郭 慶,張景科,樊 孟,王 南,郭青林,趙林毅

(1. 蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730000； 2． 敦煌研究院，甘肅敦煌 736200)

聲頻應(yīng)力波法檢測土遺址加固用玻璃纖維錨桿錨固質(zhì)量初探

郭 慶1,張景科1,樊 孟1,王 南1,郭青林2,趙林毅2

(1. 蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730000； 2． 敦煌研究院，甘肅敦煌 736200)

土遺址錨桿錨固質(zhì)量一直是土遺址加固工程中關(guān)注的重點問題。目前，土遺址領(lǐng)域均采用具有破壞性的拉拔試驗對其進行檢測。基于土遺址的文物屬性，本研究嘗試?yán)脽o損檢測技術(shù)評價土遺址加固用玻璃纖維錨桿的錨固質(zhì)量。通過錨桿無損檢測儀與拉拔儀分別對甘肅省紅沙堡遺址與永泰城址加固工程中的玻璃纖維錨桿錨固系統(tǒng)進行檢測。比較實際測量桿長與儀器測量桿長結(jié)果，得出桿長指標(biāo)可以判斷無損檢測儀所測結(jié)果的真實性。無損檢測儀得出的檢測波形衰減規(guī)律顯著，對比相應(yīng)錨桿的拉拔試驗的評價結(jié)果，證實了聲頻應(yīng)力波法在土遺址玻璃纖維錨桿錨固系統(tǒng)無損檢測中的適用性。本研究結(jié)果將為評價土遺址加固用玻璃纖維錨桿錨固質(zhì)量提供可靠的依據(jù)。

土遺址；玻璃纖維錨桿；聲頻應(yīng)力法；無損檢測；拉拔試驗

0 引 言

隨著我國文物保護事業(yè)快速發(fā)展，錨桿加固技術(shù)在土遺址保護加固工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。因錨桿加固工程屬于隱蔽工程，對其施工質(zhì)量的檢測一直都是加固工程的一大重點與難點。目前，我國土遺址錨桿錨固系統(tǒng)檢測的主要方式為拉拔試驗。該法能準(zhǔn)確反映錨桿的整體抗拔能力，但其檢測周期長、操作不便，且具有破壞性[2]。因此，利用該法評價不符合文物保護“最小干預(yù)”的原則[3]。通過檢索CNKI、CSCD、Ei Compendex、ASCE等數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)，截止目前，還未有土遺址用錨固系統(tǒng)無損檢測技術(shù)的研究報道。為更好地對土遺址進行保護，避免出現(xiàn)遺址體“保護性破壞”現(xiàn)象，進行土遺址錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)研究勢在必行。

20世紀(jì)80年代，巖土工程中開始利用超聲能量損耗法檢測砂漿錨桿灌注質(zhì)量[4]，該方法可迅速地進行錨固質(zhì)量的無損檢測。由于超聲反射法檢測條件過于苛刻，且衰減較快，此種方法并未得到大面積推廣應(yīng)用[4]。隨后，國外導(dǎo)向超聲法[5-8]的出現(xiàn)一定程度上解決了該問題，通過得出理想的超聲波激振頻率以檢測錨固質(zhì)量。20世紀(jì)90年代，我國開始利用聲頻應(yīng)力波法[5,9]來檢測錨固質(zhì)量。21世紀(jì)初，基于聲頻應(yīng)力波法的錨桿錨固質(zhì)量綜合參數(shù)無損檢測方法[10-12]開始出現(xiàn)，因該種方法適用性較好，故得到廣泛應(yīng)用。

鑒于此，本研究選擇紅沙堡遺址和永泰城址保護加固用玻璃纖維(以下簡稱GFRP)錨桿系統(tǒng)開展無損檢測與拉拔試驗，初步探究適用于土遺址用GFRP錨桿系統(tǒng)的無損檢測技術(shù)。利用拉拔結(jié)果，討論無損檢測與現(xiàn)有評價體系之間的關(guān)聯(lián)性。

1 理論概述

1.1 基本原理

當(dāng)錨桿端頭受到瞬時激勵時(圖1)形成沿桿系傳播的應(yīng)力波[13]。

波在遇到具有不同波阻抗的界面時，會產(chǎn)生能量變化，一部分能量穿過界面繼續(xù)順向傳播為透射波；另一部分能量未穿過界面發(fā)生反向傳播為反射波[13]。它們的大小與界面兩側(cè)波阻抗差異有關(guān)：當(dāng)錨桿與錨固漿液未充分粘結(jié)時，應(yīng)力波穿過波阻抗差異較明顯的區(qū)域，接收器接收到反射波波峰明顯，衰減緩慢。當(dāng)錨桿與錨固漿液充分粘結(jié)時，可認(rèn)為應(yīng)力波穿過波阻抗差異較小的區(qū)域，接收器接收到反射波波峰不明顯，衰減迅速[14]。因此，根據(jù)儀器顯示應(yīng)力波形態(tài)可對錨桿系統(tǒng)實際錨固情況進行分析。

