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1、 升拓技术边坡锚杆检测 升拓资料库X岩锚检测01 走进升拓 感受未来 sensing the future 浅析边坡锚杆检测（四川升拓检测技术有限责任公司，四川 成都 610045） 摘要：伴随铁路、公路工程的飞速发展，加固高边坡、大型滑坡治理及在铁路路基的高边城防护工程，应用预应力锚杆加固成为此类工程常用技术。涉及到锚杆检测的内容主要有：锚杆长度检测、锚杆灌浆密实度检测以及锚杆张力检测等。 关键词：锚杆长度检测，锚杆灌浆密实度检测，锚杆张力检测伴随铁路、公路工程的飞速发展，加固高边坡、大型滑坡治理及在铁路路基的高边城防护工程，应用预应力锚杆加固成为此类工程常用技术。涉及到锚杆检测的内容主要有
2、：锚杆长度检测、锚杆灌浆密实度检测以及锚杆张力检测等。在隧道、边坡的建设中，岩锚索、锚杆得到了大量的应用，岩土锚固技术几乎遍及土木工程的各个领域,如边坡、基坑、隧道、坝体、码头、船闸、桥梁等。它是利用锚杆周围地层岩土的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖面的自身稳定,由于锚杆、锚索的使用,使锚固地层产生压应力区并对加固地层起到加筋作用可以增强地层的强度,改善地层的力学性能可以使结构与地层连锁在一起,形成一种共同工作的复合体,使其能有效地承受拉力和剪力,并能提高潜在滑移面上的抗剪强度,有效地阻止坡体位移。显而易见其质量保证是非常重要的。但是，由于岩体的风化、地下水的影响，锚索、锚杆不可避免出
3、现会各种老化、劣化现象（如预应力松弛等）。另一方面，由于其属于隐蔽工程，如果施工质量得不到很好的保证，如张力不足、灌浆不密实，甚至长度不够时，会严重降低边坡的稳定性，从而造成社会经济的重大损失。我们历时多年，与国内外相关机构合作开发了一整套针对岩锚质量的解决方案和技术体系。该方案基于无损检测技术，具有测试效率高、可靠性好、对岩锚无损伤等特点，可以大大地提高岩锚施工的质量保证度。该技术体系的检测内容主要包括：1) 锚杆（全长粘结型）灌浆密实度2) 锚杆及锚索长度3) 锚固应力（张力）。整个技术体系采用冲击弹性波作为测试媒介，并集成到一套测试设备中（岩锚多功能检测仪，SRB-MATS）。其测试精度
4、和效率达到工程要求，已在国内外众多工程中得到了实际应用。我们具有相关技术的全部知识产权，并申请和获得了多项国家发明专利，产品出口到日本等海外。照片1-1岩锚多功能检测仪（SRB-MATS）S型 一、锚杆长度测试在锚杆中间的某处的灌浆出现根据不密实现象时，相当于出现材料的不连续性。这种不连续性可以用机械阻抗来表示。（一般用来表示材料的机械阻抗，这里的是断面截面积）发生变化的边界面上，传播的弹性波会产生波的反射和透过。1) 基本理论基础：两种不同媒介垂直入射这是最简单的一种情况，例如在锚杆的底部，锚杆与周围岩体之间就存在较大的阻抗差。此时，激振产生的弹性波的反射可以分析如下：入射波反射波透过波图2
5、-2-5变化的机械阻抗面发生的反射和通过 这里，表示单元1的粒子的运动速度（入射和反射），表示单元2的粒子的运动速度。在界面上产生弹性波的反射以及通过，可以表示如下：反射波： (1-1)透过波： (1-2)此外，反射波和透过波的大小用振幅率来表示。振幅反射率： (1-3)振幅透过率： (1-4)弹性波的反射和透过具有如下性质。(1) 媒介的机械阻抗相同（），那么就算材料不同，也不会产生波动；(2) 两种媒介的机械阻抗相差越大，反射率也越大。对于锚杆检测而言，锚杆的先端是软弱土层时，其反射信号则要比先端是坚硬岩石时更为明显；(3) 在机械阻抗减少（）时，反射波和入射波符号相同（相位相同）。当锚杆
6、的先端是土层和松散岩体、混凝土时，其反射信号与激振信号同向，而在先端是坚硬岩石，其反射信号有可能与入射信号反向。充填良好：激振信号呈指数快速衰减，持续时间短激振信号杆底反射信号充填不良：激振信号不规则，衰减慢，持续时间长激振信号杆底反射信号图 1-1 基于能量衰减特性的原理二、基于反射特性的灌浆密实度测试方法为了在提高测试精度的同时兼顾测试效率，因此我们采用了基于冲击弹性波的两种方法进行测试。具体请参考表0-2。灌浆缺陷处图 2-1 锚杆灌浆不密实示意图表0-1 锚杆灌浆密实度测试项目一览表测试方案方案简介备注基于反射特性在锚杆露出端上激振与受信，根据反射信号的位置和强度来测试灌浆密实度理论上
7、可测试整个锚杆的灌浆密实度，并能够进行缺陷定位基于振动衰减特性在锚杆露出端上激振与受信，根据残留振动的衰减特性来测试灌浆密实度可测试露出端部附近的灌浆密实度图 2-2 锚杆灌浆质量无损检测示意图充填良好：1） 杆底反射信号微弱2） 之前无明显反射激振信号杆底反射信号充填不良：1） 杆底反射信号明显2） 之前有明显反射激振信号杆底反射信号缺陷反射信号图 2-3 基于反射特性的原理2) 基本理论基础：中间有不同夹层的情况当一种材料中夹有另一种材料，例如在锚杆中有局部灌浆不密实的场合，在媒介1（）和媒介2（）的两个交界处均会产生的透过和反射，如下式所示。当入射波是调谐波时， (2-1)其中，：振幅的
