基于旁孔透射法的隧道錨桿長度檢測方法

徐方林，周運剛，姜 偉

(1.青島地鐵集團有限公司,山東 青島 266100; 2.上海同是科技股份有限公司,上海 201203)

隧道錨桿作為主要受力部件,其錨固長度在隧道圍巖支護過程中是非常重要的指標。但由于其為隱蔽工程,錨桿長度的檢測一直受到檢測環境的限制。旁孔透射法于20世紀90年代初被歐美國家運用于實際工程當中,S.T.Liao等[1]根據Snell定律把深度時間曲線首至波連線擬合成兩條線段,提出將交點處確定為樁身長度。近年來旁孔透射法檢測基樁不斷發展,國內相關學者分別研究了旁孔透射法的理論,建立簡化計算模型,并提出各種修正方法[2-5]。目前旁孔透射法在建筑基樁檢測中技術已趨于成熟,且相關規范已建立完善[6]。

傳統的錨桿檢測檢驗方法主要采用位移收斂計、頂板離層指示儀、拉拔計等設備,但是會對錨桿錨固帶來不可逆的損傷和破壞,乃至危害整個錨固工程的質量[7]。隨著無損檢測技術的發展,相應技術逐漸應用到錨桿檢測之中。常用的檢測方法包括應力波法、超聲波法等[8-9]。但是由于錨桿錨固系統工況較為復雜,波在傳播過程中波形不明顯,同時噪聲等不良因素的存在,也對檢測造成不可避免的誤差。因此,本文借鑒旁孔透射法的原理,將其應用于隧道錨桿長度檢測之中,并利用數值模擬軟件ABAQUS進行仿真分析,驗證其可行性。

1 旁孔透射法原理

1.1 基本原理

旁孔透射法最早是一種用于確定基樁長度,進行基礎完整性檢測的方法[10]。如圖1所示,旁孔透射法的儀器包括激振源、撿波器和信號采集裝置。檢測前,在樁身附近預埋平行套管,套管內注滿清水。檢測時,將撿波器放入套管內,在基樁外露部分用激振錘敲擊,同時用套管內的撿波器采集不同深度透射波信號,然后通過信號采集裝置對信號進行分析處理即可判斷基樁的長度和完整性。

旁孔透射法應用于基樁檢測是基于一維彈性波理論的。根據費馬原理,波總是沿著歷時最短的路徑進行傳播。該原理為首至波傳播路徑與歷時提供了數學基礎。由Snell定律,激振后波沿樁中傳播會產生折射縱波(PP)和折射橫波(PS)。由于樁身中彈性波速大于周邊土體波速,因此旁孔內檢波器最先接收樁身內彈性波。

如圖1所示,當基礎側面或承臺頂產生壓縮波(P波)或剪切波(S波),所得應力波沿樁身向下傳遞,利用旁孔中檢波器收集土中由樁身透射所傳遞的信號,由首至波信號時間深度關系擬合得出時間深度曲線,由檢測所得波速即可確定樁身長度。當激振產生應力波沿樁身傳播距離大于2倍樁身直徑且樁土間存在較大波阻抗差異時,平面波傳播性質與一維波相似。因此,在介質變化分界面,波阻抗發生改變,根據折射理論,沿深度對速度-時間曲線進行擬合,根據擬合的直線即可判斷樁底或者缺陷位置。擬合成的兩條直線的斜率即代表樁身的波速和樁底土的波速。

1.2 樁身長度確定方法

目前,樁身的確定方法大多采用兩直線交點法。旁孔透射法簡化計算模型如圖2所示[11]。當樁身在S處進行激振,產生的彈性波沿S-O-A-R路徑傳播,其歷時經過簡化后即可表示為:

(1)

(2)

其中,Vps為地基土三維P波波速;θ為樁土間透射角。

由式(1)可知t-Z關系為一條直線,即圖3中l1。該直線關于時間軸的斜率即樁中一維P波波速Vpp。

在均質地基中,當樁身下行波到達底端B點按角度θ傳播到達C點以下任意位置F,當滿足Z-L≥5D時,相應的歷時即簡化為:

(3)

