锚杆质量检测一、概述 锚杆锚固技术可以合理地调动围岩的自身强度和自稳能力, 具有施工简便, 成本低廉, 安全迅速等显著优点, 引起矿业和 岩土工程界的广泛关注, 并且十分迅速地得到大范围的推广应 用。锚杆和地下连续墙作为高层建筑的支护结构,其优点是整体 性和防渗性好,对周围环境影响不大,对地层条件适应性强等, 因而在我国得到了广泛的应用。目前,对于软土内的锚杆已有相 应的规范可遵循,对于锚杆锚固质量的两个主要指标是锚固力和 锚固状态。锚固力是指锚杆锚固部分与岩体的结合力,锚固力愈 大锚杆作用愈可靠,锚固效果愈好,其大小用拉拔试验测试,同 一根锚杆测得的最大抗拉拔力即锚固力。锚固状态是指锚杆施工 后的锚固段长度、自由段长度、密实度和施工缺陷等,其中由于 材料、施工、地质条件等因素的影响,锚固结构系统在施工和使 用过程中必然存在许多缺陷,对于锚杆锚固系统,主要缺陷有: 1)筋材本身缺陷,如材质不均匀,存在裂缝、孔洞,杆体锈蚀等; 2)胶结体缺陷,如砂浆密实度不够,内部有孔洞、裂隙、“蜂窝” 等;3)胶结体与筋材、围岩的粘结不好。另外,还包括地质界面、 软弱地层对锚固质量的影响。所以,锚杆的质量检测对评价锚固 质量是必不可少的。 岩土工程、土木工程中的锚杆锚固, 是在围岩表面按一定距 离、方向和深度钻孔, 将锚杆填放在钻孔中然后灌浆固定的一种 支护技术。锚杆对围岩起到联结、组合和加固的作用, 它能充分 发挥岩土的能量, 调用和提高岩土的自身强度和自稳能力, 大减轻结构自重,节约工程材料, 并确保施工安全与工程稳定, 具有显著的经济效益和社会效益, 因而世界各国都大力发展岩 土工程锚杆锚固技术 可能会使整座建筑物倒塌,造成巨大的经济损失。如四川 宜宾悬索桥的垮塌正是由于锚索的失效而导致的灾难性后果。为 了避免工程事故发生, 延长锚固结构的使用寿命, 提高结构的 可靠性、安全性, 需要采用性能优异、准确可靠、方便实用、无 损的锚杆锚固质量检测技术来实现。因此, 在锚杆支护的锚固工 对锚杆锚固质量的无损检测研究成为一项十分必要和迫切的任务。 二、研究现状 锚杆锚固质量的声波检测技术的理论问题,可归结为不同边 界条件下柱坐标下的波动方程的求解。原理上讲, 在锚杆顶端所 接收到的反射信号是施于锚杆顶端的瞬态激振力、锚杆围岩系统 自身的振动特性以及传感器特性等因素的综合反映。但在众多因 锚杆围岩系统自身的振动特性是判断锚杆锚固质量优劣的决定性因素。因此, 从理论上研究锚杆锚固系统在各种激振力 作用下的振动特性是很重要的。此外, 在运用信号处理手段分析 和确定那些突变点或特征点与锚固质量的对应关系时, 无论采 用什么手段, 都必须以正确的锚杆体系的理论正演计算为基础。 由此可见, 对锚杆锚固体系进行理论正演研究, 对锚杆锚固质 量的弹性波检测法的信号测试、处理和解释等有着重要的指导意 义。但是, 由于问题的复杂性, 锚杆锚固质量弹性波检测技术的 理论研究工作目前进展不大。现行的理论研究工作基本上都是借 小应变动力测桩技术0的理论:将锚杆视作一维弹性杆状体 建立数学模型, 考虑到激振力产生的纵波波长比锚杆半径大得 因而忽略系统的横向位移,通过求解包含激振震源作用在 内的纵向一维波动方程的 2.1 国外研究现状 国外对锚杆锚固质量无损检测的研究工作最早始于1987 瑞典提出用超声波能量损耗的原理来检测锚杆锚固质量,并于 1990 年推出了锚杆质量检测仪。但该检测方法存在检测时要求 激发条件非常苛刻、不显示原始检测数据、工作速度极慢等缺点, 一般对4~5 长的土层锚杆检测效果较好,但检测结果也只能 推断锚杆的相对抗拔力, 不能对锚杆锚固质量的完整性进行评 价。欧美大地仪器公司推出了锚杆注浆饱满度仪, 将锚杆质量分 个级别估计的锚杆性能最佳的为A级,性能有所降低的为B 性能很差或失效的为D级。这一分级标 准由用户根据其各自不同的锚杆类型加以确定。锚杆注浆饱满度 仪已被广泛地应用于各种领域。瑞典国家电力局将其用于水电站 和水工隧洞, Stock holm 城市交通局则用于地铁隧道, LKAB 和Boliden 矿业公司, 以及瑞典和挪威的公路管理部门也使用 这种仪器。