中空注漿錨桿的動力響應特征及質量評價研究*

蔡俊華，盧偉平，閆小波

(1.中國地質大學工程學院，湖北 武漢 430074；2.三明市交通建設集團有限公司，福建 三明 365000；3.福州大學土木工程學院，福建 福州 350100)

0 引言

錨桿作為錨噴結構體系的重要組成部分，在各類隧道及基坑工程中都是重要的建筑材料。以福建莆炎高速公路三明尤溪中仙段西華隧道為例，V級圍巖段每延米中空錨桿的長度達80.25m，IV級圍巖段每延米砂漿錨桿的質量達126.65kg。但在現場施工中，錨桿特別是拱頂部位的中空注漿錨桿，施工工序相對繁多，注漿量經常達不到要求或長度不足，不能深入基巖，嚴重影響其工作性能。對于公路隧道及建筑基坑的錨桿檢測，目前主要采取抗拉拔試驗進行抽檢。拉拔試驗本身是破壞性，同時出于設備操作的限制，檢測人員多選擇邊墻部位的錨桿，因此存在較大局限性[1-3]。

通過聲波進行錨桿無損檢測的效果已被實踐證明，但仍有許多技術問題需進一步探討。不少工程技術通過現場試驗和數值模擬方法，對如何基于錨桿動力響應判斷檢測結果展開深入研究。李國斌[4]在基于聲波反射法測試的基礎上，結合模擬試驗，對不同長度的中空錨桿進行試驗研究，進而有效判定中空錨桿長度。李義等[5-6]通過試驗和現場實測，發現錨桿中傳播的應力波波速在固結段減小現象，提出固結波的概念和錨固狀態綜合參數動態無損檢測方法。許明等[7]采用瞬態激振測定錨桿的振動響應來估計和推斷錨桿的完整性，并基于小波包分析得到能量特征向量，作為缺陷特征向量進行無損檢測。李維樹等[8]通過錨桿邊界條件突變進而引起的相位變化，根據波形中反射相位的相鄰點計算空漿或不密實的位置及長短來判斷密實性狀。Beard等[9]利用導向超聲波對錨桿進行檢測，綜合考慮了圍巖巖石模量、環氧層模量及厚度、錨固質量等因素對測試結果的影響。

綜上所述，針對普通砂漿錨桿的動力檢測的相關研究成果較為豐富，而針對中空錨桿水泥漿齡期影響的相關研究仍較少見。本文在基于中空注漿錨桿現場試驗和數值模擬的基礎上，從固結波速和衰減系數2個方向探討了水泥漿齡期對中空注漿錨桿動力檢測效果的影響。

1 基于現場檢測的中空錨桿動力試驗

現場檢測試驗選擇廣東梅大高速公路項目11標段楊公坑隧道，后期在福建莆炎高速公路三明尤溪中仙段西華隧道進行了補充檢測。中空錨桿均設計在V級圍巖段，錨桿直徑25mm，長3.5m，環向、縱向間距均為1.0m。中空錨桿桿體采用Q345鋼，外熱鍍鋅層厚度≥0.061mm(3點平均)；錨桿成孔直徑為50mm，初噴混凝土完成后進行正反循環注漿，水泥砂漿(強度不低于M20)水灰比為0.4～0.5、砂灰比為0～1、砂子直徑<1mm。錨桿墊板與噴射混凝土層緊密密貼，砂漿凝固前不得加力。

1.1 試驗原理

試驗檢測時儀器布置如圖1所示。在中空注漿錨桿外露端激振，產生的彈性應力波信號沿錨桿桿體傳播，當鋼筋周圍或底端介質發生變化時(砂漿不飽滿或空漿)，將產生反射信號。同時，當應力波遇到錨固缺陷時，原有的振動信號將產生相位突變，可通過分析其變化判斷錨固缺陷位置，也可通過波形讀取行波的波長、波速及振幅并計算出衰減系數，判斷錨桿的注漿飽滿度。同時，參照標定試驗，選取錨固系統的波阻抗、動剛度等參數來判斷錨桿長度和砂漿飽滿度。

圖1 錨桿應力波法質量無損檢測示意

1.2 試驗方案

針對中空錨桿的結構特征，選取不同水泥漿液凝固時間的錨桿進行動力測試。不同齡期水泥漿將改變錨固體的波阻抗或單位動剛度，從而可得到不同波形。再對固結波速、衰減系數等行波參數進行對比分析，得出表征檢測結果的動力響應特性。

