锚杆检测 2讲解文档格式.docx
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锚固状态是指锚杆施工后的锚固段长度、自由段长度、密实度和施工缺陷等，其中由于材料、施工、地质条件等因素的影响，锚固结构系统在施工和使用过程中必然存在许多缺陷，对于锚杆锚固系统，主要缺陷有：
1）筋材本身缺陷，如材质不均匀，存在裂缝、孔洞，杆体锈蚀等；
2）胶结体缺陷，如砂浆密实度不够，内部有孔洞、裂隙、“蜂窝”等；
3）胶结体与筋材、围岩的粘结不好。
另外，还包括地质界面、软弱地层对锚固质量的影响。
所以，锚杆的质量检测对评价锚固质量是必不可少的。
岩土工程、土木工程中的锚杆锚固,是在围岩表面按一定距离、方向和深度钻孔,将锚杆填放在钻孔中然后灌浆固定的一种支护技术。
锚杆对围岩起到联结、组合和加固的作用,它能充分发挥岩土的能量,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工程锚杆锚固技术。
然而重大工程中如果埋设的锚杆存在缺陷往往具有很大的危险性,可能会使整座建筑物倒塌,造成巨大的经济损失。
如四川宜宾悬索桥的垮塌正是由于锚索的失效而导致的灾难性后果。
为了避免工程事故发生,延长锚固结构的使用寿命,提高结构的可靠性、安全性,需要采用性能优异、准确可靠、方便实用、无损的锚杆锚固质量检测技术来实现。
因此,在锚杆支护的锚固工程中,对锚杆锚固质量的无损检测研究成为一项十分必要和迫切的任务。
二、研究现状
锚杆锚固质量的声波检测技术的理论问题,可归结为不同边界条件下柱坐标下的波动方程的求解。
原理上讲,在锚杆顶端所接收到的反射信号是施于锚杆顶端的瞬态激振力、锚杆围岩系统自身的振动特性以及传感器特性等因素的综合反映。
但在众多因素中,锚杆围岩系统自身的振动特性是判断锚杆锚固质量优劣的决定性因素。
因此,从理论上研究锚杆锚固系统在各种激振力作用下的振动特性是很重要的。
此外,在运用信号处理手段分析和确定那些突变点或特征点与锚固质量的对应关系时,无论采用什么手段,都必须以正确的锚杆体系的理论正演计算为基础。
由此可见,对锚杆锚固体系进行理论正演研究,对锚杆锚固质量的弹性波检测法的信号测试、处理和解释等有着重要的指导意义。
但是,由于问题的复杂性,锚杆锚固质量弹性波检测技术的理论研究工作目前进展不大。
现行的理论研究工作基本上都是借鉴/小应变动力测桩技术0的理论:
将锚杆视作一维弹性杆状体建立数学模型,考虑到激振力产生的纵波波长比锚杆半径大得多,因而忽略系统的横向位移,通过求解包含激振震源作用在内的纵向一维波动方程的
2.1国外研究现状
国外对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锚固质量,并于1990年推出了锚杆质量检测仪。
但该检测方法存在检测时要求激发条件非常苛刻、不显示原始检测数据、工作速度极慢等缺点,一般对4~5m长的土层锚杆检测效果较好,但检测结果也只能
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。
欧美大地仪器公司推出了锚杆注浆饱满度仪,将锚杆质量分为4个级别估计的锚杆性能最佳的为A级,性能有所降低的为B级,性能不良的为C级,性能很差或失效的为D级。
这一分级标准由用户根据其各自不同的锚杆类型加以确定。
锚杆注浆饱满度仪已被广泛地应用于各种领域。
瑞典国家电力局将其用于水电站和水工隧洞,Stock
holm城市交通局则用于地铁隧道,LKAB和Boliden矿业公司,以及瑞典和挪威的公路管理部门也使用这种仪器。
锚杆注浆饱满度仪探头内有一个压电式传感器,它向锚杆发送纵波和横波。
这些波沿着锚杆传播,波速取决于锚杆周围或端部（在那里被反射回探头）的灌浆情况。
这时,探头作为接受器来检测反射波,并由电子装置对反射波进行分析。
对信号进行处理和分析,确定锚杆长度以及岩石和灌浆的整体状况,测量结果都显示在仪器面板上。
