龔子楨，王玲玲，徐福斌，秦勁軍，陳 龍

一種巖壁梁錨桿飽滿度無損檢測方法

龔子楨1，王玲玲2，徐福斌3，秦勁軍1，陳 龍1

（1.中國三峽建設(shè)管理有限公司白鶴灘工程建設(shè)部，四川 涼山 615421；2.中國三峽新能源有限公司南方分公司，云南 昆明 650299；3.浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014）

針對巖壁梁錨桿無損檢測效果不佳的問題，通過聲波反射法原理分析和仿真試驗，確定了主要干擾因素，設(shè)計了基于波形特征分析和能量法的輔助鋼筋無損檢測方法，并應(yīng)用于國內(nèi)某大型水電工程實踐，檢測有效，具有推廣價值。

巖壁梁；聲波反射法；錨桿飽滿度；輔助鋼筋

巖壁錨桿吊車梁（簡稱“巖壁梁”）是通過水泥砂漿錨桿將鋼筋混凝土錨固在巖壁上共同承載的特殊結(jié)構(gòu)物，布置巖壁上的受拉、受壓錨桿，與巖壁共同承擔(dān)了巖壁梁運(yùn)行時的全部荷載（包括自重），同時起著抗拉、抗剪作用。因此，巖壁梁錨桿注漿飽滿程度對于保證巖壁梁的運(yùn)行安全至關(guān)重要。當(dāng)前，基于聲波反射法［1］的錨桿無損檢測技術(shù)因其低成本、適應(yīng)性強(qiáng)、測試便捷、準(zhǔn)確度高，在工程建設(shè)領(lǐng)域廣泛使用。然而，采用聲波反射法對巖壁梁錨桿進(jìn)行無損檢測時，干擾信號較多、波形圖復(fù)雜、波動衰減緩慢、規(guī)律性差，分析難度大，不能真實、準(zhǔn)確反映錨桿錨固質(zhì)量。國內(nèi)學(xué)者、工程技術(shù)人員［2-5］對相關(guān)問題展開了一些研究， 李義［2］通過試驗研究分析了錨桿自由段、錨固段和激發(fā)應(yīng)力波波長之間關(guān)系對于檢測效果的影響，訾建峰［3］對錨桿長度無損檢測的影響因素進(jìn)行了研究分析，彭相國［4］，宋國煒［5］采取工藝試驗確定修正值對原始檢測結(jié)果進(jìn)行修正的方式對巖壁梁錨桿錨固質(zhì)量進(jìn)行分析。本文通過檢測原理分析和仿真試驗，確定了主要干擾因素，設(shè)計了一種基于波形特征分析和能量法的輔助鋼筋無損檢測方法，并應(yīng)用于國內(nèi)某大型水電工程，實踐表明檢測有效，具有一定推廣價值。

1 基本思路

對激發(fā)應(yīng)力波在巖壁梁錨桿錨固體系中激發(fā)-反射模型理論分析，確定其主要的干擾因素，利用仿真試驗驗證，根據(jù)試驗結(jié)果，歸納總結(jié)波形特征，針對性的設(shè)計干擾因素的消除方法并試驗驗證，獲得巖壁梁錨桿真實錨固情況。

1.1 原理分析

錨桿錨固質(zhì)量的聲波檢測技術(shù)的理論問題，可歸結(jié)為不同邊界條件下線性坐標(biāo)下的波動方程的求解。原理上講，在錨桿頂端所接收到的反射信號是施于錨桿頂端的瞬態(tài)激振力、錨桿圍巖系統(tǒng)自身的振動特性以及傳感器特性等因素的綜合反映［6］。巖壁梁錨桿的直徑d一般都在50mm以下，長度L通常都在5m以上，即L?d，且檢測用激發(fā)縱向應(yīng)力波長遠(yuǎn)大于0.5d，按照“小應(yīng)變動力測樁技術(shù)”的理論［7］，可以忽略錨固系統(tǒng)橫向位移，將其簡化為嵌入圍巖的一維彈性勻質(zhì)變截面桿件，錨固介質(zhì)和圍巖介質(zhì)則可作為縱向方向上的粘滯摩阻力予以考慮。