檢測試驗在同一隧道鄰近部位設置4組，每組3根錨桿，按不同的砂漿凝結時間檢測5次。根據GB 175—1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》中對硅酸鹽水泥的主要凝結時間，選擇6，45min，10h及3，7d共5個時間進行測試。試驗選擇在西華隧道K158+610—K158+645段邊墻部位。錨桿設計長度為3.5m，直徑為25mm，試驗設計方案如表1所示。

表1 不同水泥漿齡期錨桿檢測試驗設計

1.3 試驗結果分析

1.3.1水泥漿齡期對固結波速的影響

根據波形頂底端反射信號間的時域差(首波的來回時程)對3根錨桿的固結波速進行計算，繪制數據相對完整的1，2，3號錨桿的固結波速隨齡期變化趨勢曲線，如圖2所示。

圖2 中空注漿錨桿固結波速隨水泥漿齡期變化曲線

由圖2可知，當水泥漿齡期在10h(lnt=2.3)內時，錨桿的固結波速變化范圍較小，其值在3 962～4 100m/s，其中3號錨桿的波速略呈下降，最小值3 962m/s。這是由于水泥漿在初凝齡期內，中空錨桿的密實度及強度較小，并使固結波速略微減小。隨水泥漿齡期的增加，中空注漿錨桿的密實度、強度不斷提高，固結波速也不斷在增大，在7d時達到最大為4 560m/s，固結波速的變化總體上為先下降后呈指數式增長趨勢。

1.3.2水泥漿齡期對衰減系數的影響

考慮齡期對衰減系數的影響，衰減系數反映了水泥漿對應力波能量的吸收情況，衰減系數較大時，能量吸收較多，對應的桿側阻尼較大，側向剛度較小；反之，衰減系數較小時，能量吸收較少，則桿側阻尼較小，側向剛度較大。繪制1，2，3號錨桿的衰減系數隨齡期變化趨勢曲線，如圖3所示。

由圖3可知，在注漿后，因錨桿內外漿體處于流塑狀態，整個錨固結合體的阻尼小，能量吸收弱，故其衰減系數值變小；隨著齡期增長造成水泥漿對錨桿體耦合作用加強，水泥漿與錨桿結合體的阻尼增大，能量的吸收增強，衰減系數增大。3根錨桿的衰減系數變化趨勢均為先下降后上升并逐漸趨于穩定。最終達到水泥漿齡期7d時，3根錨桿的衰減系數分別為0.397，0.429，0.413，能量衰減較強烈。齡期7d的注漿狀態為密實，在判斷中空錨桿注漿密實等級時，上述衰減系數值可作為錨固等級評價的依據。

2 基于數值模擬的中空錨桿動力響應

為便于與現場試驗結果比照驗證，通過FLAC3D數值平臺對錨桿動態響應系統進行數值模擬，分析水泥漿齡期變化對固結波速、衰減系數等行波參數的影響。

2.1 錨固體系模型建立

2.1.1幾何尺寸

建立中空注漿錨桿的計算模型，各構件的具體尺寸如下：錨桿長度為3.0m、直徑為25mm、壁厚為5mm，圍巖上的錨桿孔直徑為50mm，水泥砂漿錨固(劑)體的內外徑分別為25，50mm，底部圍巖沿桿軸線方向上的長度為50cm。其中，外部邊界縱橫向尺寸的確定如下：根據水泥砂漿錨桿的實測數據，可計算得振動波波長約為1.30m作為波長，因此確立了錨桿中心到縱橫向邊界上的距離取半波長0.60m。根據網格劃分原則，在能達到應有計算精度的前提下，盡量減小單元數量，實際建立的典型錨固體系模型如圖4所示。

圖4 中空注漿錨桿動力計算三維模型

2.1.2接觸面設置

在巖土體模擬中，接觸面定義尤為關鍵，其將直接影響模擬結果準確性及精度。故將中空錨桿砂漿與圍巖的接觸平面定義為接觸面1，砂漿與底部圍巖的平面接觸定義為接觸面2，砂漿與錨桿間柱面接觸定義為接觸面3，以模擬它們之間的相互作用。具體的三維模型如圖5所示。

圖5 中空注漿錨桿動力計算模型的接觸面設置

2.1.3計算參數

Ⅴ級圍巖的材料單元設置為莫爾-庫侖模型，參數的選取依據楊公坑隧道地質勘察報告，具體數值如表2所示，其中E，ν為材料彈性模量和泊松比，c，φ分別為土體的黏聚力和內摩擦角，γ為材料重度。

表2 圍巖與錨桿的物性參數

圍巖與支護結構的耦合作用可通過接觸面關系模擬。各力學參數的取值不僅與支護結構幾何性質及材料性質有關，更與接觸圍巖的土層分布及土層性質密切相關。參考楊公坑隧道地質勘察報告，各參數取值如表3所示，其中cs_nk和cs_sk分別表示法向和剪切耦合彈簧單位面積上剛度。

