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1、岩土测试理论与方法课程作业锚杆质量检测锚杆抗拔试验试验目的根据试验目的不同一般可将锚杆抗拔试验分为基本试验和验收试验。基本试验的目的是为了确定锚杆的极限承载力，掌握锚杆抗破坏的安全程度，以便在正式使用锚杆前调整锚杆机构参数或改进锚杆的制作工艺。验收试验旨在确定锚杆是否具备足够的承载力、自由段长度是否满足要求、锚杆蠕变在规定范围内是否稳定。试验设备根据加载方法的不同，我们采用不同的设备。一般可使用单千斤顶加载法或双千斤顶加载法施加荷载。单千斤顶加载法使用一个张拉千斤顶和油泵在锚杆外端施加拉力。双千斤顶加载法采用两个液压千斤顶作为支点，其上架设钢梁，锚杆通过螺帽和钢板固定在钢梁上构成加载系统施加拉
2、力。当试验锚杆位于斜坡上或坑壁上时，加载系统下一般应搭设支架。露出钻孔外端的锚杆至少用两个百分表（左右各一个）或挠度计量测在各个不同拉力下的锚杆位移量。图1 锚杆抗拔试验装置图试验方法、流程及结果1.基本试验试验方法过程：1) 采用循环加荷，初始荷载宜取Afplk（强度标准值）的0.1倍，每级加荷增量宜取Afplk的1/101/15； 2) 岩层、砂质土、硬粘土中锚杆加荷等级与观测时间见表1表1 岩层、砂质土、硬粘土中锚杆基本试验加荷等级与观测时间加荷增量 (Afplk)初始荷载-10-第一循环10-30-10第二循环10203040302010第三循环10304050403010第四循环10
3、305060503010第五循环10305070503010第六循环10306080603010观测时间/min555105553) 淤泥及淤泥质土等软土中锚杆加荷等级与观测时间见表2.表2 淤泥及淤泥质土中锚杆基本试验各加荷等级的观测时间加荷增量(Afplk)初始荷载第一级第二级第三级第四级第五级第六级10304050607080观测时间/min15151530120301204) 在每级加荷等级观测时间内，测读锚头位移不应少于3次。5) 锚头位移增量不大于0.1mm时，可施加下一级荷载，否则要延长观测时间，直至锚头位移增量2.0h小于2.0mm时，再施加下一级荷载。6) 试验报告应绘制锚杆
4、荷载位移（Q-s）曲线、锚杆荷载弹性位移（Q-se）曲线和锚杆荷载塑性位移（Q-sp）曲线。见图2、图3图2 基本试验荷载位移曲线图3 基本试验荷载弹性位移、荷载塑性位移曲线锚杆破坏标准： 1) 后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载产生位移增量的2倍。2) 锚头总位移不收敛。3) 锚头总位移超过设计允许位移值。试验结果：1) 基本试验所得的总弹性位移应超过自由段长度理论弹性伸长的80%，且小于自由段长度与1/2锚固段长度之和的理论弹性伸长。2) 锚杆的极限承载力为锚杆破坏前一级荷载的95%。2.验收试验试验方法及过程1) 验收试验锚杆的数量不宜少于工程锚杆总数的5%，且不得少于3根
5、。2) 最大试验荷载为锚杆轴向拉力设计值的1.2倍且不应超过预应力筋Afplk值的0.8倍。 3) 验收试验对锚杆施加荷载与测读锚头位移应遵守以下规定：i. 初始荷载宜取锚杆设计轴向拉力值的0.1倍；ii. 加荷等级与各等级荷载观测时间应满足表3中的规定：iii. 每级加荷等级观测时间内，测读锚头位移不应少于3次； iv. 最大试验荷载观测 15min 后，卸荷量测位移；然后加荷至锁定荷载锁定。 表3 验收试验锚杆的加荷等级与观测时间 加荷等级Q1=0.10NlQ2=0.25NlQ3=0.50NlQ4=0.75NlQ5=1.00NlQ6=1.20Nl观测时间/min5551010154) 试验
6、结果绘制成锚杆验收试验荷载位移曲线图，见图4。图4 验收试验荷载位移曲线锚杆验收标准：1) 验收试验所得的总弹性位移应超过自由段长度理论弹性伸长的80%，且小于自由段长度与1/2锚固段长度之和的理论弹性伸长。2) 在最大试验荷载作用下，锚头位移趋于稳定。锚杆小应变动力检测检测目的锚杆小应变动力检测是在锚杆端部激发应力波，应力波沿锚杆向下传播，遇到波阻抗发生变化的界面产生反射波，安装在锚杆端部的探头接收到此反射波，通过分析此反射波的性质来推断锚杆的长度和空浆、欠密实等缺陷，对锚杆进行结构完整性评价。具体布置见图5.图5 小应变动力检测布置图工作原理应力波反射法锚杆检测技术源自于建筑桩基低应变检测