圖1 錨固系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)力波傳播示意圖

1.2 評判指標(biāo)

1.2.1 界面應(yīng)力波波速公式 基于一維應(yīng)力波反射原理及應(yīng)力波在錨固系統(tǒng)中的傳播、反射和衰減特性來分析錨桿的長度、錨桿與錨固漿液的膠結(jié)質(zhì)量，即在小應(yīng)變情況下有[15]：

(1)

式中，Vc為錨桿系統(tǒng)中的應(yīng)力波波速；A1、A2為錨桿和錨固漿液在單元體中的橫截面面積；ρ1、ρ2為錨桿和錨固漿液的密度；c1、c2為錨桿和錨固漿液在錨固狀態(tài)下的折算彈性模量：c1=σ1/ε1，c2=σ2/ε2，其中σ1為錨桿單元應(yīng)力值，ε1為錨桿單元應(yīng)變值，σ2為錨固漿液單元應(yīng)力值，ε2為錨固漿液單元應(yīng)變值。

1.2.2 波形真實性判據(jù) 全長粘結(jié)型錨桿系統(tǒng)可利用桿系(體)波速作為波形真實性判據(jù)[16]：

(2)

式中，Vbi指相同材質(zhì)和規(guī)格的第i根錨桿桿體波速值；Vb指相同材質(zhì)和規(guī)格的錨桿波速平均值。

同時，全長粘結(jié)型錨桿系統(tǒng)錨桿桿體長度不小于設(shè)計長度的95%，且不足長度不超過0.5m，可評定錨桿長度合格[16]。換而言之，當(dāng)能確保實際錨桿長度合格時，無損檢測可利用桿長指標(biāo)作為波形真實性判據(jù)：

(3)

式中，Lbi指相同材質(zhì)和規(guī)格第i根錨桿桿體無損檢測的桿長測量值；L指所用錨桿實際錨桿長度。

借鑒上述理論，不妨假設(shè)土遺址用玻璃纖維錨桿系統(tǒng)在判別無損檢測波形真實性時，有如下兩者判據(jù)：

1) 單根錨桿測量無損檢測波形所對應(yīng)的波速相對與相同材質(zhì)和規(guī)格錨桿桿系(體)波速允許誤差值不超過5%。

2) 單根錨桿測量無損檢測波形所對應(yīng)的桿長值相對于實際測量桿長允許誤差不超過5%，且允許誤差長度不超過0.5m。

2 試驗方案

2.1 試驗場地

試驗場地位于明長城紅沙堡城墻和永泰城址城墻(圖2)。

圖2 試驗場地分布圖

明長城紅沙堡遺址位于甘肅省武威市民勤縣新河鄉(xiāng)泉水村東北0.5km處。其始建于明嘉靖七年(1528)，萬歷九年(1581)展筑東、西、北三面[17]。

永泰城址位于甘肅省白銀市景泰縣寺灘鄉(xiāng)永泰村，城平面形似烏龜，又名龜城。永泰城建成于明萬歷三十六年(1608)，它是一座用于駐軍防務(wù)的大型土筑古城。城平面呈橢圓形，該城始建于明代，清代曾補筑[18]。

2.2 試驗材料

1) 玻璃纖維錨桿。試驗選用南京奧沃科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的GFRP錨桿，其物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 玻璃纖維錨桿材料物理性質(zhì)

2) 土體性質(zhì)。試驗土體為自然塌落的遺址土體(表2和3)。

表2 紅沙堡遺址土體物理性質(zhì)

表3 永泰城遺遺址土體物理性質(zhì)

3) 漿液配制。錨固漿液(表4和5)選用粉碎篩析后的遺址土與燒料礓石配置。在保證漿液強度與可灌性的基礎(chǔ)上，參照錨固施工現(xiàn)場實際配比確定，遺址土與燒料礓石為1∶1，水灰比為0.65。

表4 紅沙堡錨固漿液物理性質(zhì)

表5 永泰城址錨固漿液物理性質(zhì)

2.3 錨固系統(tǒng)錨桿設(shè)計參數(shù)