1988年,H.F.Thurner[3]提出用超声波检测砂浆锚杆锚固质量的方法,并试制了Bultmer检测仪。
但该方法主要存在两个问题:
一是采用超声波衰减严重,只能对短锚杆、锚固介质单一的锚杆使用;
二是对锚杆端头要求苛刻,即在现场要对锚杆端头重新机械加工,打磨平整压电晶体才能将超声波发射祸合进入杆体。
M.D.Baedr等[4]利用导向超声波对锚杆进行
检测,通过对信号相速率、能量速率、衰减系数的频散曲线进行分析,并综合考虑围岩岩石模量、环氧层模量及厚度、锚固质量等因素对测试结果的影响,得到了在高频和低频时最为理想的超声波激振频率,且研制了专门的激振传感器。
在低频时,宜采用40kHz脉冲进行检测;
在高频时,2MHz是一个比较理想的激振频率。
但在实际中,采用高频和低频相结合的方法通常只能对3.0m以内的锚杆进行检测。
2.2、国内研究现状
汪明武等[6]进行了锚杆检测仪的研制,并于1996年推出了MT-1型锚杆检测仪,提出了用振幅值比即能量衰减系数来衡量锚杆的锚固质量。
但该仪器不能测定锚杆的工作荷载和极限承载力,没有弄清锚杆的底端反射显现规律,同时由于信号采样率较低、操作安装困难、成本较高等原因,该锚杆检测仪未能在我国推广使用。
另外,汪明武等通过模型试验,分析了声频应力波在锚固体系中的反射相位特征和能量衰减变化规律,探讨了测定锚固力的无损拉拔试验,并将成果应用到实际工程中。
夏代林等提出将声波在锚固系统中的能量特征与相位特征相结合的方法来综合评价锚杆锚固质量,其依据是锚固系统中锚固缺陷存在时,声波在缺陷处不仅有能量变化,而且有相位突变。
李义等利用应力波反射法,通过分段截取找出了锚杆底端反射的显现与否与锚杆自由段长度、波长之间的定量关系,不仅在理论上而且通过实验室模拟试验验证了锚固段内波速会发生变化,提出了固结波速的概念,并且验证了其速度范围介于锚
杆杆体波速和锚固介质波速之间。
许明[10]将岩石声波测试技术应用到锚杆的无损检测中,通过测定锚杆的振动响应来估计和判断锚杆的锚固质量,从而将小波分析和神经网络等信号分析技术应用到了较复杂检测信号的分析中。
3、拉拔试验
3.1试验目的：
锚杆拉拔力试验的目的是判定巷道围岩的可锚性，评价锚杆、树脂、围岩锚固系统的性能和锚杆的锚固力。
试验必须在现场进行，使用的材料和设备与巷道正常支护相同。
3.2实验原理
锚杆拉拔试验属于传统的锚杆锚固质量静力法检测。
进行拉拔试验时，将液压千斤顶放在托板和螺母之间，拧紧螺母，施加一定的预应力，然后用手动液压泵加压，同时记录液压表和位移计上的对应读数。
当压力或者位移读数达到预定值时，或者当压力计读数下降而位移计读数迅速增大时，停止加压。
测试后，可整理出锚杆的荷载一位移曲线，进而分析得出锚杆的锚固质量。
根据试验目的不同可将锚杆拉拔试验分为基本试验、验收试验和蠕变试验。
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、自由段程度是否满足要求、锚杆蠕变在规定范围内是否稳定。
对于塑性指数大于17的软土层和蠕变明显的岩体中的锚杆应进行蠕变试验，以观察锚杆在一定荷载下随时间的蠕变特性。
3.3实验检测仪器和设备
锚杆测力计是进行拉拔试验和对锚杆施加预应力的主要工具，由于锚杆的锚固力不大，一般可使用锚杆测力计对锚杆施加预应力。
按实测仪器工作原理不同，可将锚杆测力计区分为机械式、液压式、电子式、光弹式和振弦式等。
其中，机械式锚杆测力计由钢衬垫或钢弹簧的弹性变形来量测锚杆轴向力大小，尽管它的量测范围较小，但十分坚固耐用。
液压式锚杆测力计具有体积小、重量轻、容易制造等优点，特别是压力值可由压力表直接读出，也可将油压转变为电信号输出。
光弹式锚杆测力计具有精度高、使用方便、价格低廉等优点，而且不易受外部环境干扰。
振弦式锚杆测力计的主要优点是测量精度高、稳定性好，特别适用于地下工程的恶劣环境。
目前国内常用的锚杆测力计主要有ML型锚杆拉力计、ZY型系列锚杆拉力计。
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。
双千斤顶加载装置的布置如图1。
