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使用时域反射计对土钉工程的质量控制

土钉支护是稳定和支边坡护的一种有效和实用的方法，自90年代中期它已被广泛使用在改善香港斜坡的工作。然而，一旦一个土钉已安装，则难以检查其质量，如钢条的长度和水泥灌浆环的完整性。为了提高土钉安装工程的质量管理，土木工程拓展署香港土力工程（GEO）开展了一项研究，确定并开发用于无损检查安装土钉的质量。其间尝试了各种技术，发现时域反射计（TDR）是最简单的，最快的和最便宜的技术。自那时以来，进行大量的现场测量来获得关于该技术的实用性和可靠性的经验。在2004年中期，土力工程处介绍TDR其土钉支护工程根据独立的现场审核过程中防止山泥倾泻计划试点使用。2007年,一个独立的审查支持继续使用TDR，,并建议进一步加强保证项目的抽样策略。本文给出了TDR在预装线评估钢土钉质量中的应用概述。对于测试的不确定性进行了讨论。它也描述了TDR已经确定的异常情况和相应的后续动作。

DOI：10.1061/（ASCE）GM.1943-5606.0000549。 copy;2011土木工程师协会。

CE数据库主题词：土钉；非破坏性试验；质量控制；时间的因素。

关键词：土钉；诚信；质量；非破坏性测试；时域反射计。

绪论

土钉支护在1980年代引入香港。它是一个通过在钻孔中灌浆并设置钢筋的现场土壤加固技术，孔的长度，通常为5-20米。鉴于其巩固斜坡工程的可靠性和实用性，土钉支护已经在20世纪90年代，广泛应用于香港。根据香港（LPM）计划由土力工程处土木工程拓展署（GEO）（土木工程拓展署）统计。平均每年超过50,000根土钉安装用于防止山体塌方。

类似于其他掩埋工程工作，难以以安装土钉的关系质量评估竣工长度和水泥灌浆环的完整性。短期事件桩（即桩已建成的长度小于设计长度）在香港90年代末引起关注业内有关埋工程质量保证作品。为了提高土钉工程的质量控制，根据防止山泥倾泻计划，土力工程处对土钉施工作品加强现场监督并推出独立的现场审核。 2001年，GEO发起了一项研究，以确定和发展可用于无损检测（NDT）方法评估安装土钉的质量。但无损检测方法在施工时不能良好的监督，他们提供额外的质量保证，并作为对于弊端的一种威慑。许多无损检测方法，包括声波回声，濑-一拉集体，电磁感应和电阻方法，磁力和时域反射计（TDR），进行了检查，发现了一些有潜力的现场应用。其中这些潜在的无损检测方法，TDR被发现是最简单的，最快和最便宜的。自那时以来，关于该技术的实用性和可靠性，采取大量的现场测量来获得知识和经验。在2004年年中，土力工程处推出一个试点质量保证计划，根据防山泥倾泻计划工作，采用TDR独立的现场审核来评估土钉的质量。计划在2007年完成试点，TDR等进行独立审查无损检测方法[李和奥雅纳工程顾问香港有限公司（OAP）2007]进行，其中支持继续使用TDR作为审计工具和建议进一步加强对抽样策略进行测试。本文给出了一个利用TDR检查安装钢土钉质量的的案例。对测试不确定性进行了讨论。它也描述了TDR已经确定异常和案例相应的后续行动。

原理

在20世纪50年代TDR被最早用于研制雷达。代替在雷达发射的三维（3D）的波前，在TDR电磁波的传播波导（奥康纳和1999年道丁）。 TDR通常是在电信工业中用于传输线不连续的识别。在20世纪80年代，该技术扩展到许多其他领域，如岩土工程，水文和材料测试（例如，道丁和黄1994;奥康纳和1999年道丁;西迪基等。 2000;刘等。 2002;林和唐2005年）。从理论上讲，TDR沿传输线发送，这是在在传输线的电脉冲同轴或双导体配置和接收反射或回声引起任何不连续或不匹配的电性能。通过测量时间为脉冲从脉冲发生器行进至点不连续/不匹配时，相应的距离可被估计用公式。 （1），脉冲的传播速度，VP，是已知的。

（1）

其中，L=脉冲发生器和点之间的距离间断/不匹配;和t =各脉冲的时间行程。该脉冲的传播速度，，是相关的电特性，通过下面的表达式得出（Topp等人1980）：

（2）

其中，Vc=光速在真空中（3times;108 M = S），ε=介电常数，其测量材料下如何反应稳态电场（对于空气εasymp;1，而对于水泥灌浆εasymp;10）。

如果电线预装旁边一个土钉加固，通常是一个钢条，如图1所示，配置成为类似的双导体传输线，并且在灌浆加固线对（土钉）结束成为不连续性。这表明，TDR可以用来确定安装土钉的长度（2003张）。

