工程锚杆注浆质量无损检测技术研究与应用
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在钢筋端部竖向激振，弹性波沿着钢筋传播， 其周围砂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的检波器检测弹性波的 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， 评价砂浆的完整性。
该理论及方法已广泛的应用于工程基桩测试， 已形成了较为完善的硬件和软件系统。由于锚杆的 长径比远远大于基桩的长径比，因此，该理论基础 和方法更接近一维波动方程的假设条件，而且，波 在锚杆这种较为均匀介质中的滑行和反射比在混凝
第 24 卷增刊 2003 年 10 月
文章编号：1000－7598－(2003)增―0189―06
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.24 增 1 Oct. 2003
工程锚杆注浆质量无损检测技术研究与应用
李维树 １ ，甘国权 １ ，朱容国 ２ ，汪天翼 １
（1. 长江科学院 重庆岩基研究中心， 重庆 410014；2. 湖北清江开发有限公司， 湖北 宜昌 443002）
参照锚杆的参数设置最佳的采样参数，采样长 度应为锚杆实际长度的 2～4 倍。
将检波器牢固于孔口的钢筋上，在钢筋外端用 普通力锤锤击，每根锚杆反复测试多次，直至 3 个 波形重复为止。
5 模型锚杆制作
在室内制作 5 根砂浆模型锚杆和现场制作 16 根模型锚杆，制作工艺严格控制。锚杆直径φ25 mm，砂浆强度等级为 M30。在模型中制作一些人 为缺陷，为便于判别，缺陷设计为空浆。室内模型 锚杆砂浆厚度为 40 cm，钢筋埋入砂浆长度为 6.5 m。现场模型锚杆孔深约 8 m，锚杆长 9 m，锚 固长度左 8 m 左右。各根锚杆模型情况如表 1 所 示。
摘 要： 采用应力波一维波动理论，对清江水布垭工地 21 根模型锚杆和 74 根工程锚杆进行了测试与研究，初步形
成了工程锚杆无损检测方法，建立了波形特征与锚杆注浆密实度之间的关系，并从锚杆的有效锚固长度、注浆密实度
及缺陷大小和位置三个方面评价锚杆的施工质量，确定了该工程锚杆无损检测验收标准。
关 键 词： 工程锚杆；无损检测；注浆密实度；有效锚固长度；缺陷；验收标准
钢筋长度 7.03 m，则钢筋在空气中的波速为 5 185 m/s。 6.2 注浆密实的锚杆的波形特征
在模型锚杆中，有目的地制作了无缺陷的锚 杆，满浆无缺陷的砂浆锚杆有 1 根，满浆无缺陷的 岩石锚杆有 2 根。实测波形见图 3 所示。
由图可见，注浆密实无缺陷的锚杆波形规则， 锚杆内端反射波易于判断。根据已知长度和钢筋内 端反射波的位置计算波在复合介质中的波速分别为 5 224，5 395 m/s，因此，1#~16# 岩石模型锚杆的 综合波速取 5 400 m/s。17#～21# 砂浆锚杆的综合 波速取 5 200 m/s， 6.3 注浆不满的锚杆的波形特征
4～8
50
4.51～8.06 56 8.06
6～8
75
6.68～8.04 77 8.04
6～8
75
3.92～5.80 77 8.10
注浆不满的锚杆实测典型曲线如图 4 所示。 当弹性波在有空浆的缺陷锚杆中传播时，空浆 段反射波很弱，这是因为空浆段一般为空气，介质 相对均匀；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；在钢筋内端，由于钢筋、砂浆和 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。一般施工中，下斜或者水平孔的孔 底都存在少量的残碴，朝天孔或者上斜孔孔底存在 少量的空气。 6.4 评价锚杆质量的参数 （1）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，则判断为空浆；当波 形某段反射波振幅时大时小，判断为该段有少量砂
75
9
9
7.71
10
9
8.22
4.2～8.2
50
11
9
8.19
12
9
13
9
14
9
15
9
16Байду номын сангаас
9
17
7
18
7
19
7
20
7
21
7
8.37
8.2
6.2～8.2
75
8.3
8.2
0～2
50
8.17
6.54
无
100
6.56
1～2
70
6.57
1～2，4.6～5.6
38
6.56
1～3
54
6.55
4.5～6.5
70
6 模型锚杆测试成果及分析
