锚杆锚固质量检测方法及应用_曹宇

第5卷第6期2008年12月　CHINESEJOURNALOFENGINEERINGGEOPHYSICSVol15,No16Dec1,2008文章编号:1672—7940(2008)06—0751—05

锚杆锚固质量检测方法及应用曹　宇1,张廷毅2(1.郑州市建设工程质量检测有限公司,郑州450052;2.黄河水利科学研究院,郑州450003)

作者简介:曹　宇(1976-),男,助理工程师,主要从事工程结构质量检测工作。E-mail:ztyyzl357@yahoo.com.cn摘　要:对锚杆锚固质量的检测一直为工程界所关注,本文比较了拉拔试验与声波反射检测锚杆锚固质量的方法,介绍了两种方法的基本原理以及相关的技术规定。鉴于拉拔试验方法上的不足,详细阐明了声波检测方法及其基本原理,并列举了应用于某高速公路隧道工程检测锚杆锚固质量检测的例子。关键词:锚杆锚固质量;拉拔试验;声波反射法中图分类号:P631文献标识码:A收稿日期:2008-07-30DetectionofBoltBondingQualityandItsApplicationCaoYu1,ZhangTingyi2(1.ZhengzhouConstructionEngineeringQualityTestingLtd.Company,Zhengzhou450052,China;2.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,Zhengzhou450003,China)Abstract:Detectionofboltbondingqualityispaidattentiontoinengineeringfield.Inthispaper,thecomparisonofthemethodsbetweenacousticreflectionandpull-offtestismade,andfundamentalprincipleandrelatedtechnicalstipulationofthesemethodsarein2troduced.Inviewofthelimitationsofthepull-offtestmethod,fundamentalprincipleandmethodforacousticreflectionarediscussedindetail,andanexamplethathasbeenusedinthetunnelconstructionofanexpresswayisgiven.Keywords:boltbondingquality;pull-offtest;acousticreflectivemethod1　引　言锚杆加固技术在地下工程、隧道施工及岩石边坡支护中得到广泛的应用,是一种重要的加固手段。它是一种结构简单的主动支护,能最大限度地保持围岩的完整性、稳定性,能有效地控制围岩变形、位移和裂缝的发展,充分发挥围岩自身的支撑作用,把围岩从荷载变为承载体,变被动支护为主动支护,且具有运输施工方便、效率高,有利于加快施工进度,且施工成本低、支护效果好、施工噪音小等优点[1]。欧洲国家较早采用了锚杆加固技术,1872年,英国最早采用锚杆加固北部威尔士露天页岩矿;1912年,德国最先在井下巷道采用该技术。我国的锚杆加固技术起步20世纪50年代中期,至今已有超过半个世纪的应用历史,该技术在我国的采矿、水利水电、铁路公路、军工及建筑等生产实践活动中收到了显著的经济效益和社会效益。随着锚杆锚固技术的广泛应用,锚杆锚固质量的优劣对工程及生产的安全影响引起工程技术人员的极大关注,迄今为止,对锚杆锚固质量检测方法的研究也取得了一定进展,

积累了宝贵的经验,探索出了常用的检测手段。同时,随着科技的进步,各种新技术、新方法不断地被应用到锚杆锚固质量的检测中来,这些技术和方法必将进一步促进锚杆锚固技术的应用。本文介绍了传统的锚杆锚固质量检测技术(拉拔试验)和无损检测技术(声波反射法),并给出了声波反射法应用的工程实例。2　锚杆承载力测试———拉拔试验　拉拔试验原理与分类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性。　