不同外露长度时砂浆锚杆的动力响应特征及质量评价研究

摘要：通过现场试验和数值模拟，研究了不同外露长度时砂浆锚杆的动力响应特征。研究表明，不同外露长度时，锚杆的响应曲线态势基本一致，固结波速、衰减系数、频率等随外露长度的变化均无明显变动;在Ⅳ级围岩时波速值约为4700m/s，衰减系数约0.34，底端反射信号清晰，时间均在1.675ms附近。故建议进行锚杆无损检测时，无需额外预留外露长度，以方便安装传感器，且二次喷射混凝土后能覆盖端部即可。

关键词：砂浆锚杆;无损检测;固结波速;衰减系数;

基金：福建交通科技项目(201533);

砂浆锚杆的造价相对较低，施工工序相对简单，因此隧道工程中应用十分普遍，是锚喷结构体系的重要组成部分。一般在两车道公路隧道中，IV级围岩段每延米砂浆锚杆的用量在100kg以上。但在现场施工中，作为隐蔽工程，砂浆锚杆的长度或注浆量经常达不到要求。对锚杆的质量检测，主要采用抗拉拔实验，来测量锚杆与围岩的粘结力。拉拔试验不仅耗时耗力，且出于操作便利，一般只选择边墙部位的锚杆进行检测。近年来利用声波进行锚杆无损检测的工程案例越来越多。实践已证明这种方法是行之有效的，相关的理论研究也有不少成果。李国斌在声波反射法测试的基础上，通过模拟试验，对不同长度的锚杆进行试验研究，对锚杆长度的长度进行判定。李义、王成等通过试验和现场实测，发现了锚杆中传播的应力波波速在固结段减小的现象，提出固结波的概念和锚固状态综合参数动态无损检测方法。许明等采用瞬态激振测定锚杆的振动响应来估计和推断锚杆的完整性，并基于小波包分析得到能量特征向量，作为缺陷特征向量进行无损检测。李维树通过锚杆边界条件突变进而引起的相位变化，根据波形中反射相位的相邻点计算空浆或不密实的位置及长短，来判断密实性状。Beard利用导向超声波来对锚杆进行检测，综合考虑了围岩岩石模量、环氧层模量及厚度、锚固质量等因素对测试结果的影响。

综上可见对锚杆的动力检测的相关研究已取得很多成果。但在公路隧道工程实践中，为了检测方便，方便安装传感器，一般会要求待检测的锚杆外露一段在喷射混凝土外面。而喷射混凝土表面要布设防水层，如果外露预留长度过大，就会影响土工布及塑料板的平整。对合理的外露段长度，目前无相关规范课借鉴，也无相关的研究报道。本文通过数值模拟及现场试验，对此问题进行探讨。

现场检测试验选择广东梅大高速公路项目11标段三河隧道，后期在福建莆炎高速三明段雷溪隧道进行了补充检测。砂浆锚杆测试均在VI级围岩段，锚杆直径为22mm，长度3m，环向、纵向间距均为1.2m。锚杆杆体采用螺纹钢，水泥砂浆(强度不低M20)水灰比为0.4～0.5、砂灰比为0～1、砂子直径小于1mm。锚杆垫板与喷射混凝土层紧密密贴，砂浆凝固前不得加力。按设计在IV级围岩中抗拉拔力不小于100kN。

无损试验检测时设备的布置如图1。砂浆锚杆外露端激振，产生的弹性应力波信号沿锚杆杆体传播，当钢筋周围或底端介质发生变化时(砂浆不饱满或空浆)，将产生反射信号。同时，当应力波遇到锚固缺陷时，原有的振动信号将产生相位突变，可通过分析其变化判断锚固缺陷位置，也可通过波形读取行波的波长、波速及振幅并计算出衰减系数，判断锚杆的注浆饱满度。同时参照标定实验，选取锚固系统的波阻抗、动刚度等参数，来判断锚杆的长度和砂浆的饱满度。

图1锚杆应力波法质量无损检测示意图下载原图

针对砂浆锚杆的结构特征，设计了不同外露长度的锚杆来进行无损检测。在对固结波速、衰减系数等行波参数进行对比分析，得出表征检测结果的动力响应特性。选择在IV级围岩段，研究应力波在水泥砂浆锚杆不同外露端长度(10cm、20cm、30cm)下的传播规律。

