錨桿支護是指在邊坡、巖土深基坑等地表工程、隧道、采場等地下硐室及水利水電工程中采用的一種加固支護方式。以結(jié)構(gòu)簡單,施工方便、成本低和適應(yīng)性強等特點,在工程中得到了廣泛應(yīng)用。
錨桿在工程中應(yīng)用范圍廣,使用量大,如邊坡加固、隧道支護、公路鐵路、水電工程等,是維持工程安全的重要保障。但由于錨桿工程隱蔽性強、施工工藝復(fù)雜、影響因素較多,容易出現(xiàn)錨桿長度短缺、灌漿質(zhì)量不佳等問題,從而給工程質(zhì)量造成巨大的安全隱患。因此需要在施工完成后,采用有效的檢測方法對錨桿的施工質(zhì)量進行檢查。
錨桿錨固質(zhì)量無損檢測主要是針對錨桿長度和灌漿密實度進行檢測,常用的檢測方法為聲波反射法。
聲波反射法基本原理
通過振源(超磁振源或手錘)在錨桿頂部激發(fā)一個沖擊彈性波,彈性波沿著錨桿軸線向桿底方向傳播,當(dāng)傳播到錨固缺陷或桿底位置時會發(fā)生反射形成回波信號被安裝在錨桿頂部的傳感器所接收。同時在傳播過程中沖擊彈性波的能量會向錨桿周圍介質(zhì)中輻射和衰減。反射回波的能量強度和到達時間取決于錨桿長度及灌漿質(zhì)量,通過對安裝在錨桿頂部的傳感器采集的信號進行分析和處理,可以對錨桿長度、錨固缺陷位置和灌漿密實度進行評價。
規(guī)范的相關(guān)要求
錨桿錨固質(zhì)量無損檢測現(xiàn)行規(guī)范主要有以下兩本:
《錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 182-2009)
《水電水利工程錨桿無損檢測規(guī)程》(DL/T 5424-2009)
1、檢測系統(tǒng)要求
儀器功能:主要是對儀器基本功能的要求,兩個規(guī)范相同。
儀器指標(biāo):A/D精度、濾波功能和帶寬要求,兩個規(guī)范相同,對于采樣精度兩個規(guī)范要求不同。DL/T 5424-2009要求更高,具體如下:
JGJ/T 182-2009要求采樣間隔小于25μs。DL/T 5424-2009則要求采樣頻率不低于500KHz,即采樣間隔小于或等于2μs,明顯DL/T 5424-2009的要求更高。
假設(shè)桿系波速為4000m/s時,在采用25us采樣間隔進行采樣時,信號每個采樣間隔時間傳播的距離為10cm左右,對于錨桿檢測來說,這樣的測試參數(shù)帶來的長度誤差顯然偏大,將會影響測試結(jié)果的精度。理論上來說,采樣間隔越小,采集信號越能反應(yīng)被測點處的質(zhì)點的振動過程。一般來說,采樣時采樣頻率至少要達到待測信號最大有效頻率的10倍以上,而錨桿一般優(yōu)勢頻率在10Hz-10KHz,對應(yīng)采樣頻率至少要達到100KHz,即采樣間隔不超過10μs。實際測試過程中,如果遇見較長的錨桿可以通過增加采樣長度或加大采樣間隔進行數(shù)據(jù)采集。
在采用較小的采樣間隔進行測試時,其信號采集的精度和分析計算的分辨率會更高。但是遇到較長的錨桿時,可能需要較長的采樣長度才能采集到預(yù)期的時域范圍內(nèi)的信號。實際測試時,如果遇見設(shè)計長度較短的錨桿,建議采用較小的采樣間隔進行測試,如果遇見設(shè)計長度較長的錨桿,可以適當(dāng)增加采樣間隔。
激振設(shè)備:兩個規(guī)范均建議宜使用超磁振源。實際測試中,超磁振源激振人為干擾少、激振效果穩(wěn)定、測試信號一致性好,但其激振頻率單一,對于長度不同的錨桿適用性存在一定的限制。手錘作為超磁振源的補充方式,其敲擊的力度、手錘的選型等都會影響到實測信號,實際測試時單根錨桿的敲擊一致性會受一定的影響,對技術(shù)人員的經(jīng)驗有較高的要求。建議在實際測試時兩種振源配合使用,根據(jù)實際情況選擇合適的激振方式。
傳感器:一般來說加速度傳感器采用壓電式,體積小、靈敏度高、分辨率較高,速度傳感器采用機械式,體積大。由于錨桿端頭面積小,推薦使用加速度傳感器。
2、現(xiàn)場測試要求
現(xiàn)場檢測方面,對檢測數(shù)量、測試對象、激振要求、傳感器安裝和測試參數(shù)等做出了以上要求。
檢測數(shù)量:兩個規(guī)范對檢測數(shù)量的要求略有差別。
測試對象:兩個規(guī)范對錨桿的結(jié)構(gòu)要求基本一致。主要包括:端面平整、不宜外露過長,桿體整體呈直線,如有特殊要求需結(jié)合同類型模型或其他方案來進行相關(guān)測試驗證。兩個規(guī)范對齡期的要求不同,JGJ/T 182-2009要求7天,DL/T 5424-2009要求3天。實際上,一般來說,在環(huán)境溫度較高時,3d的齡期已經(jīng)可以使得灌漿材料充分固結(jié),而環(huán)境溫度較低時難以保證。實際測試時可根據(jù)測試目的選擇合適的時機進行檢測,當(dāng)早期灌漿材料硬化不充分時,有利于測得錨桿底部反射,但對灌漿密實度的檢測可能會存在一定影響。反之,當(dāng)錨桿灌漿材料達到齡期完全固結(jié)以后,對于灌漿質(zhì)量較好的錨桿,其桿底反射信號可能較為微弱,不利于對桿長的檢測,但此時錨桿桿體與砂漿結(jié)合較好,錨固系統(tǒng)趨于穩(wěn)定,有利于對密實度進行較好的檢測。