因此,此時時間-深度關系已趨于一條直線,即圖2中的l2,其斜率即為地基土中的波速。

當旁孔距較小時,兩條直線交點處的縱坐標即可近似視為樁底的深度。

2 隧道錨桿長度無損檢測方法

上述旁孔透射法應用于基樁深度檢測時所涉及的理論已有研究表明同樣適用于隧道圍巖中[12]。因此基于上述理論,提出隧道錨桿長度的無損檢測方法,如圖4所示。

該裝置包括激振波接收處理器、用于敲擊錨桿頂端的激振錘、置于錨桿外露段的首波接收器、探測桿以及等間距布置在探測桿上的若干水聽器。使用時,若干個水聽器串聯后與激振波接收處理器電連接,在錨桿周圍的圍巖上開設深度大于錨桿設計長度的測洞,將探測桿和水聽器均置于測洞里。使用激振錘敲擊錨桿外露端,水聽器能夠分別接收激振錘敲擊錨桿頂端產生的激振波并傳送給激振波接收處理器。使用磁鐵將首波接收器固定在錨桿外露端,首波接收器為應力波傳感器,能夠接收激振錘敲擊錨桿頂端產生的激振波并傳送給激振波接收處理器。最后通過激振波接收處理器計算水聽器傳送的激振波分別與接收到的首波接收器傳送的激振波的時間差。由此即可計算錨桿的長度。

3 基于ABAQUS隧道錨桿長度檢測仿真分析

錨桿模型長度為4 m,直徑取4 cm,長度為6 m,直徑為40 cm。根據一維彈性波理論,錨桿和圍巖中的波速由式(4)計算:

(4)

錨桿和圍巖的材料參數參考《公路隧道設計規范》進行定義,材料參數如表1所示。

表1 材料參數設置

圍巖材料模型選擇摩爾-庫侖模型,內摩擦角為55°,黏聚力為2.0 MPa。錨桿選擇動態面面接觸(STS),接觸算法為對稱罰函數法[13],即在每一個分析步中,首先檢查節點是否穿透主界面,沒有的話則不作處理,若存在穿透的話,則在主界面和節點之間施加數值較大的接觸力(力的大小由主面的剛度和穿透深度決定),轉換成物理關系,即在主從界面之間加入一個剛度較大的彈簧,來減輕從面節點為主面的穿透程度。邊界條件的設置包括:錨固底端、錨固體周圍。對于錨固底端,因為其不會發生任意方向的位移,設置為“完全固定”;對于錨固體周圍,約束X,Y方向上的位移并設置為0。對實體進行網格劃分,以掃掠的形式劃分成六面體網格。

激振方式采用均布激振力,利用激振錘產生均布瞬態激振,激振力脈沖為半正弦脈沖[14],大小為:P=P0sinωt,0

對上述模型提交后其結果如圖6所示,結果文件顯示應力確以波動的形式向錨桿底端傳播,經過錨桿底端的圍巖反射后發生折返。波動的產生表明所建立的有限元模型是合理的。提取距離錨桿邊緣20 cm處一條直線上的速度隨時間的變化,距離錨桿頂端0.5 m處的速度-時間曲線如圖6所示。

每隔0.5 m分別布置一個測點,提取各個測點時間-速度數據,繪制各個深度的波形圖如圖7所示。利用Matlab自動識別提取峰值點,并進行線性擬合,擬合結果如圖8所示。圖8中兩條直線相較于4.06 m深度處,誤差為1.5%。4 m以上的直線其斜率為5 090.18,相較于計算所得波速誤差為1.19%;4 m以下直線斜率為3 576.4,誤差為2.3%。分析誤差產生的原因,主要包括兩個方面:其一,在圍巖中把時間-深度曲線看作為一條直線的條件是Z-L≥5D,但是當0

4 結語

隧道工程建設過程中,錨桿錨固長度的檢測受到施工環境的限制,不能得到準確的檢測數據,本文借助于旁孔投射法原理,利用激振波接收處理器、激振錘、首波接收器、水聽器裝置組成錨桿檢測儀器,通過波傳導時間差來計算錨桿的長度,有效的解決了施工環境帶來的檢測難題,同時利用數值模擬軟件建立有限元模型,通過數值模擬計算與室內試驗得到的結論基本相同,從而證明使用旁孔透射法檢測隧道錨桿長度在理論上是可行的,本次研究為隧道工程建設過程中的錨桿錨固長度檢測提供了參考價值。