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高速公路某隧道锚杆锚固质量无损检测分析

张显福 梁辉
摘要：在高速公路隧道施工过程中采用应力波运动学理论分析和评述了锚固体系质量检测的方法、技术与特点;并通过工程检测实例进一步说明,锚杆锚固质量无损检测技术是一种方便易行,测试精度能满足现场技术要求的方法,具有较为广阔的应用前景。
关键词：锚杆；锚固；无损检测；声频应力波；质量
1 引言
锚杆作为支护系统的一个重要组成部分被广泛地应用于地下工程初期支护中，在高速公路隧道工程中采用较多的是全长粘结砂浆锚杆，传统的锚杆检测方法是抗拔试验，但这种方法测试结果不能完全反映锚固效果的好坏（研究表明：①当注浆长度大于锚杆直径40倍时，锚固力就在于钢筋的拉拔极限；②无法确定长度）因此,采用声频应力波对锚杆的锚固质量进行无损检测，配合抗拔力试验，进行综合分析，能对锚杆的锚固质量作出比较全面的评价。
2 检测原理
检测锚杆锚固质量采用的仪器为JL-MG(C)锚杆质量检测仪，该仪器的检测原理为：在锚杆外露端激振，产生弹性应力波信号沿钢筋传播，当钢筋周围或底端介质发生变化时（砂浆不饱满或空浆），将产生反射信号；通过附在钢筋端部的传感器拾取弹性波的传播和反射信号，进行波形分析，可判断锚杆中有无空浆或密实状况；并根据反射波的位置可计算锚杆长度或空浆、不密实的位置，从而评价锚杆的密实度。
应力波在锚杆中的传播规律符合以下公式
V＝2L/t
其中V—应力波在锚杆中的传播速度，m/s。
L—锚杆的长度，m。
t —应力波从锚杆外端到底部，再回到外端的时间，s。
在细长杆中（杆的横向尺寸远小于波长）纵波的传播速度V0可按下式进行计算：
V0=
根据钢材的密度ρ＝7.85g/cm3，钢材弹模E＝2.08×105MPa，应力波在自由的锚杆中传播的速度在5148m/s左右，应力波在自由的锚杆中存在明显的反射波，故采用声频应力波测出自由锚杆的长度，误差不超过1％，用此方法也可对仪器进行核查。对于埋设在岩体内的锚杆，如果注浆越饱满，则杆底部反射越不明显，这时，给应力波从锚杆底部反射回来的传播时间判读增加难度，也就确定锚杆的长度变难。（但同时也说明反射波越弱，注浆越饱满。）锚杆周围充填砂浆时，会影响应力波在锚杆中的传播速度，根据实际测试结果，应力波在岩体内的锚杆中传播的速度在4100～5000m/s之间。但是，相同的设计、施工工艺，在相同的围岩介质中，应力波的传播速度变化不大，这就要求测试时，应对不同条件的施工锚杆进行试验，测试应力波在该类型锚杆中的传播速度，以便更好地测试锚杆的长度。
3 实例
在对某高速公路隧道锚杆质量检测过程中，采用JL-MG(C)锚杆质量检测仪进行检测，其评价标准为：
锚固质量分类 波形特征 锚固状态
优 波形规则，只有较微弱的底部反射波或没有底部反射波。 密实
良好 波形较规则，有底部反射波和局部有较弱的反射波。 局部欠密实
一般 波形欠规则，有底部反射波或局部有较强的反射波。 局部不密实或空浆
差 波形不规则，底部有较强的反射波或底部反射波提前（锚杆欠长），或有多处较强的反射波。 多处不密实或空浆
测试时，在锚杆的顶端布置传感器，用小锤敲击锚杆顶端，产生的弹性波沿锚杆向下传播并向锚杆周围辐射能量，弹性波遇到砂浆不均匀，波阻抗发生变化的界面时产生反射波将向上传播到锚杆顶端并被传感器接收记录，通过检测仪对实测波形的综合分析和储存。反射信号的能量强度和到达时间取决于锚杆周围或端部的灌浆状况。通过对信号进行处理和分析，可以确定锚杆长度以及灌浆的整体质量。其评价核心是：利用应力波在不同波阻抗界面的反射能量及相位的变化原理。锚杆的长度通过反射波时间可得，砂浆锚杆的饱满度涉及的理论问题比较复杂，原理上应进行阻抗分析。但实际上锚杆检测数量巨大，难以像基桩检测一样进行大量的波阻抗变化分析，因此检测过程中一般通过反射波相对能量的比值来经验判断锚杆砂浆密实度。
图1 图2
图3图4
图1锚杆设计3.0m，在3.0m处有反射信号，在1.0m处有一较强反射信号，判断是小缺陷引起，判定为良。
图2锚杆设计3.5m，在3.5m处有一反射信号，波形较规则，但衰减较慢，这属于锚杆与浆粘结一般，根据密实度刚刚能判定为良。
图3锚杆设计3.5m，在12m和2.4m处都有一较强反射信号，但3.5m处又没有反射信号，判定锚杆只有1.2m长，2.4m处是二次反射，虽密实度刚够合格，但长度不够，判定为不合格。
图4锚杆设计3.5m，波形很规则，频率较高，无任何反射信号，只能判定为长度达到要求，密实度较好。
由图1-4可知，检测数据处理 根据波动理论，任何一个反射波都是由低频到高频的不同频率的子波所构成的。频率高，能量衰减快，引起质点振动时间短，不同界面反射波的高频成分子波可能是分离的。频率低，能量衰减慢，引起质点振动的时间长，不同界面反射波低频成分是相互叠加的。锚杆质量检测主要任务是确定界面的位置，因此如何分离各界面的反射波非常重要。传统方法是对采集到的波形数据进行傅里叶变换。通过变换，可提出各反射波的主频。由于傅里叶变换是一种纯频域分析方法，反映的是整个信号全部时间下的整体频域特征，而不能提供如何局部时间段上的频域信息。小波变换是在傅里叶变换的基础上发展起来的，具有时频分析功能。其良好的局部化特征，能对信号在任意时刻的任何细节进行细致的分析和处理，因此在锚杆质量无损检测在高速公路隧道施工的应用，对检测锚杆锚固质量是否合格取得了很好的效果。
4 结论与建议
锚杆无损检测技术较适合对锚杆进行大规模的普查，因检测速度比较快，对其锚固质量进行定性检测分析判定较好，通过和拉拔试验相配合使用,能够确定锚杆各段的锚固力值大小,但对检测出现没有反射回波时的锚杆长度的判定还存在一定的困难，对锚杆注浆密实度的定量判断还存在一些问题，有待理论和实践的进一步研究验证；目前的锚杆无损检测技术还有待完善，因此，在工程建设中还必须加强施工过程的监控，切不可忽视施工过程的管理与监督，随着这种检测方法的不断推广和应用,将对锚杆技术的发展产生积极的推动作用,同时更会对社会给建设单位带来较好经济效益,具有广阔的应用前景。
参考文献：
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[2] 汪明武. 无损检测锚杆锚固质量的现场试验研究[J ]. 水文地质工程地质, 1998, (1) : 56- 58.
[3] 李义, 王成. 应力波反射法检测锚杆锚固质量技术研究[J ]. 煤炭学报, 2000, 25 (2) : 160- 164.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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