锚杆无损检测技术及应用 -全讯官网

前言

　　锚杆作为支护系统的一个重要组成部分被广泛地应用于水电工程洞室及边坡围岩加固与支护中。根据围岩的类别以及服务特点采用全长锚固锚杆、部分锚固锚杆以及端锚式锚杆对围岩及边坡进行加固。不同的锚杆甚至距离很近的锚杆中所承受的拉应力由于锚固条件的不同而不同。即使是同一根锚杆由于开挖过程中应力的重新分布锚杆的受力也会在服务期限内发生改变。这些应力的作用会造成锚杆位移甚至断裂，大大减低了支护系统的稳定性。而且锚杆的安装作业以及锚固工人的锚固技巧也影响锚杆中的预加应力与锚固质量。因此，非常有必要对锚固质量、锚杆的完整性以及锚杆中的应力状态进行实时监控。传统的检测方法是采用抗拉拔力作为检测指标，国内外试验研究表明：对于高强螺纹锚杆，当锚固长度达到锚杆直径的42倍时，握裹力不再随着锚杆长度的增加而增加，并且无法判断水泥砂浆灌注饱满与否。并且传统的拉拔方法费时又费力，而无损检测锚杆方法能够准确、快速、无破坏地检测锚杆的质量，因此锚杆无损检测锚杆方法在很多工程中得到了广泛的应用。

　　2锚杆无损检测原理

　　当工程锚杆为圆柱体且其直径d 远远小于其长度l 时，可将锚杆视为一维弹性杆，可采用弹性波中的一维杆理论对锚杆进行分析。锚杆检测的一维弹性波波动方程为：

　　式中：u 为锚杆体的弹性波振动质点位移，v 为锚杆体的弹性波振动质点传播速度，e为锚杆体的弹性模量，a为锚杆体的横截面积，c为锚杆体的弹性阻尼系数，k为锚杆体的刚度系数。

　　在锚杆、水泥砂浆和围岩组成的体系中，从锚杆端部发射的应力波，经锚杆向四周传播，在锚杆与砂浆、砂浆与围岩之间的界面发生复杂的反射和透射及能量衰减。通过对锚固体系的简化模型――变截面杆的研究可知：

　　当杆中某一截面面积或材料性质发生改变时，入射波将在该截面处发生反射和透射，其反射和透射波的大小与截面面积和波阻抗相对变化的程度有关。锚杆、砂浆和围岩三者之间浇灌均匀密实时，应力波的能量大部分透射到围岩体中，只有小部分能量反射回来，且反射信号极有规律。当砂浆浇灌不均匀、不密实时，在砂浆中出现空腔，空腔处将出现不同程度的波阻抗变化面。其表明在原有的信号中迭加了强度不同的反射信号，或在不应出现反射波处存在反射信号，根据反射波位置和反射信号的强弱，可以确定出锚杆锚固质量并为其分级。

　　由一维弹性杆的波动理论可推导出反射系数 kr和透射系数kt：

　　kr=（z1-z2）/（z1 z2）                    （4）

　　kt=z1z2/（z1 z2）                      （5）

　　由式4可知，当弹性波由波阻抗较大的物质，进入到波阻抗较小的物质时（空浆、欠密实带），在其分界面上会发生反射，其反射波和入射波相位相同，反之，当弹性波由波阻抗较小的物质，进入到波阻抗较大的物质时，在其分界面上也会发生反射，其反射波和入射波相位相反。

　　由式5可知，kt恒为正值，即透射波永远和入射波相位相同。

　　由杆端发射的声波向杆底传播，到锚固缺陷（砂浆欠密实或空浆等）位置和杆底时，由于该处截面的面积或材料性质改变而导致波阻抗发生变化，入射波将在该截面上发生反射和透射，表现为在原有的信号波形上迭加了一个反射波信号，其反射波和透射波幅值的大小与波阻抗相对变化的程度有关。同样是缺陷，但空浆处的反射波幅值一定会大于砂浆欠密实处的反射波幅值，也大于一般裂缝的发射波幅值;锚杆的注浆密实度跟锚杆与砂浆、砂浆与围岩的接触以及砂浆的胶结程度有关。分析波形特征、频谱特征、衰减特征等，可以分析锚杆注浆密实度。一般情况下，注浆密实度越好，所测的波形就规则、反射杂波少、频率较高且集中，相应的振幅小、衰减快;反之，注浆密实度差的锚杆，所测得的波形比较复杂，反射杂波多，频率较低且分散，振幅大且衰减慢，据此可推断锚杆是否存在注浆欠密实或空浆等情况。反射波回来被传感器接收，由仪器所记录的回声时间可按照下式计算出缺陷的位置和锚杆长度;

　　l=vt/2                              （6）

　　上示中，l为杆端到杆底或锚固缺陷处的距离，v为弹性波在锚杆中的传播速度，t为回声反射时间。

　　3应用

　　四川某水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，是大渡河流域水电梯级近期开发的大型水电站工程之一。坝址处控制流域面积55880km2，多年平均流量821m3/s.初拟正常蓄水位1690m，库容约10.4亿m3，最大坝高241m，装机容量2600mw。

