锚杆无损检测方法简介

锚杆无损检测 第一章绪论 岩土工程锚固技术，是以喷锚支护为主要技术措施，在岩土体的利用、整治和改造中，有效控制岩土体的稳定性，使之具有服务功能的加固技术的总称，在世界各地的岩土工程中得到了广泛的应用。 1.1岩土锚固技术的发展状况 在岩土工程中采用锚固技术，能够充分挖掘岩土能量，调用岩土的自身强度和自承能力，大大减轻结构的自重，节约工程材料，取得显著的经济效果并确保施工安全与工程稳定，因而迅速地得到大范围的推广应用。 1872，首批锚杆在英国北威尔士的一家板岩采石场中投入使用，美国于1911年开始用岩石锚杆支护矿山巷道，1918年西利西安矿山开始使用锚索支护，1934年阿尔及利亚的舍尔法坝加高工程使用预应力锚杆，1957年西德Buac;公司在深基坑中使用土层锚杆。目前，国外各类岩石锚杆己达600余种，每年的使用量达.25亿根。日本土锚的用量已比三年前增加了5倍。西德、奥地利的地下开挖工程，已把锚杆作为施工中的重要手段，无论硬土层或软土层，几乎没有不使用锚杆的。 我国岩石锚杆起始于50年代后期，当时有京西矿务局安滩煤矿、河北龙烟铁矿、湖南湘潭锰矿等单位使用楔缝式锚杆支护矿山巷道。进入60年代，我国开始在矿山巷道、铁路隧道及边坡整治工程中大量应用普通砂浆锚杆与喷射混凝土支护。1964年，梅山水库的坝基加固采用了预应力锚索。70年代，北京国际信托大厦等基坑工程采用土层锚杆维护。在全国煤矿中，1996年锚杆支护率己达29.1%。近10年来，北京王府饭店、京城大厦、上海太平洋饭店等一大批深基坑工程以及云南温湾电站边坡整治、吉林丰满电站大坝加固和上海龙华污水处理厂沉淀池抗浮工程等相继大规模地采用预应力锚杆。举世瞩目的三峡工程双线五级永久船闸的高边坡及薄衬砌墙稳定加固中，预应力锚索和全长粘结锚杆起了主要作用。 1.2锚杆检测技术的发展 锚杆锚固工程不但具有复杂性，还具有高度的隐蔽性，发现质量问题难，事故处理更难。因此锚杆检测工作是整个锚固工程中不可缺少的环节，只有提高锚杆监测工作的质量和监测评定结果的可靠性，才能真正地确保锚固工程的质量与安全。 1978年，瑞典的H.EThume;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。该方法主要有两个问题:一是采用超声波衰减严重，只能对短锚杆，而且锚固介质单一的锚杆适用;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。 上世纪80年代末，美国矿业局研制了一种顶板锚杆粘结力测定仪。它也是根据发射和接收超声波的原理来设计的。 同时，我国铁道科学院曾在仿效瑞典所用方法的基础上做了一定的改进，研制了M一7锚杆检测仪，改用能量相对一致的机械式撞击方式激振，增大了有效检测长度。 武汉创新高科技公司生产的LX一10E型锚杆检测仪，主要用于边坡工程中的锚杆锚固质量检测，并且需要和拉拔力测试的结果结合起来，进行综合分析。 汪明武等人通过模型试验，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。 焦作工学院的吕绍林教授等人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。 近年来，山西太原理工大学的李义教授等人利用应力波反射法，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要发生变化，提出固结波速的概念，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。 