隧道錨件聲波反射法無(wú)傷檢測(cè)技術(shù)研究

摘要 文章闡述了一維桿聲波反射無(wú)傷檢測(cè)技術(shù)原理，介紹了錨件質(zhì)量檢測(cè)儀工作原理及相關(guān)硬件指標(biāo)參數(shù)，并結(jié)合室內(nèi)試件檢測(cè)，介紹了隧道錨件長(zhǎng)度計(jì)算、錨固密度計(jì)算以及不同錨固質(zhì)量狀態(tài)下應(yīng)力波傳播衰減狀態(tài)，供隧道錨件聲波反射無(wú)傷檢測(cè)工程應(yīng)用參考。

關(guān)鍵詞 公路隧道；錨件質(zhì)量；聲波反射；無(wú)傷檢測(cè)；技術(shù)研究

中圖分類號(hào) U456.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）08-0038-03

0 引言

錨噴支護(hù)是組合應(yīng)用錨件支護(hù)和噴射混凝土支護(hù)的一種復(fù)合型支護(hù)技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)黏結(jié)方法或機(jī)械方法將錨件錨固在圍巖中，因?yàn)殄^件的加固拱效應(yīng)、組合梁效應(yīng)、懸掛效應(yīng)而使圍巖獲得充分加固，具有充分利用圍巖自身自承能力、主動(dòng)加固圍巖、施工操作靈活、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，在公路隧道初期支護(hù)中應(yīng)用較為廣泛。該文梳理介紹該檢測(cè)技術(shù)，對(duì)隧道錨固質(zhì)量檢測(cè)工程應(yīng)用有技術(shù)參考價(jià)值。

1 檢測(cè)原理

該研究基于一維桿波動(dòng)原理開(kāi)展探討。一般在工程中，錨件多具有桿長(zhǎng)大于錨徑的條件，所以錨件可以等效為一維桿系統(tǒng)。當(dāng)錨頭受到瞬態(tài)力激勵(lì)時(shí)，錨頭的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)形成應(yīng)力波，并傳播到錨底。當(dāng)波在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播速度、振幅和振型均保持不變。但是當(dāng)波在非均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，波阻抗存在變化，會(huì)發(fā)生散射、透射和反射現(xiàn)象，波的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生突變，造成擾動(dòng)能量的重新分布。部分能量通過(guò)界面向前傳播，形成投射波，部分能量被反射回原始介質(zhì)，形成反射波。在實(shí)際工程檢測(cè)中，入射波不易被檢測(cè)到，但反射波可以容易被裝配在錨件頂部的感受器接收。因?yàn)榉瓷洳ㄔ谶\(yùn)行過(guò)程中，會(huì)攜帶錨件信息，利用這一特性，可以分析和評(píng)價(jià)桿件的錨固質(zhì)量[1]。

圖1中，i——入射波；r——反射波；t——投射波；υ——介質(zhì)波速；ρ——密度；A——斷面面積。根據(jù)彈性波原理，波阻抗比為，z為波阻抗，根據(jù)牛頓第三定律和連續(xù)性條件，反射波振幅跟入射波振幅之比，即反射系數(shù)α可由下式確定：

式中，φ——反射波與入射波二者的相位差，其中投射系數(shù)可由公式給予確定：

從式2可以發(fā)現(xiàn)，β總是正值，而α的正負(fù)狀態(tài)是根據(jù)N的狀態(tài)確定，主要分為下述3種情況：

（1）倘若ρ1υ1A1＞ρ2υ2A2，意味應(yīng)力波是從大阻抗介質(zhì)傳導(dǎo)向小阻抗介質(zhì)，則會(huì)出現(xiàn)cos（φ）=?1，即φ=π，這時(shí)會(huì)存在相位差和半波損耗。此時(shí)對(duì)于有一段被錨固劑所包裹的錨件，波阻抗可近似視為沿錨件軸線廣義遞減，反射波和入射波的相位應(yīng)為相反。由于反射波的接收方向是反射波在錨件頂部的再次反射，所以接收器收集到的錨件底部的反射波應(yīng)當(dāng)與入射波同相[2]。

（2）倘若ρ1υ1A1＜ρ2υ2A2，意味應(yīng)力波是從小阻抗介質(zhì)傳導(dǎo)向大阻抗介質(zhì)，則會(huì)出現(xiàn)cosφ=1，即φ=0，這時(shí)不存在相位差，也就沒(méi)有半波損耗。此時(shí)對(duì)于存在錨固劑包裹段的錨件，在包裹段截面的上界面，可近似視為波阻抗沿錨件軸向廣義增大。此時(shí)反射波和入射波的相位應(yīng)當(dāng)相同，由于接收方向是反射波在錨頂?shù)姆瓷洌越邮掌魇占降腻^底反射波應(yīng)當(dāng)與入射波相位相反。