Abstract: Based on one－dimensional wave theory, tests and stud ies for 21 model anchor bars and 74 engineering anchor bars have been carried through. Non－destructive detection method for engineering anchor bars has been formed basically. Relationship between wave character and compactness of grouting has been constituted. From anchoring length, compactness of grouting, and size and position of flaw, a standard of non-destructive detection for this project has been confirmed. Key words: engineering anchor bars；non－destructive detection；compactness of grouting；anchoring length；flaw；standard of detection
1前言
在水利水电工程、城市建设、公路铁路建设等 工程中，大量的采用喷锚支护技术，锚杆的施工质 量直接影响着洞室或边坡的安全稳定。锚杆的施工 属于隐蔽工程，锚杆的有效长度、砂浆的密实度及 砂浆的灌注缺陷越来越受到工程技术人员的关注。
国内水利水电工程中仅对个别工程采用无损 检测的方法评价锚杆的注浆质量，检测采用超声波 原理及超声波系列设备，尚处于探索阶段，测试效 果不理想。铁道部某部门曾经对隧道锚杆进行过锚 杆注浆密实度检测方法及设备的研制开发，但设备 简陋，智能化程度低，且只能检测 4 m 以内的锚杆。 国外瑞典某公司研发的锚杆专用仪，实际上也是利 用超声波原理，锚杆检测的最大长度也小于 4 m，
1～3
75
3.60～5.20 79 7.98
1～3
75
1.0～3.15 73 7.93
2～4
75
3.40～5.60 73 8.07
2～4
75
4.26～5.77 77 8.18
2～4
75
2.22～5.88 76 8.18
4～8
50
3.50～7.78 45 7.78
4～8
50
4.08～7.55 54 7.55
2 研究技术路线
研究方法及技术路线见图 1 所示流程图。
作者简介：李维树，男，1964 年生，1992 年毕业于武汉大学，高级工程师，主要从事岩石力学测试与研究工作。
190
岩土力学
2003 年
土这种非均匀介质中滑行和反射更显得单纯，易于 准确的判别反射波信号。
4 检测设备及方法
3 检测原理及理论基础[2～4]
水工锚杆一般为全长粘结型，长度为 5～10 m， 钢筋直径Ф25～32 mm，因此，锚固系统（钢筋和 砂浆）可以视为一维杆体。根据应力波理论及弹性 波反射原理，可以推导出弹性波在锚杆系统中的波 动方程为
∂2u ∂t 2
−C2
∂ 2u ∂X 2
=0
（1）
式中 u 为 X 方向某点位移；t 为波的传播时间；C 为纵波在复合介质中的传播速度，C2＝E/ρ，ρ为 密度；E 为弹性模量。
编号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
缺陷设置 位置/ m
设置砂浆密 实度/ %
实测砂浆缺 陷位置/ m
实测砂 实测锚 浆密实 杆有效 度/ % 长度/ m
100 无
无
100 7.7
100
局部
90 8.36
1～3
75
1.19～2.81 73
7.7
中图分类号： TV 233；TU 459+.3
文献标识码： A
Research on application of non-destructive detection technique to quality of grouting for engineering anchor bars
LI Wei-shu1，GAN Guo-quan1，ZHU Rong-guo2，WANG Tian-yi1
（1. Rock Foundation Division of Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China； 2. Hubei Qingjiang Hydropower Development Corp. Ltd., Yichang 443002）
适用范围有限。这些设备和检测方法能定性对砂浆 密实度作出评价，但不能指出砂浆不饱满或不密实 的部位及大小，量程和精度均不能满足水利水电工 程的需要。
工程锚杆有锚固型、摩擦型及全长粘结型锚杆 三种，规范[1]要求对锚固型和摩擦型锚杆须进行一 定数量的原位抗拔试验，以检验锚杆的抗拔力，对 全长粘结型锚杆应检查砂浆密实度，且注浆密实度 大于 75 %为合格。水利水电工程中的锚杆大多数 为全长粘结型锚杆，因此，如何检验全长粘结型锚 杆的有效锚固长度及注浆密实度是值得研究和完善 的关键课题。
192
岩土力学
2003 年
现象时，每个畸变点缺陷长度按 5～10 cm 计算。 6.5 模型锚杆测试成果与分析
