一种岩壁梁锚杆饱满度无损检测方法

2017-12-15龚子桢王玲玲徐福斌秦劲军

水利技术监督 2017年5期

关键词：岩面岩壁杆件

龚子桢，王玲玲，徐福斌，秦劲军，陈龙

一种岩壁梁锚杆饱满度无损检测方法

龚子桢1，王玲玲2，徐福斌3，秦劲军1，陈龙1

（1.中国三峡建设管理有限公司白鹤滩工程建设部，四川凉山 615421；2.中国三峡新能源有限公司南方分公司，云南昆明 650299；3.浙江华东工程安全技术有限公司，浙江杭州 310014）

针对岩壁梁锚杆无损检测效果不佳的问题，通过声波反射法原理分析和仿真试验，确定了主要干扰因素，设计了基于波形特征分析和能量法的辅助钢筋无损检测方法，并应用于国内某大型水电工程实践，检测有效，具有推广价值。

岩壁梁；声波反射法；锚杆饱满度；辅助钢筋

岩壁锚杆吊车梁（简称“岩壁梁”）是通过水泥砂浆锚杆将钢筋混凝土锚固在岩壁上共同承载的特殊结构物，布置岩壁上的受拉、受压锚杆，与岩壁共同承担了岩壁梁运行时的全部荷载（包括自重），同时起着抗拉、抗剪作用。因此，岩壁梁锚杆注浆饱满程度对于保证岩壁梁的运行安全至关重要。当前，基于声波反射法［1］的锚杆无损检测技术因其低成本、适应性强、测试便捷、准确度高，在工程建设领域广泛使用。然而，采用声波反射法对岩壁梁锚杆进行无损检测时，干扰信号较多、波形图复杂、波动衰减缓慢、规律性差，分析难度大，不能真实、准确反映锚杆锚固质量。国内学者、工程技术人员［2-5］对相关问题展开了一些研究，李义［2］通过试验研究分析了锚杆自由段、锚固段和激发应力波波长之间关系对于检测效果的影响，訾建峰［3］对锚杆长度无损检测的影响因素进行了研究分析，彭相国［4］，宋国炜［5］采取工艺试验确定修正值对原始检测结果进行修正的方式对岩壁梁锚杆锚固质量进行分析。本文通过检测原理分析和仿真试验，确定了主要干扰因素，设计了一种基于波形特征分析和能量法的辅助钢筋无损检测方法，并应用于国内某大型水电工程，实践表明检测有效，具有一定推广价值。

1 基本思路

对激发应力波在岩壁梁锚杆锚固体系中激发-反射模型理论分析，确定其主要的干扰因素，利用仿真试验验证，根据试验结果，归纳总结波形特征，针对性的设计干扰因素的消除方法并试验验证，获得岩壁梁锚杆真实锚固情况。

1.1 原理分析

锚杆锚固质量的声波检测技术的理论问题，可归结为不同边界条件下线性坐标下的波动方程的求解。原理上讲，在锚杆顶端所接收到的反射信号是施于锚杆顶端的瞬态激振力、锚杆围岩系统自身的振动特性以及传感器特性等因素的综合反映［6］。岩壁梁锚杆的直径d一般都在50mm以下，长度L通常都在5m以上，即L≫d，且检测用激发纵向应力波长远大于0.5d，按照“小应变动力测桩技术”的理论［7］，可以忽略锚固系统横向位移，将其简化为嵌入围岩的一维弹性匀质变截面杆件，锚固介质和围岩介质则可作为纵向方向上的粘滞摩阻力予以考虑。

1.1.1 激振状态下杆件动力响应

按照上述模型得出锚固系统在瞬态激振下的一维约束波动方程式（1），求出该方程在不同边界条件下的解析解［8］，即得到瞬态激振下的杆件动力响应。

设A、E、ρ为杆件的截面积、弹性模量、密度；K、h分别为单位长度上杆件周围介质的综合弹性约束系数和粘性阻尼系数；u（x，t）为坐标为x的质点在t时刻沿x轴方向的位移，不计重力，其约束波动方程为：