锚杆注浆饱满度仪探头内有一个压电式传感器,它向 锚杆发送纵波和横波。这些波沿着锚杆传播, 波速取决于锚杆周 在那里被反射回探头)的灌浆情况。这时, 探头作为 接受器来检测反射波, 并由电子装置对反射波进行分析。对信号 进行处理和分析,确定锚杆长度以及岩石和灌浆的整体状况, 量结果都显示在仪器面板上。1988 提出用超声波检测砂浆锚杆锚固质量的方法, 并试制了Bultmer 检测仪。但该方法主要存在 两个问题: 一是采用超声波衰减严重, 只能对短锚杆、锚固介质 单一的锚杆使用; 二是对锚杆端头要求苛刻, 即在现场要对锚 杆端头重新机械加工, 打磨平整压电晶体才能将超声波发射祸 合进入杆体。M. 利用导向超声波对锚杆进行检测, 通过对信号相速率、能量速率、衰减系数的频散曲线进行 分析, 并综合考虑围岩岩石模量、环氧层模量及厚度、锚固质量 等因素对测试结果的影响, 得到了在高频和低频时最为理想的 超声波激振频率,且研制了专门的激振传感器。在低频时, 用40kHz脉冲进行检测; 在高频时, MHz是一个比较理想的激 振频率。但在实际中, 采用高频和低频相结合的方法通常只能对 以内的锚杆进行检测。2.2、国内研究现状 进行了锚杆检测仪的研制,并于1996 出了MT-1型锚杆检测仪, 提出了用振幅值比即能量衰减系数来 衡量锚杆的锚固质量。但该仪器不能测定锚杆的工作荷载和极限 承载力, 没有弄清锚杆的底端反射显现规律, 同时由于信号采 样率较低、操作安装困难、成本较高等原因, 该锚杆检测仪未能 在我国推广使用。另外, 汪明武等通过模型试验, 分析了声频应 力波在锚固体系中的反射相位特征和能量衰减变化规律, 探讨 了测定锚固力的无损拉拔试验, 并将成果应用到实际工程中。夏 代林等提出将声波在锚固系统中的能量特征与相位特征相结合 的方法来综合评价锚杆锚固质量, 其依据是锚固系统中锚固缺 陷存在时, 声波在缺陷处不仅有能量变化, 而且有相位突变。 李义等利用应力波反射法, 通过分段截取找出了锚杆底端 反射的显现与否与锚杆自由段长度、波长之间的定量关系, 不仅 在理论上而且通过实验室模拟试验验证了锚固段内波速会发生 变化, 提出了固结波速的概念, 并且验证了其速度范围介于锚 杆杆体波速和锚固介质波速之间。 10]将岩石声波测试技术应用到锚杆的无损检测中, 通过测定锚杆的振动响应来估计和判断锚杆的锚固质量, 从而 将小波分析和神经网络等信号分析技术应用到了较复杂检测信 号的分析中。 三、拉拔试验 3.1试验目的: 锚杆拉拔力试验的目的是判定巷道围岩的可锚性,评价锚 杆、树脂、围岩锚固系统的性能和锚杆的锚固力。试验必须在现 场进行,使用的材料和设备与巷道正常支护相同。 3.2实验原理 锚杆拉拔试验属于传统的锚杆锚固质量静力法检测。进行拉 拔试验时,将液压千斤顶放在托板和螺母之间,拧紧螺母,施加 一定的预应力,然后用手动液压泵加压,同时记录液压表和位移 计上的对应读数。当压力或者位移读数达到预定值时,或者当压 力计读数下降而位移计读数迅速增大时,停止加压。测试后,可 整理出锚杆的荷载一位移曲线,进而分析得出锚杆的锚固质量。 根据试验目的不同可将锚杆拉拔试验分为基本试验、验收试验和 蠕变试验。基本试验的目的是为了确定锚杆的极限承载力,掌握 锚杆抗破坏的安全程度,以便在正式使用锚杆前调整锚杆机构参 数或改进锚杆的制作工艺。验收试验旨在确定锚杆是否具备足够 的承载力、自由段程度是否满足要求、锚杆蠕变在规定范围内是 否稳定。对于塑性指数大于17的软土层和蠕变明显的岩体中的锚 杆应进行蠕变试验,以观察锚杆在一定荷载下随时间的蠕变特 3.3实验检测仪器和设备锚杆测力计是进行拉拔试验和对锚杆施加预应力的主要工具,由 于锚杆的锚固力不大,一般可使用锚杆测力计对锚杆施加预应 力。按实测仪器工作原理不同,可将锚杆测力计区分为机械式、 液压式、电子式、光弹式和振弦式等。其中,机械式锚杆测力计 由钢衬垫或钢弹簧的弹性变形来量测锚杆轴向力大小,尽管它的 量测范围较小,但十分坚固耐用。