根据 6.1~6.4 节分析结果，对 21 根模型锚杆实 测波形进行分析判断和计算，测试成果见表 2。
表 2 模型锚杆测试成果 Table 2 Results of model anchors
4.1 检测设备 检测设备采用低应变反射波法应用程序及
RSM24FD 基桩低应变浮点检测仪，整个系统与计 算机联接，且自动采集。该系统的特点是浮点法采 集，克服了震源能量对波信号幅值影响，具有频谱 分析、高通、低通滤波任意设置速度、测量范围设 置等，传播时间分辨率为 0.01μs。
检波器为灵敏度高、频带范围宽、线性动态范 围 大 微 型 加 速 度 传 感 器 。 其 频 率 范 围 为 1 ～ 2.5 kHz，电荷灵敏度为 595 pc/g，信号传递误差小 于 10 %。采用自行加工的钢坏在孔口与钢筋刚性 接触，使波的传递特性更好。 4.2 击振方式
表 1 工程模型锚杆有关参数 Table 1 Parameters of model anchor bars
编号 锚筋长度 /m
1
9
2
9
3
9
4
9
5
9
6
9
7
9
8
9
锚固长度 /m 7.85 8.14
7.9 7.9 8.0
8.1 8.23 8.24
缺陷位置 /m 无
1～3
3～5
砂浆密实度 /% 100
75
采用击振点与接收传感器分离的方法，避免钢 筋外端余振对接收信号的影响。击振方式采用普通 的力锤，击振点位于钢筋的外端，击振方向平行于 钢筋且位于钢筋的中轴线。由于采用浮点自动采集 仪，击振的力度对反射波幅值影响不大。因此，击 振力度适中即可。
经现场对比测试研究，将换能器固定于孔口钢 筋上，击振点置于钢筋外端，从而，克服了外露钢 筋长度不一致、钢筋端头不规则，手持传感器等带 来的误差，提高了测试成果的可靠度。 4.3 检测方法
增刊
李维树等：工程锚杆注浆质量无损检测技术研究与应用
191
同时，在地下厂房置换洞的边墙及洞顶，模拟 与设计要求的施工参数及方法完全相同的条件进行 施工，制作了 41 根锚杆。锚杆为全长粘结型，钢筋 长度为 9 m，锚杆直径φ25 mm，锚固长度 8～9 m， 锚杆钻孔直径φ750 mm，砂浆强度等级为 M20。
6.1 裸钢筋波形特征 将φ25 mm×7 m 工程锚杆置于空气中，用隔
声材料与其它介质隔离，震源和检波器置于钢筋的 同一端，锤击并检测波在钢筋中的传播规律，测试 曲线见图 2 示。可见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，而在钢筋的其它部 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。实际钢筋长度 7 m，实测
该理论及方法已广泛的应用于工程基桩测试， 已形成了较为完善的硬件和软件系统。由于锚杆的 长径比远远大于基桩的长径比，因此，该理论基础 和方法更接近一维波动方程的假设条件，而且，波 在锚杆这种较为均匀介质中的滑行和反射比在混凝
第 24 卷增刊 2003 年 10 月
文章编号：1000－7598－(2003)增―0189―06
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.24 增 1 Oct. 2003
工程锚杆注浆质量无损检测技术研究与应用
李维树 １ ，甘国权 １ ，朱容国 ２ ，汪天翼 １
（1. 长江科学院 重庆岩基研究中心， 重庆 410014；2. 湖北清江开发有限公司， 湖北 宜昌 443002）
参照锚杆的参数设置最佳的采样参数，采样长 度应为锚杆实际长度的 2～4 倍。
将检波器牢固于孔口的钢筋上，在钢筋外端用 普通力锤锤击，每根锚杆反复测试多次，直至 3 个 波形重复为止。
5 模型锚杆制作
在室内制作 5 根砂浆模型锚杆和现场制作 16 根模型锚杆，制作工艺严格控制。锚杆直径φ25 mm，砂浆强度等级为 M30。在模型中制作一些人 为缺陷，为便于判别，缺陷设计为空浆。室内模型 锚杆砂浆厚度为 40 cm，钢筋埋入砂浆长度为 6.5 m。现场模型锚杆孔深约 8 m，锚杆长 9 m，锚 固长度左 8 m 左右。各根锚杆模型情况如表 1 所 示。
摘 要： 采用应力波一维波动理论，对清江水布垭工地 21 根模型锚杆和 74 根工程锚杆进行了测试与研究，初步形
成了工程锚杆无损检测方法，建立了波形特征与锚杆注浆密实度之间的关系，并从锚杆的有效锚固长度、注浆密实度
及缺陷大小和位置三个方面评价锚杆的施工质量，确定了该工程锚杆无损检测验收标准。
关 键 词： 工程锚杆；无损检测；注浆密实度；有效锚固长度；缺陷；验收标准
钢筋长度 7.03 m，则钢筋在空气中的波速为 5 185 m/s。 6.2 注浆密实的锚杆的波形特征
在模型锚杆中，有目的地制作了无缺陷的锚 杆，满浆无缺陷的砂浆锚杆有 1 根，满浆无缺陷的 岩石锚杆有 2 根。实测波形见图 3 所示。
