應力波法在黏結型錨索質量檢測中的應用研究

曾輝輝，王立偉，朱本珍，李俊鵬

(1.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000;2.中國中鐵置業集團有限公司，北京 100055;3.西安中交公路巖土工程有限責任公司，西安 710068)

1 黏結型錨索概況

黏結型錨索(以下稱為錨索)是公路、鐵路及水電等行業的邊坡工程、地下工程和基礎工程加固的重要手段。錨索施工質量(錨索長度、自由段套管破損、錨固段注漿缺陷等)是錨索能否發揮其最大效用的重要影響因素，因此，對錨索進行質量檢測極為重要。但目前國內外尚無成熟的錨索檢測方法，而目前常用的拉拔試驗一般僅能以拉拔力一項指標作為對錨索施工質量進行評價，并且拉拔試驗是一種破壞性試驗，在邊坡工程施工過程中不宜作為常規的質量檢測方法。為此，本文在應力波法原理的基礎上，采用中鐵西北科學研究院2005年開發的錨索質量檢測儀對錨索的長度、自由段套管破損、錨固段注漿缺陷進行檢測，根據錨索檢測的數據，對錨索施工質量進行評價。

應力波法是一種快速、易操作、較為準確的無損檢測方法，不對錨索結構本身產生任何破壞作用，適宜進行大范圍的檢測。至今已在福建、甘肅和貴州地區的邊坡工程質量檢測中得到應用。

2 應力波法檢測錨索質量的基本原理

應力波法檢測錨索的質量是通過在鋼絞線頂部施加一垂直瞬態擾動力后，由聯結于鋼絞線頂部的速度或加速度傳感器接收到的質點運動速度的波形。其理論基礎為一維波動理論［1］如式(1)

式中 u——鋼絞線橫截面的縱向位移，m;

x——橫截面的縱向位置，m;

t—— 時間，s;

c0——應力波在鋼絞線中的傳播波速，m/s;

3 黏結型錨索的質量檢測方法

首先將傳感器黏貼在連接器上，必須穩定、牢固。通過專用錘敲擊連接器，從而在錨索中產生前進方向的應力波，應力波在遇到阻抗變化的截面后將產生反射波，被傳感器接收到，再將其傳輸到錨索檢測儀進行信號的編輯及預處理，然后再通過專用軟件進行數據的后處理及分析，得出黏結型錨索的特征反射信號、進一步對錨索的質量作出評判，如圖1。

圖1 錨索質量檢測示意

4 應力波在黏結型錨索中傳播特征［3］

當錨索端頭受瞬態力P作用后，引起錨索頭質點振動，并以應力波的形式向錨索底傳播。當錨索中某一截面面積或材料性質發生改變時，入射波將在該截面處發生反射和透射，其反射和透射波的大小與截面面積和波阻抗相對變化的程度有關。在錨索體系中錨索、砂漿和圍巖三者之間砂漿灌注均勻密實時，應力波的能量大部分透射到圍巖體中，只有小部分能量反射回來，且反射信號極有規律。當砂漿灌注不均勻、不密實時，在砂漿中出現空穴，空穴處將出現不同程度的波阻抗變化面。在這種情況下所采集的信號顯得很雜亂，表明在原有的信號中疊加了強度不同的反射信號，或在不應出現反射波處存在反射信號。

從上面的分析可知，全長黏結型錨索可以采用彈性波中的一維桿件理論來進行分析，簡化模型如圖2。圖中，A1，A2分別表示桿1和桿2的橫截面積，m2;m1，m2分別表示桿1和桿2的單位長度質量，kg;E1，E2分別表示桿1和桿2的彈性模量，Pa;ρ1，ρ2分別表示桿1和桿2的質量密度，kg/m3。

圖2 錨索模型示意

在分析應力波在錨索自由段端面、自由段與錨固段分界面、錨固段與孔底分界面及錨索中的間斷面(如砂漿不密實、孔洞、裂隙及夾雜異物等缺陷)中的反射及透射傳播特征時，首先假設在交界面處，兩種介質是緊密黏結的，所以就可以利用在界面的位移、速度和力的連續條件，通過這些條件可以建立入射波、反射波和透射波之間的相互關系。

