■孫 巍，吳金國(guó)，郭 亮 ■江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330001

鐵路工程中的隧道建設(shè)和邊坡支護(hù)需要應(yīng)用大量的錨桿來(lái)加強(qiáng)巖體的安全性，錨桿錨固質(zhì)量的好壞直接影響隧道和邊坡的安全狀態(tài)和耐久性［1］。錨桿實(shí)際上是由錨桿桿體本身、巖體、注漿材料構(gòu)成的一個(gè)復(fù)合體，桿身的有效錨固長(zhǎng)度和注漿密實(shí)度效果是評(píng)價(jià)該復(fù)合體質(zhì)量的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的拉拔力檢測(cè)方法設(shè)備笨重、效率較低、對(duì)巖體有擾動(dòng)，彈性波作為一種高效率、無(wú)擾動(dòng)的一種無(wú)損檢測(cè)手段對(duì)錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)是非常有意義的。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和工程實(shí)例對(duì)彈性波檢測(cè)錨桿長(zhǎng)度和注漿密實(shí)度進(jìn)行了一些分析和探索。

1 基本檢測(cè)原理

1.1 錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)原理

通過(guò)在錨桿露出端激振產(chǎn)生瞬時(shí)彈性波，彈性波到達(dá)錨桿底部，因錨桿與周?chē)h(huán)境存在機(jī)械阻抗，彈性波產(chǎn)生反射，反射波可以通過(guò)錨桿激振端設(shè)置的傳感器捕捉。通過(guò)分析軟件，在時(shí)域波形上，可以看到彈性波的激振時(shí)間和反射波的達(dá)到時(shí)間，從而可以確定錨桿長(zhǎng)度，即(C為彈性波在錨桿桿體的傳播速度)。時(shí)域波形也通過(guò)傅里葉變換可以轉(zhuǎn)化到頻域上，在頻域上頻率最低，幅值最大為反射波頻率，也可以確定錨桿長(zhǎng)度，即L=C/2f。

這里需要指出，上述方法的應(yīng)用必須要求可以得到明確的反射波信號(hào)。所以錨桿長(zhǎng)度的檢測(cè)準(zhǔn)確度跟反射波的提取和雜波的過(guò)濾有密切關(guān)系。

瞬態(tài)彈性波在桿端底部傳播情況可見(jiàn)圖1-1:

圖1-1 變化的機(jī)械阻抗面發(fā)生的反射和通過(guò)

這里，v1↓，v1↑表示彈性波在單元1 中運(yùn)動(dòng)速度(入射和反射)，v2↓表示彈性波在單元2 的運(yùn)動(dòng)速度。

此外，反射波和透過(guò)波的大小用振幅率來(lái)表示。

通過(guò)上述分析，我們可以看到彈性波在反射和透過(guò)上具有下面一些性質(zhì)。

(1)若機(jī)械阻抗相同(z1=z2)，不會(huì)產(chǎn)生波動(dòng);

(2)若機(jī)械阻抗相差越多，振幅反射率也會(huì)越大。在實(shí)際錨桿檢測(cè)中，軟弱土層中錨桿彈性波反射信號(hào)比堅(jiān)硬巖石中錨桿來(lái)的更為明顯;

(3)當(dāng)機(jī)械阻抗(z1＜z2)時(shí)，反射波和入射波具有同相位;當(dāng)機(jī)械阻抗(z1＜z2)時(shí)，反射波和入射波具有反向相位。因此，在錨桿檢測(cè)中，桿底端是一般土層、松散巖體或者混凝土?xí)r，彈性波反射信號(hào)與激振信號(hào)是同向，而桿底端是堅(jiān)硬巖石，彈性波反射信號(hào)與激振信號(hào)是反向的。