由图可见，注浆密实无缺陷的锚杆波形规则， 锚杆内端反射波易于判断。根据已知长度和钢筋内 端反射波的位置计算波在复合介质中的波速分别为 5 224，5 395 m/s，因此，1#~16# 岩石模型锚杆的 综合波速取 5 400 m/s。17#～21# 砂浆锚杆的综合 波速取 5 200 m/s， 6.3 注浆不满的锚杆的波形特征
4～8
50
4.51～8.06 56 8.06
6～8
75
6.68～8.04 77 8.04
6～8
75
3.92～5.80 77 8.10
注浆不满的锚杆实测典型曲线如图 4 所示。 当弹性波在有空浆的缺陷锚杆中传播时，空浆 段反射波很弱，这是因为空浆段一般为空气，介质 相对均匀；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；在钢筋内端，由于钢筋、砂浆和 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。一般施工中，下斜或者水平孔的孔 底都存在少量的残碴，朝天孔或者上斜孔孔底存在 少量的空气。 6.4 评价锚杆质量的参数 （1）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，则判断为空浆；当波 形某段反射波振幅时大时小，判断为该段有少量砂
75
9
9
7.71
10
9
8.22
4.2～8.2
50
11
9
8.19
12
9
13
9
14
9
15
9
16Байду номын сангаас
9
17
7
18
7
19
7
20
7
21
7
8.37
8.2
6.2～8.2
75
8.3
8.2
0～2
50
8.17
6.54
无
100
6.56
1～2
70
6.57
1～2，4.6～5.6
38
6.56
1～3
54
6.55
4.5～6.5
70
6 模型锚杆测试成果及分析
Abstract: Based on one－dimensional wave theory, tests and stud ies for 21 model anchor bars and 74 engineering anchor bars have been carried through. Non－destructive detection method for engineering anchor bars has been formed basically. Relationship between wave character and compactness of grouting has been constituted. From anchoring length, compactness of grouting, and size and position of flaw, a standard of non-destructive detection for this project has been confirmed. Key words: engineering anchor bars；non－destructive detection；compactness of grouting；anchoring length；flaw；standard of detection
1前言
在水利水电工程、城市建设、公路铁路建设等 工程中，大量的采用喷锚支护技术，锚杆的施工质 量直接影响着洞室或边坡的安全稳定。锚杆的施工 属于隐蔽工程，锚杆的有效长度、砂浆的密实度及 砂浆的灌注缺陷越来越受到工程技术人员的关注。
国内水利水电工程中仅对个别工程采用无损 检测的方法评价锚杆的注浆质量，检测采用超声波 原理及超声波系列设备，尚处于探索阶段，测试效 果不理想。铁道部某部门曾经对隧道锚杆进行过锚 杆注浆密实度检测方法及设备的研制开发，但设备 简陋，智能化程度低，且只能检测 4 m 以内的锚杆。 国外瑞典某公司研发的锚杆专用仪，实际上也是利 用超声波原理，锚杆检测的最大长度也小于 4 m，
1～3
75
3.60～5.20 79 7.98
1～3
75
1.0～3.15 73 7.93
2～4
75
3.40～5.60 73 8.07
2～4
75
4.26～5.77 77 8.18
2～4
75
2.22～5.88 76 8.18
4～8
50
3.50～7.78 45 7.78
4～8
50
4.08～7.55 54 7.55
2 研究技术路线
研究方法及技术路线见图 1 所示流程图。
作者简介：李维树，男，1964 年生，1992 年毕业于武汉大学，高级工程师，主要从事岩石力学测试与研究工作。
190
岩土力学
2003 年
土这种非均匀介质中滑行和反射更显得单纯，易于 准确的判别反射波信号。
4 检测设备及方法
3 检测原理及理论基础[2～4]
水工锚杆一般为全长粘结型，长度为 5～10 m， 钢筋直径Ф25～32 mm，因此，锚固系统（钢筋和 砂浆）可以视为一维杆体。根据应力波理论及弹性 波反射原理，可以推导出弹性波在锚杆系统中的波 动方程为
