于 浩

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(qiáng)度和自穩(wěn)能力,大大減輕結(jié)構(gòu)物自重,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(huì)效益,因而世界各國都大力發(fā)展巖土錨固技術(shù)。目前國內(nèi)外各種類型錨桿已達(dá)600余種,每年使用的錨桿量已超過10億根。

由于在各項(xiàng)工程中使用錨桿加固技術(shù)面寬、量大,多為隱蔽工程,然而由于材料、施工、地質(zhì)條件等因素的影響,錨固結(jié)構(gòu)系統(tǒng)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(chǎn)生、積累,會(huì)使具有永久支護(hù)的巖土工程失效。而對(duì)于工程界廣泛使用而未預(yù)埋測力計(jì)的錨桿,則常采用現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)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(duì)錨桿所加固的巖體會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的擾動(dòng),且對(duì)錨固力大小及其在長期運(yùn)行中的變化情況無法進(jìn)行評(píng)價(jià)[1],此外,要測出完整的荷載—位移曲線,不僅費(fèi)時(shí)長、耗資大,而且為獲得準(zhǔn)確的極限承載力需進(jìn)行破壞性試驗(yàn),故檢測面小,僅限于個(gè)別抽查,所以迫切需要開發(fā)一種既簡便經(jīng)濟(jì)又迅速可靠的確定錨桿施工質(zhì)量、工作狀態(tài)的錨固系統(tǒng)無損探傷理論和方法,為錨固工程質(zhì)量控制和可靠性檢測提供保障與手段,保證圍巖加固質(zhì)量及其穩(wěn)定,彌補(bǔ)以至取代傳統(tǒng)的錨固體系檢測方法,以適應(yīng)大規(guī)模工程施工的需要。

1 試驗(yàn)原理與方法

錨桿、砂漿和圍巖三者之間澆灌均勻密實(shí)時(shí),應(yīng)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(hào)極有規(guī)律。倘若錨桿某些部段未被砂漿有效錨固時(shí),在砂漿中出現(xiàn)空穴,在空穴處將出現(xiàn)不同程度的波阻抗變化面,會(huì)產(chǎn)生若干個(gè)波阻抗差異的界面。當(dāng)力錘敲擊產(chǎn)生的應(yīng)力波由錨桿端頭傳到某界面時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射子波,該子波疊加到原始信號(hào)之上,使得波形發(fā)生畸變。所以,錨固情況不同,得到的波形曲線也不同。根據(jù)反射波位置和反射信號(hào)的強(qiáng)弱以及波形頻譜曲線情況,就可以確定錨桿錨固質(zhì)量并將其分級(jí)。將一個(gè)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(tài)沖擊載荷,桿體內(nèi)將有一穩(wěn)定的應(yīng)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(dòng)波形。

2 試驗(yàn)概況及結(jié)果初步分析

此次試驗(yàn)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(hào)～11號(hào)的11根錨桿長度為6 m,12號(hào)～15號(hào)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(gè)波動(dòng)數(shù)據(jù),且數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好,所以試驗(yàn)結(jié)果在一定程度上能夠較好的反應(yīng)實(shí)際情況。試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)采集信號(hào)做基本處理,如消除趨勢項(xiàng)、濾波、每次敲擊信號(hào)分段。然后,從敲擊信號(hào)中取較為典型的信號(hào)段進(jìn)行時(shí)域和頻域分析,得到實(shí)測結(jié)果與實(shí)際施工情況的對(duì)照表(見表1)。

表1 錨桿檢測對(duì)照表

從表1中可以看出,80%的錨桿錨固質(zhì)量能夠比較好的判斷出來,只是空洞的具體個(gè)數(shù)和位置有些偏差,三個(gè)空洞的情況不容易測出。1號(hào)、2號(hào)錨桿檢測出有細(xì)微的空洞,不會(huì)影響整個(gè)錨桿的錨固質(zhì)量,可能是施工原因造成。12號(hào)錨桿測試偏差比較大,具體原因尚不明確。此次試驗(yàn)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(yīng)力波本身衰減速度很快,導(dǎo)致試驗(yàn)中錨桿底端反射不明顯。試驗(yàn)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(shí)際錨固率已達(dá)到85%以上,而9 m錨桿最小也達(dá)到90%以上,從實(shí)際工程中來說,15根錨桿錨固質(zhì)量都是比較不錯(cuò)的,從15根錨桿的波形曲線也可以看出,波形的整體衰減規(guī)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(shí)際錨固率比較低的錨桿,試驗(yàn)效果可能會(huì)更好一些。

3 結(jié)語

本次試驗(yàn)分別對(duì)錨固質(zhì)量不同、長度不同的15根錨桿進(jìn)行了錨固質(zhì)量的現(xiàn)場無損檢測試驗(yàn),80%的錨桿錨固質(zhì)量能夠比較好的判斷出來,只是空洞的具體個(gè)數(shù)和位置有些偏差,進(jìn)一步說明了錨桿錨固質(zhì)量動(dòng)測技術(shù)是一種方便易行、測試精度能滿足現(xiàn)場技術(shù)要求的方法。錨桿錨固質(zhì)量識(shí)別實(shí)際上屬于結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別,而其是基于多學(xué)科交叉研究的,包括了機(jī)械工程、建筑工程、信號(hào)處理技術(shù)、材料結(jié)構(gòu)和振動(dòng)理論等多門學(xué)科知識(shí)。因此,研究結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別,尤其是牽涉到巖體這種復(fù)雜的介質(zhì),把人工智能、控制理論和材料結(jié)構(gòu)等多學(xué)科技術(shù)結(jié)合起來是一個(gè)發(fā)展趨勢。

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