1)應力波在錨索自由段端面的傳播特征分析

自由端面的邊界條件是合力為零，即應力波到達自由段端面時產生一個符號相反、大小相等的反射波，在桿端截面疊加后，使桿端合力為零，而桿端截面處質點速度增加一倍。

實測的錨索自由段端面首波一般為正向波型，極少數為負向波形，且波幅值的絕對值最大。

2)應力波在錨索錨固段底端面的傳播特征分析

錨固段底端面的邊界條件是速度為零，即應力波到達錨固段底端面時，將產生一個與入射波相同的反射波，由于波的疊加作用，使在底端面處的應力增加一倍，合速度為零。

實測的錨索錨固段底端面反射波相位一般與首波相位同向、極少數與首波相位異向，主要取決于錨固段底部圍巖與錨固段介質波阻抗的大小。

3)應力波在自由段和錨固段界面處的反射與透射

在桿件截面發生突變時，見圖2，聲阻抗由 z1=，根據變截面處的平衡條件、連續條件及F=zv，經推導可得反射系數 R［2］如下

式中 A1E1和A2E2——各桿件截面的抗拉剛度，N;

v—— 桿件中質點的運動速度，m/s;

F—— 應力波產生的力，N。

由于錨固段介質的波阻抗z2大于自由段介質波阻抗z1，再根據反射波與入射波的相位關系，可知應力波在錨索自由段與錨固段分界面的相位與首波相位相反。

5 應用實例

本文以黃土邊坡錨固工程中的錨索質量檢測為例，說明采用應力波法進行錨索質量檢測的可行性與有效性。

5.1 錨索質量檢測

該邊坡位于蘭州東出口，為厚層黃土邊坡，共分為4級。一級坡為片石擋墻、四級坡為錨桿框架;二、三級坡設有黏結型錨索，二級坡錨索設計長度17.5 m，自由段長11.5 m、錨固段長6 m;三級坡錨索設計長度19.5 m，自由段長13.5 m、錨固段長6 m;該邊坡錨固工程為典型錨索質量檢測波形，見圖3。圖3中，(a)實測錨索自由段長11.78 m、錨固段6.15 m，完整錨索;(b)實測錨索自由段長13.69 m、錨固段6.21 m，完整錨索;(c)錨索自由段長11.39 m、錨固段6.08 m，波紋管破損的錨索;(d)錨索自由段長13.79 m、錨固段6.32 m，帶有注漿缺陷的錨索。

圖3 邊坡錨固工程典型錨索質量檢測波形

5.2 檢測結果分析

1)通過對錨索長度的檢測并與錨索的設計長度進行對比，二級坡錨索實測總長最大值為17.93 m、最小值為17.47 m，最大誤差為2.5%;三級坡錨索實測總長最大值為20.11 m、最小值為19.90 m，最大誤差為3.1%。說明采用應力波法檢測黏結型錨索長度的準確性是比較高的。

2)通過圖3可以看出，黏結型錨索自由段與錨固段分界面的反射波相位與應力波首波相位相反;錨固段底部反射波相位與首波相位相同;自由段波紋管破損缺陷的應力波相位與首波相位相反;自由段與錨固段注漿缺陷的相位均與首波相位相同。這些特征均符合第4節中應力波在黏結型錨索中的傳播特征。

6 結語

本文將應力波法應用于黏結型錨索的質量檢測，并通過對現場檢測數據給予驗證。

1)將應力波法應用于黏結型錨索的質量(長度、缺陷)檢測是可行和有效的。

2)應力波在黏結型錨索自由段與錨固段分界面的反射波相位與應力波首波相位相反;錨固段底部反射波相位與首波相位相同;自由段波紋管破損缺陷的應力波相位與首波相位相反;自由段與錨固段注漿缺陷的相位均與首波相位相同。

3)采用應力波法檢測黏結型錨索質量的方法，仍需進一步修改和完善。

［1］吳斌，韓強，李忱.結構中的應力波［M］.北京:科學出版社，2001.

［2］劉屠梅，趙竹占，吳慧明.基樁檢測技術與實例［M］.北京:中國建材工業出版社，2006.

［3］曾輝輝.既有錨固工程邊坡質量檢測及安全評價方法［D］.北京:中國鐵道科學研究院，2008.

［4］李中國，柳墩利，萬軍利.高填方預應力錨索樁板墻錨索拉力的原位監測與分析［J］.鐵道建筑，2010(3):57-59.