∂2u ∂t 2
−C2
∂ 2u ∂X 2
=0
（1）
式中 u 为 X 方向某点位移；t 为波的传播时间；C 为纵波在复合介质中的传播速度，C2＝E/ρ，ρ为 密度；E 为弹性模量。
编号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
缺陷设置 位置/ m
设置砂浆密 实度/ %
实测砂浆缺 陷位置/ m
实测砂 实测锚 浆密实 杆有效 度/ % 长度/ m
100 无
无
100 7.7
100
局部
90 8.36
1～3
75
1.19～2.81 73
7.7
中图分类号： TV 233；TU 459+.3
文献标识码： A
Research on application of non-destructive detection technique to quality of grouting for engineering anchor bars
LI Wei-shu1，GAN Guo-quan1，ZHU Rong-guo2，WANG Tian-yi1
（1. Rock Foundation Division of Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China； 2. Hubei Qingjiang Hydropower Development Corp. Ltd., Yichang 443002）
适用范围有限。这些设备和检测方法能定性对砂浆 密实度作出评价，但不能指出砂浆不饱满或不密实 的部位及大小，量程和精度均不能满足水利水电工 程的需要。
工程锚杆有锚固型、摩擦型及全长粘结型锚杆 三种，规范[1]要求对锚固型和摩擦型锚杆须进行一 定数量的原位抗拔试验，以检验锚杆的抗拔力，对 全长粘结型锚杆应检查砂浆密实度，且注浆密实度 大于 75 %为合格。水利水电工程中的锚杆大多数 为全长粘结型锚杆，因此，如何检验全长粘结型锚 杆的有效锚固长度及注浆密实度是值得研究和完善 的关键课题。
192
岩土力学
2003 年
现象时，每个畸变点缺陷长度按 5～10 cm 计算。 6.5 模型锚杆测试成果与分析
根据 6.1~6.4 节分析结果，对 21 根模型锚杆实 测波形进行分析判断和计算，测试成果见表 2。
表 2 模型锚杆测试成果 Table 2 Results of model anchors
4.1 检测设备 检测设备采用低应变反射波法应用程序及
RSM24FD 基桩低应变浮点检测仪，整个系统与计 算机联接，且自动采集。该系统的特点是浮点法采 集，克服了震源能量对波信号幅值影响，具有频谱 分析、高通、低通滤波任意设置速度、测量范围设 置等，传播时间分辨率为 0.01μs。
检波器为灵敏度高、频带范围宽、线性动态范 围 大 微 型 加 速 度 传 感 器 。 其 频 率 范 围 为 1 ～ 2.5 kHz，电荷灵敏度为 595 pc/g，信号传递误差小 于 10 %。采用自行加工的钢坏在孔口与钢筋刚性 接触，使波的传递特性更好。 4.2 击振方式
表 1 工程模型锚杆有关参数 Table 1 Parameters of model anchor bars
编号 锚筋长度 /m
1
9
2
9
3
9
4
9
5
9
6
9
7
9
8
9
锚固长度 /m 7.85 8.14
7.9 7.9 8.0
8.1 8.23 8.24
缺陷位置 /m 无
1～3
3～5
砂浆密实度 /% 100
75
采用击振点与接收传感器分离的方法，避免钢 筋外端余振对接收信号的影响。击振方式采用普通 的力锤，击振点位于钢筋的外端，击振方向平行于 钢筋且位于钢筋的中轴线。由于采用浮点自动采集 仪，击振的力度对反射波幅值影响不大。因此，击 振力度适中即可。
经现场对比测试研究，将换能器固定于孔口钢 筋上，击振点置于钢筋外端，从而，克服了外露钢 筋长度不一致、钢筋端头不规则，手持传感器等带 来的误差，提高了测试成果的可靠度。 4.3 检测方法
增刊
李维树等：工程锚杆注浆质量无损检测技术研究与应用
191
同时，在地下厂房置换洞的边墙及洞顶，模拟 与设计要求的施工参数及方法完全相同的条件进行 施工，制作了 41 根锚杆。锚杆为全长粘结型，钢筋 长度为 9 m，锚杆直径φ25 mm，锚固长度 8～9 m， 锚杆钻孔直径φ750 mm，砂浆强度等级为 M20。
6.1 裸钢筋波形特征 将φ25 mm×7 m 工程锚杆置于空气中，用隔
声材料与其它介质隔离，震源和检波器置于钢筋的 同一端，锤击并检测波在钢筋中的传播规律，测试 曲线见图 2 示。可见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，而在钢筋的其它部 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。实际钢筋长度 7 m，实测