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摘要：通過對我國錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)研究的歷史回顧和現(xiàn)狀分析．指出其理論研究工作的嚴(yán)重欠缺是當(dāng)前存在的主要問題，強調(diào)了模型實驗研究的重要性．指出理論研究應(yīng)與模型實驗緊密結(jié)合，二者不能偏頗。并對徹底解決錨桿錨固質(zhì)量無損檢測難題的可能萬法進(jìn)稈了探討。...

錨桿錨固質(zhì)量及無損檢測技木研究現(xiàn)狀

楊維武，劉海峰

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院．寧夏銀川  750021)

1.錨桿錨固技術(shù)殛檢測技術(shù)的歷史及現(xiàn)狀

    錨桿錨固技術(shù)可以合理地調(diào)動圍巖的自身強度和自穩(wěn)能力，具有施工簡便．成本低廉．安全迅速等顯著優(yōu)點．引起礦業(yè)和巖土工程界的廣泛關(guān)注．并且十分迅速地得到大范圍的推廣應(yīng)用。據(jù)文獻(xiàn)記載．錨桿錨固技術(shù)于1910年在美國開始使用。1912年，艾爾費維-布希(Alfmd Busch)在阿伯施萊辛(Aberschlesin)的費里登斯(Friedens)煤礦開始使用錨桿支護(hù)頂板。1915—1920年美國的金屬礦山開始使用錨桿，并有所發(fā)展和推廣。1940年后，錨桿技術(shù)在煤礦井下支護(hù)方面得到了廣泛地推廣使用據(jù)記載，在美國全面應(yīng)用錨桿支護(hù)大約是在1947—1949年，當(dāng)時錨桿的使用量是260萬根／月20世紀(jì)50年代后半期以看．其它各國開始進(jìn)行錨桿支護(hù)的研究和使用．法國1969年的錨桿使用量達(dá)570萬根：日本于1950年引進(jìn)錨桿錨固技術(shù)．由于地質(zhì)條件比較復(fù)雜和缺乏這方面的知識和經(jīng)驗．在此后的22年中沒有大量推廣使用．日本在1971年只有32個金屬礦使甩錨桿錨固，在隧道等土木工程中也僅有21處使用錨桿支護(hù)。l872年．英國首次使用錨扦技術(shù)，但第一次有記載的系統(tǒng)使用錨桿作為支護(hù)結(jié)構(gòu)是在1927年的圣約瑟夫鉛礦，直到1945年．在工程文獻(xiàn)上才出現(xiàn)有價值的關(guān)于錨桿作為一種支護(hù)系統(tǒng)的文章。從那時起錨桿錨固技術(shù)得到了迅速推廣，l971年英國錨桿使用量是5500～6500萬根。1966年，前蘇聯(lián)斯科琴斯礦業(yè)研究所開發(fā)了新型螺紋錨桿．l960～1970年問．澳大利亞的錨桿使用量每年約130萬根；1934年阿爾及利亞的舍爾法大壩加高工程中應(yīng)用了預(yù)應(yīng)力錨桿：1957年前聯(lián)邦傅國鮑爾公司在深基坑中應(yīng)用了土層錨桿[1]。。美國、澳大利亞等把錨桿作為地下開采、圍巖支護(hù)中普遍應(yīng)用的常規(guī)手段；德國、奧地利在地下工程施工中大批量使用錨桿．無論硬土層或軟土層幾乎沒有不使用錨桿的．我國巖土錨桿起始于20世紀(jì)50年代后期，當(dāng)時有京西礦務(wù)局安灘煤礦等單位使用楔縫式錨桿支護(hù)礦山巷道。進(jìn)入20世紀(jì)60年代．我國開始在礦山巷道’鐵路髓道及邊坡整治工程中大量應(yīng)用普通砂漿錨桿與噴射混凝土支護(hù)。l964年，梅山水庫的壩基加固采用了預(yù)應(yīng)力錨索。20世紀(jì)70年代．北京國際信托大廈[2]等基坑工程采用土層錨桿支護(hù)，近年來．我國巖土錨固工程的發(fā)展尤為迅速．幾乎已涉及巖石、土木工程領(lǐng)域的各個角落。礦山井巷、鐵路隧洞．地下硐室支護(hù)、巖土邊坡加固、壩基穩(wěn)定、深基坑支護(hù)滯構(gòu)抗浮與抗傾、懸索建筑的地下受拉結(jié)構(gòu)等，無不與錨固技術(shù)結(jié)下了不解之緣。與此同時，對錨桿施工質(zhì)量和工程可靠性的檢測工作要求也日益迫切。