朱国维等人针对煤矿井下常用锚杆的类型及其锚固状况，设计制作了相似的物理模型，并且研制了一种弹射式加速度检波器，以便在锚杆端头激发并接收高频应力波。 重庆大学的许明等人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，将小波分析和神经网络等信号分析技术应用到较复杂检测信号的分析中。 英国伦敦大学的M.D.Baedr博十等人利用导向超声波来对锚杆进行检测，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，并综合考虑了围岩岩石模量、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，宜采用40kHz脉冲进行检测;在高频时，ZMHz是一个比较理想的激振频率。在实际中，采用高频和低频相结合的方法，且通常只能对3.Om以内的锚杆进行检测。 在锚杆检测技术的工程应用方而，许多单位和个人也做了大量的研究工作，如长江科学研究院岩基研究所的江人翼、中南助查设计研究院的邹钢、国家电力公司贵阳勘测设计研究院的许煌东等人，他们结合工程的实际情况，制作了大量的模型锚杆，通过模型试验，进行了大量的现场试验研究，对现有的一些检测方法进行了改进，总结出了一套在实际工程中行之有效的经验，并且提出了一些问题，为锚杆检测技术研究的迅速发展起到了巨大的推动作用。 1.3锚杆无损检测研究的发展现状及问题的提出 对锚杆荷载变化进行长期或短期观测，可采用按机械、液压、振动、电气和光弹原理制作的各种不同类型的测力计。但这些测力计一般需要预埋，受电磁场干扰大，在潮湿、温差大的条件下灵敏度大大降低，更不能适应在偏载和爆破震动、坍落岩石的冲击下长期正常工作;对于工程界广泛使用的未预埋测力计的锚杆，过去没有可靠的监测设备，其张拉荷载是靠张拉千斤顶的活塞面积和油泵压力换算的，至于锁定后锚固力大小和在长期运行中的变化情况就无法评价;现场拉拔实验通过测定锚杆静荷载一位移曲线来确定锚杆极限承载力，这种方法无疑是既直观又可靠的，但要测出完整的荷载一位移曲线，不仅要花费很长的时间和耗资相当大，而且为了获得准确的极限承载力，必须进行破坏性试验，所以检测面小，这样就难以言其代表性了。 将无损检测技术应用于锚杆、锚固质量的检测始于二十世纪八十年代，并在近年来得到了较快的发展。如80年代，瑞典曾推出超声波反射法检测砂浆锚杆的锚固状态的商品化检测仪器;90年代，美国矿业管理局开发出能检测锚杆应变和长度的超声波仪器，但它无法评价锚杆的施工质量。超声波方法的缺陷是衰减过快，对于长锚杆的检测是无能为力的，且激发条件苛刻又不能作出定量化评价。为了得到比较好的超声波信号，锚头必须磨平，故现场不适用;80年代末，国内铁科院与地矿部技术方法研究所协作研制出声波反射波检测仪并进行了技术鉴定。淮南矿业学院王鹤龄等提出了用振幅比及能量衰减系数来衡量锚杆的锚固质量;太原理工大学爆破所采用波的时域、频域分析来检测锚杆的锚固质量，提出了表征锚杆锚固质量的六个参数:有效锚固长度、幅值比、衰减系数、动刚度、基频、频率比。但由于锚杆底端反射的不确定性，检测数据的分析处理与解释方法的滞后，使得这些方法在工程实践中的应用受到了一定限制;此外，还出现机械式扭力矩测力计的方法，但其精度可靠性低且是破损性的。 郭世明1995年至1998年在大朝山水电站采用应力波法对近千根锚杆进行了质量检测。通过在测试中的对比研究，取得一定的效果，说明采用应力波法对锚杆质量进行检测是可行 的。锚杆长度检测采用应力反射波法进行测定，该方法的基本理论依据为一维杆件的弹性应力波反射理论。