图1
3.4试验规定
1、任何一种新型锚杆或已有锚杆用于未曾应用过的土层时，必须进行基本试验；
2、最大试验荷载（Qmax）不应超过钢丝、钢绞线、钢筋强度标准值（A·
fplk）的0.8倍；
3、一般植筋72小时后，可采用拉力计（千斤顶）对所植钢筋进行拉拔试验加载方式见右图。
为减少千斤顶对锚筋附近混凝土的约束，下用槽钢或支架架空，支点距离≥max（3d，60mm）。
然后匀速加载2∽3分钟（或采用分级加载），直至破坏。
破坏模式分为钢筋破坏（钢筋拉断）、胶筋截面破坏（钢筋沿结构胶、钢筋界面拔出）、混合破坏（上部混凝土锥体破坏，下部沿结构胶、混凝土界面拔出）3种，结构构件植筋，破坏模式宜控制为钢筋拉断。
4、当做非破坏性检验时，最大加载值可取为0.95Asfyk。
5、锚杆基本试验加荷等级与测读锚头位移应遵守下列规定：
ⅰ.采用循环加荷，初始荷载宜取A·
fplk的0.1倍，每级加荷增量宜取A·
fplk的1/10~1/15；
ⅱ.岩层、砂质土、硬粘土中锚杆加荷等级与观测时间见表1；
ⅲ.在每级加荷等级观测时间内，测读锚头位移不应少于3次；
ⅳ.在每级加荷等级观测时间内，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。
4、抽检数量可按每种钢筋植筋数量的0.1%确定，但不应少于3根。
加荷增量
（A·
fplk）
初始荷载
--
10
第一循环
30
第二循环
20
40
第三循环
50
第四循环
60
第五循环
70
第六循环
80
观测时间/min
5
5、锚栓拉拔试验可选用以下两种加荷制度：
连续加载：
以匀速加载至设定荷载或锚固破坏，总加荷时间为2min~3min。
分级加载：
以预计极限荷载的10%为一级，逐渐加荷，每级荷载保持1min~2min，至设定荷载或锚固破坏。
6、需要注意的问题
（1）应注意反力支点位置的确定。
支点位置的确定是一个重要的问题，因为支点位置过小有可能影响锚杆周围的应力场，从而得出不真实的锚杆抗拔力；
而支点位置过大则给试验造成困难。
遗憾的是规范中对此并未做出明确的规定。
在现场实测工作中可以考虑以相邻锚杆间距的2倍作为反力梁两个支点的中心距离。
（2）在实际工程中，锚杆总是以群锚的形式工作的。
只是在比较苛刻的条件下才能以单锚承载力的简单集合来衡量群锚的承载力。
而在检测工作中能做到的只是对单锚承载力的评判。
如何由单锚承载力换算得到实际需要的群锚承载力，或者由单锚的检测结果推论锚固工程的合格性，这已经不是单由检测工作就能确定的任务了。
在这一点上，锚杆检测与桩基检测是类似的，然而问题要更突出。
4、锚杆锚固质量无损检测技术
当前，锚杆锚固技术广泛应用于矿山、铁路、公路等系统的隧道、边坡、山体加固工程中。
大部分锚杆都属于隐蔽工程，在施工过程中的管理和监督较为困难，其锚固系统的稳定影响了整个工程的质量。
传统的检测方法是拉拔法，但这种方法有本身的局限性。
试验表明，对于高强度螺纹锚杆，当锚固长度达到锚杆直径的42倍时，抗拔力不再随锚杆的长度增加而增加。
实际使用中的锚杆长径比远远超过一般情况，仅用抗拔力指标来检验施工质量不能反映锚杆的锚固长度和锚固介质的饱满程度，所以采用声频应力波法普查锚杆长度和锚固状态越来越受到重视。
4.1国外无损检测现状
国外对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锚固质量,并于1990年推出了锚杆质量检测仪。
但该检测方法存在检测时要求激发条件非常苛刻、不显示原始检测数据、工作速度极慢等缺点,一般对4~5m长的土层锚杆检测效果较好,但检测结果也只能推断锚杆的对抗拔力,不能对锚杆锚固质量的完整性进行评价。
锚杆注浆饱满度仪已被广泛地应用于各种领域。
瑞典国家电力局将其用于水电站和水工隧洞,Stockholm城市交通局则用于地铁隧道,LKAB和Boliden矿业公司,以及瑞典和挪威的公路管理部门也使用这种仪器。
4.2国内无损检测现状
国内锚杆无损检测目前有两种测试方法,一种是应力波反射法,一种是正在研制的超声导波法。