圖1-2 錨桿灌漿缺陷示意圖

1.2 錨桿注漿密實(shí)度檢測(cè)原理

在錨桿全長(zhǎng)范圍內(nèi)，若存在注漿不密實(shí)區(qū)域，錨桿與所注漿體之間的機(jī)械阻抗會(huì)發(fā)生變化，其界面也會(huì)產(chǎn)生彈性波發(fā)射，通過(guò)其反射波信號(hào)位置可以確定注漿不密實(shí)區(qū)域，根據(jù)反射波信號(hào)強(qiáng)弱可以確定注漿密實(shí)度情況。一般來(lái)說(shuō)，錨桿全長(zhǎng)范圍內(nèi)反射波越多，說(shuō)明注漿不密實(shí)區(qū)域越多，注漿密實(shí)度較低;反射波強(qiáng)度越大，注漿密實(shí)度也較低。另外，通過(guò)桿底反射波的幅值大小可以判斷注漿密實(shí)度情況。彈性波在錨桿中傳播時(shí)，其能量隨錨桿長(zhǎng)度增加逐漸減弱，若注漿密實(shí)，彈性波較容易從錨桿與注漿截面逸散，到達(dá)桿底部能量會(huì)減弱，從時(shí)域波形中可以看到底部反射波幅值較小。反之，注漿不密實(shí)，彈性波在錨桿與注漿截面處不易逸散，底部反射波能量較強(qiáng)，反射波幅值較大。

其中，桿底反射信號(hào)振幅大小可按下式表示［2］:

其中，AB:桿底反射信號(hào)的振幅、A0:基準(zhǔn)點(diǎn)的振幅

η1:因幾何衰減造成的振幅比

η2:因材料粘性衰減造成的振幅比

圖1-3 基于反射的原理

η3:因反射衰減造成的振幅比

其中，幾何衰減和反射衰減是最主要的能量衰減。

由于上述分析均建立在時(shí)域波形上，因此錨桿系統(tǒng)本身的材料、長(zhǎng)度、周?chē)橘|(zhì)都會(huì)影響反射信號(hào)的獲得，如何提取到高質(zhì)量的反射信號(hào)將是關(guān)鍵。

2 試驗(yàn)研究

在實(shí)驗(yàn)室中，我們對(duì)5 米和9 米兩種長(zhǎng)度的錨桿進(jìn)行了無(wú)注漿情況下的長(zhǎng)度檢測(cè)。我們采用了國(guó)產(chǎn)“SBA-HTF 錨索(桿)灌漿密實(shí)度檢測(cè)儀”進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析。

選擇錨桿一段為激振端，在距離該端5 公分錨桿位置處設(shè)置傳感器，利用激振錐激發(fā)彈性波。示意圖如2-1:

圖2-1 錨桿測(cè)試示意圖

每個(gè)錨桿在端頭激振10 次，數(shù)據(jù)采集10 次，每次得到一個(gè)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。相應(yīng)的頻譜分析圖如2-2:

圖2-2 錨桿長(zhǎng)度頻譜分析圖

圖2-3 錨桿檢測(cè)長(zhǎng)度與測(cè)試次數(shù)關(guān)系

從測(cè)試結(jié)果我們可以看到:(1)測(cè)試長(zhǎng)度值與設(shè)計(jì)長(zhǎng)度值誤差基本都在0.5%以?xún)?nèi)，檢測(cè)精度很高，說(shuō)明彈性波檢測(cè)方法是有效的。(2)每次測(cè)試長(zhǎng)度值波動(dòng)不大，說(shuō)明本檢測(cè)設(shè)備可靠性很高。(3)兩種長(zhǎng)度錨桿測(cè)試誤差均很小，說(shuō)明檢測(cè)方法適用性很好。

3 實(shí)際工程

在滬昆高鐵長(zhǎng)昆段本人參與了部分隧道圍巖和邊坡支護(hù)錨桿錨固質(zhì)量的抽檢工作，利用“SBA-HTF 錨索(桿)灌漿密實(shí)度檢測(cè)儀”對(duì)所抽檢的錨桿進(jìn)行了長(zhǎng)度和注漿密實(shí)度的數(shù)據(jù)采集和分析。通過(guò)采集的波形圖和最終的分析對(duì)比，檢測(cè)效果到達(dá)了預(yù)期的效果。下面為三個(gè)不同注漿效果的錨桿檢測(cè)情況，結(jié)合波形圖做了相應(yīng)分析。