7、法，其基本原理是一维波动理论，将锚杆及其握裹砂浆视为一维弹性杆件，在锚杆杆体外端施加一个瞬态激振，当锚杆端头被激发应力波后，锚杆端头的应力波动能为：其中反射波能量： 式中：m为单位质量；v为锚杆端头质点振动速度；E0为杆端入射波能量，固定激发方式时可视为常量。 如果以杆长作为变量代替时间变量，上式得到： 把反射波能量与入射波能量的比值作为锚杆的应力波能量反射率： 上式表明，当等于锚杆长度L时，即为锚杆全长范围内的反射波总动能，锚杆应力波能量反射率与锚杆注浆密实度存在一定的相关关系。杆系能量修正系数，可通过模拟锚杆试验修正或根据同类锚杆经验取值，若无模拟锚杆试验数据或同类锚杆经验值，可取=1。弹
8、性波沿杆体钢筋以管道波形式传播，到达钢筋底端遇到波阻抗界面时会产生反射和透射应力波，在杆体外端可接收此反射波。设锚杆某段为一分析单元，则广义波阻抗：如果钢筋外砂浆密实饱满，砂浆与周围岩体粘结紧密，则应力波在传播过程中，不断从钢筋通过砂浆向岩体扩散，能量损失很大，在杆体外端测得的反射波振幅很小；如果无砂浆包裹，仅是一根空杆，则应力波仅在钢筋中传播，能量损失不大，接受到的反射波振幅则较大；如果砂浆不密实，中间有空洞或缺失，测得到的反射波振幅的大小则介于前二者之间。若锚杆中存在注浆不密实段，则复合杆件的截面积及波阻抗发生变化，在波阻抗差异界面将产生反射应力波，杆中反射应力波的相对能量强度与注浆密实度
9、差异程度有关；一般密实度越差，反射波的能量越强，衰减越慢；不密实区段越多，则波阻抗界面越多，反射应力波越大。对于底端自由的锚杆，接收到的锚杆底端反射波与入射波同相；对于被锚固剂锚固的锚杆，当应力波传播到锚固段的上界面时发生反射，反射波与初始波反相；同理，锚固段下界面的反射波与入射波同相。一般来说，当锚杆底端与坚硬岩石粘结时，可近似认为波阻抗增大，反射波与入射波相位相反；当锚杆底端未充分粘结时，可认为波阻抗减小，反射波与入射波同相。因此，根据反射波相位特征，可以分析反射部位阻抗变化的特征及锚杆实际锚固情况。当杆的几何尺寸（注浆密实度）或材料性质（锚杆低端）发生变化时，亦即r、C、A任一因素发生变
10、化时，其波阻抗将发生变化，其变化分界面称为波阻抗界面。界面两侧的波阻抗比值n可表示为：杆的缺陷部位（粘结剂缺失）及杆底端均可视为波阻抗界面。应力波传播遇到这些界面时，会发生反射和透射。根据应力波理论，由连续条件、牛顿第三定律和波阵面动量守恒条件，在平面波垂直入射时，应力波反射系数为 ：若Z1Z2，则Rv0，说明反射波与入射波的相位相同，反之则相反。 由于波阻抗的变化，应力波在遇到波阻抗界面时，既有反射，又有透射。透射系数T可用下式表示：根据反射波的旅行时间可以计算锚杆长度（杆底反射波）和缺陷位置（缺陷反射波），计算公式如下：上式为锚杆锚固体系应力波时域分析的重要依据。 曲线判读我们首先要在测试
11、信号波形图上判读杆体界面反射波的相位与到时，据此判断各界面的性质，然后利用波速值求得各界面的深度，进而得出杆体握裹段的长度。锚杆的注浆饱和度跟锚杆与砂浆、砂浆与围岩体的接触以及砂浆的胶结程度有关。一般情况下，注浆饱和度越好，所测到的波形就越规则、反射杂波少、频率较高且集中，相应的振幅小、衰减快；反之，注浆饱和度差的锚杆，所测到的波形较复杂，反射杂波较多，频率较低且分散，振幅大且衰减慢。因此可根据所测得的波形信号来推断锚杆是否存在注浆欠饱和、不饱和或者空腔等不良状况。并按其反射波的走时计算出注浆的缺陷位置和缺陷长度，从而计算出锚杆注浆饱和度：而锚杆质量评价具体分级见表4。表4 锚杆质量评价质量分
12、类波形特性锚固状态灌浆饱满度长度指标锚杆锚固质量等级判定指标百分比优波形规则，只有较微弱的底部反射波或没有底部反射波密实0.675%95%不合格异常解释当个别样本反射时间小于底部反射波的到达时间时，通常是锚杆中间出现缺损、断裂，此时反射波在锚杆内出现多次反射，往往导致我们难以观测到桩底反射。当个别样本波速高出平均值很多时，基本上可以判断为锚杆长度不足。两类试验特点对比锚杆抗拔试验能够通过绘制荷载-位移曲线得到锚杆的抗拔承载力，并间接的分析评价锚杆锚固质量。但是它的缺陷也很明显：1) 首先它是一种破坏性的检测方法。当拉拔力达到锚杆的设计锚固力时,如果实际锚固力在该荷载的附近,试验可能对该锚杆的锚
13、固状态产生影响,降低其锚固力。2) 抽检的样本数十分有限，难免以偏概全。3) 不能对锚杆的锚固质量作充分的肯定(因当锚固的水泥砂浆长度大于钢制锚杆直径的40倍或少数石子卡死锚杆时，即使拉拔到锚杆杆体颈缩也不会使锚固力丧失，这种假象可能会使测试工作得出错误的结论)。4) 不能检测锚杆的实际长度。锚杆小应变动力检测则可以避免在检测锚杆质量的同时损伤围岩，相比起锚杆抗拔试验，其检测速度快，费用低，能对锚杆进行大规模的普查,对于锚固质量优良和极差两种状态是能够清楚分辨的。缺点：该方法同样难以确定锚杆的长度,只能推断锚杆的相对抗拔力，且对锚杆注浆密实度的定量判断有着天生的不足,有待理论和实践的进一步完善。