锚杆锚固质量无损检测技术综合研究及应用

收稿日期——3作者简介梁峰(6—),男,山东泰安人,工程师。

锚杆锚固质量无损检测技术综合研究及应用梁　峰1,田　隽2(1.山东高速集团有限公司,山东济南　250002;2.山东高速集团济南分公司,山东济南　250010)摘要:基于锚固体系的锚固动力学及应力波运动学理论,研究了锚固体系的振动特征。

通过对应力波进行小波分析、相位分析和现场模型锚杆试验,提出运用应力波无损检测技术综合分析锚杆锚固质量的方法。

对某高速公路锚杆支护施工质量检测表明,综合应用多种手段对锚杆锚固质量进行评定可取得较好的效果。

关键词:锚固质量;无损检测;有效锚固长度中图分类号:T U472.3+4文献标识码:ASy n theti ca l r esea r ch on appli ca ti on ofnon -destr uct i ve detecti on techn i que to anchor i n g qua li ty of gr outed boltL I A N G Feng 1,TI A N J ua n2(1.Shandong Hi -Spe ed Group C o .,Ltd,Shandong J inan 250002Ch i na;2.S handong H i -speed Group Company J inan B ranch Co m pany,Shandong J i nan 250010C hina )Ab stra ct:Based on dyna m ics of ancho rage and kine mat 2ics of stress wave in anchorage syste m,the vibration characteristics of anchorage syste m are studied .A po ly 2technic method of quick inspecti on fo r anchoring state by u sing s onic -frequency stress wave is p roposed .Themethod includes wavelet analysis,phasic analysis and model test of rock bolt in site .Constructi on quality in 2s pecti on for bo lting in Jilai h ighway shows that better effect t o assess anchoring quality of rock bolt can be gained by using multi -technique .K ey word s:anchoring quality;nondestructive testing;ef 2fective ancho ring length引言锚杆锚固技术在隧道及洞室支护、矿井巷道支护工程中得到了广泛的应用,同时,也普遍应用于边坡稳定、深基坑维护、坝基桥基和塔基锚固工程。

通常,锚杆利用其在破碎或不稳定岩体与稳定岩体中的锚固段长度提供的粘结力以提高岩体整体稳定性。

但受现场施工质量的影响加上没有完备的检测手段,使得普通锚杆以及改进后的锚杆锚固的效果无法完全实现,从而造成的事故与经济损失也越来越多,因此对锚杆锚固性能及质量的检测与评价工作至关重要[1][2][3]。

虽然国内外众多专家学者对锚杆无损检测技术从理论和实践上进行了大量的研究,但锚杆锚固质量评定中仍存在两个问题:(1)锚杆密实度指标还无法达到定量的标示,只能对其进行定性或者半定量的分析;(2)完全锚固锚杆的锚固段长度还无法准确确定。

结合三种手段综合分析:(1)应力反射波法及应力波在锚固介质中传播的相位特征分析;(2)应力波基于小波分析;(3)现场模型锚杆试验。

1　理论基础及现场模型试验1.1　应力反射波法基本原理[4][5]应力反射波法是基于一维杆件的波动理论。

当锚杆端头受到瞬态力扰动作用后,引起锚杆头质点振动,以弹性波的形式沿杆体向底端传播;当波在各向同性体中传播时,波的传播速度、幅度和类型均保持不变;但当波在各向异性体(如多层介质)中传播时,由于波阻抗发生变化,它将产生反射、透射或散射现象,波的能量将会重新分配,一部分能量穿过界面向前传播称为透射波,另一部分能量反射回原介质,称为反射波。

反射波反映锚固介质体内的信息,利用反射波内所含的信息,可以对锚杆的锚固质量进行分析。

对于自由状态锚杆的振动信息分析相对简单,但现场实际被锚固的锚杆因受锚固介质和围岩等因素的影响,振动特性相当复杂。

若视锚固状态的锚杆为粘弹性体,则锚固体系的振动方程为:92u 9x -ρ92u 9-C 9u 9-Ku =0(1)…………………式中—弹性模量();ρ—锚杆体密度(——:2009071:1972E t 2E A t E A :E kPa kg/04m 3);A —锚杆横截面积(m 2);K —弹性系数(kN /m );C —阻尼系数(k Ns /m )。

在锚杆底部锚定或约束小时,式(1)求解出的相邻频差才具有等间距性。

通常,端头瞬态激发的弹性波在锚固介质体传播工程中,由于锚固介质体广义波阻抗的变化,弹性波在不同介质的分界面的反射系数和透射系数也相应产生变化。

由连续性条件和牛顿第三定律得到反射系数α(反射波的振幅与入射波的振幅之比):αcos (φ)=ρ2v 2A 2-ρ1v 1A 1ρ2v 2A 2+ρ1v 1A 1(2)…………………式中:ρ1、v 1、A 1、ρ2、v 2、A 2—两种不同介质的密度、波速和截面积;φ—反射波与入射波的相位差。

由式(2)可知,反射系数存在三种情况:(1)如果ρ1v 1A 1>ρ2v 2A 2,即波从波阻抗大的介质进入波阻抗小的介质时,则有cosφ=-1,即φ=π,有相位差;(2)如果ρ1v 1A 1<ρ2v 2A 2,即波从波阻抗小的介质进入波阻抗大的介质时,则有c o s φ=1,即φ=0,无相位差;(3)如果ρ1v 1A 1=ρ2v 2A 2,即两种介质材料的波阻抗相同,则波在该两种介质材料的分界面出不会出现反射现象。