8、透过率（绝对值）：媒介-2中的波数：媒介-2的长度媒质-1媒质-1媒质-2入射波反射波透过波灌浆缺陷图2-2-6介入不同的媒介时弹性波的反射同样，可以得到振幅反射率的绝对值： (2-2)因此，在有不同媒介介入的场合下，(1) 反射（通过）率与频率相关，通常高频波容易反射。(2) 在特定的频率下,即也就是 （2-3）时反射波消失。通常，锚杆的P波波速约为5.15.2km/s，若激振信号的频率为5KH时，对长度为0.5、1、1.5米左右的灌浆缺陷就会难以检测。3) 基本理论基础：反射能量如前所述，根据杆底反射信号的强弱也可以判断锚杆灌浆质量的好坏。而杆底反射信号的强弱可以用下式表示： （2-4）其
9、中，：杆底反射信号的振幅、：基准点的振幅 ：因几何衰减造成的振幅比 ：因材料粘性衰减造成的振幅比 ：因反射衰减造成的振幅比其中，几何衰减和反射衰减是最主要的能量衰减。(1) 几何衰减（又叫扩散衰减）：激发的弹性波伴随传播距离的增加，前锋波面增大，单位面积的能量减小。在灌浆密实的锚杆中，弹性波沿着锚杆与灌浆料的接触面向四周逸散，因此其振幅与传播距离接近反比关系。另一方面，如果灌浆质量不好，弹性波无法从空腔部分向四周逸散，因此衰减较小；(2) 反射衰减：如前所述，杆底的反射与其前端的岩体的力学特性，以及与岩体的粘结程度有很大的关系。当然，岩体约坚硬，越小。三、基于振动衰减特性的灌浆密实度测试方法在
10、锚杆顶端激振后，会在锚杆上诱发振动。根据振动的特性，也可以推断锚杆（特别是锚头附件）的灌浆质量。将锚杆有关的振动部分简化成一个振动系统后，其力学模型如下图所示。在锚杆顶部作用一个冲击力后，系统将产生自由衰减振动（即残留振动）。图3-1振动分析模型当冲击时间较短时，可以把冲击力简化为一脉冲信号，其冲击力随时间的积分可以表示为： （3-1）图3-2 脉冲信号简化图其中，为德尔塔函数，具有以下性质： （3-2）在该脉冲信号的冲击下，振动系统的响应（即为自由振动或残留振动）可以表示为： （3-3） 其中：为角频率，； 为反映系统刚性的弹簧系数；为衰减比，；为阻尼系数；可以看出，衰减比直接影响到振动衰减
11、的快慢。当灌浆质量好时，振动能量衰减小，振动时间变长。4、 张力检测预应力桥梁的锚索大体可以分为两类，即1） 空置锚索：锚索本身自由，仅端部铰接2） 埋入式锚索：锚索埋入到结构体中，仅锚头露在外部。这两种锚索张力的测试方法有显著的区别。1.空置锚索的有效张力对于空悬锚索（如悬索桥、斜拉桥），其张力测试均是基于弦振动理论，即通过锚索自振频率与张力之间的关系来推算（图4-1），张力越大，自振频率越高。锚索的张力（单位为N）与其第阶横向自振频率的关系可以表示如下： （4-1）其中，为锚索自由部分的长度（计算长度，略短于实际长度，单位为m）；为锚索的线密度，即单位长度的质量（kg/m）；为锚索的抗弯刚
12、度（Nm2）在实际的测试中，特别是在短锚索、短拉杆的测试中，有两个影响因素要注意：1） 计算长度的确定2） 测试频率的阶数低张力下，弦的固有振动频率低高张力下，弦的固有振动频率高图4-1 自由绳索张力与自振频率间的关系2.埋入式锚索的有效张力埋入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内部锚索激发自由振动，只能通过对锚头或露出锚索激振。因此，单纯依靠频率的测试方法有非常大的缺陷，严重影响了测试范围和测试精度。为此，我们将锚头、垫板等简化为如下的模型。即将锚头与垫板、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。该弹簧体系的刚性与张力（有效预应力）有关，当然张力越
13、大，也越大。另一方面，在锚头激振诱发的系统基础自振频率可以简化表示为 （4-2）在上式中，如果为一常值，那么根据测试的基频即可较容易地测出张力。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。弹簧支撑钢材-钢材弹簧支撑钢材-混凝土/岩体图4-2 预应力测试的基本理论在此基础上，我们提出了基于“等效质量”原理的有效张力测试理论和测试方法。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（杆）的现有张力。图4-3 等效质量法测试的基本概念低张力时，振动体系小高张力时，振动体系大图4-4 等效质量法的基本概念10 028-68611518 四川升拓检测技术有限责任公司