图1 土钉的比喻用预装的导线作为双导体传输线

如等式（1）表示，安装土钉的长度预装用导线可以，如果两个关键参数来估计即，对于一个脉冲的时间，从土钉头行进到其端，t和脉冲的传播速度，副总裁，是已知的。式。 （2）进一步表明，脉冲传播速度，副总裁，沿在空军的支援下，对线会高出很多（两到三年倍比水泥灌浆更高）。因此，脉冲的时间行程随着在灌浆环形空隙土钉将小于在相同长度的充分灌浆土钉。此外，一反射将在灌浆空白界面诱导。

反射的幅度和极性时的电脉冲到达不连续/不匹配的位置取决于在主体位置中的电阻抗的变化的量，它可以在反射系数Gamma;来表示（安捷伦科技1998）：

（3）

其中， =反射脉冲的峰值电压; =峰值电压案发脉冲; =特征电阻抗; 在反射点Z =电阻抗。

上式的，对于不同的soilnail的可能波形配置可以推断。例如，当脉冲达到土钉的端部，一个正Gamma;（即，正脉冲反射）会发生由于增加了电阻抗。 然而，如果导线是在与加强在电接触土钉的端部中，Z（对端）将趋向于0，Gamma;变为负（即，负脉冲反射）。类似地，正反射当脉冲从水泥灌浆通行证作废将被退回由于增加了电阻抗，而负反射将另行返回。因此，该波形清单作为一个S形反射当脉冲通过的空隙部在灌浆环。图2示意性示出了一些基本对于一个标准的传输线和相应的TDR波形土钉有不同的配置。

图2 传输线的基本原理的TDR波形和类似土钉

在上式的基础上。对于不同的soilnail的可能波形配置可以推断。例如，当脉冲达到土钉的端部，一个正Gamma;（即，正脉冲反射）会发生由于增加了电阻抗加强线。 然而，如果导线是在与加强在电接触土钉的端部中，Z（对端）将趋向于0，Gamma;变为负（即，负脉冲反射）。类似地，正反射当脉冲从水泥灌浆通行证作废将被退回由于增加了电阻抗，而负反思将另行返回。因此，该波形清单作为一个S形反射当脉冲通过的空隙部在灌浆环。图2示意性示出了一些基本对于一个标准的传输线和相应的TDR波形土钉有不同的结构。

控制测试

评价使用TDR的可行性，如前面所描述的，检查有关安装土钉的质量以及水泥灌浆环，对各种已知长度的一些土钉（从4到15米）和各种灌浆环形构造（孔隙尺寸变化从0.2至长度为3米）进行了长度和完整性的控制测试。这些土钉在预制工厂条件下，以使空隙的尺寸，环灌浆和长度可以在相当准确的控制水平。土钉加强，金属丝，和水泥的直径灌浆环形25，2，和100毫米。电线在2米固定旁边一个土钉加固塑料胶带区间。该测试装置是一个商业电缆故障检测仪在市场上具有超过99.5％的准确度提供。图3显示了从完全灌浆土钉获得的TDR波形不同的长度。正反射从相应的返回结束，并且脉冲传播时间正比于土钉的长度。

图3 各种已知长度的土钉TDR结果

图4示出从所得到的波形之间的比较完全灌浆土钉，并从同一长度的土钉，但间歇空隙部。显而易见的是，当脉冲通过空隙部的位置，如图8中所示。图4（b），有是S形的反射。如果两个预制空隙部分是放在靠近彼此，两个S形反射将重叠，并可能变得难以确定它们的相对位置。无论是完全灌浆土钉和空隙部的土钉返回在两端的积极反映。然而，脉冲行程时间在土壤钉与空隙部是比上述稍少充分灌浆钉子。对照试验表明，它是使用可行TDR来推断土钉的长度和水泥的完整性灌浆环。相关联的可能来源和不确定性的程度用的技术，但是，需要将之前检查在任何质量保证方案领域的应用。

无损土钉质量的不确定性评定

从本质上讲，NDT是衡量身体特征的一种间接的方式其中这是不可避免的不确定性将期间引入测量和试验结果的解释过程中，andthus它不会给确切的答案。一个TDR测试主要包括两部分，即，确定脉冲的传播速度从已知长度和灌浆的完整性（即校准）的土钉，和用于脉冲的时间测量从行进在测试土钉到自己的最终认可任何异常的头波形（即，测试）。影响的两个关键因素，任何在EQ参数。（1）（即，脉冲的传播速度，VP，与脉冲的时间行程，T）将带来不确定性的TDR-推导土钉的长度。不确定性的幅度可以使用一阶二阶矩确定（FOSM）方法（Ang和唐，1984）。方差和期望值在TDR-推导土钉长度可以表示为：