（3）如果ρ1υ1A1＝ρ2υ2A2，即波在相同波阻抗的兩種介質(zhì)材料中傳播，此時(shí)對(duì)于有一段被錨固劑所包裹的質(zhì)量特別差的錨件來(lái)說(shuō)，可以近似認(rèn)為波在同一種介質(zhì)材料中傳播，即應(yīng)力波沿錨件軸向傳播，在抵達(dá)錨件底部以前不存在其他反射情況。

由于錨件的長(zhǎng)度l遠(yuǎn)大于錨件直徑d，在利用彈性波理論對(duì)錨件進(jìn)行無(wú)傷檢測(cè)時(shí)，將錨件可視為一維彈塑性構(gòu)件。這時(shí)錨件的一維彈性波的波動(dòng)方程如下：

其臨界基本條件：r→∞時(shí)，有界，→0。式中的xs——場(chǎng)源；υ（x）——波速，也是反演目標(biāo)；ω——頻率；u（x，xx，0）——總場(chǎng)；r——波場(chǎng)半徑，；如果背景速度是c（x），在加入α（x）擾動(dòng)量后，則：

將（4）式代入（3）式得：

公式（5）中，射場(chǎng)與散射場(chǎng)之和即為總場(chǎng)，利用格林公式和臨界條件可以獲得：

該非線性積分方程反映了反演目標(biāo)α與檢測(cè)數(shù)據(jù)us（xg，xs，ω）之間的關(guān)系，其中us——散射場(chǎng)；u1——入射場(chǎng)；xg——接收點(diǎn)位置。借助Born對(duì)積分方程（6）進(jìn)行近似處理，則：

式（7）和圖2（a）顯示，當(dāng)錨件的某一段材料性質(zhì)或者截面面積發(fā)生了變化時(shí)，相應(yīng)位置就會(huì)發(fā)生入射波的透射和反射，該截面的波阻抗相對(duì)變化程度和面積均會(huì)影響透射和反射波的大小[3]。

為了獲得錨固密度和錨件長(zhǎng)度的準(zhǔn)確值，還需要測(cè)定錨件的波速。這可以采用反射波法或直達(dá)波法進(jìn)行測(cè)定。前者在錨件的同一端發(fā)射并接收，后者在錨件的一端發(fā)射，于另一端接收。兩種方法可分別根據(jù)下述公式進(jìn)行波速計(jì)算：

C直=l/（T直?T0） （8）

C反=2l/（T反?T0） （9）

式中，C反——反射波速（m/s）；C直——直達(dá)波速（m/s）；l——錨件長(zhǎng)度（m）；T反——反射波抵達(dá)時(shí)間（s）；T0——延時(shí)時(shí)長(zhǎng)（s）；T直——直達(dá)波的初至?xí)r間（s）。

在錨件的無(wú)傷檢測(cè)過(guò)程中，判斷錨件長(zhǎng)度及錨固密度的準(zhǔn)確性，事關(guān)錨件波速測(cè)量是否正確。因此確保正確測(cè)定錨件波速，是無(wú)傷檢測(cè)過(guò)程中一個(gè)必要且至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

2 錨件無(wú)傷檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 錨件長(zhǎng)度計(jì)算

依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，能夠讀取錨件底端反射時(shí)間。結(jié)合反射時(shí)間和水泥、鋼筋等材料的波速，能夠計(jì)算出錨件的長(zhǎng)度。這一計(jì)算過(guò)程具有一定的復(fù)雜性，計(jì)算公式如下[4]：

l=C（T反?T0）/2 （10）

式中，l——錨件的長(zhǎng)度；C——錨件的速度；T反——反射信號(hào)的時(shí)間；T0——首波時(shí)間。

2.2 錨固密度計(jì)算

根據(jù)發(fā)射和接收的多條錨件檢測(cè)波形，可以綜合分析錨件注漿的病害型式。一旦病害型式被確定，依據(jù)反射波運(yùn)行時(shí)間，可以缺陷段所在位置和長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，繼而應(yīng)用以下公式計(jì)算錨件的錨固密度。

式中，——錨固密度；lA——錨件桿長(zhǎng)（m）；li1——基于首個(gè)缺陷位置計(jì)算的錨件長(zhǎng)度（m）；li2——基于第2處缺陷位置反射時(shí)的計(jì)算長(zhǎng)度（m）；A1——錨固空漿面積（m2）。