表3 圍巖-砂漿接觸面的物性參數 (GPa·m-1)

2.2 計算結果分析

試驗工況同現場試驗，模擬不同水泥漿齡期對中空注漿錨桿的固結波速及衰減系數的影響。

2.2.1水泥漿齡期對固結波速的影響

根據底端反射信號的聲時差對各錨桿的固結波速進行計算，繪制固結波速隨水泥漿凝結對數時間關系曲線，如圖6所示。

圖6 中空注漿錨桿固結波速隨水泥漿齡期變化曲線

由圖6可看出，當水泥漿齡期在10h(lnt=2.3)以內時，錨桿的固結波速變化范圍較小，其值在3 965～4 200m/s，這是由于水泥漿在初凝齡期內，中空錨桿的密實度及強度較小，并使固結波速略微減小。隨水泥漿齡期的增加，中空注漿錨桿的密實度、強度不斷提高，固結波速也不斷在增大，在7d時達到最大為4 481m/s，固結波速的變化總體上先下降后上升呈指數式增長趨勢。

2.2.2水泥漿齡期對衰減系數的影響

根據波形各峰值對應的聲時計算出波長，再由波長求出各齡期對應的衰減系數。繪制其衰減系數變化規律曲線，如圖7所示。由圖7可知，中空注漿錨桿的衰減系數隨水泥漿齡期增加，其變化趨勢與現場試驗相同，均為先下降后上升并逐漸趨于穩定。設計7d齡期錨桿的注漿狀態為密實，故在判斷中空錨桿注漿密實等級時，上述7d齡期的衰減系數值可作為評價依據。

圖7 中空注漿錨桿衰減系數隨水泥漿齡期變化曲線

3 數值模擬與現場試驗對比研究

3.1 固結波速的對比

為驗證現場試驗固結波速精確性，將現場試驗和數值模擬中固結波速隨水泥漿齡期的變化規律共同繪制于圖8中。

圖8 現場試驗和數值模擬中固結波速隨水泥漿齡期的變化曲線

由圖8可知，現場試驗與數值模擬規律一致，其固結波速隨水泥漿齡期增加的變化趨勢均為先減小再增大；其不同之處在于，數值模擬中其固結波速陡增時，其水泥漿齡期為10h(lnt=2.3)，而現場試驗則為72h(lnt=4.28)，這是由于數值模擬較現場試驗理想化，當水泥漿齡期為10h時，現場試驗膠結效果較差，水泥漿仍處于流塑狀態；但7d后，數值模擬結果與現場試驗結果相近，表明當水泥漿齡期達到7d后，其固結波速將處于穩定狀態。

3.2 衰減系數的對比

為驗證現場試驗衰減系數精確性，將現場試驗和數值模擬中衰減系數隨水泥漿齡期的變化規律共同繪制于圖9中。

圖9 現場試驗和數值模擬中衰減系數隨水泥漿齡期的變化曲線

由圖9可知，現場試驗與數值模擬的衰減系數隨水泥漿齡期增加的變化規律基本一致，其變化趨勢均為先減小再增大；相異之處在于，其衰減系數陡降時，數值模擬中水泥漿齡期為10h(lnt=2.3)，而現場試驗則為72h(lnt=4.28)，與3.1節固結波速結論對應。當水泥漿齡期為10h時，現場試驗膠結效果較差，水泥漿仍處于流塑狀態，阻尼小，能量吸收弱；但7d后，數值模擬結果與現場試驗結果相近，表明當水泥漿齡期達到7d后，其衰減系數將處于穩定狀態。

4 結語

1)在水泥漿不同齡期的作用下，錨固體系的固結波速和衰減系數均有一個先減小后增大趨勢，可見注漿齡期對動力響應有顯著影響，得到的固結波速和衰減系數可作為檢測時的參照依據。

2)在錨桿周圍砂漿密實情況下，中空注漿錨桿的衰減系數在0.34～0.42。在初凝(45min)時，中空注漿錨桿的衰減系數最小；在7d齡期時，中空注漿錨桿的衰減系數最大。隨齡期增長，中空注漿錨桿的衰減系數變化呈先下降后上升的指數式增長趨勢，可作為評判錨固體系密實度的依據。

3)中空注漿錨桿不同水泥漿齡期對應的固結波速和衰減系數差別較大，為了對中空錨桿錨固長度和注漿飽滿度進行有效判斷，建議在注漿7d后對中空注漿錨桿作檢測。