巖土工程錨桿檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1、巖土工程錨桿檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀摘要在巖土工程中,錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用較廣。因此,對于錨桿施工質(zhì)量檢測要求較高。本文綜述了目前國內(nèi)外錨桿施工質(zhì)量檢測技術(shù),為進(jìn)一步研究更為先進(jìn)的錨桿無損檢測技術(shù)打下一定基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞錨桿;檢測;巖土工程中圖分類號TU753. 1文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1002-8498(2007)S0-0344-03     巖土工程錨固技術(shù)是以錨桿-噴射混凝土支護(hù)為主要技術(shù)措施的,在巖土體的利用、整治和改造中,有效控制巖土體的穩(wěn)定性,使之具有服務(wù)功能的加固技術(shù)的總稱1。巖土錨固能充分發(fā)揮巖土能量,調(diào)用和提高巖土的自身強度和自穩(wěn)能力,大大減輕結(jié)構(gòu)物自重

2、,節(jié)約工程材料,并確保施工安全與工程穩(wěn)定,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,因而世界各國都大力發(fā)展巖土錨固技術(shù)2。    在巖土錨固工程中,錨桿支護(hù)占有重要地位。錨桿加固技術(shù)具有安全快速、低成本等特點,一開始就得到人們的廣泛關(guān)注和高度重視。1911年,美國首先用巖石錨桿支護(hù)礦山巷道, 1934年阿爾及利亞的舍爾法壩加高工程使用預(yù)應(yīng)力錨桿?，F(xiàn)在,錨桿支護(hù)已經(jīng)發(fā)展成為地下工程的一種主要支護(hù)形式。例如,美國、澳大利亞的地下工程支護(hù)中,錨桿支護(hù)占90%以上。西歐、中歐及日本等國,經(jīng)過近20多年的發(fā)展,錨桿支護(hù)也已成為地下工程的主要支護(hù)形式。   

3、 我國錨桿加固技術(shù)早在20世紀(jì)50年代中期就已經(jīng)起步。近年來,隨著經(jīng)濟(jì)的加強,錨桿支護(hù)技術(shù)在我國也得到了迅猛的發(fā)展,支護(hù)量成倍增加,新的科研成果不斷涌現(xiàn)。從硬巖發(fā)展到松軟、破碎圍巖;從小斷面發(fā)展到大斷面硐室、交叉點、馬頭門等;從一般條件發(fā)展到大冒頂、大淋水、底鼓和地質(zhì)構(gòu)造帶等復(fù)雜條件;從地下工程支護(hù)發(fā)展到地上工程維修;從僅受靜壓作用的地下工程發(fā)展到受動壓影響的地下工程。在礦山、交通、建筑、水利水電、軍事人防等工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前,僅三峽船閘各類錨桿數(shù)量就共達(dá)180 276根,其中直立墻高強錨桿92 657根、普通錨桿8 985根、鎖口錨桿8 153根。 

4、0;  由此可見,錨桿已經(jīng)在巖土工程和地下工程中占有不可缺少的地位。因此,對錨桿結(jié)構(gòu)健康狀況檢測的研究也就具有很強的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。    傳統(tǒng)的錨桿錨固狀態(tài)的檢測手段,主要有兩種:    1)對錨桿荷載變化進(jìn)行長期或短期觀測,可采用按機械、液壓、振動、電氣和光彈原理制作的各種不同類型的測力計。但這些測力計一般需要預(yù)埋,受電磁場干擾大,在潮濕、溫差大的條件下靈敏度大大降低更不能適應(yīng)在偏載和爆破震動、坍落巖石的沖擊下長期正常工作。    2)對于工程界廣泛使用的未預(yù)埋測力計的錨桿過去沒有可靠的

5、監(jiān)測設(shè)備,主要依靠對錨桿的抗拔力測試。其張拉荷載是靠張拉千斤頂?shù)幕钊娣e和油泵壓力換算的。這種方法雖然適用于這些場合,但卻存在著許多不足,如方法是一種破壞性檢測,抗拔力并不能完全反映錨桿的錨固狀態(tài)等。    這種形勢下,我們迫切需要一種既簡便經(jīng)濟(jì)又迅速可靠的錨桿質(zhì)量檢測方法,為施工質(zhì)量控制和工程可靠性檢測提供可靠的手段。因此,研究和應(yīng)用新的方法來彌補靜載荷試驗法是十分必要和具有重要意義的。    1)國外錨桿檢測研究現(xiàn)狀    國外,錨桿錨固質(zhì)量無損檢測的研究工作最早始于1987年,瑞典提出用超聲波能量損