4.2.1应力波反射法检测锚杆
应力波反射法的原理:
在锚杆外露端激振,产生弹性应力波信号沿钢筋传播,当钢筋周围或底端介质发生变化时（砂浆不饱满或空浆）,将产生反射信号。
通过附在钢筋端部的传感器拾取弹性波的传播和反射信号,进行波形分析,可判断锚杆中有无不密实状况,并
根据反射波的两相邻点计算不密实的位置,从而评价锚杆的密实度。
进一步地,在固定激发能量的前提下,对第一反射点后的迭加波形各采样点幅值进行平方根的均值计算,通过均值的大小判断其密实度,作为同相反射,一般来说反射点越多,其振幅均值越大,表明密
实度越低;
反之则越高。
根据规范,全长粘结锚杆,应检查锚杆注浆密实度,注浆密实度大于75%方为合格;
杆体插入孔内长度不应小于设计规定的95%。
检测锚杆长度和砂浆密实度采用反射波法进行。
理论上,在细长杆中（杆的横向尺寸远小于波长）纵波的传播速度V0=E
根据钢材的密度
=7.85g/cm3,钢材弹模E=2.08105MPa,可计算出纵波在螺纹钢（裸露在空气中）的传播速度V0=
5148m/s。
如图2,采用某厂家的锚杆密实度检测仪测得长度为4.5m的
28螺纹钢在空气中的实测波形,使用的加速度传感器阻尼比较小,对缺陷反应比较敏感,但振荡较大。
如图3,采用某厂家的动测仪测得长主为4.5m的
28螺纹钢在空气中的实测波形,使用的加速度传感器阻尼比较大,对缺陷反应不敏感,基本上没有振荡,二次反射明显。
由于锚杆底部反射明显,根据锚杆长度可测出应力波在螺纹钢中的传播速度,两者测得的波速分别为5120m/s和5150m/s,吻合较好。
实测波速与理论波速也非常吻合,最大误差为1%。
其中:
V为应力波在锚杆中的传播速度;
L为锚杆的长度;
t为应力波从锚杆头部到底部,再回到头部的时间。
公式
（1）中的3个量,其中有2个量已知时,第3个量可求解。
如前所述,应力波在自由的锚杆中传播的速度在5148m/s左右,应力波在自由的锚杆中存在明显的反射波,故可采用声频应力波测出自由锚杆的长度,误差不超过1%,用此方法也可对仪器进行核查。
对于埋设在岩体内的锚杆,如果注浆饱满,则杆底部反射不明显,应力波从锚杆头部到锚杆底部传播的时间也就难以确定,则确定锚杆的长度就成为空谈。
锚杆周围充填有砂浆,影响应力波在锚杆中的传播速度,根据实际测试结果,应力波在岩体内的锚杆中传播的速度在4100~4800m/s之间,波动范围约20%,即使能够准确测出锚杆杆底的反射波时间,由此计算的锚杆长度的误差最大也可以达到20%。
由于相关规范规定了注浆密实度和锚杆实际长度的下限,实际工程中,需要确定锚杆的锚固长度是否大于设计长度的95%,注浆密实度是否大于75%。
根据上述介绍,工程检测人员对锚杆的长度判断不可能很准确,对没有反射波的锚杆则无法判断其长度。
根据测得的波形,没有一个可行的公式能够计算出密实度,因此要准确提供注浆密实度是不太现实的,目前通行的做法是根据大量的模型锚杆试验按能量损耗来进行计算,但由于岩石地质条件的差异和反射波的复杂性导致计算的密实度误差较大甚至不能应用。
鉴于目前的检测技术条件,对于岩石锚杆的注浆密实度还是采用定性分析比较科学,根据波形情况将锚杆注浆密实度分为4个等级,代表密实度为优、良、不良、差4种情况。
对接收的波形主要按以下情况进行分类:
锚杆端部的波形从接收波形开始由小变大再逐渐变小,后面无反射波,密实度为很好;
锚杆端部的波形从接收波形开始由小变大再逐渐变小,中间或锚杆底部有反射波,波幅在锚杆端部最大波幅的一半左右时,密实度为中等;
如锚杆底部的反射波幅度等于或大于锚杆端部的最大波幅,或有重复性的反射出现,说明锚杆密实度很差。
在某工程实测的锚杆波形图见图4~图6,分别表示密实度很好、中等、很差。
在另外一个工地,进行了模拟锚杆的无损检测比对,对比较大的缺陷如埋设在砂浆中的5cm5cm2cm的泡沫,在波形图上都能反映,但对3根插在PVC管内长6m的模拟锚杆,底部约3m长包裹有薄薄的塑料,外面是砂浆紧密包裹,参加比对的两家单位采用各自的仪器,均未检测出该缺陷,说明采用应力波反射法的检测原理,对于这种模拟的缺陷无能为力。
