[摘要]在岩土工程中,锚杆支护技术应用较广。因此,对于锚杆施工质量检测要求较高。本文综述了目前国内外锚杆施工质量检测技术,为进一步研究更为先进的锚杆无损检测技术打下一定基础。
[关键词]锚杆;检测;岩土工程
[中图分类号]TU753. 1 [文献标识码]A [文章编号]1002-8498(2007)S0-0344-03
岩土工程锚固技术是以锚杆-喷射混凝土支护为主要技术措施的,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[1]。岩土锚固能充分发挥岩土能量,调用和提高岩土的自身强度和自稳能力,大大减轻结构物自重,节约工程材料,并确保施工安全与工程稳定,具有显著的经济效益和社会效益,因而世界各国都大力发展岩土锚固技术[2]。
在岩土锚固工程中,锚杆支护占有重要地位。锚杆加固技术具有安全快速、低成本等特点,一开始就得到人们的广泛关注和高度重视。1911年,美国首先用岩石锚杆支护矿山巷道, 1934年阿尔及利亚的舍尔法坝加高工程使用预应力锚杆。现在,锚杆支护已经发展成为地下工程的一种主要支护形式。例如,美国、澳大利亚的地下工程支护中,锚杆支护占90%以上。西欧、中欧及日本等国,经过近20多年的发展,锚杆支护也已成为地下工程的主要支护形式。
我国锚杆加固技术早在20世纪50年代中期就已经起步。近年来,随着经济的加强,锚杆支护技术在我国也得到了迅猛的发展,支护量成倍增加,新的科研成果不断涌现。从硬岩发展到松软、破碎围岩;从小断面发展到大断面硐室、交叉点、马头门等;从一般条件发展到大冒顶、大淋水、底鼓和地质构造带等复杂条件;从地下工程支护发展到地上工程维修;从仅受静压作用的地下工程发展到受动压影响的地下工程。在矿山、交通、建筑、水利水电、军事人防等工程中得到越来越广泛的应用。目前,仅三峡船闸各类锚杆数量就共达180 276根,其中直立墙高强锚杆92 657根、普通锚杆8 985根、锁口锚杆8 153根。
由此可见,锚杆已经在岩土工程和地下工程中占有不可缺少的地位。因此,对锚杆结构健康状况检测的研究也就具有很强的经济意义和社会意义。
传统的锚杆锚固状态的检测手段,主要有两种:
1)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。
2)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,主要依靠对锚杆的抗拔力测试。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。这种方法虽然适用于这些场合,但却存在着许多不足,如方法是一种破坏性检测,抗拔力并不能完全反映锚杆的锚固状态等。
这种形势下,我们迫切需要一种既简便经济又迅速可靠的锚杆质量检测方法,为施工质量控制和工程可靠性检测提供可靠的手段。因此,研究和应用新的方法来弥补静载荷试验法是十分必要和具有重要意义的。
1)国外锚杆检测研究现状
国外,锚杆锚固质量无损检测的研究工作最早始于1987年,瑞典提出用超声波能量损耗的原理来检测锚杆灌注质量,并由Geodynamik公司据此于1990年推出了锚杆质量检测仪Boltometer(见图1)。此方法的原理为:当锚杆与岩石锚固质量很好时,超声波的能量基本都被散射,只有极小的反射信号甚至没有反射信号;而当锚固质量较差时,则会产生明显的反射信号。检测范围随灌浆材料不同而变化:当灌浆材料为水灰比0.5的水泥砂浆时,检测长度可达到5m;当材料为水灰比0. 28的水泥砂浆时,检测长度仅达1m;当灌浆材料为环氧树脂或热塑性塑料时,检测长度也仅为1m。但该检测方法存在检测时要求激发条件非常苛刻(必须保证安放传感器的锚杆端部平整)、无法检测锚杆长度等缺点。检测结果也只能推断锚杆的相对抗拔力,不能对锚杆锚固质量的完整性进行评价。此外,这种方法最大的问题就是将无反射信号作为评判锚固质量好的标准,而没有考虑握裹层与锚杆界面结合状态、锚杆终端角度等因素而引起的反射信号较小带来的影响。
90年代,美国矿业管理局开发出能检测锚杆应变和延伸率的超声波仪器,但它无法评价锚杆的施工质量。