6、耗的原理來檢測錨桿灌注質(zhì)量,并由Geodynamik公司據(jù)此于1990年推出了錨桿質(zhì)量檢測儀Boltometer(見圖1)。此方法的原理為:當(dāng)錨桿與巖石錨固質(zhì)量很好時,超聲波的能量基本都被散射,只有極小的反射信號甚至沒有反射信號;而當(dāng)錨固質(zhì)量較差時,則會產(chǎn)生明顯的反射信號。檢測范圍隨灌漿材料不同而變化:當(dāng)灌漿材料為水灰比0.5的水泥砂漿時,檢測長度可達(dá)到5m;當(dāng)材料為水灰比0. 28的水泥砂漿時,檢測長度僅達(dá)1m;當(dāng)灌漿材料為環(huán)氧樹脂或熱塑性塑料時,檢測長度也僅為1m。但該檢測方法存在檢測時要求激發(fā)條件非?？量?必須保證安放傳感器的錨桿端部平整)、無法檢測錨桿長度等缺點。檢測結(jié)果也只能推斷錨桿

7、的相對抗拔力,不能對錨桿錨固質(zhì)量的完整性進(jìn)行評價。此外,這種方法最大的問題就是將無反射信號作為評判錨固質(zhì)量好的標(biāo)準(zhǔn),而沒有考慮握裹層與錨桿界面結(jié)合狀態(tài)、錨桿終端角度等因素而引起的反射信號較小帶來的影響。圖1Boltom eter錨桿檢測儀    90年代,美國礦業(yè)管理局開發(fā)出能檢測錨桿應(yīng)變和延伸率的超聲波儀器,但它無法評價錨桿的施工質(zhì)量。I.Vrkljan等人提出利用錨桿的頻率響應(yīng)決定錨固質(zhì)量。他們采用錘擊錨桿頂部,利用加速度儀測量錨桿軸向反射信號,目的為建立錨桿主頻與錨固質(zhì)量之間的關(guān)系。這種方法存在很大的局限性,它要求水泥砂漿必須緊靠錨桿端部,并且這種方法無法測

8、量錨桿的長度。    Queensland大學(xué)礦物研究中心宣稱可以基于頻率響應(yīng)函數(shù)的方法測定錨桿的錨固質(zhì)量和錨桿的長度,并且研制了一套檢測設(shè)備(見圖2)。但是并沒有相關(guān)文獻(xiàn)加以詳細(xì)說明。圖2Queensland大學(xué)研制的錨桿檢測儀    M.D.Beard2等首次將超聲導(dǎo)波引入到錨桿錨固質(zhì)量檢測中,他提出可以采用導(dǎo)波的多個軸對稱模態(tài)進(jìn)行組合對錨桿的錨固質(zhì)量進(jìn)行檢測,分析了握裹層彈性模量、巖體彈性模量、界面條件等因素對導(dǎo)波的相速度頻散曲線、衰減頻散曲線和能量頻散曲線的影響,并且做了室內(nèi)模型試驗和現(xiàn)場試驗,從而論證了采用軸對稱模態(tài)導(dǎo)波檢測

9、錨桿錨固質(zhì)量的可行性。但他只是對此做出了定性的分析,沒有建立檢測信號與錨固質(zhì)量的相關(guān)關(guān)系。    2)國內(nèi)錨桿檢測研究現(xiàn)狀    由于大規(guī)模的錨桿錨固巖土工程的處理技術(shù)工作在我國近幾年才開始進(jìn)行,其錨固質(zhì)量檢測驗收工作仍處于初步階段。    目前,在傳統(tǒng)的錨桿錨固質(zhì)量檢測中,檢測的是錨桿的抗拉力,所使用的儀器是錨桿拉力計或扭力矩扳手。如,兗礦集團(tuán)東宇選礦設(shè)備公司生產(chǎn)的MLC型錨桿測力儀,為便攜式數(shù)字測力儀器。這種新型錨桿預(yù)緊力測試儀由螺母套筒、扭力傳感器、扳手、液晶顯示器、電源開關(guān)、峰值保持系統(tǒng)、儀表本體

