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摘要:锚杆支护是提高岩土工程稳定性的一种最经济有效的方法。具有施工简便，成本低廉，安全迅速等显著优点，引起矿业和岩土工程界的广泛关注，并且十分迅速地得到大范围的推广应用。本文针对深基坑工程喷锚支护锚杆无损检测进行了探讨。
关键词: 锚杆锚固技术；无损检测；曲线分析
锚杆无损检测的理论基础和方法更接近一维波动方程的假设条件。应力波检测法不会对锚杆产生破坏作用,适宜对锚杆进行大面积的质量检测,研究和应用锚杆无损检测技术十分必要和具有重要意义。
1工程试验概况
1.1工程概况
某博物馆工程位于广东江门,拟建物为1栋地上地下各2层的经营用房及博物馆,拟采用框架结构、独立基础,设计地下室底标高-6.7m,场地标高3.40～6.03m,基坑周长约326m,基坑开挖深度约10.0m。
拟建场地地形平坦,地貌类型为剥蚀斜坡,后经人工整平。基坑开挖深度范围内地层共有4层:①杂填土:层厚0.6～3.0m;②中粗砂:层厚0.5～2.8m;③强风化花岗岩:厚3.5～5.1m;④微风化花岗岩:揭露层厚3.7～4.8m。
1.2锚杆无损检测试验方案的设计
1.2.1检测原理
在锚杆端部竖向激振,弹性波沿着杆体传播,其周围水泥浆存在明显波阻抗界面时将产生反射波。因此,通过附在钢筋孔口处或水泥浆上的加速度传感器检测弹性波的传播和反射信号,经接收、放大和数据处理,可识别来自不同部位的反射信息,据此分析缺陷位置,评价水泥浆的完整性以及施工锚杆的长度。该理论及方法已广泛地应用于工程基桩测试,形成了较为完善的硬件和软件系统。
1.2.2检测仪器及设备
本工程采用成都工程检测研究所研制的最新产品ZK7E便携式智能测桩仪。该仪器为目前国内较为先进的桩基检测小应变仪器,它具有体积小、精度高、携带方便等特点,是目前较为理想的桩基检测仪器。
1.2.3试验锚杆分类及仪器安装
共制作4根试验锚杆,分别编号为1～4,参数见表1。
表1 无损检测试验锚杆参数
1.3锚杆无损检测试验过程
(1)试验锚杆位置
试验锚杆设置选取在基坑南面边坡,锚杆编号东侧为1号,西侧为2号)及西面边坡,锚杆编号北侧为3号,南侧为4号)第2层,制作水泥浆完整锚杆、带缺陷试验锚杆共4根(2-2断面2层锚杆2根,4-4断面2层锚杆2根),灌注水泥浆1周待其凝固,采用应力波反射法进行无损检测,测试其锚固体饱满度及施工锚杆长度,用于深基坑工程的信息施工。
(2)缺陷试验锚杆制作
选取长12m(2号锚杆)、15m(4号锚杆)各1根锚杆钢筋,在锚固端绑扎长度10cm、厚度10cm的塑料泡沫来模拟空腔缺陷,绑扎位置提前设计好,为防止在插筋过程中被孔壁卡住或摩擦掉落,用水泥编织袋碎片包裹,成孔、插筋后,用白油漆标注编号,以便于识别。
(3)现场锚杆测试
试验锚杆制作养护1周后,安装仪器现场测试。测试中应注意的问题:
①加速度传感器的安装。加速度传感器与锚杆的耦合是非常重要的。若安装方式不当,将会引起寄生振动;粘结状态不好,将会降低传感器的安装谐振频率,严重的还制约加速度传感器的有效使用频率,使测试失败。本试验在钢筋或水泥浆表面打磨成平面,去除浮浆膜、灰尘,用101高强胶体粘结,安装实践证明效果良好。
②首脉冲的冲击。首脉冲的好坏对锚杆锚固质量的评价有着直接的影响。理想的首脉冲应为半正弦波,且无反冲现象。要获得这一理想的首脉冲,可以从以下几个方面着手:一是传感器的安装位置一定要适合,以获得最小反冲甚至无反冲;二是传感器的耦合质量一定要高,不能降低其工作频范;三是敲击时落锤要落到实处,动作干脆利落,以尽量使首脉冲狭窄且符合半正弦规律。
③每根锚杆反复测试多次,直至3个波形大致重复为止。
2 试验曲线分析