    目前，我國錨桿錨固質(zhì)量及受力狀態(tài)的檢測仍然停留在利用液壓千斤頂進(jìn)行破壞性拉拔宴驗階段，這種檢測手段既費工又費時。更重要的是這種檢測手段對經(jīng)錨桿加固的巷道產(chǎn)生較強的擾動，降低了錨桿對圍巖的加固作用．其檢測過程對于軟巖或較破碎巖層的整體穩(wěn)定性尤為不利，因而僅限于個別抽查,所以對錨桿現(xiàn)場檢測技術(shù)的研究是礦業(yè)與巖土工程界一個亟需解決的課題。它對于安全生產(chǎn)，保障施工質(zhì)量都具有重要意義和廣闊的應(yīng)用前景。可以預(yù)料只要檢測水平達(dá)到一定程度．錨桿錨同技術(shù)將以獨特的經(jīng)濟(jì)效益、簡便的工藝、廣泛的用選、經(jīng)濟(jì)的造價．在礦業(yè)采掘與巖土工程界領(lǐng)域中顯示其旺盛的生命力。

    隨著巖石動力學(xué)的研究深入和在巖土工程中應(yīng)用的開展，以及現(xiàn)代計算機應(yīng)用的普及，使得采用無損檢測技術(shù)確定錨桿錨固質(zhì)量這一難題成為可能。在這方面，中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)所在樁基質(zhì)量檢測方面取得丁較為突出的成果，并付諸于工程實踐．取得了較為明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，對于錨桿，不論從理論上講，還是從幾何形體，材質(zhì)、受力情況等方面來講，它比樁基更符合一維彈性桿的波動理論。而且就目前煤礦上廣為使用的錨桿形式，其相對長度較樁基小得多；另外就信號接收來講，因其能量衰減較小，所以更窖易檢測。這樣，就可以措鑒樁基動測法中的小應(yīng)變法(即錘擊法)測定錨桿的錨固情況。目前這是解決錨桿錨固質(zhì)量無損檢測的一條切實可行的途徑。

    在礦業(yè)采掘與巖土工程中使用錨桿加固技術(shù)，面寬量大，且多為隱蔽工程．尋求一種能快速實時檢測錨桿錨固質(zhì)量及受力狀態(tài)的無損檢測技術(shù)，是保證圍巖加固質(zhì)量及其穩(wěn)定性的必要前提。也是我國目前巖土加固工程及礦業(yè)采掘亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。這一問題的解決，將進(jìn)一-步提高巖土錨桿加固工程施工質(zhì)量管理的有效性和科學(xué)性．為地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性榆測提供一種方便、快捷的觀察手段。在一定程度上保證利用錨桿加固技術(shù)和巖土工程及地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性．將對錨桿加固理論研究的進(jìn)一步探入，為錨桿支護(hù)施工工藝的改進(jìn)和錨桿支護(hù)技術(shù)的推廣起到有益的促進(jìn)作用。

    因此，錨桿錨固質(zhì)最的實時、無損檢測技術(shù)研究目前已是工程設(shè)計、施工和工程物理探測等專業(yè)十分關(guān)注的熱點同題。但現(xiàn)有的無損檢測技術(shù)除超聲波法和波動理論外，其他方法一時還難以用于工程實踐，而超聲渡法和波動理論解決錨桿錨固質(zhì)量榆測問題的技術(shù)能力目前還有不盡人意之處。因此，本文分析錨桿鋪固質(zhì)量無損檢測方法的研究現(xiàn)狀，找出存在問題的根本．將有助于錨桿錨固質(zhì)量實時無損檢測技術(shù)的研究．并與同行商榷。

2.錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)研究

    早在20世紀(jì)80年代，瑞典曾研究利用超聲波檢測砂漿錨桿的方法，并試制過Boltmeter versolon002檢測儀。它是利用一個由壓電晶體構(gòu)成的傳感器緊貼在錨桿外部端頭平面上，壓縮和彎曲彈性渡就會傳入錨桿體中。沿著錨桿傳播的波．部分能量要通過灌漿體進(jìn)入巖石，因此波幅要減小。波在錨桿的里端要發(fā)生反射．反射渡將由錨桿外端的壓電晶體接收記錄。如果錨桿周圍灌漿體完全填滿．也就是錨同質(zhì)最好，則反射渡的幅度就比灌漿不足或灌漿不良時要衰減得更多；因此，灌漿良好的情況下，反射波的幅值比灌漿質(zhì)最差的情況要小。但該方法存在兩大問題：一是采用超聲波，衰減嚴(yán)重，只能適用于短錨桿，而且要求錨固介質(zhì)單一。而現(xiàn)場錨桿種類繁多，介質(zhì)多樣，長度變化范圍也較大；二是對錨桿端頭要求苛刻，即在現(xiàn)場要對錨桿端頭重新機械加工打磨平整，壓電晶體才能將超聲波發(fā)射耦合進(jìn)入桿體。該方法影響因索多，僅量測反射波幅值大小不可靠．而且在現(xiàn)場難以做到，故未能投入應(yīng)用。