10、等組成。通過動摩擦扭緊力矩來控制錨桿預(yù)緊軸向力的大小。扭緊力矩則是利用應(yīng)變扭力傳感器來檢測的。    除此之外,國內(nèi)的研究主要集中在利用應(yīng)力體波檢測錨桿錨固質(zhì)量。鐵道部科學(xué)研究院鐵建所的鐘世航教授于1992年提出用聲波能量對比的方法,使用機械撞擊的激發(fā)方式和水作耦合劑耦合接收傳感器的手段來研究錨桿的握裹水泥砂漿灌注的飽和度與反射振幅的關(guān)系,并研制了TM-1錨桿質(zhì)量檢測儀樣機。該儀器分析功能簡單,用機械撞擊的激發(fā)方式使激發(fā)的能量具有很大隨機性,信號不夠穩(wěn)定,一直無法完善成正式產(chǎn)品。    淮南礦業(yè)學(xué)院的王鶴齡3等人研究了錨桿桿體內(nèi)應(yīng)力波

11、的傳播規(guī)律和不同邊界條件約束下波的反射特征,利用波動方程反演錨桿邊界條件的方法,得出了波動能量隨有效錨固長度的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減的特征,并且研制了由微電腦控制的防爆型MJ-1型錨桿檢測儀與設(shè)備。但結(jié)果不僅與TM-1錨桿質(zhì)量檢測儀存在同樣的缺陷和局限性,而且由于種種原因,沒有進(jìn)一步發(fā)展下去。武漢長盛工程檢測技術(shù)開發(fā)有限公司研制一套JL-MG錨桿質(zhì)量檢測儀(見圖3),把信號的能量特征與相位特征相結(jié)合,從而對錨桿長度及錨固狀態(tài)做出判斷。但必須與已知長度的參考錨桿進(jìn)行對比,并且對于所用的錨桿類型和巖石條件進(jìn)行對比試驗,才能對試驗結(jié)果做出解釋。其存在著與瑞典的產(chǎn)品相同的缺點,即只能確定錨桿的相對錨固質(zhì)量

12、。圖3JL-MG錨桿質(zhì)量檢測儀    重慶大學(xué)許明4等在室內(nèi)模型試驗的基礎(chǔ)上探討了錨桿的錨固及失效機理,就聲波的波速和振幅特性和決定巖體穩(wěn)定性的一系列因素的關(guān)系進(jìn)行了分析,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與灰色系統(tǒng)理論來預(yù)測錨桿承載力。同時,他也指出,目前這種方法在某些方面(如難于探測波阻抗?jié)u進(jìn)的變化、錨頭和錨桿尾部附近出現(xiàn)的缺陷以及多缺陷識別等)存在一定的困難。    近年來發(fā)展出了一種能夠進(jìn)行快速、長距離、大范圍、相對低成本的無損檢測方法,即超聲導(dǎo)波檢測法。超聲導(dǎo)波技術(shù)具有突出的優(yōu)點。導(dǎo)波由于其本身的特性(沿傳播路徑衰減很小),故可以沿檢測方向傳播非常遠(yuǎn)的距離。接收信號能夠包含有關(guān)發(fā)射和接收兩點間結(jié)構(gòu)整體性的信息,這樣就可以檢測構(gòu)件整個波傳播截面的缺陷,同時導(dǎo)波具有多個不同的傳播模態(tài),這些模態(tài)對不同形式的缺陷具有不同的靈敏度。利用超聲導(dǎo)波進(jìn)行檢測具有快速、可靠、經(jīng)濟(jì)且無損構(gòu)件的優(yōu)點,是無損檢測新興的和前沿的一個發(fā)展方向。目前在這一方面研究較深的是北京工業(yè)大學(xué)何存富、吳斌教授5。    進(jìn)行巖土工程中錨桿檢測技術(shù)的研究,