锚杆灌浆饱和度无损检测现场试验研究

于 浩

岩土锚固能充分发挥岩土能量,调用和提高岩土的自身强度和自稳能力,大大减轻结构物自重,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锚固技术。目前国内外各种类型锚杆已达600余种,每年使用的锚杆量已超过10亿根。

由于在各项工程中使用锚杆加固技术面宽、量大,多为隐蔽工程,然而由于材料、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损伤。随着这些损伤的产生、积累,会使具有永久支护的岩土工程失效。而对于工程界广泛使用而未预埋测力计的锚杆,则常采用现场拉拔试验的方法测定锚杆静荷载—位移曲线来确定锚杆极限承载力,这种方法直观可靠,但对锚杆所加固的岩体会产生较强的扰动,且对锚固力大小及其在长期运行中的变化情况无法进行评价[1],此外,要测出完整的荷载—位移曲线,不仅费时长、耗资大,而且为获得准确的极限承载力需进行破坏性试验,故检测面小,仅限于个别抽查,所以迫切需要开发一种既简便经济又迅速可靠的确定锚杆施工质量、工作状态的锚固系统无损探伤理论和方法,为锚固工程质量控制和可靠性检测提供保障与手段,保证围岩加固质量及其稳定,弥补以至取代传统的锚固体系检测方法,以适应大规模工程施工的需要。

1 试验原理与方法

锚杆、砂浆和围岩三者之间浇灌均匀密实时,应力波的能量大部分透射到围岩体中,只有小部分能量反射回来,且反射信号极有规律。倘若锚杆某些部段未被砂浆有效锚固时,在砂浆中出现空穴,在空穴处将出现不同程度的波阻抗变化面,会产生若干个波阻抗差异的界面。当力锤敲击产生的应力波由锚杆端头传到某界面时,会产生一个反射子波,该子波叠加到原始信号之上,使得波形发生畸变。所以,锚固情况不同,得到的波形曲线也不同。根据反射波位置和反射信号的强弱以及波形频谱曲线情况,就可以确定锚杆锚固质量并将其分级。将一个压电加速度传感器置于锚杆外露端头,用力锤沿锚杆轴向轻轻敲击锚杆顶部,以施加一瞬态冲击载荷,杆体内将有一稳定的应力波传播,这样与传感器相连的仪器便可记录到锚杆的振动波形。

2 试验概况及结果初步分析

此次试验所检测的锚杆共15根,直径均为22 mm,空浆位置采用长300 mm的φ 50 PVC管。其中,1号～11号的11根锚杆长度为6 m,12号～15号的4根锚杆长度为9 m。每根锚杆敲击20多次,记录得到20多个波动数据,且数据的重复性较好,所以试验结果在一定程度上能够较好的反应实际情况。试验结束后,对采集信号做基本处理,如消除趋势项、滤波、每次敲击信号分段。然后,从敲击信号中取较为典型的信号段进行时域和频域分析,得到实测结果与实际施工情况的对照表(见表1)。

表1 锚杆检测对照表

从表1中可以看出,80%的锚杆锚固质量能够比较好的判断出来,只是空洞的具体个数和位置有些偏差,三个空洞的情况不容易测出。1号、2号锚杆检测出有细微的空洞,不会影响整个锚杆的锚固质量,可能是施工原因造成。12号锚杆测试偏差比较大,具体原因尚不明确。此次试验所测锚杆均为6 m～9 m的中长型全锚锚杆,再加上锚杆中的应力波本身衰减速度很快,导致试验中锚杆底端反射不明显。试验中的空洞空浆大小均为300 mm,以6 m锚杆三处空洞情况来说,其实际锚固率已达到85%以上,而9 m锚杆最小也达到90%以上,从实际工程中来说,15根锚杆锚固质量都是比较不错的,从15根锚杆的波形曲线也可以看出,波形的整体衰减规律是可以的,没有过于明显的固端反射。如果测试锚杆空洞长度比较大,即实际锚固率比较低的锚杆,试验效果可能会更好一些。

3 结语

本次试验分别对锚固质量不同、长度不同的15根锚杆进行了锚固质量的现场无损检测试验,80%的锚杆锚固质量能够比较好的判断出来,只是空洞的具体个数和位置有些偏差,进一步说明了锚杆锚固质量动测技术是一种方便易行、测试精度能满足现场技术要求的方法。锚杆锚固质量识别实际上属于结构损伤识别,而其是基于多学科交叉研究的,包括了机械工程、建筑工程、信号处理技术、材料结构和振动理论等多门学科知识。因此,研究结构的损伤识别,尤其是牵涉到岩体这种复杂的介质,把人工智能、控制理论和材料结构等多学科技术结合起来是一个发展趋势。

[1] 谢 焰.反射法检测锚固质量的应用特点及分析[J].工程 勘察,2001(1):69-71.