    20世紀(jì)80年代末，為了既滿足檢測要求．又不損壞樹脂錨桿的錨固效果．美國礦業(yè)局研制了一種頂板錨桿粘結(jié)力測定僅[4]。用這種測定儀測試安裝好的錨桿時．不會對錨固力產(chǎn)生破壞作用。該儀器的特點是重量輕、體積小、使用方便．操作人員只需選擇好錨桿的長度范圍(75～120cm或120～240cm)，然后使儀器緊貼錨桿頭即可。它也是根據(jù)發(fā)射和接收超聲波原理設(shè)計的。同期，我國鐵道部科學(xué)研究院曾仿效瑞典上述儀器對砂漿錨桿進(jìn)行過一段試驗研究因檢測機理及激發(fā)、接收方面存在不少問題，信號采集信噪比低，又無數(shù)據(jù)處理能力，而且使用220V電潦接X—Y函數(shù)繪圖儀，故未能投入應(yīng)用。

    1992年準(zhǔn)南礦業(yè)學(xué)院王鶴齡教授。等人進(jìn)行了錨桿檢測儀的研制并于1996年推出了MT—I型錨桿檢測儀。他們提出用振幅值比廈能量衰減系數(shù)來衡量錨桿的錨固質(zhì)量，但因沒有給出一種測定錨桿的工作荷載和極限承載力的快速、宴時、無損檢測手段，沒有我出錨桿的底端反射。同時由于信號采樣率較低，操作安裝困難，成本較高等原因，未能在我國推廣使用。

    太原理工大學(xué)李義教授等人在這一方面進(jìn)行了大量的研究工作，在實驗室進(jìn)行了圓桶內(nèi)水泥、樹脂端錨固實驗和混凝土試塊內(nèi)水泥錨桿模擬夾層及離層實驗，并對應(yīng)力渡在不同邊界約束和軸向拉伸荷載作用下錨桿中的傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。在前人研究的基礎(chǔ)上，采用渡的時域、頻域分析及瞬態(tài)導(dǎo)納法相結(jié)合的方法來檢測錨桿的錨同質(zhì)量．并且提出了運用有效錨固長度、幅值比、基頻、頻率比、衰減系數(shù)及基頻點的動剛度來衡量錨桿錨固質(zhì)量的優(yōu)劣。有效錨固長度是用來衡量錨固介質(zhì)與錨桿的真正握裹長度和兩者之間粘結(jié)強度的大小；幅值比則反映丁有效錨固長度上界面錨桿、錨固介質(zhì)二者之間的握裹程度，也就是反映了鋪桿與錨周介質(zhì)的握裹面接近剛性固定界面程度的大小；基頻廈頻率比綜合反映了錨桿、錨固介質(zhì)、圍巖三者之間的握裹程度大小，參與振動質(zhì)量的大小及有效錨固長度上界面接近剛性固定程度的大小。衰減系數(shù)綜合反映了錨固長度范圍內(nèi)錨桿、錨固介質(zhì)、圍巖三者之間粘結(jié)密實的程度，它的大小與三者的渡阻抗的差異有美；基頻點的動同4度反映了錨桿底端及其周圍介質(zhì)對錨桿的固結(jié)程度大小，從而可以用來估計錨稈錨固力的大小，找出錨桿的固端反射和在錨固介質(zhì)中傳播的波遇到弱面或夾層時的演化規(guī)律．通過實驗驗證和理論分析發(fā)現(xiàn)．在軸向荷載作用下錨桿的軸向拉拔力與振動基頻成三次冪函數(shù)關(guān)系，與振動的動剛度成二次冪函數(shù)關(guān)系，并進(jìn)行了大量的現(xiàn)場宴測．驗證了實驗室研究結(jié)論；同時證明了在錨固段內(nèi)應(yīng)力波的傳播速率會發(fā)牛改變．提出了固結(jié)波速的概念，并通過實驗給出了固結(jié)波速的變化規(guī)律，但仍有許多問題需要研究解決。

    重慶大學(xué)許明[10]等人采用小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法確定錨固質(zhì)量以及極限錨固強度。然而在用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測極限錨固強度時所需要輸入的參數(shù)中最重要的一個是血力波的渡速，但應(yīng)力波波速的取得仍需要底端反射的準(zhǔn)確識別。這對現(xiàn)場實測仍然是一個棘手的問題。

