锚杆检测技术在水利工程中的应用

摘要:文章简要介绍了锚杆检测的方法原理,并通过工程应用实例说明了锚杆检测技术可为水利工程中控制锚杆施工质量及锚杆验收起到积极作用。

关键词:锚杆检测技术;水利工程;边坡支护;长度;砂浆饱满度;波形

中图分类号:TD353文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)10-0038-02

锚杆技术是在水利、铁路、公路等工程建设中边坡支护的重要手段。但锚杆施工质量常受地质条件、施工工艺及施工管理等因素的影响,使锚杆施工经常存在质量缺陷,使之产生安全隐患。对锚杆进行检测并及时发现锚杆施工过程中存在的质量缺陷,以排除安全隐患,是控制锚杆施工质量的有效方法。近年来使用最多的检测方法是应力波反射法。

一、检测原理

锚杆质量检测通常采用应力波反射法,其基本原理是一维波动理论。把锚杆和砼砂浆所组成的锚固体近似看成嵌入岩石中和一维弹性杆件(如图1所示),其轴向位移是纵向坐标(Y)和时间(t)两个变量的函数,可用一个二阶偏微分方程(波动方程)来描述:

图1

(1)

式中,U为质点振动的位移函数;C为锚杆的纵波速度。

应力波沿锚杆传播,遇到波阻抗截面变化时将产生透射和反射,由一维弹性杆件的波动理论可推导出反射系数Kr和透射系数Kt:

Kr=(Z1-Z2)/(Z1+Z2) (2)

Kt=Z1Z2/(Z1+Z2) (3)

式中,Z1、Z2为杆件截面上、下的广义波阻抗。

由式(2)可知,当弹性波由波阻抗较大的物质进入到波阻抗较小的物质(空浆、不密实带)时,在其分界面会发生反射,其反射波和入射波相位相同,反之,当弹性波由波阻抗较小的物质进入到波阻抗较大的物质时,在其分界面也会发生反射,其反射波和入射波相位相反。

当在锚杆的顶部激发一个沿锚杆传播的应力波,在通过安装在锚杆顶部的传感器,可采集到来自锚杆不同部位的反射信号。通过分析和读取反射信号的双程时间,即可求出锚杆长度和缺陷位置。

锚杆的注浆饱满度跟锚杆与砂浆、砂浆与围岩的接触以及砂浆的胶结度有关。通过不同的激振和接收方式,得到相应的波形;分析波形特征、频谱特征、衰减度特征等,就可定性了解锚杆的注浆饱满度。一般情况下,锚杆的注浆饱满度越好,所测得的波形越规则、反射杂波越少、频率较高且集中,相应的振幅就越小、衰减也越快;反之,锚杆的注浆饱满度差,所测得的波形就比较复杂,反射杂波较多、频率较低且分散,相应的振幅大衰减慢。据此可推定锚杆是否存在注浆欠饱满、不饱满或空浆等情况,并按其反射的走时计算出缺陷的位置和缺陷的长度,从而计算出锚杆的注浆饱满度。

二、锚杆检测工程实例

新疆某水利枢纽工程是以发电为主,兼顾下游防洪的大型水利工程。物探对该工程的大坝左右岸、大坝趾板、发电洞、厂房、溢洪洞等边坡及发电洞顶拱的406根锚杆进行了检测,其中387根锚固质量为合格,合格率为95.3%。

图2是该工程大坝左边坡008号锚杆实测波形曲线,设计长度4.0m,实测长度3.907m,自由端度0.11m,砂浆饱满度90.0%,锚固质量为优。

图2 大坝左边坡008号锚杆实测波形曲线

图3是该工程大坝右边坡序号为322号锚杆实测波形曲线,设计长度3.6m,实测长度3.508m,自由端度0.102m,砂浆饱满度85.0%,锚固质量为良。

图3 大坝右边坡322号锚杆实测波形曲线

图4是该工程发电洞顶拱110号锚杆实测波形曲线,设计长度3.6m,实测长度3.577m,自由端度0.108m,砂浆饱满度80.0%,锚固质量为合格。

图4 发电洞顶拱110号锚杆实测波形曲线

图5是该工程发电洞顶拱114号锚杆实测波形曲线,设计长度3.6m,实测长度3.459m,自由端长0.265m,缺陷范围1.480～1.931m为空浆,砂浆饱满度60.0%,锚固质量为不合格。

图5 发电洞顶拱114号锚杆实测波形曲线

对该工程锚杆实测波形曲线的波形特征、频谱特征、衰减度特征等进行分析,大部分实测波形曲线与图3、图4的波形曲线类似,锚固质量为良或合格锚杆。

三、结语

通过对某水利工程锚杆施工的现场检测,绝大部分检测结果与实际情况相符,能客观反映施工质量情况。目前采用应力波反射法对锚杆进行质量检测已成为控制锚杆施工质量不可缺少的重要方法,是锚杆施工质量评价和验收的标准之一。

参考文献

[1]王国滢,等.锚杆无损试技术的应用研究[J].工程物探,2008,(4).

[2]徐永煜.锚杆测试方法及实践[J].工程物探,2007,(1).

[3]陈仲侯,等.工程与环境物探教程[M].地质出版社,1993.

[4]夏代林,刘春生.锚杆锚固质量快速检测研究[M].中国水利水电大学出版社,2000.

作者简介:张峰(1974-),男,河南南阳人,新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队助理工程师,研究方向:工程物探。