波速和有一定边界条件的一维弹线性体的波速存在一定的差异，即锚杆杆体的声波纵波速度与包裹一定厚度砂浆的锚杆杆系的声波纵波速度是不一样的，计算砂浆包裹的锚杆杆体长度时应采用杆系波速，计算自由杆杆体长度时应采用杆体波速。波速差异的因素与声波波长、锚杆直径、胶粘物厚度、胶粘物波速及声波尺度效应等有关，因此锚杆杆长计算时采用的波速平均值应考虑密实度的影响。由于杆系平均波速受多方面因素的影响，尚无法准确地确定与密实度的关系，但在实际检测工作中应考虑由此带来的检测杆长误差。一般锚杆杆体的波速比杆系的波速高，锚杆杆体波速一般为5120m/s，经此次研究对锚杆杆体和杆系波速进行多次检测与统计，得出经验数据如表1和表2，室内模型锚杆杆系波速范围3359～4506m/s，平均波速3757m/s，波动范围约30%;现场模型锚杆杆系波速范围3687～4374m/s之间，平均波速4018m/s，波动范围约20%。即使能够准确测出锚杆杆底的反射波时间，由此计算的锚杆长度的误差也很大。

3.3 反射波性质的判定

反射波信号可能来自杆中或杆底，杆底反射信号计算锚杆长度，杆中反射信号计算缺陷位置，因此判断反射波信号的性质非常重要。本次实验得出以下经验:(1)与入射波反相位(第一次反射)的反射信号，为杆中反射信号，其反射界面两侧的密实度是从不密实至密实;(2)与入射波同相位的反射信号，可能为杆底反射信号或杆中反射信号，须结合其他因素综合判定;(3)出现多次的同相反射信号为杆底反射信号;(4)杆中同相反射界面两侧的密实度是从密实至不密实;(5)一般情况下，根据杆底反射信号计算的杆长与设计长度相近。

3.4 影响检测结果的因素

锚杆锚固质量受诸多因素影响，如工程地质条件、施工工艺、锚固段长度、锚固介质对锚固体的握裹力、锚杆类型等，本次实验针对杆头平整度、锤击方式、锚杆外露长度、水泥砂浆龄期等可能影响因素进行了分析。

3.4.1 杆头平整度的影响

研究发现，杆头平整度对检测结果有较大影响，平整度越好检测结果越准确，平整度不好将产生干扰信息，因此检测前应对杆头打磨。

3.4.2 锤击方式的影响

针对不同长度锚杆应采用不同锤击方式，锚杆长度较长应击振速度慢，应力波频率较低，波长较长，能量衰减慢，得出较好图形;锚杆长度短应击振速度快，应力波频率较高，波长较短，可得出多次反射信号，有利于图形分析。

3.4.3 锚杆外露长度的影响

通过对0.1m、0.2m、0.3m、0.5m等4种不同外露长度的锚杆在4种水泥砂浆龄期进行检测表明，外露长度越长对波速指标影响越大。主要原因是锚杆无损检测时，外露钢筋横向摆动产生的余振影响了初始脉冲的单一性，将掩盖锚杆上部的缺陷信号，锚杆外露长度越长对初始波的影响越大。外露较长时，特别是直径较小的，如果不能控制住外露钢筋的横向摆动，余振不能衰减，影响到杆底部后，致使杆底信号不能确定，无法得到准确的波速，对整个锚杆的定性分析可能造成误差。

3.4.4 水泥砂浆龄期的影响

通过对29根锚杆3d、7d、14d和28d检测表明，同一锚杆不同龄期水泥砂浆的杆系波速检测结果差异性很小，主要原因是水泥砂浆前期强度增长很快，缺陷位置定型也很快，3d以后的砂浆强度基本上不再会较大幅度增长。