    廖春芳--等人在高速公路路塹邊坡整治和邊坡穩(wěn)定工程中采用長江工程地球物理勘測研究院研發(fā)的LX巖土工程質(zhì)量檢測分析儀對加固錨桿進(jìn)行了檢測。該儀器配備錨桿檢測的特殊檢波器和聲波震源．采取在外露鋼筋端部進(jìn)行端發(fā)、端收的觀測方式，具有獨特的聲渡發(fā)射、接收和軟件分析系統(tǒng)。該儀器將錨桿底端反射的強弱作為錨桿錨固質(zhì)量評價的重要指標(biāo)但由于現(xiàn)場檢測時錨桿底端反射時間的確定始終是錨桿無損檢測中的難題，底端反射信號非常弱小．因此很難準(zhǔn)確確定底端反射，用這一指標(biāo)判斷錨桿錨固質(zhì)量可能會出現(xiàn)許多錯判和誤判，即將錨固質(zhì)量好的錨桿判為不合格，而將錨固質(zhì)量差的錨桿判斷為良好，達(dá)不到指導(dǎo)工程實踐的目的。

3.存在問題及解決措施

    在礦業(yè)采掘與巖土工程中使用錨桿加固技術(shù)，多為隱蔽工程。在實際工程中若取錨桿作為研究對象，其受力情況非常復(fù)雜，其變形形式不能僅僅看作是某些簡單變形形式的疊加。而且錨桿，錨固介質(zhì)，圍巖之同存在相互作用，導(dǎo)致錨桿的理論分析非常困難。雖然前人進(jìn)行了大量的理論分析研究．仍不能滿足錨桿無損檢測研究的要求。現(xiàn)場條件非常復(fù)雜．影響錨桿錨固質(zhì)量的因素非常多，某一因素的變化就可能導(dǎo)致測試信號的變化，因此目前錨桿錨固質(zhì)量無損檢測拄術(shù)的研究不僅存在理論分析方面的困難，還存在儀器殛信號處理與反演成像等方面的問題。

    當(dāng)前波傳播理論研究工作是對一維非齊次波動方程在不同邊界條件和初始條件下的求解：這樣做雖然減少了數(shù)學(xué)計算上的麻填，但其研究成果對指導(dǎo)錨稈檢測儀器系統(tǒng)的設(shè)計和有效波的利用等方面的工作意義不大。將錨桿錨固質(zhì)量檢測同題視為一維問題處理．其實質(zhì)是只考慮波在錨桿中的縱向傳播，忽略了錨桿以外舟質(zhì)的影響，同時在理論分析過程中忽略丁錨桿幾何參數(shù)的影響因此，為了更好將理論應(yīng)用于實踐，在錨桿理論研究中要考慮錨桿、錨固舟質(zhì)及圍巖的相互耦合作用。

    除了理論方面的問題外，還存在儀器及軟件方面的問題。相對于理論研究，儀器及軟件方面的問題就少多了。由于錨桿長度短，渡阻抗與圍巖相差不多，給數(shù)據(jù)采集分析帶來一定的困難。而且由于測試系統(tǒng)采集到的信息要通過圍巖一錨固介質(zhì)一桿體等多種介質(zhì)，能量耗散機制不同，給采集信息的識別與分析帶來了困難。目前處在電子技術(shù)及計算機技術(shù)飛速發(fā)展的時代，制造一臺性能優(yōu)良的錨桿錨固質(zhì)量檢測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是輕而易舉的事情，因此，檢測儀器的問題主要集中表現(xiàn)在發(fā)射和接收系統(tǒng)方面：錨桿錨固質(zhì)量檢測技術(shù)要求其收發(fā)系統(tǒng)具有寬頻帶、短余振，高靈敏度，大動態(tài)范圍等特性。顯然這一問題存在于錨桿錨固質(zhì)量檢測領(lǐng)域，但并不是其獨有的同題。這些問題解決在一定程度上可以通過軟件來彌補，故不應(yīng)是錨桿錨固質(zhì)量檢測領(lǐng)域關(guān)注的重點問題。

4.結(jié)論

    目前工程物探領(lǐng)域中錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)研究十分活躍，這充分表明了其在工程檢測中的作用、地位和應(yīng)用前景。這一問題的解決，將進(jìn)一步提高巖土錨杵加周工程施工質(zhì)量管理的有效性和科學(xué)性．為地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究提供一種方便、快捷的觀察手段。在一定程度上保證利用錨桿加固技術(shù)和巖土工程及地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性．將對錳桿加固理論研究的進(jìn)一步深入．為錨桿支護(hù)施工工藝的改進(jìn)和錨桿支護(hù)技術(shù)的推廣起到有益的促進(jìn)作用。

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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