淺析邊坡錨桿檢測(cè)

1、淺析邊坡錨桿檢測(cè)（四川升拓檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司，四川 成都 610045） 摘要：伴隨鐵路、公路工程的飛速發(fā)展，加固高邊坡、大型滑坡治理及在鐵路路基的高邊城防護(hù)工程，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨桿加固成為此類(lèi)工程常用技術(shù)。涉及到錨桿檢測(cè)的內(nèi)容主要有：錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)、錨桿灌漿密實(shí)度檢測(cè)以及錨桿張力檢測(cè)等。 關(guān)鍵詞：錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)，錨桿灌漿密實(shí)度檢測(cè)，錨桿張力檢測(cè)伴隨鐵路、公路工程的飛速發(fā)展，加固高邊坡、大型滑坡治理及在鐵路路基的高邊城防護(hù)工程，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨桿加固成為此類(lèi)工程常用技術(shù)。涉及到錨桿檢測(cè)的內(nèi)容主要有：錨桿長(zhǎng)度檢測(cè)、錨桿灌漿密實(shí)度檢測(cè)以及錨桿張力檢測(cè)等。在隧道、邊坡的建設(shè)中，巖錨索、錨桿得到了大量的應(yīng)用，巖

2、土錨固技術(shù)幾乎遍及土木工程的各個(gè)領(lǐng)域,如邊坡、基坑、隧道、壩體、碼頭、船閘、橋梁等。它是利用錨桿周?chē)貙訋r土的抗剪強(qiáng)度來(lái)傳遞結(jié)構(gòu)物的拉力或保持地層開(kāi)挖面的自身穩(wěn)定,由于錨桿、錨索的使用,使錨固地層產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)并對(duì)加固地層起到加筋作用可以增強(qiáng)地層的強(qiáng)度,改善地層的力學(xué)性能可以使結(jié)構(gòu)與地層連鎖在一起,形成一種共同工作的復(fù)合體,使其能有效地承受拉力和剪力,并能提高潛在滑移面上的抗剪強(qiáng)度,有效地阻止坡體位移。顯而易見(jiàn)其質(zhì)量保證是非常重要的。但是，由于巖體的風(fēng)化、地下水的影響，錨索、錨桿不可避免出現(xiàn)會(huì)各種老化、劣化現(xiàn)象（如預(yù)應(yīng)力松弛等）。另一方面，由于其屬于隱蔽工程，如果施工質(zhì)量得不到很好的保證，如張力

3、不足、灌漿不密實(shí)，甚至長(zhǎng)度不夠時(shí)，會(huì)嚴(yán)重降低邊坡的穩(wěn)定性，從而造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重大損失。我們歷時(shí)多年，與國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)合作開(kāi)發(fā)了一整套針對(duì)巖錨質(zhì)量的解決方案和技術(shù)體系。該方案基于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有測(cè)試效率高、可靠性好、對(duì)巖錨無(wú)損傷等特點(diǎn)，可以大大地提高巖錨施工的質(zhì)量保證度。該技術(shù)體系的檢測(cè)內(nèi)容主要包括：1) 錨桿（全長(zhǎng)粘結(jié)型）灌漿密實(shí)度2) 錨桿及錨索長(zhǎng)度3) 錨固應(yīng)力（張力）。整個(gè)技術(shù)體系采用沖擊彈性波作為測(cè)試媒介，并集成到一套測(cè)試設(shè)備中（巖錨多功能檢測(cè)儀，SRB-MATS）。其測(cè)試精度和效率達(dá)到工程要求，已在國(guó)內(nèi)外眾多工程中得到了實(shí)際應(yīng)用。我們具有相關(guān)技術(shù)的全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并申請(qǐng)和獲得了多項(xiàng)國(guó)

4、家發(fā)明專(zhuān)利，產(chǎn)品出口到日本等海外。照片1-1巖錨多功能檢測(cè)儀（SRB-MATS）S型 一、錨桿長(zhǎng)度測(cè)試在錨桿中間的某處的灌漿出現(xiàn)根據(jù)不密實(shí)現(xiàn)象時(shí)，相當(dāng)于出現(xiàn)材料的不連續(xù)性。這種不連續(xù)性可以用機(jī)械阻抗來(lái)表示。（一般用來(lái)表示材料的機(jī)械阻抗，這里的是斷面截面積）發(fā)生變化的邊界面上，傳播的彈性波會(huì)產(chǎn)生波的反射和透過(guò)。1) 基本理論基礎(chǔ)：兩種不同媒介垂直入射這是最簡(jiǎn)單的一種情況，例如在錨桿的底部，錨桿與周?chē)鷰r體之間就存在較大的阻抗差。此時(shí)，激振產(chǎn)生的彈性波的反射可以分析如下：入射波反射波透過(guò)波圖2-2-5變化的機(jī)械阻抗面發(fā)生的反射和通過(guò) 這里，表示單元1的粒子的運(yùn)動(dòng)速度（入射和反射），表示單元2的粒子的

