公路隧道锚杆锚固长度和密实度检测成果

我国公路隧道支护中使用较多的锚杆为全长黏结锚杆[包括普通砂浆锚杆、药包(卷)锚杆、中空注浆锚杆、组合中空锚杆等]。普通砂浆锚杆施工中若钻孔呈水平或向下倾斜,则锚杆孔内的砂浆密实度容易得到保证;若钻孔上仰,特别是垂直向上,则锚杆孔内砂浆很难注满。对长度大于3.0m的药包(卷)锚杆,也难以保证孔内砂浆饱满。锚杆锚固密实度(或称砂浆注满度、灌浆饱满度、注浆密实度)不好,将严重影响锚杆的有效锚固长度及锚杆的长期使用寿命。所以,应增加锚杆锚固密实度检测。

(一)锚杆锚固密实度检测原理

锚固密实度检测主要采用声波反射法原理进行。在锚杆杆体外端发射一个声波脉冲,它就会沿杆体钢筋以管道波形式传播,到达钢筋底端后反射,在杆体外端接收此反射波。如果握裹钢筋的砂浆密实、砂浆又与周围岩体黏结紧密,则声波在传播过程中从钢筋通过水泥砂浆向岩体扩散,能量损失很大,在杆体外端测得的反射波振幅很小,甚至测不到;如果无砂浆握裹,仅是一根空杆,则声波仅在钢筋中传播,能量损失不大,但接收到的反射波振幅则较大;如果握裹砂浆不密实,中间有空洞或缺失,则得到的反射波振幅的大小介于前两者之间。因此,可以根据杆体外端声波的反射波振幅大小判定锚杆锚固密实度。

(二)检测仪器

锚杆锚固密实度检测主要采用按上述原理开发的锚杆质量无损检测仪。最初的锚杆无损检测仪器大多是在基桩低应变检测仪器的基础上开发出来的,然后在传感器、激振、频率响应等方面充分考虑了锚杆的实际情况,进行了改进和提高。目前,国产锚杆质量无损检测仪品种比较多,检测速度和精度已得到大幅提高,除可进行锚杆砂浆锚固密实度检测外,还可检测锚杆长度。

JL-MG(D)锚杆(索)质量检测仪由发射震源、传感器、主机和分析处理软件组成,如图4.3-6所示。发射震源产生的弹性波,沿着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杆周围或端部的灌浆状况。通过对信号进行处理和分析,可以确定锚杆长度及灌浆的整体质量,如图4.3-7所示。

图4.3-6　JL-MG(D)锚杆(索)质量检测仪

(三)检测方法

检测依据参考《锚杆锚固质量无损检测技术规程》(JGJ/T182—2009)。进行锚杆锚固密实度检测前,宜进行室内和现场模拟试验,并以试验检测结果修正现场实测的计算参数,以提高检测可靠度。

图4.3-7　锚杆质量现场检测

(a)震源为锤击;(b)震源为激振器

室内标准锚杆模拟的锚杆孔宜采用内径不大于90mm的PVC或PE管,其长度应比被模拟锚杆长度长1m以上。锚杆宜采用所检测工程锚杆相同的类型,其长度宜涵盖设计锚杆长度范围,锚杆外露段长度与工程锚杆设计相同,外露端头应加工平整。标准锚杆宜包含所检测工程锚杆的等级和主要缺陷类型。胶粘材料宜与所检测工程锚杆相同,设计缺陷宜用橡胶管等模拟。

现场模拟试验制作的标准锚杆试验场地宜选择在与被检测工程锚杆围岩条件类同的围岩段,且不应影响主体工程施工并便于钻孔取芯施工。标准锚杆应与被检测工程锚杆的施工工艺参数相同。

试验用标准锚杆的注浆材料宜选用与工程锚杆相同的注浆材料和配合比,注浆完成后自然养护。

每种规格的锚杆应设计1组试验锚杆。每组试验锚杆宜包括完全锚固密实(密实度100%),中部锚固不密实(密实度90%、75%、50%),孔底锚固密实、孔口锚固不密实(密实度90%、75%、50%),孔口锚固密实、孔底锚固不密实(密实度90%、75%、50%)等模型。

对标准锚杆的检测宜在3d、7d、14d、28d龄期时分别进行。现场标准锚杆检测完成后,若条件许可,还需要采用钻孔取芯等有效手段进行检验。

对标准锚杆试验结果应编写试验报告,报告应明确试验仪器、仪器设置的最佳参数、检测精度、检测有效范围,并应提供杆体波速、杆系波速、杆系能量修正系数及标准锚杆检测图谱。

对待检锚杆锚固密实度的检测应在锚杆锚固7d以后进行。检测前,应根据模拟试验结果,对检测仪器设备进行检查调试,并清除待检锚杆外露端周边浮浆,分离待检锚杆外露端与喷层,对被测锚杆的外露自由段长度和孔口段锚固情况进行测量与记录。检测时,周边不得有机械振动、电焊作业等对检测有明显干扰的施工作业。

被检测锚杆宜随机抽样,抽样率应符合相关规范要求,并应重点检测隧道拱部及地质条件较差段的锚杆。

当实测信号复杂、波形不规则,无法对锚固质量进行评价,或对检测结果有争议时,宜采用其他方法进行验证。(www.xing528.com)

(四)数据分析及判定

1.数据分析

(1)当杆体反射信号较清晰时,可直接采用时域反射波法和幅频域评差法分析;当杆体反射波反射信号微弱得难以辨认时,宜采用瞬时谱分析法、小波分析法等方法识别。

(2)一般情况下,锚杆的波阻抗大于围岩的波阻抗,故杆底反射波与锚杆端入射首波同相位,其多次反射也是同相位的。在锚杆注浆密实的情况下,杆底反射波信号往往十分微弱,或有缺陷反射波信号干扰杆底反射波信号及频差,故应使用瞬时普法、小波法、能流法等方法提高反射波信号识别能力。

(3)试验表明,锚杆的杆体波速与杆系波速是不同的,一般杆体波速高于杆系波速,波速差异的因素与声波波长、锚杆直径、胶粘物厚度、胶粘物波速及声波尺度效应等有关。因此,锚杆杆长计算时采用的波速平均值应考虑密度的影响。由于杆系平均波速受多方面因素影响,尚无法准确地确定与密实度的关系,但在实际检测工作中应考虑杆长检测精度与密实度有关。

(4)数据采集信号应一致性好,缺陷判断及缺陷位置计算应综合分析缺陷反射波信号的相位特征、相对幅值大小及反射旅行时间等因素。数据分析模型如图4.3-8～图4.3-10所示。

图4.3-8　锚杆一致性波形图

(a)一致性较好,起跳明显的波形;(b)一致性较好,空杆波形,2次反射信号比较强

图4.3-9　锚杆分析模型

图4.3-10　锚杆分析模型

2.锚固质量判断

根据锚杆质量无损检测仪提供的波形特征、时域信号特征、幅频信号特征,可进行锚固密实度评判,见表4.3-2。

表4.3-2　锚固密实度评判标准

单根锚杆锚固质量无损检测分级评价见表4.3-3。

表4.3-3　单根锚杆锚固质量无损检测分级评价

锚杆长度合格标准为:锚杆长度不少于设计长度,锚杆插入孔内的长度不得短于设计长度的95%。