紅沙堡遺址與永泰城址錨固設(shè)計參數(shù)一致。錨桿設(shè)計長度為1.5m，直徑為20mm，錨孔直徑為70mm，設(shè)計錨固長度為1.0m，外露段為0.5m。

2.4 測試儀器設(shè)備與方案

試驗分別對紅沙堡西城墻內(nèi)側(cè)3根試驗錨桿(編號分別為H1、H2、H3)和永泰城址6根試驗錨桿(編號分別為Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6)進行無損檢測與拉拔試驗。本次無損檢測試驗采用武漢龍昊科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的LHMG(G1)式錨桿無損檢測儀。其中在紅沙堡遺址處每根錨桿采集了30次無損數(shù)據(jù)，永泰城址處每根錨桿采集了24次數(shù)據(jù)。拉拔試驗采用北京海創(chuàng)高科技有限公司生產(chǎn)的HCYL-60型錨桿綜合參數(shù)測定儀。

錨桿無損檢測試驗操作依據(jù)《錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T182-2009)，錨桿拉拔試驗依據(jù)《土遺址保護試驗技術(shù)規(guī)范》(WW/T 0038-2012)。

3 測試結(jié)果

3.1 檢測波形

1) H1、H2波形規(guī)則(圖3)，首波位置具有較為良好的相似性，其后周期波形相似性則不明顯，波峰值呈指數(shù)型衰減。波形差異主要體現(xiàn)在衰減速率與各個周期零值的位置。H3波形不規(guī)則，衰減較快且較波折，衰減形式無明顯規(guī)律，各周期峰值和波動形態(tài)較為跳躍、不規(guī)律。H3無損檢測采樣曲線總體與H1、H2不協(xié)調(diào)，即首波位置較其他波形差異較大，但首波采集得前半周期的第一次波峰位置與H1、H2無損檢測采樣曲線重合度較好。

圖3 紅沙堡錨桿無損檢測采樣曲線

2) Y1、Y2、Y3、Y5波形規(guī)律與H1、H2相似(圖4)。Y4、Y6波形不規(guī)則且衰減規(guī)律性較差，各周期波峰值不規(guī)律出現(xiàn)且波動形態(tài)跳躍，無明顯規(guī)律性。Y4的采樣曲線在第一周期內(nèi)與其他錨桿無損檢測波形較為一致。后續(xù)周期曲線較不規(guī)整，波形跳躍，波峰、波谷呈現(xiàn)不規(guī)律地靠近橫軸趨勢。

Y6采樣曲線在第一周期內(nèi)與其他錨桿無損檢測波形相似，其第二周期記錄波形十分不規(guī)則：波峰間距過小，波谷呈非負(fù)值，峰值與谷值跳動劇烈。

圖4 永泰城址錨桿無損檢測采樣曲線

3.2 桿長與速度指標(biāo)特性

觀察儀器所測結(jié)果發(fā)現(xiàn)：H1錨桿桿長全部落入桿長允許誤差范圍內(nèi)，而無一落入速度允許誤差內(nèi)(圖5)。H2錨桿結(jié)果檢測桿長80.0%落入桿長允許誤差范圍內(nèi)，所測速度指標(biāo)無落入速度允許誤差內(nèi)；H3錨桿儀器所測桿長、所測速度均未落入速度允許誤差內(nèi)。

圖5 紅沙堡錨桿無損檢測桿長-速度圖

儀器所測Y1錨桿桿長41.7%落入桿長允許誤差范圍內(nèi)(圖6)。而速度指標(biāo)45.8%落入速度允許誤差內(nèi)，其中對應(yīng)波形反映正確桿長的占81.8%。Y2、Y3、Y5錨桿測量結(jié)果所反映現(xiàn)象與Y1相同，即落入速度允許范圍內(nèi)的波形部分無法正確檢測出真實桿長值。Y4、Y6桿儀器所測結(jié)果僅部分桿長落入桿長允許誤差范圍內(nèi)，而無一落入速度允許誤差內(nèi)。

圖6 永泰城址錨桿無損檢測桿長-速度圖

3.3 檢測波衰減趨勢與極限錨固力

無論紅沙堡遺址還是永泰城址其所得無損檢測波形都呈現(xiàn)出指數(shù)型衰減趨勢(圖7和8)。

圖7 紅沙堡錨桿采樣波形峰值衰減曲線

圖8 永泰城址錨桿采樣波形峰值衰減曲線

通過對錨桿采樣波形峰值衰減曲線進行擬合，得出其衰減變化規(guī)律為：

Y=C1e-C2x

(4)