拉拔试验基本规定为保证锚杆拉拔试验的有效性,试验须满足基本的规定才可以进行,这些规定主要有:1)锚杆锚固段浆体强度达到15MPa或达到设计强度等级的75%时可进行锚杆试验;2)加载装置(千斤顶、油泵)的额定压力必须大于试验压力,且试验前应进行标定;3)加荷反力装置的承载力和刚度应满足最大试验荷载要求;4)计量仪表(测力计、位移计)等应满足测试要求的精度;5)基本试验和蠕变试验锚杆数量不应少于3根,且试验锚杆材料尺寸及施工工艺应与工程锚杆相同;6)验收试验锚杆的数量应取锚杆总数的5%,且不得少于3根。这些规定仅是进行锚杆拉拔试验具有共性的基本要求,就基本试验、验收试验和蠕变试验而言,依据试验目的不同,又有其特殊的规定。比如对基本试验,试验最大的试验荷载不宜超过锚杆杆体承载力标准值的0.9倍;试验的加载方式有专门的规定(表1);锚杆破坏的判定也有确定的标准;锚杆弹性变形不应小于自由段长度变形计算值的80%,且不应大于自由段长度与1/2锚固段长度之和的弹性变形计算值;锚杆极限承载力取破坏荷载的前一级荷载,在最大试验荷载下未达到规定的破坏标准时,锚杆极限承载力取最大荷载。进行拉拔试验时必须严格按照这些规定进行,否则试验结果的有效性将大大降低。　锚杆锚固质量检测仪器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,可将锚杆测力计表1　锚杆基本试验循环加卸荷等级与位移观测间隔时间Table1　Timeintervalforobserveddisplacementandgradeforcyclicloadingandunloadingoffundamentalbolttest循环数加载量/预估破坏荷载%第一循环103010第二循环1030503010第三循环10305070503010第四循环103050708070503010第五循环103050809080503010第六循环1030509010090503010观测时间/min5555105555注: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;②在每级加荷等级观测时间内,锚头位移小于0.1mm时,可施加下一级荷载,否则应延长观测时间,直至锚头位移增量在2h内小于2.0mm时,方可施加下一级荷载。257 工程地球物理学报(ChineseJournalofEngineeringGeophysics) 第5卷　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。3　锚固质量无损检测———声波反射法 传统的锚杆锚固质量检测方法主要检测锚杆的抗拔力。这种方法虽然直观,但存在很大的局限性。首先,此方法是一种破坏性检测;第二,抗拔力不能完全反映锚杆的锚固质量状况;第三,钢筋沿杆长的应力分布也是不均匀的;第四,锚杆的水泥砂浆(或锚固剂)对钢筋的包裹情况无法检测;第五,锚杆拉拔试验无法检测出锚杆的长度[2]。有鉴于此,锚杆锚固质量检测的无损检测技术得到了发展应用,如有的文献介绍了BP神经网络应用于锚杆锚固质量检测,阐述了BP神经网络的基本原理和算法,并对其在某水库的应用进行研究[3];有的文献介绍了锚杆无损检测技术的试验研究和理论分析成果及这一技术在水布垭工程中的应用情况[4];有的文献对锚杆锚固质量无损检测中的几个关键问题进行较为深入的探讨研究,如通过逐渐改变锚杆自由段和锚固段相对长度的方法,研究底端反射的变化规律[5];有的文献介绍了锚杆锚固质量无损检测数据的分析与处理的方法与原则[6];有的文献比较全面地介绍了锚杆质量的无损检测技术[7];有的文献介绍了全长锚杆的无损检测技术[8]。总之,这一领域研究工作取得了一定的成果,积累了一定的工程技术经验,为今后该技术的进一步应用打下了基础。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价[9]。　锚杆锚固质量无损检测原理3.1.1　杆长检测原理在由锚杆、粘结剂、围岩三者组成的锚固体系中,锚杆与粘结剂形成复合杆件。由于锚杆波阻抗与围岩的波阻抗有所差异,杆底存在波阻抗界面,杆端激发的应力波到达杆底后将产生反射,杆底反射应力波将被安装在杆端的传感器所接收,通过分析计算杆底反射波信号,可以检测锚杆的长度。同样,杆中缺陷反射波信号也如此。根据应力波反射原理,锚杆长度L或缺陷长度l计算公式如下:1)时域计算公式L=C×ΔT/2(1)l=C×Δt/2(2)2)频域计算公式L=C/2Δf(3)l=C/2Δfi(4)式中:C为锚杆中的波速(m/s),与锚杆材质、直径以及粘结剂、孔径等有关;Δt为杆中缺陷反射波到达时间(ms);ΔT为杆底反射波到达时间(s);Δfi为杆中缺陷反射波相邻两阶频差(Hz);f为杆底反射波相邻两阶频差(Hz)。