2.1 试验时域曲线采集及分析
(1)1号锚杆,完整性好,水泥浆饱满无缺陷,长度12m,实测波形见图1。
图2 1号锚杆的实测波形及杆体对照
从图1测试结果可以看出,实测桩长12.299m,长度测试误差为+2.49%。在锚固体的底端,锚杆轴向广义波阻抗减小,故反射系数小于0,底端反射与初始波反相。由于反射波被传感器接受的方向是反射波再一次在杆顶的反射,故被传感器记录的锚杆底反射波与入射波同相。波形规则,振幅能量呈指数衰减,应力波在锚杆全长内基本无反射。应力波在锚固体中的双程走时t=2L/C=0.03155s。图1中入射波、岩层阻力及锚杆底反射波特征均与实际情形较好地吻合。
(2)3号锚杆,完整性好,水泥浆饱满无缺陷,长度15m,实测波形如图2所示。
从图2可以看出,测试长度15.153m,长度测试误差+1.0%。由于使用了铁锤敲击,提高了荷载力,波速有所提高,应力波在锚固体中的双程走时t=2L/C=0.0168s,虽然比1号锚杆长度增加,但耗时却减少。由图2可见,波形规则,锚杆内端反射波易于判断。
(3)2号锚杆,完整性差,水泥浆缺陷距离杆端5.6m,泡沫长度约10cm,锚杆长度15m,实测波形见图3。
从图3可以看出,在锚杆底部反射信号到达之前,响应曲线的幅值衰减存在畸变(不符合衰减规律),存在反射波的叠加,锚固体内必存在缺陷。缺陷的性质或波阻抗分界面的性质决定了反射的极性。
奇次反射信号和偶次反射信号均为同相反射,说明该处的波阻抗减小,可能由锚固体中水泥浆的空腔原因引起。2号锚杆缺陷的位置χ0=5.64m,位置误差±0.04m.从图3中可以读出实测桩11.78m,测试误差为-1.83%.应力波在锚固体中的双程走时t=2L/C=0.0092s.
(4)4号锚杆,完整性差,第一个水泥浆缺陷距离杆端10.0m,第二个水泥浆缺陷距离杆端12.0m,泡沫长度约10cm,锚杆长度15m,实测波形见图4.
从图4可以看出,缺陷1的位置χ1=10.13m,与预先绑扎的泡沫位置误差±0.13m.缺陷2的位置χ2=12.06m,与预先绑扎的泡沫位置误差±0.06m,实测结果与预先设置方案完全吻合.从结果可以看出实测桩长14.954m,测试误差为-0.31%.应力波在锚固体中的双程走时t=2L/C=0.0229s.
2.2 锚杆无损检测试验结果分析
(1)从图1和图2可以看出,注浆密实无缺陷的锚杆波形规则,锚杆杆端反射波易于判断.弹性波在钢筋的端部有十分明显的反射波,且与首波同相位,而在钢筋的其他部位,波的传播基本为直线,说明当钢筋周围为均匀介质时,不产生反射波,传播速度均匀.从图中可以读出锚杆长度、应力波到达顶端、底端时间、反射处的瞬时波速以及复合杆体中的平均波速,波速的大小和变化能够反映水泥浆的密实程度情况.
(2)从图3和图4可以看出,水泥浆存在缺陷的锚杆,波形在缺陷位置存在明显反射,或出现不规律波形.砂浆缺陷是指砂浆在钻孔中某处存在如空浆、不饱满或欠密实或轻微离析等.当曲线中某段的波形出现严重的衰减时,则判断为空浆,是因为空浆段一般为空气,介质相对均匀,空浆段反射波很弱;当波形某段反射波振幅时大时小时,则判断为该段有少量砂浆或者一半浆;当砂浆有局部缺陷时,围裹在钢筋周围的介质不均匀,将产生强烈的反射波信号或者引起该部位波形畸变,这时可判断为局部砂浆不饱满或者欠密实或者轻微离析,由于钢筋、水泥浆和岩石三者的波阻抗有明显的差别,因此反射波信号一般较明显.
(3)将锚杆1号与2号、3号与4号分别对比,可以得出结论:完整性好的锚杆,波形规则,有规律,杆顶、杆底反射信号明显,与首波信号同相;水泥浆不饱满、完整性差或存在缺陷的锚杆,杆体内波速时大时小,不规律,严重缺陷处反射明显,波形产生畸变,幅值衰减严重,由此可以判断注浆的饱满程度和缺陷位置.