5、運(yùn)動(dòng)速度。在界面上產(chǎn)生彈性波的反射以及通過(guò)，可以表示如下：反射波： (1-1)透過(guò)波： (1-2)此外，反射波和透過(guò)波的大小用振幅率來(lái)表示。振幅反射率： (1-3)振幅透過(guò)率： (1-4)彈性波的反射和透過(guò)具有如下性質(zhì)。(1) 媒介的機(jī)械阻抗相同（），那么就算材料不同，也不會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)；(2) 兩種媒介的機(jī)械阻抗相差越大，反射率也越大。對(duì)于錨桿檢測(cè)而言，錨桿的先端是軟弱土層時(shí)，其反射信號(hào)則要比先端是堅(jiān)硬巖石時(shí)更為明顯；(3) 在機(jī)械阻抗減少（）時(shí)，反射波和入射波符號(hào)相同（相位相同）。當(dāng)錨桿的先端是土層和松散巖體、混凝土?xí)r，其反射信號(hào)與激振信號(hào)同向，而在先端是堅(jiān)硬巖石，其反射信號(hào)有可能與入射信號(hào)反

6、向。充填良好：激振信號(hào)呈指數(shù)快速衰減，持續(xù)時(shí)間短激振信號(hào)桿底反射信號(hào)充填不良：激振信號(hào)不規(guī)則，衰減慢，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)激振信號(hào)桿底反射信號(hào)圖 1-1 基于能量衰減特性的原理二、基于反射特性的灌漿密實(shí)度測(cè)試方法為了在提高測(cè)試精度的同時(shí)兼顧測(cè)試效率，因此我們采用了基于沖擊彈性波的兩種方法進(jìn)行測(cè)試。具體請(qǐng)參考表0-2。灌漿缺陷處圖 2-1 錨桿灌漿不密實(shí)示意圖表0-1 錨桿灌漿密實(shí)度測(cè)試項(xiàng)目一覽表測(cè)試方案方案簡(jiǎn)介備注基于反射特性在錨桿露出端上激振與受信，根據(jù)反射信號(hào)的位置和強(qiáng)度來(lái)測(cè)試灌漿密實(shí)度理論上可測(cè)試整個(gè)錨桿的灌漿密實(shí)度，并能夠進(jìn)行缺陷定位基于振動(dòng)衰減特性在錨桿露出端上激振與受信，根據(jù)殘留振動(dòng)的衰減特

7、性來(lái)測(cè)試灌漿密實(shí)度可測(cè)試露出端部附近的灌漿密實(shí)度圖 2-2 錨桿灌漿質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)示意圖充填良好：1） 桿底反射信號(hào)微弱2） 之前無(wú)明顯反射激振信號(hào)桿底反射信號(hào)充填不良：1） 桿底反射信號(hào)明顯2） 之前有明顯反射激振信號(hào)桿底反射信號(hào)缺陷反射信號(hào)圖 2-3 基于反射特性的原理2) 基本理論基礎(chǔ)：中間有不同夾層的情況當(dāng)一種材料中夾有另一種材料，例如在錨桿中有局部灌漿不密實(shí)的場(chǎng)合，在媒介1（）和媒介2（）的兩個(gè)交界處均會(huì)產(chǎn)生的透過(guò)和反射，如下式所示。當(dāng)入射波是調(diào)諧波時(shí)， (2-1)其中，：振幅的透過(guò)率（絕對(duì)值）：媒介-2中的波數(shù)：媒介-2的長(zhǎng)度媒質(zhì)-1媒質(zhì)-1媒質(zhì)-2入射波反射波透過(guò)波灌漿缺陷圖2-2

8、-6介入不同的媒介時(shí)彈性波的反射同樣，可以得到振幅反射率的絕對(duì)值： (2-2)因此，在有不同媒介介入的場(chǎng)合下，(1) 反射（通過(guò)）率與頻率相關(guān)，通常高頻波容易反射。(2) 在特定的頻率下,即也就是 （2-3）時(shí)反射波消失。通常，錨桿的P波波速約為5.15.2km/s，若激振信號(hào)的頻率為5KH時(shí)，對(duì)長(zhǎng)度為0.5、1、1.5米左右的灌漿缺陷就會(huì)難以檢測(cè)。3) 基本理論基礎(chǔ)：反射能量如前所述，根據(jù)桿底反射信號(hào)的強(qiáng)弱也可以判斷錨桿灌漿質(zhì)量的好壞。而桿底反射信號(hào)的強(qiáng)弱可以用下式表示： （2-4）其中，：桿底反射信號(hào)的振幅、：基準(zhǔn)點(diǎn)的振幅 ：因幾何衰減造成的振幅比 ：因材料粘性衰減造成的振幅比 ：因反射衰