式中,Y代表采樣波形振幅；X代表采樣波形波長；C1、C2為常數(shù)。

分析兩地錨桿拉拔試驗的測試錨固力值(表6)，H3、Y6錨桿測試?yán)瘟χ递^大，均超過10kN，Y4錨桿測試?yán)瘟χ底畹蛢H為5kN。通過與衰減曲線擬合函數(shù)相比較，得出除H3、Y4、Y6錨桿外，極限錨固力值與擬合函數(shù)中常數(shù)C2正相關(guān)。

表6 測試?yán)瘟χ蹬cC2值表

4 討 論

4.1 聲頻應(yīng)力法在土遺址用GFRP錨固系統(tǒng)的適用性

利用應(yīng)力波反射法對土遺址加固用GFRP錨桿錨固系統(tǒng)進行無損檢測，其指標(biāo)清晰明確，各根錨桿檢測實測指標(biāo)特性顯著，同類型錨桿采樣波形首波具有較好的規(guī)律性。這說明應(yīng)力波反射法對土遺址用GFRP錨桿系統(tǒng)檢測評價效果較好，波形衰減特征可用于定性評價該錨桿系統(tǒng)錨固質(zhì)量。

因介質(zhì)、擊震方式與傳播條件的不同，應(yīng)力波會呈現(xiàn)不同的衰減規(guī)律[19]。對比土遺址GFRP錨桿系統(tǒng)與水泥砂漿的全長粘結(jié)型錨桿系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，前者具有獨特的衰減規(guī)律?，F(xiàn)階段，若想將無損檢測方法投入應(yīng)用，應(yīng)對土遺址GFRP錨桿系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)錨桿模擬試驗進行深入研究，以期建立標(biāo)準(zhǔn)波形庫從而科學(xué)地對該錨桿系統(tǒng)進行質(zhì)量評價。

4.2 土遺址用GFRP錨固系統(tǒng)的聲頻應(yīng)力法評價指標(biāo)

將儀器測出的首波波速與桿長進行比較，得出的桿長評價所獲波形的一致性效果較好、可靠性強且容易實現(xiàn)。

比較圖5中實驗數(shù)據(jù)與圖6中實驗數(shù)據(jù)可以看出：紅沙堡波速的離散性較強，永泰城址利用波速遴選出的波形桿長僅部分合格。由此看出，速度指標(biāo)無法穩(wěn)定、真實地反應(yīng)出桿系錨固質(zhì)量的真實情況。因此，在土遺址用GFRP錨桿系統(tǒng)中利用允許波速誤差指標(biāo)無法得到真實波形，這說明上文所述采樣波形真實性判據(jù)假設(shè)(1.2.2節(jié))中(1)項不成立。速度指標(biāo)不穩(wěn)定性與遺址所處環(huán)境、氣候與漿液性質(zhì)有關(guān)，其具體相關(guān)性仍需進一步研究。

錨桿長度指標(biāo)則由反射應(yīng)力波的走時和波速共同確定[17]，且前期有可靠地量測記錄。因此在土遺址用GFRP錨桿系統(tǒng)無損檢測中，桿長更適宜作為儀器所測結(jié)果的真實性判據(jù)。

4.3 土遺址用GFRP錨固系統(tǒng)的聲頻應(yīng)力法衰減形式

一般地說，波在其傳播過程中，其能量衰減主要有擴散衰減、散射衰減、吸收衰減等形式。上文通過擬合方式得到應(yīng)力波在土遺址用GFRP錨桿系統(tǒng)傳播過程衰減形式為Y=C1e-C2x，而三種衰減形式只有擴散衰減形式呈現(xiàn)單指數(shù)型衰減[10]。故應(yīng)力波在土遺址用GFRP錨桿系統(tǒng)傳播過程中其主要呈現(xiàn)擴散衰減形式。

4.4 錨桿測試?yán)瘟εc衰減指數(shù)相關(guān)性

分析紅沙堡遺址、永泰故城遺址各根錨桿對應(yīng)的衰減曲線與其拉拔試驗所得錨桿測試?yán)瘟Πl(fā)現(xiàn)，除H3、Y4、Y6錨桿外，各根錨桿測試?yán)瘟εc衰減指數(shù)常數(shù)C2呈正相關(guān)，與水泥砂漿的全長粘結(jié)型錨桿相類似[10]。