需要说明的是,这两个公式的选用与检测设备的特点以及具体的现场情况有关,一般地,当杆底反射信号较清晰时,采用这两个公式都是合适的。3.1.2　注浆密实度检测原理若杆中存在注浆不密实段,则复合杆件的截面积及波阻抗发生变化,在波阻抗差异界面将产生反射应力波,杆中反射应力波的相对能量强度与注浆密实度差异程度有关;一般密实度越差,反射波的能量越强,衰减越慢;不密实区段越多,则波阻抗界面越多,反射应力波越多。根据上述分析,建立锚杆端头的反射应力波能量、能流与锚杆的注浆密实度之间某种联系成为可能。当锚杆端头被激发应力波后,锚杆端头的应力波动能E为:E=12∫T0dmv2(t)dt(5)其中反射波能量Es为:ES=12∫T0dmv2dt-E0(6)357　第6期 曹宇等:锚杆锚固质量检测方法及应用式中:T为波动周期;dm为单位质量;v为锚杆端头质点振动速度;t为振动时间;E0为杆端入射波能量。如果已知复合杆件中声速C,把公式l=1/2tC代入式(6),则可以把式(6)变换如下:Es=12∫L0dmv2(l)dl-E0(7)式中符号意义同前。把反射波能量与入射波能量的比值作为锚杆的应力波能量反射率:η=ES/E0(8)通过锚杆应力波能量反射率与锚杆注浆密实度之间的关系即可确定出注浆密实度,两者关系的确定也是研究的热点问题。杆长检测原理和注浆密实度检测原理是应用声波反射法检验锚杆锚固质量的理论依据,基于此,可以获知锚固体系的基本情况,确定锚固质量的优劣。　声波反射法应用的基本规定1)锚杆声波反射法检测理论模型为一维弹性杆件,依据一维弹性杆件应力波的传播规律,杆体与周围介质的波阻抗差异越大,与理论模型越接近。因此,锚杆杆体声波纵波速度宜大于围岩和粘结物的声波纵波速度。2)锚杆杆体的直径发生变化或直径较小时,检测信号较复杂,可能会影响杆体长度与密实度检测的准确性与可靠性。因此,锚杆杆体直径宜均匀,且不小于14mm。3)连接部位会产生反射波信号,容易与缺陷、杆底反射相混淆,因此,施工方应提供详细的锚杆连接资料。4)锚杆端头应外露,外露杆体应与内锚杆体呈直线,但外露段不宜过长,因为外露段过长,当环境存在振动或激振力过大时会导致杆端自振,产生干扰,影响有效信号的识别、判断及杆系反射波能量分析。如外露段长度有特殊要求,应进行相同类型的锚杆试验。5)锚杆外露端面应平整,便于激振器激振和接收传感器的安装,且保证激振信号和接收信号的质量。上述基本规定是声波反射法获得高质量检测效果的基本保证,在进行检测工作时要按照规定执行。　工程实例高速公路建设中有大量的隧道施工工程,隧道中的围岩大多数采用锚杆围岩,由于不同的施工工艺和不同的管理模式,会带来很多的质量问题,因此,必须要对锚杆进行质量检测,确保锚杆能按设计要求起重要作用。3.3.1　检测方法及仪器检测方法可有多种,最常用的是利用锚杆的螺纹钢筋外露端,在其端部安放发射装置和接收换能器,因为螺纹钢筋的介质均匀,速度一定,检测结果比较简单,且信号比较稳定,可大大提高检测结果的精度和准确性。检测仪器采用JL—(MBG)锚杆质量检测仪,该仪器由采集仪、发射震源、检波器和分析处理软件组成。发射震源产生的弹性波,沿着锚杆传播并向锚杆周围辐射能量,检波仪检测到发射回波,并由检测仪对信号进行分析和储存。3.3.2　应用高速公路隧道工程中的锚杆长度为2.5～510m,采用JL—(MBG)锚杆质量检测仪配备锚杆检测的特殊检波器和声波震源,采取在外露钢筋端部进行端发端收的观测方式。对检测锚杆的锚固质量的数据进行弹性波波动理论数据处理和分析后,根据接收到的弹性波波形特征,对锚杆的锚固质量作出分类评价,其评价标准如表2。表2　锚杆锚固质量弹性波检测分类评价Table2　Theclassificationandassessmentofelasticwavedetectionforboltbondingquality锚固质量分类波形特征锚固状态优波形规则,只有较微弱的底部反射波或没有底部反射波密实良波形较规则,有底部反射波和局部有较弱的反射波局部欠密实合格波形欠规则,有底部反射波或局部有较强的反射波局部不密实或空浆不合格底部反射波提前(锚杆欠长),或有多处较强的反射波多处不密实或空浆457 工程地球物理学报(ChineseJournalofEngineeringGeophysics) 第5卷