对其求解，可得质点振动位移解：

式中，B1、B2—待定常数；k1—波衰减因子（表征衰减快慢）；k2—与波的数量和速度相关的参数；B1e-k2x—入射波振幅；—反射波振幅。

1.1.2 变阻抗界面应力波的反射和透射

在应力波检测模型中，入岩面、缺陷部位、杆底均可视为变波阻抗界面。波传到变阻抗界面时将发生反射和透射，根据位移、速度和轴力三者的连续条件和动量守恒定理，可得反射系数R和透射系数 T［9］。设 c为介质中的应力波速，uI、uR、uT分别为入射波、反射波、透射波沿杆件方向的位移，则：

另一方面，杆件变形为弹性变形，符合胡克定律，按照波动微分方程在一维情况下的波速定义，可以推导出：

1.1.3 应力波衰减

对于杆件上任一质点，激振应力波的振幅将随时间衰减，衰减规律与介质固有特性相关，用介质品质因子Q进行度量，假定初始振幅A0，角频率为ω，连续时间点t的振幅为At，则应有：

1.1.4 数值计算与分析

（1）按照式（5），对于自由端，可以视为E1A1/c1≫E2A2/c2，即α→0、R→1，此时端部的总位移是入射波位移的2倍；对于固定端，可以视为E1A1/c1≪E2A2/c2，即α→∞，此时端部的总位移为零。当变阻抗界面的弹性参数差异越大，产生的反射波振幅和能量就越大，入岩面将产生较强烈的反射波，同时，锚杆自由端亦为无约束变阻抗界面，则在锚杆的自由段，即自由端与入岩面之间将反复产生震荡波信号。

（2）设想杆系1/2处有一处缺陷，将入岩面、缺陷部位、杆底产生的反射波分别视为初始波，研究自由端质点的位移变化。金属材料介质品质因子Q取1000［10］，杆系波速预设4700m/s（试验测得），将锚杆的设计参数代入式（2）和式（7），计算三处反射波振幅衰减至1/2、1/3、1/5倍花费的时间（以端部激发时起算），计算结果见表1。

表1 不同变阻抗界面反射波衰减时间（自端部激发起算）

根据上述分析，入岩面反射波将在自由段多次震荡；入岩面反射波与缺陷处、杆底反射波频谱特性相似，但其幅值远远大于其余反射波；同时，由表1可见，在锚杆实际设计参数下，入岩面反射波与缺陷反射和杆底反射衰减时间差别较短，在时间域上难以捕捉其他变阻抗界面的反射信号，采用频带滤波及各种数字滤波等手段均难以有效滤除。

综合模型分析和数值分析结果，可见存在于自由段的多次反射波，是导致岩壁梁锚杆检测困难的最主要因素。据此推论，截短自由段后检测效果应有所改善，下面通过仿真试验予以验证。

1.2 典型波形

（1）按照设计参数，在PVC管内用水泥砂浆浇筑螺纹钢锚杆，模拟岩壁梁受拉（A组）、受压（B组）锚杆试件各3根，同组内不同编号锚杆在锚固段中部设置不同程度缺陷（如图1所示）。B组截去1.5m自由段后作为试验对照组，定义为C组。试验参数如表2。

图1 模拟锚杆试件示意图

表2 模拟岩壁梁锚杆设计参数

（2）使用声波反射法进行无损检测，检测时采用端发端收方式，使用分体式锚杆检测仪激发脉冲声波，接收并记录锚杆中的反射声波信号，采集1#～6#典型波形和频谱如图2所示。

图2 典型锚固状态（A、B组）波形和频谱图（从左至右、从上至下依次为1#～6#模拟锚杆）

（3）采集7#～9#典型波形和频谱如图3所示。

图3 试验对照组（C组）波形和频谱图（从左至右为7#～9#模拟锚杆）

1.3 特征分析

1.3.1 A组、B组模拟锚杆检测波形的相似特征

（1）时间域上，杆底反射不清晰；续至波强烈，相位正负交替，1#～3#波峰时差约为1.1ms，4#～6#波峰时差约为0.7ms，时差法计算间隔长度分别为2.84m，1.81m，与模拟锚杆自由段长度基本一致。