对于被锚固剂握裹的锚杆,在握裹段下界面可近似认为沿杆体轴向广义波阻抗减小;而在握裹段上界面,可近似认为沿杆体轴向广义波阻抗增大,因此传感器记录的锚杆的握裹段上下界面产生的反射波相位相反。

因弹性波在锚固密实的锚杆传播中能量衰减很快,从而锚杆底部反射波微弱;反之,如果锚杆锚固中存在缺陷,锚杆底部反射将会增强。

因此可以利用反射特征和振幅衰减比来评价锚杆的施工质量和锚固状态,但同时存在无法对锚杆密实度定量和无法对锚固密实锚杆长度准确测定的问题。

1.2小波分析基本原理[6][7][8][9]小波变换是把基本小波函数作位移后,在不同尺度下与待分析的信号作内积。

w f (a ,b )=1a∫R f (t )φa b (t )——————d t a >0(3)………其中:φa b (t )=1aφ(t -ba)(4)…………………变换结果w f (a ,b)反映了信号f (t)在尺度a (频率)和位置(时间)的状态,即小波变换实际上是一种时频分析。

设φ:L 1I L 2且满足容许条件C φ<∞(5)………………………………………其中φ=∫∞φ(a ω)2若f ()在处连续,则信号可由式(6)表示f (t)=1C φ∫+∞d a a2∫+∞-∞w f (a,b)1aφt -bad b (6)………利用Mallat 算法,设存在信号f (t)的离散采样序列f (m ),m =1,…,N 信号在尺度i =0时的近似值为C 0(m )=C i (m )|i =0=f (m ),则离散二进制小波变换由式(7)、(8)确定:C i +1(m )=∑k :zH (k -2m )C i (k )(7)……………D i +1(n )=∑k :zG (k -2m )C i (k )(8)………………式中:H 、G —小波函数φ(t)确定的两列共轭滤波器系数。

此时尺度函数中两尺度关系为:<(t)=∑∞k →-∞H (k)<(2t -k)(9)…………………其中:H (k )=(12<(t2),<(t -k ))相应小波函数为:φ(t )=∑∞k →-R G (k )<(2t -k )(10)…………………式(10)中G (k)=(-1)kH (1-k),因此,信号的小波分解为:Af (t )=A i +1f (t )+D i +1f (t )=∑mC i (m )<i m (t )+∑mD i (m )φim (t )(11)…………………………………小波分解能够根据信号自身的变化自适应调整尺度参数,特别适合于非平稳信号的表示和处理。

本文主要选取合适的小波包基函数,利用这些基函数刻画信号的某些特征,然后再把信号在给定的基底下进行分解,分析其时频特性。

1.3　现场模型锚杆试验对锚杆锚固质量进行无损检测时,一般都在室内制作模型锚杆,并在锚杆锚固中不同部位人为设置空洞、接缝等缺陷。

通过锚杆质量检测仪器测得不同锚固质量下的波形,作为现场检测中的标准,通过现场检测波形与不同情况下室内模型试验的标准波形进行比较,确定所测锚杆的锚固质量状态,取得一定的效果。

但由于现场围岩情况、锚固施工质量等复杂因素的影响,室内模型锚杆的波形应用于现场有时会产生偏差,甚至产生评定错误,从而影响施工质量。

在施工现场分别对4m 中空注浆锚杆和3m 砂浆锚杆中注浆密实和部分部位存在缺陷的情况进行试验,得到不同锚固质量下的时频波形,作为锚固评定的标准。

在所测隧道的两侧边墙上,制作了7根注浆密实度不同的砂浆锚杆和5根注浆密实度不同的中空注浆锚杆,锚杆间距1.5m ,锚杆直径25m m ,其锚杆参数见表1,部分模型锚杆所测波形及其分析见图—。

——山东交通科技 2009年第5期:C 0ad at t :1914表1模型锚杆参数表编号锚杆长度(m )锚固长度(m)缺陷位置及大小13 2.83无23 2.88无33 2.88 1.5—1.6m 空浆43 2.93 1.4—1.6m 空浆53 2.75 1.5—1.7m 空浆63 2.650.8—1.3m 空浆73 2.90—0.5m 无浆84 3.8无94 3.8无104 3.70—0.3m 无浆114 3.50—0.5m 无浆1243.53.5—4.0m无浆图1　2#锚杆时域波形图(注浆饱满)图2　2#锚杆小波分析图图3　2#锚杆相位分析图图4　4#锚杆时域波形图(注浆较密实)图5　#锚杆小波分析图图6　4#锚杆相位分析图图7　6#锚杆时域波形图(注浆较差)图8　6#锚杆小波分析图图9　6#锚杆相位分析图图10　锚杆锚固质量综合评定流程图图1中2#锚杆注浆饱满,波形规则,振幅能量呈指数衰减,从小波分析和相位分析图可知,在锚杆全长范围内基本无反射,锚杆底部反射微弱,并在相位分析图和小波分析图(图2、图3)上有微弱反映;图4所示4#锚杆注浆较密实,波形较规则,振幅能量基本呈指数衰减,从小波分析图(图5中红色矩形)知,锚杆在1.5—1.7m 段有反射,并从锚杆相位图(图6)中可确定锚杆的长度;图6所示6#锚杆注浆较差,波形杂乱,能量衰减较慢,在相位图和小波图中,锚杆——梁　峰,田　隽:锚杆锚固质量无损检测技术综合研究及应用424体内反射波多且明显,在0.8—1.3m 出现较大畸变(上述图中红色椭圆处表示杆底反射,图中红色矩形处表示锚杆体内反射)。