在锚杆顶部激发弹性应力波，当弹性应力波传播到锚杆底部时由于锚杆和锚杆底部的岩石存在波阻抗差异，将产生反射波回到锚杆顶。根据反射波的走时和锚杆中的应力波传播速度就可以确定出锚杆长度。应力波在坚硬完整的介质中传播速度大，衰减速度快，而在松散及不完整介质中应力波的传播速度小，衰减速度慢。因此可以利用应力波的这一传播特性来判断注浆饱和度情况。对于注浆饱满的，硅和岩石的藕合性好，可看成完整的介质，因此应力波的波形规则衰减快，近于指数衰减;对于注浆饱满程度差的，则硅和岩石间的藕合性差，可看成松散不完整的介质，应力波的波形杂乱，衰减慢。根据不同方向、不同部位击震的应力波衰减曲线就可以对注浆饱和度作出判断。对于锚杆注浆饱和度检测，目前该方法只能给出定性或半定量的质量评价，且主观性较大，更精确的定量判断还有待进一步的试验研究。汪明武利用声频应力波来快速普查检测锚杆锚固质量及预测锚固力的无损拉拔试验方法，研究表明，由于锚固体系广义波阻抗的变化，激发的声频应力波在波阻抗界面处发生界面效应，产生反射波和透射波，应力波能量重新分配，介质质点间内摩擦也导致能量向其他形式转化，此外，反射波的相位特征及能量衰减规律反映了锚杆的锚固状态和侧阻力分布状态，且应力波能量吸收系数与锚固段长度有如下关系:

式中:a为能量吸收系数(奈培/m)，;为应力波在锚固段中传播距离(m)，A，为应力波第i次反射的反射波振幅。检测工作的核心之一是锚固段长度的测定，工作关键是系统参数的合理设定。根据不同的。值和反射波相位特征，可得出锚杆锚固状态检测分级标准。通过现场锚杆拉拔试验可知，锚杆锚固体系的拉拔曲线在锚固体系临破坏前有明显的变化，若自动跟踪绘制拉拔曲线形态和拉拔系数的变化特征，来判断锚杆受力是否达到临界破坏，并用拉拔曲线转折前后曲线割线交点预测锚固力，可达到既测定锚杆锚固力，又不损坏锚杆锚固力。现场实测拉拔曲线可能呈现出复杂的变化规律，因为影响锚固力的因素多且复杂，锚固体系破坏方式又多样的原因。实测位移除锚固体系的弹性和塑性变形外，还有锚杆垫板的变形和压入松散岩面的位移，以及杆体与锚固介质、锚固介质对孔壁围岩的相对位移等。故无损拉拔测定的锚杆锚固力与实际锚固力及破损性拉拔测定锚固力存在差别，这是该法需完善和改进的方面。 综上所述，虽然国内外学者对锚杆无损检测方法、锚杆的使用寿命、岩土介质超声波测试技术以及应力波检测理论进行了大量工作，并且在岩土工程及地质工程中进行了多年的实践，但是，对于锚杆锚固系统的声学特性与原理、声波资料的处理技术、锚固系统健康状态的评价等等，还是尚未解决的问题，最能反映锚杆施工质量水平的灌浆密实度、应力幅度、锚杆的长期稳定性也一直缺乏必要而有效的检测方法，这就阻碍了声波测试技术在岩土工程领域的更广泛的应用。 第二章锚杆无损检测的理论基础 2.1锚杆锚固的力学基础 2.1.1锚杆的结构及分类 锚杆通常由锚头、自由锚杆段和固定锚杆段三部分组成。锚头位于锚杆的外露端，通过它最终实现对锚杆施加预应力，并将锚固力传给结构物。自由锚杆段即锚杆固定段顶端以上至结构物间的锚索部分，其上没有拉力传递至周围土层，这可通过在锚索周围安置无摩擦的套管实现。这些导管也起着防止锚杆自由段腐蚀的作用。自由锚杆长度通过考虑包括锚杆在内的地层“块”的总体稳定而确定。通常利用自由锚杆段弹性变形的特性，在锚固过程中对锚杆施加预应力。固定锚杆段即离结构物最远的锚索部分，通过该段将所承受拉力传递给周围土层。固定锚杆(锚固体)长度通常由锚杆极限锚固力、锚杆设计轴向拉力、安全系数、锚固体结构尺寸以及锚固体表面与周围岩土体间的粘结强度等因素确定。