液压式锚杆测力计具有体积小、 重量轻、容易制造等优点,特别是压力值可由压力表直接读出, 也可将油压转变为电信号输出。光弹式锚杆测力计具有精度高、 使用方便、价格低廉等优点,而且不易受外部环境干扰。振弦式 锚杆测力计的主要优点是测量精度高、稳定性好,特别适用于地 下工程的恶劣环境。目前国内常用的锚杆测力计主要有ML型锚杆 拉力计、ZY型系列锚杆拉力计。 一般可使用单千斤顶加载法或双千斤顶加载法施加荷载。单 千斤顶加载法使用一个张拉千斤顶和油泵在锚杆外端施加拉力。 双千斤顶加载法采用两个液压千斤顶作为支点,其上架设钢梁, 锚杆通过螺帽和钢板固定在钢梁上构成加载系统施加拉力。当试 验锚杆位于斜坡上或坑壁上时,加载系统下一般应搭设支架。露 出钻孔外端的锚杆至少用两个百分表(左右各一个)或挠度计量 测在各个不同拉力下的锚杆位移量。双千斤顶加载装置的布置如 3.4试验规定1、任何一种新型锚杆或已有锚杆用于未曾应用过的土层 时,必须进行基本试验; 2、最大试验荷载(Qmax)不应超过钢丝、钢绞线、钢筋强 度标准值(Af plk )的0.8倍; 3、一般植筋72小时后,可采用拉力计(千斤顶)对所植钢 筋进行拉拔试验加载方式见右图。为减少千斤顶对锚筋附近混凝 土的约束,下用槽钢或支架架空,支点距离max(3d,60mm)。 然后匀速加载23分钟(或采用分级加载),直至破坏。破坏模 式分为钢筋破坏(钢筋拉断)、胶筋截面破坏(钢筋沿结构胶、 钢筋界面拔出)、混合破坏(上部混凝土锥体破坏,下部沿结构 胶、混凝土界面拔出)3种,结构构件植筋,破坏模式宜控制为 钢筋拉断。 4、当做非破坏性检验时,最大加载值可取为0.95Asfyk。 5、锚杆基本试验加荷等级与测读锚头位移应遵守下列规定: .采用循环加荷,初始荷载宜取Af plk plk的1/10~1/15; .岩层、砂质土、硬粘土中锚杆加荷等级与观测时间见表1; .在每级加荷等级观测时间内,测读锚头位移不应少于3次; .在每级加荷等级观测时间内,锚头位移增量不大于0.1mm 时,可施加下一级荷载,否则要延长观测时间,直至锚头位移增 量2.0h小于2.0mm时,再施加下一级荷载。 4、抽检数量可按每种钢筋植筋数量的0.1%确定,但不应少于3 10加荷增量 1020 30 40 30 20 10 1030 40 50 40 30 10 1030 50 60 50 30 10 1030 50 70 50 30 10 1030 60 80 60 30 10 观测时间/min 5、锚栓拉拔试验可选用以下两种加荷制度:连续加载:以 匀速加载至设定荷载或锚固破坏,总加荷时间为2min~3min。 分级加载:以预计极限荷载的10%为一级,逐渐加荷,每级 荷载保持1min~2min,至设定荷载或锚固破坏。 6、需要注意的问题 (1)应注意反力支点位置的确定。支点位置的确定是一个重要 的问题,因为支点位置过小有可能影响锚杆周围的应力场,从而 得出不真实的锚杆抗拔力;而支点位置过大则给试验造成困难。 遗憾的是规范中对此并未做出明确的规定。在现场实测工作中可 以考虑以相邻锚杆间距的2倍作为反力梁两个支点的中心距离。 (2)在实际工程中,锚杆总是以群锚的形式工作的。只是在 比较苛刻的条件下才能以单锚承载力的简单集合来衡量群锚的 承载力。而在检测工作中能做到的只是对单锚承载力的评判。如 何由单锚承载力换算得到实际需要的群锚承载力,或者由单锚的 检测结果推论锚固工程的合格性,这已经不是单由检测工作就能 确定的任务了。在这一点上,锚杆检测与桩基检测是类似的,然 而问题要更突出。 四、锚杆锚固质量无损检测技术 4.1声波反射法 声波反射法检测锚杆长度的理论依据是波在杆中传播的运 动学特性;检测砂浆饱和度的理论依据是波在杆中传播的动力学 特性。具体做法是在锚杆顶端施加一瞬态激振力,由布设在锚杆 顶端的一个传感器接收反射信号,通过对所接收的反射信号进行 时域、频域分析,以获得锚杆的有效锚固长度、砂浆饱和度、工 作荷载、极限承载能力等参数,并据此对锚杆的锚固质量进行评