9、減造成的振幅比其中，幾何衰減和反射衰減是最主要的能量衰減。(1) 幾何衰減（又叫擴(kuò)散衰減）：激發(fā)的彈性波伴隨傳播距離的增加，前鋒波面增大，單位面積的能量減小。在灌漿密實(shí)的錨桿中，彈性波沿著錨桿與灌漿料的接觸面向四周逸散，因此其振幅與傳播距離接近反比關(guān)系。另一方面，如果灌漿質(zhì)量不好，彈性波無(wú)法從空腔部分向四周逸散，因此衰減較?。?2) 反射衰減：如前所述，桿底的反射與其前端的巖體的力學(xué)特性，以及與巖體的粘結(jié)程度有很大的關(guān)系。當(dāng)然，巖體約堅(jiān)硬，越小。三、基于振動(dòng)衰減特性的灌漿密實(shí)度測(cè)試方法在錨桿頂端激振后，會(huì)在錨桿上誘發(fā)振動(dòng)。根據(jù)振動(dòng)的特性，也可以推斷錨桿（特別是錨頭附件）的灌漿質(zhì)量。將錨桿有關(guān)的

10、振動(dòng)部分簡(jiǎn)化成一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)后，其力學(xué)模型如下圖所示。在錨桿頂部作用一個(gè)沖擊力后，系統(tǒng)將產(chǎn)生自由衰減振動(dòng)（即殘留振動(dòng)）。圖3-1振動(dòng)分析模型當(dāng)沖擊時(shí)間較短時(shí)，可以把沖擊力簡(jiǎn)化為一脈沖信號(hào)，其沖擊力隨時(shí)間的積分可以表示為： （3-1）圖3-2 脈沖信號(hào)簡(jiǎn)化圖其中，為德?tīng)査瘮?shù)，具有以下性質(zhì)： （3-2）在該脈沖信號(hào)的沖擊下，振動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)（即為自由振動(dòng)或殘留振動(dòng)）可以表示為： （3-3） 其中：為角頻率，； 為反映系統(tǒng)剛性的彈簧系數(shù)；為衰減比，；為阻尼系數(shù)；可以看出，衰減比直接影響到振動(dòng)衰減的快慢。當(dāng)灌漿質(zhì)量好時(shí)，振動(dòng)能量衰減小，振動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)。4、 張力檢測(cè)預(yù)應(yīng)力橋梁的錨索大體可以分為兩類(lèi)，即1）

11、 空置錨索：錨索本身自由，僅端部鉸接2） 埋入式錨索：錨索埋入到結(jié)構(gòu)體中，僅錨頭露在外部。這兩種錨索張力的測(cè)試方法有顯著的區(qū)別。1.空置錨索的有效張力對(duì)于空懸錨索（如懸索橋、斜拉橋），其張力測(cè)試均是基于弦振動(dòng)理論，即通過(guò)錨索自振頻率與張力之間的關(guān)系來(lái)推算（圖4-1），張力越大，自振頻率越高。錨索的張力（單位為N）與其第階橫向自振頻率的關(guān)系可以表示如下： （4-1）其中，為錨索自由部分的長(zhǎng)度（計(jì)算長(zhǎng)度，略短于實(shí)際長(zhǎng)度，單位為m）；為錨索的線密度，即單位長(zhǎng)度的質(zhì)量（kg/m）；為錨索的抗彎剛度（N·m2）在實(shí)際的測(cè)試中，特別是在短錨索、短拉桿的測(cè)試中，有兩個(gè)影響因素要注意：1） 計(jì)算長(zhǎng)度

12、的確定2） 測(cè)試頻率的階數(shù)低張力下，弦的固有振動(dòng)頻率低高張力下，弦的固有振動(dòng)頻率高圖4-1 自由繩索張力與自振頻率間的關(guān)系2.埋入式錨索的有效張力埋入錨索與空懸錨索的邊界條件有很大的不同，而且埋入式錨索無(wú)法對(duì)內(nèi)部錨索激發(fā)自由振動(dòng)，只能通過(guò)對(duì)錨頭或露出錨索激振。因此，單純依靠頻率的測(cè)試方法有非常大的缺陷，嚴(yán)重影響了測(cè)試范圍和測(cè)試精度。為此，我們將錨頭、墊板等簡(jiǎn)化為如下的模型。即將錨頭與墊板、墊板與后面的混凝土或巖體的接觸面模型化成如下的彈簧支撐體系。該彈簧體系的剛性與張力（有效預(yù)應(yīng)力）有關(guān)，當(dāng)然張力越大，也越大。另一方面，在錨頭激振誘發(fā)的系統(tǒng)基礎(chǔ)自振頻率可以簡(jiǎn)化表示為 （4-2）在上式中，如果為一常值，那么根據(jù)測(cè)試的基頻即可較容易地測(cè)出張力。然而，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，埋入式錨索在錨頭激振時(shí)，其誘發(fā)的振動(dòng)體系并非固定不變，而是會(huì)隨著錨固力的變化而變化。錨固力越大，參與自由振