3 结束语
总之，应力波反射法检测桩身完整性具有省时、快捷、简便及经济等优点，对其现有技术普及和推广在保证桩基工程质量、加快施工进度等方面起到积极的作用。
参考文献
[1] 李志辉 李亮 李建生，应力波法锚杆无损检测技术研究[J]测绘科学，2009.01
关键词: 锚杆锚固技术；无损检测；曲线分析
锚杆无损检测的理论基础和方法更接近一维波动方程的假设条件。应力波检测法不会对锚杆产生破坏作用,适宜对锚杆进行大面积的质量检测,研究和应用锚杆无损检测技术十分必要和具有重要意义。
1工程试验概况
1.1工程概况
某博物馆工程位于广东江门,拟建物为1栋地上地下各2层的经营用房及博物馆,拟采用框架结构、独立基础,设计地下室底标高-6.7m,场地标高3.40～6.03m,基坑周长约326m,基坑开挖深度约10.0m。
拟建场地地形平坦,地貌类型为剥蚀斜坡,后经人工整平。基坑开挖深度范围内地层共有4层:①杂填土:层厚0.6～3.0m;②中粗砂:层厚0.5～2.8m;③强风化花岗岩:厚3.5～5.1m;④微风化花岗岩:揭露层厚3.7～4.8m。
1.2锚杆无损检测试验方案的设计
1.2.1检测原理
在锚杆端部竖向激振,弹性波沿着杆体传播,其周围水泥浆存在明显波阻抗界面时将产生反射波。因此,通过附在钢筋孔口处或水泥浆上的加速度传感器检测弹性波的传播和反射信号,经接收、放大和数据处理,可识别来自不同部位的反射信息,据此分析缺陷位置,评价水泥浆的完整性以及施工锚杆的长度。该理论及方法已广泛地应用于工程基桩测试,形成了较为完善的硬件和软件系统。
1.2.2检测仪器及设备
本工程采用成都工程检测研究所研制的最新产品ZK7E便携式智能测桩仪。该仪器为目前国内较为先进的桩基检测小应变仪器,它具有体积小、精度高、携带方便等特点,是目前较为理想的桩基检测仪器。
1.2.3试验锚杆分类及仪器安装
共制作4根试验锚杆,分别编号为1～4,参数见表1。
表1 无损检测试验锚杆参数
1.3锚杆无损检测试验过程
(1)试验锚杆位置
试验锚杆设置选取在基坑南面边坡,锚杆编号东侧为1号,西侧为2号)及西面边坡,锚杆编号北侧为3号,南侧为4号)第2层,制作水泥浆完整锚杆、带缺陷试验锚杆共4根(2-2断面2层锚杆2根,4-4断面2层锚杆2根),灌注水泥浆1周待其凝固,采用应力波反射法进行无损检测,测试其锚固体饱满度及施工锚杆长度,用于深基坑工程的信息施工。
(2)缺陷试验锚杆制作
选取长12m(2号锚杆)、15m(4号锚杆)各1根锚杆钢筋,在锚固端绑扎长度10cm、厚度10cm的塑料泡沫来模拟空腔缺陷,绑扎位置提前设计好,为防止在插筋过程中被孔壁卡住或摩擦掉落,用水泥编织袋碎片包裹,成孔、插筋后,用白油漆标注编号,以便于识别。
(3)现场锚杆测试
试验锚杆制作养护1周后,安装仪器现场测试。测试中应注意的问题:
①加速度传感器的安装。加速度传感器与锚杆的耦合是非常重要的。若安装方式不当,将会引起寄生振动;粘结状态不好,将会降低传感器的安装谐振频率,严重的还制约加速度传感器的有效使用频率,使测试失败。本试验在钢筋或水泥浆表面打磨成平面,去除浮浆膜、灰尘,用101高强胶体粘结,安装实践证明效果良好。
②首脉冲的冲击。首脉冲的好坏对锚杆锚固质量的评价有着直接的影响。理想的首脉冲应为半正弦波,且无反冲现象。要获得这一理想的首脉冲,可以从以下几个方面着手:一是传感器的安装位置一定要适合,以获得最小反冲甚至无反冲;二是传感器的耦合质量一定要高,不能降低其工作频范;三是敲击时落锤要落到实处,动作干脆利落,以尽量使首脉冲狭窄且符合半正弦规律。
③每根锚杆反复测试多次,直至3个波形大致重复为止。
2 试验曲线分析
2.1 试验时域曲线采集及分析
(1)1号锚杆,完整性好,水泥浆饱满无缺陷,长度12m,实测波形见图1。
图2 1号锚杆的实测波形及杆体对照
