錨桿灌漿飽和度無損檢測現場試驗研究

于 浩

巖土錨固能充分發揮巖土能量,調用和提高巖土的自身強度和自穩能力,大大減輕結構物自重,節約工程材料,并確保施工安全與工程穩定,具有顯著的經濟效益和社會效益,因而世界各國都大力發展巖土錨固技術。目前國內外各種類型錨桿已達600余種,每年使用的錨桿量已超過10億根。

由于在各項工程中使用錨桿加固技術面寬、量大,多為隱蔽工程,然而由于材料、施工、地質條件等因素的影響,錨固結構系統在施工和使用過程中必然存在許多損傷。隨著這些損傷的產生、積累,會使具有永久支護的巖土工程失效。而對于工程界廣泛使用而未預埋測力計的錨桿,則常采用現場拉拔試驗的方法測定錨桿靜荷載—位移曲線來確定錨桿極限承載力,這種方法直觀可靠,但對錨桿所加固的巖體會產生較強的擾動,且對錨固力大小及其在長期運行中的變化情況無法進行評價[1],此外,要測出完整的荷載—位移曲線,不僅費時長、耗資大,而且為獲得準確的極限承載力需進行破壞性試驗,故檢測面小,僅限于個別抽查,所以迫切需要開發一種既簡便經濟又迅速可靠的確定錨桿施工質量、工作狀態的錨固系統無損探傷理論和方法,為錨固工程質量控制和可靠性檢測提供保障與手段,保證圍巖加固質量及其穩定,彌補以至取代傳統的錨固體系檢測方法,以適應大規模工程施工的需要。

1 試驗原理與方法

錨桿、砂漿和圍巖三者之間澆灌均勻密實時,應力波的能量大部分透射到圍巖體中,只有小部分能量反射回來,且反射信號極有規律。倘若錨桿某些部段未被砂漿有效錨固時,在砂漿中出現空穴,在空穴處將出現不同程度的波阻抗變化面,會產生若干個波阻抗差異的界面。當力錘敲擊產生的應力波由錨桿端頭傳到某界面時,會產生一個反射子波,該子波疊加到原始信號之上,使得波形發生畸變。所以,錨固情況不同,得到的波形曲線也不同。根據反射波位置和反射信號的強弱以及波形頻譜曲線情況,就可以確定錨桿錨固質量并將其分級。將一個壓電加速度傳感器置于錨桿外露端頭,用力錘沿錨桿軸向輕輕敲擊錨桿頂部,以施加一瞬態沖擊載荷,桿體內將有一穩定的應力波傳播,這樣與傳感器相連的儀器便可記錄到錨桿的振動波形。

2 試驗概況及結果初步分析

此次試驗所檢測的錨桿共15根,直徑均為22 mm,空漿位置采用長300 mm的φ 50 PVC管。其中,1號～11號的11根錨桿長度為6 m,12號～15號的4根錨桿長度為9 m。每根錨桿敲擊20多次,記錄得到20多個波動數據,且數據的重復性較好,所以試驗結果在一定程度上能夠較好的反應實際情況。試驗結束后,對采集信號做基本處理,如消除趨勢項、濾波、每次敲擊信號分段。然后,從敲擊信號中取較為典型的信號段進行時域和頻域分析,得到實測結果與實際施工情況的對照表(見表1)。

表1 錨桿檢測對照表

從表1中可以看出,80%的錨桿錨固質量能夠比較好的判斷出來,只是空洞的具體個數和位置有些偏差,三個空洞的情況不容易測出。1號、2號錨桿檢測出有細微的空洞,不會影響整個錨桿的錨固質量,可能是施工原因造成。12號錨桿測試偏差比較大,具體原因尚不明確。此次試驗所測錨桿均為6 m～9 m的中長型全錨錨桿,再加上錨桿中的應力波本身衰減速度很快,導致試驗中錨桿底端反射不明顯。試驗中的空洞空漿大小均為300 mm,以6 m錨桿三處空洞情況來說,其實際錨固率已達到85%以上,而9 m錨桿最小也達到90%以上,從實際工程中來說,15根錨桿錨固質量都是比較不錯的,從15根錨桿的波形曲線也可以看出,波形的整體衰減規律是可以的,沒有過于明顯的固端反射。如果測試錨桿空洞長度比較大,即實際錨固率比較低的錨桿,試驗效果可能會更好一些。

3 結語

本次試驗分別對錨固質量不同、長度不同的15根錨桿進行了錨固質量的現場無損檢測試驗,80%的錨桿錨固質量能夠比較好的判斷出來,只是空洞的具體個數和位置有些偏差,進一步說明了錨桿錨固質量動測技術是一種方便易行、測試精度能滿足現場技術要求的方法。錨桿錨固質量識別實際上屬于結構損傷識別,而其是基于多學科交叉研究的,包括了機械工程、建筑工程、信號處理技術、材料結構和振動理論等多門學科知識。因此,研究結構的損傷識別,尤其是牽涉到巖體這種復雜的介質,把人工智能、控制理論和材料結構等多學科技術結合起來是一個發展趨勢。

[1] 謝 焰.反射法檢測錨固質量的應用特點及分析[J].工程 勘察,2001(1):69-71.