锚杆无损检测技术的探讨

前言

 

锚杆锚入岩体的过程是将砂浆注入锚杆孔内，当砂浆硬化后，沧州欧谱锚杆与周围岩体形成一体，其主要作用是与相邻岩体串联在一起，阻止了不稳定岩体的滑移，促使岩体间裂隙面积压紧密，使围岩形成一个具有承受载荷能力的整体岩拱。其技术已广泛应用于矿山、铁路、公路、水利水电、地质等系统的隧道、边坡、山体加固等工程中。

 

影响锚杆锚固效果的因素很多，包括：锚杆的质量与形状、锚头型式、砂浆强度、锚杆在砂浆中的长度、以及砂浆在锚杆孔内填充的密实程度等。在锚杆施工中如何保证锚杆的施工质量，提高锚杆的锚固效果是非常重要的。施工中一般通过加强原材料质量控制、加强施工过程质量控制来保证锚固的施工质量，通过原材料质量检测和锚固后的质量检测来评价锚杆的锚固效果。目前用来评价锚杆锚固效果的手段主要有两种，一是采用锚杆抗拔力检测，另外就是目前比较流行的无损检测方法。由于这些方法在实际应用中都存在一定的缺陷，所以很多工程都采用两种方法相结合的方式进行验收评价，即：以锚杆抗拔力检测为验收评价依据，采用无损检测手段对锚固质量进行分类并辅助评价。

 

2 传统的锚杆抗拔力检测

 

传统的锚杆锚固状态的检测手段，主要依靠对锚杆的抗拔力检测。沧州欧谱这种方法判断锚杆的锚固力非常准确，但却存在着许多不足：

 

(1)抗拔力测试方法是一种破坏性检测。当拉拔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固状态产生影响，降低其锚固力。

 

(2)抗拔力并不能完全反映锚杆的锚固状态。因为只要锚固的水泥砂浆长度大于钢筋直径的 40 倍，即使拉拔到钢筋颈缩时也不会使锚固力丧失。另外，研究表明：钢筋沿杆长的应力分布也是不均匀的，见图 1。因此，锚杆的不同部位的锚固缺陷，对锚杆的受力状态将产生不同的影响。

 

(3)水泥砂浆对钢筋的包裹情况好坏，对锚杆的锚固质量将产生较大的影响，因为若水泥砂浆对钢筋的包裹不好，钢筋会很快因腐蚀而失去锚固作用。所以，虽然有时抗拔力符合要求，却因砂浆灌注不饱满而出现崩塌事故的情况仍经常发生。此外，这种拉拔力检测方式也无法测出锚杆的实际长度。沧州欧谱锚杆的锚固质量如何，锚杆长度是否与设计长度一致，其砂浆是否饱满?也就是说，锚杆是否起到了应有的作用?对于这些存在的质量问题，其最好的办法应是利用快速准确而无损伤地检测出质量情况，然后针对其隐患施行有目的的重点再处理，并及时而准确地对其整治质量作出有科学依据的评价。这样才能对保证工程质量从而确保工程安全地运行。

 

3 锚杆锚固质量无损检测

 

3.1 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到5米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。

 

最佳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通水隧道，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。

 

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。通过对信号进行处理和分析，仪器则确定锚杆长度以及岩石和灌浆的整体状况，这些测量结果都显示在仪器面板上。

 

3.2 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，沧州欧谱一种是正在研制的超声导波法。

 

(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，可判断锚杆中有无空浆或密实状况;并根据反射波的两相邻点可计算空浆或不密实的位置，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，通过均值的大小来判断其密实度，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。

 

GB 50086-2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》规定：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%。

 

DL/T 5010-2005《水电水利工程物探规范》规定了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 可按公式(1)进行计算： V0= (1) 根据钢材的密度 ρ=7.85g/cm3，钢材弹模 E=2.08×105MPa，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 φ28 螺纹钢在空气中的实测波形，沧州欧谱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 φ28 螺纹钢 L=4.5m 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%。 图 2 φ28 螺纹钢 L=4.5m 在空气中的实测波形 图 3 φ28 螺纹钢 L=4.5m 在空气中的实测波形

 

应力波在锚杆中的传播规律符合以下公式

 

V=2L/t (2)

 

其中 V—应力波在锚杆中的传播速度，m/s。 L—锚杆的长度，m。 t —应力波从锚杆头部到底部，再回到头部的时间，s。 公式(2)中有 3 个未知数，其中有 2 个未知数已知时，第 3 个未知数可求解。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最大也可以达到20%的误差。

 

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沧州欧谱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四个等级，代表密实度为优、良、不良、差四种情况。

 

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。

 

图 4 L=4.5m，φ28 锚杆密实度很好

 

图 5 L=4.5m，φ28 锚杆密实度中等

 

图 6 L=4.5m，φ28 锚杆密实度很差

 

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 5×5×2cm 的泡沫，在波形图上都能反映，但对三根插在 PVC 管内的模拟锚杆，长度 6m，其中底部约 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着是万能的，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。

 

关于应力波的产生，有的是采用小锤敲击，有的是采用超磁探头。沧州欧谱有一种观点，认为超磁探头提供的应力波非常稳定，每次产生的应力波能量大小一致，这确实不假，但锚杆接收到的应力波能量就不一定完全一致。实际操作中，是人工用手将超磁探头按在锚杆端部产生应力波，虽然超磁探头发射的应力波能量固定，由于手按的松紧程度不一样，锚杆接收的应力波能量不一样大。采用敲击产生的应力波也能得到比较一致的波形，如已经得到广泛应用的基桩低应变动测技术一直是采用小锤激发。其实，针对于某一长度的锚杆而言，如果开发出一种设备，使锚杆接收到的应力波首波幅度和频率固定，这样对结果的分析才更加有利。

 

(2)超声导波法

 

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头直探头，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 φ18 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能量速度根据计算结果，选取激励信号的频率范围为 2.2～3.MHz，频率间隔为 10kHz，超声波硬度计 http://www.chaoshengboyingduji.com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 18.72 dB·m-1 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%，能满足工程的需要。

 

从试验室进行的研究表明，采用超声导波测量锚杆的长度比较准确，沧州欧谱但由于信号发生器要进行一定范围内频率的扫描，设备组合比较庞大，应用于工程实践还需对设备进行进一步的简化，有待于工程实践的进一步验证。

 

4结语

 

(1)随着检测技术的进步，锚杆检测从单纯的抗拔力检测向无损检测方向发展，这为保证工程质量和提高效率起到了很大的作用。但由于目前检测原理和检测手段方面的一些缺陷和不足，在工程实际应用时导致检测结论的不确定性，所以在工程建设中还必须加强施工过程的监控，切不可忽视施工过程的管理与监督;

 

(2)应力波反射波法能对锚杆进行大规模的普查，速度比较快，对于锚固质量优良和极差两种状态是能够清楚分辨的，但对锚杆长度的判定则困难比较大，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验证;

 

(3)超声导波法测试锚杆的长度比较可靠，需要将仪器简化后，在工程领域推广应用。