因此绝不可以将锚杆无损检测看作是万能的,检测人员一定要熟悉检测原理,掌握该原理能够提供的检测信息。
4.2.2声频应力波法
2、检测原理
2.1基本原理
锚杆通过锚固介质锚固在岩体中，可将其视为锚杆－锚固介质－围岩系统来进行动力学分析。
在分析时，锚杆一端用很小外力扰动，自由状态锚杆可简化为一维杆状体振动。
而现场实际锚固端边界条件比较复杂，若视锚固状态的锚杆为粘弹性体，锚杆看作线性的，锚固段的边界条件看作非线性，则锚固体系的振动波动方程为：
式中，E——为弹性模量（kPa）；
Ρ——为锚杆体密度（kg/m3）；
A——为锚杆横截面积（m2）；
K——为弹簧系数（kN/m）；
C——为阻尼系数（kN·
s/m）。
2.2能量衰减原理
由于应力波在锚固体系中受广义波阻抗变化的影响，在波阻抗界面产生反射波和透射波。
透射波和介质质点间内摩擦导致能量向其他形式转化，使应力波能量衰减。
研究表明：
反射波的相位特征及能量衰减规律反映了锚杆的锚固状态，且应力吸收系数与锚固长度有如下关系：
式中，α——为能量吸收系数（奈培/m）；
L——为应力波在锚固段中传播距离；
Ai——为应力波第i次反射的反射波振幅。
2.3工作原理及参数确定
应力波普查检测是在无须严格处理的锚杆端头，用发射震源产生弹性波，沿锚杆传播并向锚杆周围辐射能量，检波器检测到反射回波，并由检测仪对信号进行分析与存储。
反射信号的能量强度和到达时间取决于锚固杆周围或端部的锚固状况。
通过对信号进行处理和分析，可以确定锚杆长度以及锚固的整体质量。
检测的核心是系统参数的合理选择，适当的采样间隔可保证检测效率和精度，其设置需考虑到锚杆的设计长度，锚杆底端与顶端的声幅比值换算为锚固密实度时的长度修正。
通过自由状态锚杆、岩体模型的大批量检测应用得出，一般采样间隔按锚杆长度的5/3倍来计算时间（采样的总时间=10/3被锚杆长）。
同时，在锚杆体系中锚杆、锚固介质和岩体三者之间浇灌密实时，应力波的能量大部分透射到岩体中，只有小部分能量反射回来，且反射信号极有规律；
当锚固不均匀、密实，且在锚固介质中出现空穴、不密实时，如果在缺陷部位出现不同的波阻抗变化面、在原有的信号中迭加了强度不同的反射信号，就可以根据出现的反射波信号的位置、强弱和锚杆低端和顶端的应力波声幅比确定锚杆的锚固质量并为其分级。
锚杆底端与顶端的声幅比值用γ表示，若其他各项指标反映的情况良好，锚杆内部没有缺陷，并不考虑长度修正，那么，根据γ指标判定的砂浆饱满度和锚固质量等级换算如表1所示，除此以外，还可用近似公式D=1-0.5γ（D密实度）计算。
由公式
（2）可知，应力波的衰减和长度有一定的函数关系，所以还需要测定长度的影响系数，由大量的模型试验可近似得出以下的声幅比值，换算为锚固密实度的锚杆长度修正系数β如表2所示。
4.3超声导波法
全长粘结型锚杆可以简化为钢杆埋置在水泥砂浆中的柱状两层结构模型,通过数值方法求解该模型的结构频散方程,得出该结构的频散曲线。
其激励信号由函数发生器产生,经转换开关激励超声探伤直探头,使锚杆接收特定频率的超声导波,当导波由锚杆端部传达到底部后,产生反射回波,再由同一个直探头接收。
直探头置于锚杆端部,通过耦合剂如凡士林作用于锚杆。
在现场对
18的锚杆进行了测试工作,经过精确测量,此锚杆的有效计算直径为17mm,以此直径作为频散曲线计算依据,此直径的螺纹钢锚杆适用于检测的衰减极小值对应频率和理论速度如表1所示。
根据计算结果,选取激励信号的频率范围为2.2~3.2MHz,频率间隔为10kHz,进行频率扫描试验,均可得到比较明显的回波,其中衰减极小值最小为18.72dB/m,对应的频率为2.69MHz,在该频率下回波的辐值最大。
不同频率下的导波对于已知长度的锚杆进行测试时,其理论能量速度和实测速度的误差最大不超过1%,当存在明显的回波时,可以准确测量锚杆的长度,其长度的测试误差不超过1%,能满
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