从图1测试结果可以看出,实测桩长12.299m,长度测试误差为+2.49%。在锚固体的底端,锚杆轴向广义波阻抗减小,故反射系数小于0,底端反射与初始波反相。由于反射波被传感器接受的方向是反射波再一次在杆顶的反射,故被传感器记录的锚杆底反射波与入射波同相。波形规则,振幅能量呈指数衰减,应力波在锚杆全长内基本无反射。应力波在锚固体中的双程走时t=2L/C=0.03155s。图1中入射波、岩层阻力及锚杆底反射波特征均与实际情形较好地吻合。
(2)3号锚杆,完整性好,水泥浆饱满无缺陷,长度15m,实测波形如图2所示。
从图2可以看出,测试长度15.153m,长度测试误差+1.0%。由于使用了铁锤敲击,提高了荷载力,波速有所提高,应力波在锚固体中的双程走时t=2L/C=0.0168s,虽然比1号锚杆长度增加,但耗时却减少。由图2可见,波形规则,锚杆内端反射波易于判断。
(3)2号锚杆,完整性差,水泥浆缺陷距离杆端5.6m,泡沫长度约10cm,锚杆长度15m,实测波形见图3。
从图3可以看出,在锚杆底部反射信号到达之前,响应曲线的幅值衰减存在畸变(不符合衰减规律),存在反射波的叠加,锚固体内必存在缺陷。缺陷的性质或波阻抗分界面的性质决定了反射的极性。
奇次反射信号和偶次反射信号均为同相反射,说明该处的波阻抗减小,可能由锚固体中水泥浆的空腔原因引起。2号锚杆缺陷的位置χ0=5.64m,位置误差±0.04m.从图3中可以读出实测桩11.78m,测试误差为-1.83%.应力波在锚固体中的双程走时t=2L/C=0.0092s.
(4)4号锚杆,完整性差,第一个水泥浆缺陷距离杆端10.0m,第二个水泥浆缺陷距离杆端12.0m,泡沫长度约10cm,锚杆长度15m,实测波形见图4.
从图4可以看出,缺陷1的位置χ1=10.13m,与预先绑扎的泡沫位置误差±0.13m.缺陷2的位置χ2=12.06m,与预先绑扎的泡沫位置误差±0.06m,实测结果与预先设置方案完全吻合.从结果可以看出实测桩长14.954m,测试误差为-0.31%.应力波在锚固体中的双程走时t=2L/C=0.0229s.
2.2 锚杆无损检测试验结果分析
(1)从图1和图2可以看出,注浆密实无缺陷的锚杆波形规则,锚杆杆端反射波易于判断.弹性波在钢筋的端部有十分明显的反射波,且与首波同相位,而在钢筋的其他部位,波的传播基本为直线,说明当钢筋周围为均匀介质时,不产生反射波,传播速度均匀.从图中可以读出锚杆长度、应力波到达顶端、底端时间、反射处的瞬时波速以及复合杆体中的平均波速,波速的大小和变化能够反映水泥浆的密实程度情况.
(2)从图3和图4可以看出,水泥浆存在缺陷的锚杆,波形在缺陷位置存在明显反射,或出现不规律波形.砂浆缺陷是指砂浆在钻孔中某处存在如空浆、不饱满或欠密实或轻微离析等.当曲线中某段的波形出现严重的衰减时,则判断为空浆,是因为空浆段一般为空气,介质相对均匀,空浆段反射波很弱;当波形某段反射波振幅时大时小时,则判断为该段有少量砂浆或者一半浆;当砂浆有局部缺陷时,围裹在钢筋周围的介质不均匀,将产生强烈的反射波信号或者引起该部位波形畸变,这时可判断为局部砂浆不饱满或者欠密实或者轻微离析,由于钢筋、水泥浆和岩石三者的波阻抗有明显的差别,因此反射波信号一般较明显.
(3)将锚杆1号与2号、3号与4号分别对比,可以得出结论:完整性好的锚杆,波形规则,有规律,杆顶、杆底反射信号明显,与首波信号同相;水泥浆不饱满、完整性差或存在缺陷的锚杆,杆体内波速时大时小,不规律,严重缺陷处反射明显,波形产生畸变,幅值衰减严重,由此可以判断注浆的饱满程度和缺陷位置.
3 结束语
总之，应力波反射法检测桩身完整性具有省时、快捷、简便及经济等优点，对其现有技术普及和推广在保证桩基工程质量、加快施工进度等方面起到积极的作用。
参考文献
[1] 李志辉 李亮 李建生，应力波法锚杆无损检测技术研究[J]测绘科学，2009.01