1.1.1 激振狀態(tài)下桿件動力響應(yīng)

按照上述模型得出錨固系統(tǒng)在瞬態(tài)激振下的一維約束波動方程式（1），求出該方程在不同邊界條件下的解析解［8］，即得到瞬態(tài)激振下的桿件動力響應(yīng)。

設(shè)A、E、ρ為桿件的截面積、彈性模量、密度；K、h分別為單位長度上桿件周圍介質(zhì)的綜合彈性約束系數(shù)和粘性阻尼系數(shù)；u（x，t）為坐標(biāo)為x的質(zhì)點在t時刻沿x軸方向的位移，不計重力，其約束波動方程為：

對其求解，可得質(zhì)點振動位移解：

式中，B1、B2—待定常數(shù)；k1—波衰減因子（表征衰減快慢）；k2—與波的數(shù)量和速度相關(guān)的參數(shù)；B1e-k2x—入射波振幅；—反射波振幅。

1.1.2 變阻抗界面應(yīng)力波的反射和透射

在應(yīng)力波檢測模型中，入巖面、缺陷部位、桿底均可視為變波阻抗界面。波傳到變阻抗界面時將發(fā)生反射和透射，根據(jù)位移、速度和軸力三者的連續(xù)條件和動量守恒定理，可得反射系數(shù)R和透射系數(shù) T［9］。 設(shè) c為介質(zhì)中的應(yīng)力波速，uI、uR、uT分別為入射波、反射波、透射波沿桿件方向的位移，則：

另一方面，桿件變形為彈性變形，符合胡克定律，按照波動微分方程在一維情況下的波速定義，可以推導(dǎo)出：

1.1.3 應(yīng)力波衰減

對于桿件上任一質(zhì)點，激振應(yīng)力波的振幅將隨時間衰減，衰減規(guī)律與介質(zhì)固有特性相關(guān)，用介質(zhì)品質(zhì)因子Q進(jìn)行度量，假定初始振幅A0，角頻率為ω，連續(xù)時間點t的振幅為At，則應(yīng)有：

1.1.4 數(shù)值計算與分析

（1）按照式（5），對于自由端，可以視為E1A1/c1?E2A2/c2，即α→0、R→1，此時端部的總位移是入射波位移的2倍；對于固定端，可以視為E1A1/c1?E2A2/c2，即α→∞，此時端部的總位移為零。當(dāng)變阻抗界面的彈性參數(shù)差異越大，產(chǎn)生的反射波振幅和能量就越大，入巖面將產(chǎn)生較強(qiáng)烈的反射波，同時，錨桿自由端亦為無約束變阻抗界面，則在錨桿的自由段，即自由端與入巖面之間將反復(fù)產(chǎn)生震蕩波信號。

（2）設(shè)想桿系1/2處有一處缺陷，將入巖面、缺陷部位、桿底產(chǎn)生的反射波分別視為初始波，研究自由端質(zhì)點的位移變化。金屬材料介質(zhì)品質(zhì)因子Q取1000［10］， 桿系波速預(yù)設(shè)4700m/s（試驗測得），將錨桿的設(shè)計參數(shù)代入式（2）和式（7），計算三處反射波振幅衰減至1/2、1/3、1/5倍花費(fèi)的時間（以端部激發(fā)時起算），計算結(jié)果見表1。

表1 不同變阻抗界面反射波衰減時間（自端部激發(fā)起算）

根據(jù)上述分析，入巖面反射波將在自由段多次震蕩；入巖面反射波與缺陷處、桿底反射波頻譜特性相似，但其幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余反射波；同時，由表1可見，在錨桿實際設(shè)計參數(shù)下，入巖面反射波與缺陷反射和桿底反射衰減時間差別較短，在時間域上難以捕捉其他變阻抗界面的反射信號，采用頻帶濾波及各種數(shù)字濾波等手段均難以有效濾除。