Ⅳ级围岩的试验在三河隧道的相应围岩段进行，岩质为砂岩，初期支护类型为S4b，锚杆的纵环向间距1.2m×1.2m。检测时在拱墙上设置3组9根锚杆，具体如下表所示。

表1不同外露端长度的锚杆检测试验设计下载原图

注:a.本表中的水泥砂浆锚杆的锚固剂是早强型水泥(加入速凝剂)。

排除注浆及现场施工误差等因素的影响，以1-3、3-2#锚杆的波形图为例进行分析。3根锚杆的波形曲线结果如图2所示。

图2不同外露长度时砂浆锚杆的检测波形图下载原图

锚杆长度为3.0m、直径为25mm，围岩上的锚杆孔直径为50mm，水泥砂浆锚固(剂)外径50mm，底部围岩沿杆轴线方向上的长度为50cm。其中外部边界纵横向尺寸根据水泥砂浆锚杆的实测数据，可计算得振波波长大约为1.30m作为波长，故锚杆中心到纵横向边界上的距离取半波长0.60m。根据网格划分的原则，在能达到应有计算精度的前提下，尽量的减小单元的数量，实际建立的典型锚固体系模型如图3所示。

图3砂浆锚杆的动力响应三维模型下载原图

围岩的材料单元设置为摩尔-库伦模型，参数的选取地质勘察报告，具体数值如表2所示。。围岩与支护结构的耦合作用可通过接触面关系模拟。各力学参数的取值，不仅与支护结构几何性质及材料性质有关，更与接触围岩的土层分布及土层性质密切相关。参考杨公坑隧道地质勘察报告，各参数取值如表3所示。其中，cs＿nk和cs＿sk分别表示法向和剪切耦合弹簧单位面积上刚度。

表2围岩与锚杆的物性参数表下载原图

表3围岩-砂浆接触面的物性参数表下载原图

图4不同外露端长度锚杆锚固体系杆顶速度响应曲线下载原图

比较三种不同长度的计算结果，外露长度的不同对波形的态势上影响是微弱的，影响仅是随着外露端长度的增加响应曲线的噪声越大，越趋于不平顺。从图中可以看出行波的态势和底端反射信号对应横坐标的位置基本一致，约为1.675ms。因此与曲线相对应的固结波速、衰减系数、频率等的变化均不大。三个不同外露长度锚杆的固结波速相差不大，其值仍约为4700m/s。模拟时，设置的注浆的状态均为密实，经计算10cm、20cm、30cm的衰减系数分别为0.287、0.293、0.309。

对比现场试验及数值模拟结果，得到以下结论:

(1)对不同外露长度锚固体系的底端反射信号作比较，在10cm、20cm、30cm长度的模拟计算结果中，底端反射信号均清晰可见，从三条响应曲线上可以看出各底端反射信号对应的时间坐标位置基本一致，均在1.675ms附近。

(2)除了30cm外露长度出现噪声和锯齿形的波段外，三条响应曲线态势基本一致，固结波速、衰减系数、频率等随外露长度的变化均无明显变动，在Ⅳ级围岩时其值仍为4700m/s左右，衰减系数约0.34左右。

(3)不同外露长度试验得到波形中的底端反射信号清楚，易于辨别，对应时间坐标也基本一致，约为1.670ms，与模拟值1.675ms相差不大。

外露长度对锚固体系动力响应的影响微弱。在现场试验检测时，以外露长度能安装传感器为准，无需预留更多长度;或对传感器进行改进，以磁吸或其他方式固定，这样可以无需为预防防水板被戳穿而截断外露部分。

[1]张会平，杨玉君．锚杆体力学性能分析．公路交通科技(应用技术版)，2017(11):237-238．

[2]邓群强．IT25智能中空注浆锚杆支护施工工艺及检测技术．公路工程，2010(04):130-131．

[3]任智敏，李义．基于声波测试的锚杆锚固质量检测信号分析与评价系统实现．煤炭学报，2011(S1):191-196．

[4]李国斌．中空锚杆无损检测方法的研究及应用．四川理工学院学报(自然科学版)，2016(04):55-58．

[5]李义，刘海峰，王富春．锚杆锚固状态参数无损检测及其应用．岩石力学与工程学报，2004(10):1741-1744．

[6]李义，张昌锁，王成．锚杆锚固质量无损检测几个关键问题的研究．岩石力学与工程学报，2008(01):108-116．

[7]许明，张永兴．锚固系统质量检测的小波分析法．岩土力学，2003(02):262-265．

[8]李维树，甘国权，朱容国，等．工程锚杆注浆质量无损检测技术研究与应用．岩土力学，2003(S1):189-194．

[9]BeardMD,,2003,40(4):527-536.