式中Lm= TDR-推导土钉长度； LC =已知长度校准土钉；测试土钉TM=脉冲的时间行程；校准土钉的TC=脉冲的时间行程；mu;=预期随机变量Y的值。

TDR-推导土钉长度的系数变化 （即，标准偏差/平均值）

一个TDR测试的不确定性可大致分为两类，即指甲独立和指甲相关的不确定性。如示于图5，不确定性的来源之一，这些涉及内置检测仪器和人体的错误判断被列为钉子无关的不确定性，而剩余的源被列为钉依赖性的不确定性。前者不确定性不会受到土钉的可变性配置和属性（例如，加强件的尺寸，导线类型，和水泥浆完整性），而后者包括在所述变性土钉的配置和性能等下落不明因素。

土钉- 独立不确定性

内置测试仪的误差

这是不可避免的测试仪内置的错误就会诱发不确定性的TDR-推断长度。这个幅度错误是特定产品，这就要看复杂程度的仪器。可用仪器的规格（电缆故障检测器），这个错误通常小于1％。该TDR电缆故障检测器的在本研究中使用具有小于一个内置的错误0.5％。这有助于小不确定性的决心土钉长度。

认为误差

脉冲的传播时间是从相应的读数确定入射脉冲和反射脉冲的点。该影响的脉冲的测量得到的传播时间大的不确定性是人的判断的定义的点的变化表示从土钉反射的TDR波形结束。这是因为一个TDR电缆故障检测器只能生成脉冲包括频率的频谱，而不是产生单频步脉冲，并且他们将前往以不同的速度沿土钉。因此，该波形由于从反射土钉端平滑上升，有时这可能掩盖反射的初始到达的点的识别信号。这种现象通常被称为波分散（雷诺1997）。此外，与一个传输线，它通常是在严格控制的环境下制造，这是困难的，如果不是不可能的，以保持恒定的电阻抗沿土钉。因此，可以形成一些小的反射沿土钉，使初始点的识别从土钉反射结束不是作为在a的情况下作为不同传输线。人的判断在确定的不确定性反射点可以进一步分成两类，即单一的操作员和multioperator不确定性。

（一）单运营商不确定性单一运营商的研究不确定性涉及到的所谓的可重复性的评价测试中，操作员遵循相同的程序，并进行出来反复相同的测试项目[英国标准相同的测试协会（BSI）1994年a]。原因之一的测试结果的可变性是人类自然的变量，即使相同的项目是由按照相同的步骤相同的人进行测试。为了评估TDR测试的可重复性，实乃是进行，其中运营商进行TDR测试并确定行程时间数倍（10倍于本研究中），以下相同的过程。结果总结在表1中。结果总结在表1中。解释的结果的可变性是由变异（COV）表示。重复数次演练得到运营商，和COV的18值。结果是然后针对统计异常值，这是在样品中点测试从点的主要群集的样本中广泛分离，使用一些标准的统计测试，如格拉布的测试（BSI1994年b）。在这项研究中，试验通过运营商C对土钉进行数字6被分类为统计异常值并从排除随后的分析。重复性COV被建模为随机变量，并将其平均值和标准偏差被发现分别为0.9和0.43％。此外，该数据集被注意以适合正态分布。假定概率的有效性模型由标准的统计测试，如检查柯尔莫哥洛夫 - 斯米尔诺夫拟合优度拟合检验并且不在5％的显着性水平被拒绝。如果正态分布模型被采用，有95％的置信水平，该重复性COV将不超过1.6％。严格地说，这不确定性也包括在测试仪的内置的错误，如先前所述。

表1 单算一个TDR测试的不确定性

（二）不确定度测试结果的变异性由不同的运营商执行的通常比进行更大由一个操作员。测试结果的变异性是相关在其中不同的运营商按照一个测试的再现性相同的方法，进行了同样的试验在相同的测试项目（BSI 1994年a）。类似于用于单操作者的不确定性，一在演习中进行了多次操作执行TDR测试，并确定了反射遵循相同点程序。这项工作涉及四家运营商进行测量49土钉。该结果总结于表2中。重复性COV是的平均值和标准偏差结果分别为2.2和1.5％。数据集被观察到的符合正态分布，而柯尔莫哥洛夫 - 斯米尔诺夫-为假定正常分布拟合检验是不是在被拒绝5％的显着性水平。如果一个正态分布模型，存在是95％置信水平的再现性COV不会超过4.7％。通过假定的可变性测量在校准土钉脉冲的传播时间，TC，是一样的测试中的土钉，TM，方差的指甲独立系数在TDR-推断长度可以从公式确定，变成6.6％。图5. TDR测试的不确定性的来源

土钉依赖的不确定性的不确定性与导线类型线式的对介电常数的影响，并且因此，该解释脉冲行程时间或脉冲的传播速度，有被确定沿着一个1

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