（2）频率域上，各频峰间隔相等，根据频差法计算长度与锚杆外露段长度接近。说明各峰值频谱信号主要为外露段震荡信号。

1.3.2 B、C组模拟锚杆检测波形特征对照分析

（1）C组波形规则，周期性频峰现象消失。

（2）C组设置了缺陷的锚杆底端反射明显，缺陷反射在波形上有所体现。

通过A、B、C组锚杆检测波形特征分析，判定A、B组锚杆自由段震荡信号掩盖了杆底和缺陷反射波的信号，信号复杂，波动衰减缓慢，较难分析锚杆锚固质量。

1.4 解决思路

仿真试验结果与原理分析推论一致，表明自由段的震荡反射信号为主要干扰因素。针对自由段反射波的形成机理和衰减特性，设计三种解决思路。

思路一，预埋自由段较短的辅助钢筋，利用能量法测量注浆饱满度：按照能量法原理，若杆中存在注浆不密实段，则复合杆件的截面积及波阻抗发生变化，在波阻抗差异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注浆饱满度差异程度有关；一般饱满度越差，反射波的能量越强，衰减越慢；不密实区段越多，则波阻抗界面越多，反射应力波越多。辅助钢筋设置如图4所示。

思路二，抬高反射面法：将接收传感器固定在入岩面附近的锚杆侧面，用可拆卸胶结材料把传感器封装在里面，抬高自由段反射面，使得锚杆自由段缩短，自由段多次反射波在传感器之上传播，不至于影响到传感器。原理见图5所示。

图5 抬高反射面法原理图

思路三，反射波叠加削弱法滤波：编制软件提取首次岩面反射波作为标准反射波，按一定的波幅衰减、相位更替规律和反射时间间隔，对自由段多次反射波进行叠加削弱。

图4 辅助钢筋断面图和剖面图

2 效果验证

选取3根工况类似的待检测锚杆，每根锚杆总长为7.5m，直径为32mm，自由段长度为2.18～3.18m，按照上述解决思路设计验证试验。

2.1 采集波形

2.1.1 短外露辅助钢筋法

在待检测锚杆旁侧布置检测用直径8mm的辅助钢筋，辅助钢筋长度5.5m，自由段长度约0.2m。试验示意图和检测波形如图6所示。

图6 辅助钢筋法试验示意图和检测波形（红色标注线为杆底反射时刻）

2.1.2 抬高反射面法

为增大对锚杆自由段多次反射波的阻挡作用，在锚杆外露套装一个厚20mm、直径15cm的钢环，用橡皮泥（后选择防火泥、石膏等多种材料进行试验，效果相近）把钢环下面充填并将传感器包裹。试验示意图和检测波形如图7所示。

图7 抬高反射面法试验示意图和检测波形（红色标注线为杆底反射时刻）

2.1.3 反射波叠加削弱法滤波

在原锚杆无损检测分析软件基础上，增加多次反射波处理功能，提取反射波并进行叠加削弱处理，反射波叠加滤波前后波形图如图8所示。

图8 反射波叠加处理前（左）后（右）波形图

2.2 特征分析

（1）分析图6、7、8波形特征，通过以上方式处理后，岩面反射波均有所削弱。

（2）将图6和图7进行对比，可见辅助钢筋法检测波形较规则，效果优于抬高反射面法。

（3）由图8可见，采用反射波叠加削弱法滤波后，岩面多次反射波受到一定削弱，但仍存在多次反射波波形畸变现象，消除效果不佳。

综上，根据波形特征分析，辅助钢筋法检测效果最优。

2.3 验证效果

下面采用仿真试验验证辅助钢筋法饱满度检测准确率。按设计参数在PVC管内用水泥砂浆浇筑4组（1#～4#）设置辅助钢筋的螺纹钢锚杆，每组3根锚杆（同组锚杆在锚固段不同部位设置相同长度的注浆空腔，类似图1），要求检测人员（未告知缺陷长度）检测、判定待检锚杆注浆饱满度和级别，将检测结果与理论饱满度进行对比。对比结果如表3。