边坡预应力锚索索力检测方法比较研究

王晓琳 李东平 邓年春 覃华桥

摘 要：边坡预应力锚索索力是结构安全性的重要指标，其索力损失是造成锚索失效的关键因素，因此准确测量锚索索力具有重要意义。该文对用于边坡预应力锚索索力检测的6种方法，包括锚杆拉拔力检测法、压力传感法、弹性波检测法、光纤智能锚索法、锚索钢筋计监测法以及磁通量传感器监测法，进行了比较研究。对各类测量方法的测量原理、应用优缺点进行了分析与比对，为边坡预应力锚索索力的检测方法选择提供了参考。

关键字：预应力 锚索 索力检测 传感器

中图分类号：TU455 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（c）-0100-02

现代基础工程建设中，高边坡越来越多，同时，预应力锚固技术也逐渐成为边坡加固的一项重要手段，并在实际工程中得到大量的应用。边坡预应力锚索在施工和运营期，锚索索力不可避免的会产生损失，锚索的有效索力是关系到结构安全的关键因素之一[1]。为了确保锚索防护的结构安全，新建的边坡锚索应积极考虑增设长效的锚索索力监测系统，用以验证设计假定、监视施工质量和服役安全状态，既有的边坡锚索应考虑合适的索力检测方法，以确保边坡结构的安全、适用与耐久性[2]。目前，主要采用的锚索索力检测方法主要有锚索轴向拉拔力检测法、压力传感法、弹性波检测法、光纤智能锚索法以及磁通量传感器监测法。

1 锚索轴向拉拔力检测法

锚索轴向拉拔检测法主要依据《建筑边坡工程技术规范GB50330-2002》。该检测方法主要用来检验锚索安装质量，评估锚索的锚固能力。通常采用卧式油泵加压，常常配合穿心式千斤顶使用。再通过精密的压力表将力学量（压力或压强）转化为可见的刻度，从而换算出锚索索力值。该方法简单易行，主要可用于在施工过程中控制和调节锚索的张拉。如图1所示。

但由于压力表本身具有指针偏转过快，易偏位，高压时指针抖动比较激烈，读数时存在人为的随机误差，千斤顶标定存在误差等特点[3]。而且部分锚固情况下，最大拉拔力和锚固力之间的关系还要根据岩体—粘结剂、锚索—粘结剂的刚度关系来决定[2]。因此，它不可用于运营期的锚索索力的动态测量，也不适用于长期在线锚索索力测量。

2 压力传感法

利用压力传感器测量锚索的索力时，是将圆环形弹性材料和应变传感材料組成穿式压力传感器，将其安装在锚索的锚具和索孔垫板之间。锚索在张力的作用下使弹性材料受到锚具和索孔垫板之间的压力作用，并发生形变。通过应变传感材料将弹性材料的形变转换成可测量的电信号或光信号，再通过仪表二次处理，测量得到索力。根据弹性材料可以分别与不同敏感元件组合的特点，压力传感器的特性主要由敏感元件所决定。测量承压环应变的传感器主要有电阻应变片式、振弦应变式、光纤光栅应变式、液压传感法等4种。结构如图2所示。

压力传感器主要存在的问题为零点漂移对测量精度的影响。导致零点漂移的主要因素有弹性体的应力释放不完全、材料徐变，此外还和外界磁场，结构振动频率，环境温度等诸多因素。由于传感器与受力结构为串接的安装方式，一旦传感器损坏很难修复和更换。而且大吨位传感器的制造、标定难度大、成本高。基于其性能特点该类传感器在实验室和施工监控阶段的锚索索力监测中应用较多，在长效锚索索力监测中较少使用。

3 等效质量法

等效质量法为频率法索力监测方法的延伸。埋入式锚索与空悬锚索的边界条件有很大的不同，而且埋入式锚索无法对外部锚索激发自由振动，只能通过对锚头或者露出锚索激励。为此，将锚头与垫板、垫板与后面的混凝土或岩体的接触面模型化成如下的弹簧支撑体系。

该弹簧体系的刚性K与张力（有效预应力）成正比关系。另外，在锚头激振诱发的系统基础自振频率f 可以简化表示为：

f= （1）

在上式中，如果M为一常量，那么根据测试的基频f即可较容易的测出张拉力。然而，通过实验发现，埋入式锚索在锚头激振时，其诱发的振动体系并非固定不变，而是会随着锚固力的变化而变化。锚固力越大，参与自由振动的质量也就越大。基本原理：利用激振锤（力锤）敲击锚头，并通过粘贴在锚头上的传感器拾取锚头的振动响应，从而能够快速、简单地测试锚索的现有张力。如图3所示。

在等效质量法使用中，激振是影响其测试精度的重要因素。激振锤的尺寸、激振能量大小、锚索索力的高低、在锚头上的激振位置等因素都会影响到实际的测量精度。此方法安装简单实用，但受众多干扰因素影响测量精度不高，在实际工程中较少使用。[5]