　　导流洞位于大渡河右岸，我公司承担了导流洞锚杆无损检测任务。设计锚杆数为30696根，检测锚杆数为2106 根，抽检比例为6.86%，其中1998 根锚固质量为合格，108 根锚固质量为不合格，合格率为94.9%。 　　3.1锚杆波速测定

　　这里所说的锚杆，是钢筋和砂浆的综合体。锚杆波速取值是否正确，直接关系到锚杆长度和注浆密实度判断解释是否准确，因此正确确定锚杆波速值在整个锚杆无损检测中是相当关键的一步。

　　3.1.1钢筋波速值测定

　　某电站导流洞锚杆支护中，在不同部位、不同地质条件下，锚杆的设计长度、钢筋直径各不相同。锚杆设计长度有4.5m、6.0m、9.0m等，锚杆钢筋直径为25mm、28mm、32mm 的螺纹钢筋。钢筋波速值是在现场采用反射波法进行测定，波速计算公式如下：

　　v = 2l/（t1- t0）             （7）

　　式中，v为反射波波速;l 为锚杆长度;t1为反射波到达时间;t0 为仪器系统延时时间。

　　测试结果表明：

　　（1）钢筋长度（4.5～9m）对波速的影响较小，可忽略不计;

　　（2）钢筋直径对波速有一定影响，直径越大、波速越高，但对锚杆所用的直径为22mm、25mm、28mm、32mm 四种规格螺纹钢的波速影响不大，波速在5150～5250m/ s。

　　3.1.2 锚杆波速测定

　　用pvc 管针对不同直径、不同长度制作模拟锚杆，然后作测试，确定锚杆系的波速。波速测定同样采用直达波法，波速亦按式（6）计算。

　　测试结果表明：

　　（1）注浆密度度较好的锚杆，波速一般在4300m/ s左右;

　　（2）砂浆质量对锚杆波速有一定的影响，砂浆质量越好锚杆波速越高;

　　（3）注浆密度度对锚杆波速有一定的影响，密实度越低锚杆波速越高。

　　3.2锚杆长度计算

　　根据波形读取锚杆底部反射时间，再根据反射时间计算锚杆长度，可用式（6）来计算。

　　3.3锚杆注浆密实度计算

　　根据在不同激发、接收条件下得到的多条波形曲线，进行综合的定性分析，确定锚杆注浆的缺陷类型。在确定了锚杆注浆缺陷类型之后，根据其缺陷段反射波的旅行时间来计算其所处的位置和缺陷段长度，并用下式计算注浆密实度。

　　（1）锚杆饱满度进行定量评价时，可用有效长度法计算锚杆饱满度。

　　式中：d――锚杆饱满度;lr――锚杆设计锚固段长度，m;lx――锚杆缺陷段累计长度，m。

　　（2）除孔口段缺浆而深部密实外，也可依据反射波能量法计算锚杆饱满度：

　　式中：β――锚杆声波波动能量修正系数;η――锚杆声波波动能量反射系数;er――锚杆反射波波动总能量，n.m;eo――锚杆入射波波动总能量，n.m;es――锚杆波动总能量，n.m。

　　3.4典型锚杆曲线及分析

　　（1）密实度较好锚杆

　　图1为某水电站导流洞边墙锚杆，设计参数：φ32，l=9.0m。测试结果为：该锚杆外露长度为0.3m，实测长度8.9m，锚固长度8.6m，基本密实，密实度91%（能量法为91%）（桩底反射较弱）。

　　图1  边墙k0 236m锚杆实测曲线

　　图2为某水电站导流洞出水口洞脸处锚杆，设计参数：φ32，l=4.5m。测试结果为：该锚杆外露长度为0.2m，实测长度4.5m，锚固长度4.3m，基本密实，密实度95%（能量法为95%）（桩底反射较弱）。

　　图2  出口洞脸锚杆实测曲线

　　（2）全段空浆锚杆

　　图3为某水电站导流洞边墙锚杆，设计参数：φ32，l=4.5m。测试结果为：该锚杆外露长度为0.4m，实测长度4.5m，锚固长度4.1m，0.8～4.5m处空浆，密实度小于50%（能量法为50%）（桩底反射强）。

　　图3  边墙k0 514m锚杆实测曲线

　　（3）前段空降锚杆

　　图4为某水电站导流洞出口洞脸处锚杆，设计参数：φ32，l=9.0m。测试结果为：该锚杆外露长度为0.5m，测试长度9.0m，1.0～2.4m处空浆，密实度为80%（桩底反射不明显）。

　　图4  出口洞脸锚杆实测曲线

　　图5为某水电站导流洞边墙锚杆，设计参数：φ25，l=4.5m。测试结果为：该锚杆外露长度为0.5m，测试长度2.2m，0.8～2.2m处空浆，密实度小于50%（桩底反射明显）。

　　图5  边墙k0 514m锚杆实测曲线

　　（4）挂筋

　　图6为某水电站导流洞边墙挂筋，设计参数：φ25，l=1.0m。测试结果为：该锚杆外露长度为0.5m，测试长度1.0m，0.6～1.0m处空浆，密实度小于50%（桩底反射不明显）。

　　结束语

　　通过对某水电站导流洞锚杆无损检测，检测结果反映了实际施工质量情况，帮助业主了解、控制锚杆施工质量。目前锚杆无损检测技术已成为控制锚杆施工质量不可缺少的重要方法，是锚杆施工质量评价和验收的标准之一。