激振和傳感器要求:兩個規(guī)范要求基本一致。
測試參數(shù)要求:兩個規(guī)范關(guān)于測試參數(shù)的主要區(qū)別在于時域信號的記錄時間,建議現(xiàn)場檢測時統(tǒng)一按照3次底部反射時程的要求進行數(shù)據(jù)采集。
3、數(shù)據(jù)分析和計算
兩個規(guī)范對錨桿桿體波速、桿系波速、錨桿長度、缺陷位置及密實度等原理性計算方法基本相同,具體如下。
(1)桿體波速和桿系波速
桿體波速計算:應(yīng)以現(xiàn)場相同檢測方法,在自由狀態(tài)下檢測一定數(shù)量的工程所用同材質(zhì)規(guī)格的錨桿,桿體波速按下列公式計算。
其中:
Cb——桿體波速平均值;
Cbi——第i根錨桿的桿體波速,且|Cbi-Cb|/Cb≤5%;
L——桿體長度;
Δt——桿底反射時間;
Δf——桿底相鄰諧振峰頻差;
n——錨桿數(shù)量。
桿系波速計算:宜在現(xiàn)場選取一定數(shù)量的相同材質(zhì)、規(guī)格和施工工藝的錨桿進行檢測,桿系波速按下列公式進行計算。
其中:
Ct——桿系波速平均值;
Cti——第i根錨桿的桿系波速,且|Cti-Ct|/Ct≤5%;
L——桿體長度;
Δt——桿底反射時間;
Δf——桿底相鄰諧振峰頻差;
n——錨桿數(shù)量。
(2)錨桿長度和缺陷位置計算
錨桿桿底反射可采用時域反射波或頻域頻差法來識別。桿體長度計算公式如下:
其中:
L——錨桿長度;
Cm——同類錨桿的波速平均值;
Δt——時域信號桿底反射時間;
Δf——桿底相鄰諧振峰之間頻差。
錨固缺陷位置可采用時域反射波或頻域頻差法來識別和計算,公式如下:
其中:
x ——錨固缺陷位置;
Cm——應(yīng)力波傳播波速;
Δtx——錨固缺陷位置反射時間;
Δf ——錨固缺陷相鄰諧振峰之間頻差。
(3)密實度計算
一般來說,密實度評價有2種方法,分別是:有效長度法和能量法。
有效長度法:根據(jù)有效錨固段占總錨固段的長度比例進行估算。
其中:
D ——錨固密實度;
Lr——錨固段長度;
Lx——錨固缺陷長度。
除孔口段缺漿而深部密實外,也可采用能量法進行計算
能量法:采用錨桿反射波能量計算并評價錨桿密實度/飽滿度的方法。
其中,
D ——錨固密實度;
η——錨桿桿系能量反射系數(shù);
β——桿系能量修正系數(shù);
Es——錨桿波動總能量;
E0——錨桿入射波總能量;
Er——反射波波動總能量;
Lr——錨固段長度;
Lx——錨固缺陷長度。
4、計算結(jié)果的評判標(biāo)準(zhǔn)
(1)長度判定標(biāo)準(zhǔn)
除關(guān)鍵部位的錨桿外,兩個規(guī)范要求基本一致。
(2)密實度/飽滿度判定標(biāo)準(zhǔn)
兩個規(guī)范關(guān)于錨固密實度/飽滿度評定標(biāo)準(zhǔn)相同,同時均建議結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)錨桿圖譜對比評判。
(3)錨固質(zhì)量等級評定
兩個規(guī)范關(guān)于錨固質(zhì)量等級評定標(biāo)準(zhǔn)基本相同
(4)其他情況處理
出現(xiàn)下列情況之一時,錨桿錨固質(zhì)量判定宜結(jié)合其他檢測方法進行:
*實測信號復(fù)雜,無規(guī)律。
*錨桿外露自由端過長、彎曲或桿系截面多變。
(5)檢測報告
兩個規(guī)范關(guān)于檢測報告要求基本一致
現(xiàn)場檢測流程
檢測案例
(1)模型桿測試
模型桿1:直徑22mm,2.5m長鋼筋,桿底反射明顯,并有多次桿底反射,頻譜圖桿底諧振峰清晰可見。
模型桿2:2.5m長鋼筋,PVC管模擬錨桿安裝孔洞,灌漿材料為M25砂漿水泥,在靠近桿底部位置設(shè)置1個缺陷。桿底反射明顯,同時在距離桿頭1.957m處存在較為明顯的缺陷反射。
(2)工地實測
實例1:某隧道錨桿,設(shè)計長度3m,桿底反射較為微弱,無明顯的缺陷反射,頻譜呈單峰形態(tài),無桿底諧振峰。
實例2:某隧道錨桿,桿底反射明顯,并有多次桿底反射,頻譜中桿底諧振峰清晰可見。
實例3:某邊坡錨桿,設(shè)計長度9m。桿底反射明顯,在距離桿頭4.76m處存在明顯的缺陷反射。