4 光纤光栅传感器智能锚索

光纤光栅智能钢绞线是用FRP-OFBG筋替换普通钢绞线的中丝得到。全部采用该种钢绞线或与其它普通钢绞线混用，组成智能钢绞线锚索，利用等变形原理，可实现监测。用FRP-OFBG筋替换7丝钢绞线的中丝得到的智能钢绞线，见图4所示，图5是替换中丝后的光纤光栅智能钢绞线横断面图。为了保证FRP-OFBG筋与钢丝的粘结效果，保持同步变形，在智能筋的表面可增加喷涂环氧树脂等粘结剂。智能锚索布设图如图6所示。[4]

智能锚索法有着耐腐蚀、传感精度高、抗干扰因素强等优点，但是其光纤光栅传感器元件自身很脆弱，在封装过程中极易损坏，另外光纤光栅智能锚索在通长范围内的温度补偿，暂缺乏有效的方法，用量相对较少。

5 振弦钢筋计监测法

振弦式钢筋计安装于锚索上，钢筋受力产生的变形将引起焊接于钢筋上的仪器内钢弦变形，使钢弦发生应力变化，从而改变钢弦的振动频率。测量时利用电磁线圈激拨钢弦并量测其振动频率，频率信号经电缆传输至频率读数装置或数据采集系统，再经换算即可得到钢筋的应力变化量。同时由钢筋计中的热敏电阻可同步测出埋设点的温度值。[7] 具体结构如下图7所示。

钢筋计主要由振弦式感应部件、热敏电阻、钢套、连接杆、电缆及密封组件等组成，钢筋计的感应部件为一振弦式应变计。其最常见的几种安装方式就是对焊、熔槽焊、绑条焊、螺纹连接等，其缺点就是对焊接工艺要求较高，焊接的质量直接影响到测量精度。而且焊接过程中温度较高容易损坏仪器。且对锚杆本身结构有影响。

6 磁通量传感器测量法

当铁磁性材料受到外力作用时，其内部产生机械应力或应变，相应地磁导率发生改变，通过测定磁导率变化来反映应力变化，依据此原理制成磁通量传感器。

在某一温度下，铁磁材料内应力与磁导率变化为一线性关系，利用铁磁材料的磁导率-应力关系曲线，可以直接测量出铁磁材料内力。磁通量传感器就是利用上述原理制成的，其结构简图如图8所示，它由激励和测量两层线圈组成。当在激磁线圈通入脉冲电流时，铁磁材料被磁化，会在钢芯试件纵向产生脉冲磁场。由于相互感应，在测量线圈中产生感应电压，感应电压同施加的磁通量成正比关系。对任一种铁磁材料， 在试验室进行几组应力、温度下的试验，建立磁导率变化与结构应力、温度的关系后，即可用来测定用该种材料制造的构件的内力。[8]

磁通量传感器监测法具有结实耐用的特点，且是一种无损、非接触测量方法，内置温度传感器，可自补偿温度对测量精度的影响，能有效地用于预应力锚索的长期检测。

7 结语

通过对锚索索力检测的以上6种方法的分析，锚索轴向拉拔力检测法简单直观，但需要足够的安装空间和平台，测量精度較低。压力传感法短期测量精度较高，长期受弹性体材料徐变影响及敏感元件零漂等影响，测量精度会大大下降。弹性波检测法为一种使用简单的检测手段，但受众多干扰因素影响测量精度不高，在实际工程中较少使用。智能锚索法有着耐腐蚀、传感精度高、抗干扰因素强等优点，但是其脆弱性，以及温度补偿方法的局限性，阻碍了这项技术在工程中的广泛应用。锚索钢筋计监测法安装复杂，而且对锚索本身结构有损坏。测量精度随着时间的推移，受材料徐变的影响，会逐渐减低。磁通量传感器测量法具有精度高、耐久性好、寿命长等优点，且是一种无损、非接触测量方法，能有效地用于边坡锚索的全寿命周期的长效监测，有着良好的应用前景。

参考文献

[1] 张永安，李峰.边坡锚索预应力长期监测成果分析[J].工程勘察，2010，38（3）.

[2] 欧进萍，关新春.土木工程智能结构体系的研究与发展[J].地震工程与工程振动，1999（2）：21-28.

[3] 姜建山，唐德东，周建庭.桥梁索力测量方法与发展趋势[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2008，27（3）：379-382.

[4] 汤雷，高加胜.锚杆拉拔试验的意义[J].矿山压力与顶板管理，1996（2）：68-70.

[5] 田北平，吴佳晔，季文洪，等.预应力锚杆张力无损检测方法初探[J].四川建筑科学研究，2010，36（3）：73-76.

[6] 邓年春，欧进萍，周智，等.一种新型平行钢丝智能拉索[J].公路交通科技，2007，24（3）：82-85.

[7] 李楠.钢筋计在大坝监测中的应用[J].实验技术与管理，2003，20（1）：10-12.

[8] 邓年春，龙跃，孙利民，等.磁通量传感器及其在桥梁工程中的应用[J].预应力技术，2008（2）：17-20.