綜合模型分析和數(shù)值分析結(jié)果，可見存在于自由段的多次反射波，是導(dǎo)致巖壁梁錨桿檢測困難的最主要因素。據(jù)此推論，截短自由段后檢測效果應(yīng)有所改善，下面通過仿真試驗予以驗證。

1.2 典型波形

（1）按照設(shè)計參數(shù)，在PVC管內(nèi)用水泥砂漿澆筑螺紋鋼錨桿，模擬巖壁梁受拉（A組）、受壓（B組）錨桿試件各3根，同組內(nèi)不同編號錨桿在錨固段中部設(shè)置不同程度缺陷（如圖1所示）。B組截去1.5m自由段后作為試驗對照組，定義為C組。試驗參數(shù)如表2。

圖1 模擬錨桿試件示意圖

表2 模擬巖壁梁錨桿設(shè)計參數(shù)

（2）使用聲波反射法進(jìn)行無損檢測，檢測時采用端發(fā)端收方式，使用分體式錨桿檢測儀激發(fā)脈沖聲波，接收并記錄錨桿中的反射聲波信號，采集1#～6#典型波形和頻譜如圖2所示。

圖2 典型錨固狀態(tài)（A、B組）波形和頻譜圖（從左至右、從上至下依次為1#～6#模擬錨桿）

（3）采集7#～9#典型波形和頻譜如圖3所示。

圖3 試驗對照組（C組）波形和頻譜圖（從左至右為7#～9#模擬錨桿）

1.3 特征分析

1.3.1 A組、B組模擬錨桿檢測波形的相似特征

（1）時間域上，桿底反射不清晰；續(xù)至波強(qiáng)烈，相位正負(fù)交替，1#～3#波峰時差約為1.1ms，4#～6#波峰時差約為0.7ms，時差法計算間隔長度分別為2.84m，1.81m，與模擬錨桿自由段長度基本一致。

（2）頻率域上，各頻峰間隔相等，根據(jù)頻差法計算長度與錨桿外露段長度接近。說明各峰值頻譜信號主要為外露段震蕩信號。

1.3.2 B、C組模擬錨桿檢測波形特征對照分析

（1）C組波形規(guī)則，周期性頻峰現(xiàn)象消失。

（2）C組設(shè)置了缺陷的錨桿底端反射明顯，缺陷反射在波形上有所體現(xiàn)。

通過A、B、C組錨桿檢測波形特征分析，判定A、B組錨桿自由段震蕩信號掩蓋了桿底和缺陷反射波的信號，信號復(fù)雜，波動衰減緩慢，較難分析錨桿錨固質(zhì)量。

1.4 解決思路

仿真試驗結(jié)果與原理分析推論一致，表明自由段的震蕩反射信號為主要干擾因素。針對自由段反射波的形成機(jī)理和衰減特性，設(shè)計三種解決思路。

思路一，預(yù)埋自由段較短的輔助鋼筋，利用能量法測量注漿飽滿度：按照能量法原理，若桿中存在注漿不密實段，則復(fù)合桿件的截面積及波阻抗發(fā)生變化，在波阻抗差異界面將產(chǎn)生反射應(yīng)力波，桿中反射應(yīng)力波的相對能量強(qiáng)度與注漿飽滿度差異程度有關(guān)；一般飽滿度越差，反射波的能量越強(qiáng)，衰減越慢；不密實區(qū)段越多，則波阻抗界面越多，反射應(yīng)力波越多。輔助鋼筋設(shè)置如圖4所示。

思路二，抬高反射面法：將接收傳感器固定在入巖面附近的錨桿側(cè)面，用可拆卸膠結(jié)材料把傳感器封裝在里面，抬高自由段反射面，使得錨桿自由段縮短，自由段多次反射波在傳感器之上傳播，不至于影響到傳感器。原理見圖5所示。

圖5 抬高反射面法原理圖

思路三，反射波疊加削弱法濾波：編制軟件提取首次巖面反射波作為標(biāo)準(zhǔn)反射波，按一定的波幅衰減、相位更替規(guī)律和反射時間間隔，對自由段多次反射波進(jìn)行疊加削弱。