I.Vrkljan等人提出利用锚杆的频率响应决定锚固质量。他们采用锤击锚杆顶部,利用加速度仪测量锚杆轴向反射信号,目的为建立锚杆主频与锚固质量之间的关系。这种方法存在很大的局限性,它要求水泥砂浆必须紧靠锚杆端部,并且这种方法无法测量锚杆的长度。
Queensland大学矿物研究中心宣称可以基于频率响应函数的方法测定锚杆的锚固质量和锚杆的长度,并且研制了一套检测设备(见图2)。但是并没有相关文献加以详细说明。
M.D.Beard[2]等首次将超声导波引入到锚杆锚固质量检测中,他提出可以采用导波的多个轴对称模态进行组合对锚杆的锚固质量进行检测,分析了握裹层弹性模量、岩体弹性模量、界面条件等因素对导波的相速度频散曲线、衰减频散曲线和能量频散曲线的影响,并且做了室内模型试验和现场试验,从而论证了采用轴对称模态导波检测锚杆锚固质量的可行性。但他只是对此做出了定性的分析,没有建立检测信号与锚固质量的相关关系。
2)国内锚杆检测研究现状
由于大规模的锚杆锚固岩土工程的处理技术工作在我国近几年才开始进行,其锚固质量检测验收工作仍处于初步阶段。
目前,在传统的锚杆锚固质量检测中,检测的是锚杆的抗拉力,所使用的仪器是锚杆拉力计或扭力矩扳手。如,兖矿集团东宇选矿设备公司生产的MLC型锚杆测力仪,为便携式数字测力仪器。这种新型锚杆预紧力测试仪由螺母套筒、扭力传感器、扳手、液晶显示器、电源开关、峰值保持系统、仪表本体等组成。通过动摩擦扭紧力矩来控制锚杆预紧轴向力的大小。扭紧力矩则是利用应变扭力传感器来检测的。
除此之外,国内的研究主要集中在利用应力体波检测锚杆锚固质量。铁道部科学研究院铁建所的钟世航教授于1992年提出用声波能量对比的方法,使用机械撞击的激发方式和水作耦合剂耦合接收传感器的手段来研究锚杆的握裹水泥砂浆灌注的饱和度与反射振幅的关系,并研制了TM-1锚杆质量检测仪样机。该仪器分析功能简单,用机械撞击的激发方式使激发的能量具有很大随机性,信号不够稳定,一直无法完善成正式产品。
淮南矿业学院的王鹤龄[3]等人研究了锚杆杆体内应力波的传播规律和不同边界条件约束下波的反射特征,利用波动方程反演锚杆边界条件的方法,得出了波动能量随有效锚固长度的增大呈指数规律衰减的特征,并且研制了由微电脑控制的防爆型MJ-1型锚杆检测仪与设备。但结果不仅与TM-1锚杆质量检测仪存在同样的缺陷和局限性,而且由于种种原因,没有进一步发展下去。
武汉长盛工程检测技术开发有限公司研制一套JL-MG锚杆质量检测仪(见图3),把信号的能量特征与相位特征相结合,从而对锚杆长度及锚固状态做出判断。但必须与已知长度的参考锚杆进行对比,并且对于所用的锚杆类型和岩石条件进行对比试验,才能对试验结果做出解释。其存在着与瑞典的产品相同的缺点,即只能确定锚杆的相对锚固质量。
重庆大学许明[4]等在室内模型试验的基础上探讨了锚杆的锚固及失效机理,就声波的波速和振幅特性和决定岩体稳定性的一系列因素的关系进行了分析,采用神经网络与灰色系统理论来预测锚杆承载力。同时,他也指出,目前这种方法在某些方面(如难于探测波阻抗渐进的变化、锚头和锚杆尾部附近出现的缺陷以及多缺陷识别等)存在一定的困难。
近年来发展出了一种能够进行快速、长距离、大范围、相对低成本的无损检测方法,即超声导波检测法。超声导波技术具有突出的优点。导波由于其本身的特性(沿传播路径衰减很小),故可以沿检测方向传播非常远的距离。接收信号能够包含有关发射和接收两点间结构整体性的信息,这样就可以检测构件整个波传播截面的缺陷,同时导波具有多个不同的传播模态,这些模态对不同形式的缺陷具有不同的灵敏度。利用超声导波进行检测具有快速、可靠、经济且无损构件的优点,是无损检测新兴的和前沿的一个发展方向。目前在这一方面研究较深的是北京工业大学何存富、吴斌教授[5]。
进行岩土工程中锚杆检测技术的研究,将锚固体声学特性与力学特性联系起来,不仅需要进一步完善相关土体波动力学理论,而且需要将岩土工程、波动力学以及机电测试技术等多种学科结合起来,才可使锚杆检测技术逐步进入定量化工程应用阶段。它将为边坡工程、地下工程等施工过程以及后续管理中的质量监测、稳定性评价等方面的应用提供可参考的理论依据。因而进行更为先进的岩土工程锚杆检测技术的研究不仅具有理论上的学术价值,而且具有广泛的工程适用价值。