結(jié)合紅沙堡與永泰城址試驗結(jié)果可得，對于具有規(guī)則采樣曲線的土遺址用GFRP錨桿系統(tǒng)，采樣曲線衰減越快(C2越大)則測試?yán)瘟υ礁?。對于非?guī)則波形錨桿，本次試驗測試?yán)瘟﹄x散，說明對信號復(fù)雜，波形凌亂的土遺址用GFRP錨桿系統(tǒng)僅利用無損檢測手段亦較難判斷該類錨桿錨固質(zhì)量，也應(yīng)結(jié)合其他檢測方法進行檢測[15]。

4.5 偏孔現(xiàn)象

拉拔試驗完成后，發(fā)現(xiàn)紅沙堡3根錨桿中H3錨桿上下偏孔嚴(yán)重，桿體沉底(圖9)。觀察永泰城址6根錨桿整體情況，發(fā)現(xiàn)Y4與Y6錨桿偏孔嚴(yán)重(圖10)。而在土遺址用GFRP錨固系統(tǒng)進行無損檢測試驗數(shù)據(jù)中，H3、Y4、Y6錨桿所測波形形態(tài)雜亂，且只有H3、Y4、Y6錨桿，錨桿測試?yán)瘟εc衰減指數(shù)常數(shù)C2比較離散，不呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

圖9 紅沙堡錨桿偏孔

圖10 永泰城址錨桿偏孔

通過上述分析得出：土遺址用GFRP錨桿系統(tǒng)若出現(xiàn)偏孔現(xiàn)象則無損檢測宜結(jié)合其他檢測方法共同進行檢測。由于場地的不同，影響因素較多，對土遺址用GFRP錨桿系統(tǒng)偏孔現(xiàn)象對無損檢測的影響還應(yīng)作進一步的研究。

5 結(jié) 論

1) 應(yīng)力波反射法可用于土遺址用GFRP錨桿系統(tǒng)檢測評價，波形衰減特征適用于定性的評價該錨桿系統(tǒng)錨固質(zhì)量。

2) 在土遺址用GFRP錨桿系統(tǒng)無損檢測中，桿長更適宜作為儀器所測結(jié)果的真實性判據(jù)。

3) 應(yīng)力波在土遺址用GFRP錨桿系統(tǒng)傳播過程中其主要呈現(xiàn)擴散衰減形式。

4) 對無損檢測波形凌亂、信號復(fù)雜的土遺址用GFRP錨桿檢測宜結(jié)合其他檢測方法進行評價。

5) 土遺址用GFRP錨桿系統(tǒng)若出現(xiàn)偏孔現(xiàn)象，則無損檢測宜結(jié)合其他方法進行檢測。偏孔現(xiàn)象對無損檢測的影響還應(yīng)作進一步的研究。

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(責(zé)任編輯 潘小倫)

Preliminary study on sonic frequency stress wave method to detect anchor bolt quality of glass fiber reinforced polymer in earthen sites

GUO Qing1, ZHANG Jing-ke1, FAN Meng1, WANG Nan1, GUO Qing-lin2, ZHAO Lin-yi2

(1.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China; 2.DunhuangAcademyChina,Dunhuang736200,China)

The reinforcement of earthen sites always focuses on quality of the anchor system. Currently, pull-out testing is the only way to test earthen site anchor systems. This research used nondestructive testing technology for the first time to evaluate glass fiber reinforced polymer (GFRP) anchor system in earthen sites.In the Hongshabao and Yongtaisites, in Gansu Province, GFRP anchor system in earthen sites was tested by using a nondestructive anchortesting instrument and a pull-out apparatus.By comparing the actual measuring bolt length and instrument measuring bolt length, it is found that the length index is good at judging the validity of results measured using the nondestructive detector. In comparison with bolt pull-out testing results, it is confirmed that the nondestructive method for testing GFRP anchor system in earthen sites is suitable and accurate. The results of nondestructive testing of GFRP anchor system of earth sites is proved to be accurate．

Earthen sites; Glass fiber reinforced polymer(GFRP) bolt anchoring system; Sonic frequency stress wave method; Nondestructive test; Pull-out test

2016-06-25；

2016-07-08

國家科技支撐計劃資助(2014BAK16B02)，國家文物局文物保護科技優(yōu)秀青年研究計劃資助(2014225)，國家自然科學(xué)基金資助(51578272)

郭 慶(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為文物保護，E-mail： qguo2014@lzu.edu.cn

張景科(1980—)，男，博士，副教授，主要從事巖土工程教學(xué)與科研工作，研究方向為文物保護，E-mail： zhangjink@lzu.edu.cn

1005-1538(2017)01-0027-08

TU753

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