2.3 錨件模型試驗(yàn)分析

室內(nèi)模型采用C30水泥進(jìn)行澆筑，其配合比為砂∶水泥∶水=2∶1∶0.5，該模型體積為1 m×2 m×5 m，錨孔徑36 mm。錨件選用了螺紋鋼筋。

在實(shí)驗(yàn)中采用6孔配置，分別放入長(zhǎng)度不同的錨件進(jìn)行錨固，并測(cè)試其長(zhǎng)度和錨固質(zhì)量。最終的結(jié)果見(jiàn)圖3～6。

1號(hào)錨件底部的設(shè)計(jì)有一個(gè)接近1 m左右的空漿，除錨件底部發(fā)生較強(qiáng)反射以外，空漿區(qū)域的反射信號(hào)也十分顯著。此外自由端的長(zhǎng)度接近50 cm，并且可以通過(guò)波形識(shí)別出自由端反射信號(hào)。

2號(hào)錨件中部設(shè)計(jì)有一段1.60 m的空漿。這個(gè)位置的反射信號(hào)相對(duì)明顯。而自由端長(zhǎng)度僅為34 cm，其反射信號(hào)并不明顯。

3號(hào)和4號(hào)錨件，其錨件底部反射強(qiáng)度較高，波形中部卻無(wú)任何反射信號(hào)，顯示出錨件設(shè)計(jì)較為完善。

現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果顯示，5號(hào)錨件長(zhǎng)度為3.00 m，在3.00 m處反射信號(hào)極強(qiáng)，意味注漿效果不足，幾乎未注漿。此時(shí)波速為5 120 m/s，錨件的長(zhǎng)度盡管達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但是密度并未符合要求，因此5號(hào)錨件判定為不合格。

6號(hào)錨件長(zhǎng)度為3.50 m，在1.20 m和2.40 m處都有一定程度的反射信號(hào)，但是在3.50 m處不存在反射信號(hào)。顯示6號(hào)錨件的有效長(zhǎng)度僅為1.20 m，2.40 m處的信號(hào)為二次反射。雖然密度剛好達(dá)標(biāo)，但是由于長(zhǎng)度不足，該錨件也被判定為不合格。

測(cè)試結(jié)果匯總見(jiàn)表1所示。檢測(cè)結(jié)果表明：采用聲波反射法檢測(cè)的錨件的錨固段長(zhǎng)度跟實(shí)際長(zhǎng)度非常相近；在錨固狀態(tài)良好的全錨固體系中，反射波非常微弱。在端錨固體系中，錨固段的上下界面的反射波均比較明顯。隨著錨固段長(zhǎng)度的增加，應(yīng)力波加速衰減。相比樹(shù)脂輔助錨固，水泥砂漿輔助錨固的吸收和衰減系數(shù)要小。錨件錨固力的大小受多種因素的影響，包括錨固介質(zhì)、錨件型式和錨固段長(zhǎng)度等。同一錨件前后2次的無(wú)傷檢測(cè)曲線相近似，顯示錨固力沒(méi)有受到傷害。

3 結(jié)語(yǔ)

該文梳理探討了隧道錨件聲波反射法無(wú)傷檢測(cè)技術(shù)原理、常用硬件檢測(cè)設(shè)備，并通過(guò)試件檢測(cè)分析，展示介紹了該錨件無(wú)傷檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)分析過(guò)程及相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)。試件檢測(cè)顯示：

（1）錨固質(zhì)量較好的錨件，應(yīng)力波在其中傳播的衰減程度要快于自由錨件，錨件底部的反射相對(duì)微弱，有時(shí)甚至看不見(jiàn)；夾持段的上界面應(yīng)力波反射強(qiáng)烈，與初始波相位相反，有效錨固長(zhǎng)度基本接近實(shí)際錨固長(zhǎng)度。

（2）中等錨固質(zhì)量的錨件，應(yīng)力波傳播衰減狀態(tài)介于自由錨件和錨固質(zhì)量?jī)?yōu)良的錨件中間，錨件底部反射微弱；夾持段的上界面應(yīng)力波反射明顯，錨固有效長(zhǎng)度略低于實(shí)際錨固長(zhǎng)度。

（3）錨固質(zhì)量較差的錨件，應(yīng)力波傳播衰減狀態(tài)接近自由錨件，波形變化規(guī)律類似于自由錨件；夾持段的上界面應(yīng)力波反射微弱，錨件底端應(yīng)力波反射比較明顯。

參考文獻(xiàn)

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