圖4 輔助鋼筋斷面圖和剖面圖

2 效果驗證

選取3根工況類似的待檢測錨桿，每根錨桿總長為7.5m，直徑為32mm，自由段長度為2.18～3.18m，按照上述解決思路設(shè)計驗證試驗。

2.1 采集波形

2.1.1 短外露輔助鋼筋法

在待檢測錨桿旁側(cè)布置檢測用直徑8mm的輔助鋼筋，輔助鋼筋長度5.5m，自由段長度約0.2m。試驗示意圖和檢測波形如圖6所示。

圖6 輔助鋼筋法試驗示意圖和檢測波形（紅色標(biāo)注線為桿底反射時刻）

2.1.2 抬高反射面法

為增大對錨桿自由段多次反射波的阻擋作用，在錨桿外露套裝一個厚20mm、直徑15cm的鋼環(huán)，用橡皮泥（后選擇防火泥、石膏等多種材料進(jìn)行試驗，效果相近）把鋼環(huán)下面充填并將傳感器包裹。試驗示意圖和檢測波形如圖7所示。

圖7 抬高反射面法試驗示意圖和檢測波形（紅色標(biāo)注線為桿底反射時刻）

2.1.3 反射波疊加削弱法濾波

在原錨桿無損檢測分析軟件基礎(chǔ)上，增加多次反射波處理功能，提取反射波并進(jìn)行疊加削弱處理，反射波疊加濾波前后波形圖如圖8所示。

圖8 反射波疊加處理前（左）后（右）波形圖

2.2 特征分析

（1）分析圖6、7、8波形特征，通過以上方式處理后，巖面反射波均有所削弱。

（2）將圖6和圖7進(jìn)行對比，可見輔助鋼筋法檢測波形較規(guī)則，效果優(yōu)于抬高反射面法。

（3）由圖8可見，采用反射波疊加削弱法濾波后，巖面多次反射波受到一定削弱，但仍存在多次反射波波形畸變現(xiàn)象，消除效果不佳。

綜上，根據(jù)波形特征分析，輔助鋼筋法檢測效果最優(yōu)。

2.3 驗證效果

下面采用仿真試驗驗證輔助鋼筋法飽滿度檢測準(zhǔn)確率。按設(shè)計參數(shù)在PVC管內(nèi)用水泥砂漿澆筑4組（1#～4#）設(shè)置輔助鋼筋的螺紋鋼錨桿，每組3根錨桿（同組錨桿在錨固段不同部位設(shè)置相同長度的注漿空腔，類似圖1），要求檢測人員（未告知缺陷長度）檢測、判定待檢錨桿注漿飽滿度和級別，將檢測結(jié)果與理論飽滿度進(jìn)行對比。對比結(jié)果如表3。

表3 輔助鋼筋法仿真試驗對比結(jié)果

由表3可見，采用輔助鋼筋法檢測注漿飽滿度對錨桿級別判定基本準(zhǔn)確，總體上檢測飽滿度與實際飽滿度相當(dāng)，能夠應(yīng)用于工程實踐。

3 結(jié)語

綜上所述，可以得出結(jié)論：采用聲波反射法對自由段較長的巖壁梁錨桿進(jìn)行無損檢測時，存在于巖面和自由端部的多次反射波，是導(dǎo)致檢測波形復(fù)雜、分析困難的最主要因素；使用輔助鋼筋法對長自由段錨桿進(jìn)行無損檢測，能夠較準(zhǔn)確判定錨桿飽滿度。

該方法已在國內(nèi)某大型水電工程地下廠房項目建設(shè)中廣泛應(yīng)用，能夠較為準(zhǔn)確的反映巖壁梁錨桿錨固質(zhì)量，確保了較長自由段錨桿施工質(zhì)量，具有工程實踐應(yīng)用價值。

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1008-1305（2017）05-0027-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.010

2017-06-19

龔子楨（1987年—），男，工程師。