表3-1 長(zhǎng)昆段典型錨桿長(zhǎng)度及密實(shí)度檢測(cè)表

從長(zhǎng)度檢測(cè)方面來(lái)看，無(wú)論是長(zhǎng)錨桿還是短錨桿，誤差絕對(duì)值均在1%以?xún)?nèi)?？梢哉f(shuō)，利用彈性波檢測(cè)錨桿長(zhǎng)度是完全適用的，滿(mǎn)足實(shí)際工程需要。

圖3-1 Mg-1 時(shí)域波形圖

從灌漿密實(shí)度方面來(lái)看，Mg-1 時(shí)域波形圖上反映激振信號(hào)衰減有規(guī)律，并且速度很快，說(shuō)明激振彈性波能量逸散很快很多，錨桿周邊注漿很密實(shí)。同時(shí)，全長(zhǎng)范圍內(nèi)的時(shí)域波形上沒(méi)有明顯的反射信號(hào)存在，也表明了周邊注漿很密實(shí)。另外，從桿底反射來(lái)看，反射彈性波幅值比前面出現(xiàn)的激振波形幅值都要小，說(shuō)明彈性波經(jīng)過(guò)桿身傳播過(guò)來(lái)，由于能量衰減很多，到達(dá)底部能量已經(jīng)很少，進(jìn)一步證明了錨桿注漿是很密實(shí)的。通過(guò)我們的分析軟件，也可以看出灌漿密實(shí)度指數(shù)達(dá)到了93.4%。

圖3-2 Mg-2 時(shí)域波形圖

Mg-2 時(shí)域波形圖上看出，激振信號(hào)衰減并不很有規(guī)律，在桿身前段衰減比較明顯，在桿身中后端衰減速度降低，說(shuō)明桿身中段往后注漿不是較密實(shí)，彈性波能量逸散不快。在中后段反射波出現(xiàn)較多但幅值不大，說(shuō)明注漿小缺陷較多。通過(guò)桿底反射也可以看到，桿底反射較明顯，信號(hào)能量比桿身中后段反射能量和激振信號(hào)能量都要大，說(shuō)明激振彈性波經(jīng)過(guò)桿身傳播后，相當(dāng)一部分能量沒(méi)有通過(guò)周邊介質(zhì)逃逸走，進(jìn)一步證明了注漿并不太密實(shí)。通過(guò)分析軟件，得到灌漿密實(shí)度指數(shù)為72%，與波形圖反映的情況是一致的。

圖3-3 Mg-3 時(shí)域波形圖

Mg-3 時(shí)域波形圖上可以看到，激振信號(hào)衰減層次性較差，大部分桿身段彈性波激振信號(hào)較均勻，信號(hào)能量逸散不多，同時(shí)桿身段出現(xiàn)較多反射波形，說(shuō)明注漿小缺陷存在較多，注漿情況很不理想。桿底發(fā)射波幅值明顯超過(guò)前面激振信號(hào)幅值和發(fā)射信號(hào)幅值，說(shuō)明大部分激振信號(hào)都傳播到桿底，在桿底產(chǎn)生了能量很大的反射，進(jìn)一步說(shuō)明了注漿情況相當(dāng)不理想。通過(guò)分析軟件，得到了灌漿密實(shí)度指數(shù)為53.5%，說(shuō)明該錨桿注漿存在很大問(wèn)題。

4 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)際工程實(shí)踐，我們可以知道彈性波檢測(cè)錨桿長(zhǎng)度和灌漿密實(shí)度是完全可行的。在錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)方面，檢測(cè)精度完全可以滿(mǎn)足實(shí)際工程需要;灌漿密實(shí)度的判定可以通過(guò)彈性波采集的時(shí)域圖形進(jìn)行分析判斷。當(dāng)然，實(shí)際工程上錨桿本身形式多樣，所處環(huán)境復(fù)雜，如何準(zhǔn)確的判定各種類(lèi)型各種環(huán)境下錨桿的錨固性能將是后續(xù)研究的一個(gè)重點(diǎn)。

［1］程良奎，劉啟深.巖土錨固工程技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［M］.北京:北京萬(wàn)國(guó)學(xué)術(shù)出版社，1996.

［2］吳佳曄，張高強(qiáng).沖擊彈性波激勵(lì)殘留信號(hào)的消除及反射信號(hào)的抽取技術(shù)［P］中華人民共和國(guó)發(fā)明專(zhuān)利ZL200910082851.4.