（地质工程专业论文）应力波法锚杆锚固质量无损检测技术研究.pdf

摘要 摘要 在锚杆支护的锚固工程中，锚杆锚固质量的检测是一项十分重要的工作。传 统的静载荷检测方法难以满足工程实际对锚杆进行大面积检测的需要，而应力波 法是一种无损检测方法，不会对锚杆产生破坏作用，适宜进行大面积的质量检测。 本文在理论分析的基础上，采用室内模型试验和现场测试相结合的方法，利 用m a t l a b 的数字信号处理功能，对应力波法在锚杆锚固质量无损检测中的应用进 行了研究。 论文通过对应力波传播理论的分析，研究了弹性波在锚固体系中的传播规律， 得到了弹性波在锚固体系中的衰减规律和能量分配规律，为锚杆锚固质量的检测 提供了重要的理论依据。 通过室内模型试验，从时域波形、频率和时频谱三个方面归纳总结了锚杆在 不同锚固状态下的动力响应规律：锚杆锚固质量好，则锚杆中应力波的衰减快， 底端反射难以识别。频谱中峰值的频率间隔量( 频差) 大小不等，变化区间较大。 时频谱中仅首波周期内出现高频值，一次反射周期内频率已衰减至低频状态，只 能勉强辨认。反之，锚固质量差，则底端反射清晰，频差大小基本一致，呈等间 距分布状态，时频谱中出现多个高频值区域。 在室内模型试验的基础上，利用有利的现场环境，采取跟踪检测的方式，在 顾桥矿1 115 ( 1 ) 工作面回风顺槽进行了为期2 8 天的现场检测试验，通过现场1 0 5 根锚杆在松动前后的对比检测分析，验证了室内模型试验结论的准确性。 随着本课题的进展，配套研发的锚杆无损检测的软件( m i n e a n c h o r p r o ) 完成 了主体框架的编写工作，结合更多的试验经验和试验成果，不断的完善该软件并 使之投入市场应用将是本课题下一步的工作方向。 1 蛩 5 6 1表【2 】参 5 0 】 关键词：应力波，锚杆，锚固质量，无损检测，动力参数 分类号：p 6 3 1 安徽理1 ：人学硕士学位论文 a b s t r a c t b o l ta n c h o r i n gq u a l i t yt e s t i n gi si m p o r t a n tf o ra n c b o re n g i n e e r i n g ，t h et r a d i t i o n a l t e s t i n gw a y o fs t a t i cl o a dc a l ln o tm e e tt h er e q u i r e m e n to f w i d el a r g ea r e a st e s t i n gf o r a n c h o rb a r si np r a c t i c e ，u s i n gs t r e s sw a v ei nt h ei n s p e c t i o no fc o n s t r u c t i o nq u a l i t yo f b o l t i n gi san o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，i tw i l ln o th a v ead e t r i m e n t a le f f e c to nt h eb o l t , s u i t a b l ef o rl a r g ea r e a so fq u a l i t yt e s t i n g t h i st h e s i sb a s e do nt h et h e o r yo ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m b i n e dw i t ha b o r a t o r y m o d e lt e s ta n df i e l dt e s t ，u s i n gm a t l a bp o w e r f u ld i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gf u n c t i o n s ， s t r e s sw a v er e f l e c t i o nm e t h o df o rb o l ta n c h o ra tt h eq u a l i t yo fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g a p p l i c a t i o n si nt h es t u d y t h ea c a d e m i ca n a l y s i so fs t r e s sw a v es p r e a d i n gi sc o n d u c t e do nt r a n s m i tr u l e a b o u te l a s t i c i t yw a v et oo f f e ra l li m p o r t a n ta c a d e m i cb a s ef o rn o n d e s t r u c t i v et e s ta n d e v a l u a t i o no fa n c h o r a g es y s t e mq u a l i t y d y n a m i cr e s p o n s er u l e so fd i f f e r e n ta n c h o r i n gs t a t ea l es u m m a r i z e dt h r o u g h t h e i n t e r i o rm o d e lt e s tb yw a v e f o r m ，f r e q u e n c ya n dt i m e - f r e q u e n c ys p e c t r u m a n c h o r a g e s y s t e mq u a l i t yc a nb ee s t i m a t e db yw a v e f o r ma n df r e q u e n c y f o rg o o dq u a l i t ya n c b o r ， t h ea t t e n u a t i o no fs t r e s sw a v ei sq u i c k l y , r e f l e c t i o nc a l ln o tb ei d e n t i f i e d a tt h e b o t t o m t h ef r e q u e n c yd i f f e r e n c ec h a n g e si nt h el a r g e ri n t e r v a l a n do n l yt h ef i r s tw a v e o fe m e r g i n gh i g h f r e q u e n c yc y c l ev a l u e ，ar e f l e c t i o np e r i o dt ol o w - f r e q u e n c y a t t e n u a t i o no ft h ef r e q u e n c yo fs t a t u sh a sb a r e l yi d e n t i f y b a s e do nm o d e lt e s ti nt h ei n t e r i o r , 10 5a n c h o r sa l et e s t e di na i rr e t u r nw a yo f 1115 ( 1 ) f a c ei ng u q i a om i n ed u r i n g2 8d a y s ，i nc o n t r a s tt ol o o s eb e f o r ea n da f t e r a n a l y s i st ov e r i f yt h ec o n c l u s i o n so ft h ei n t e r i o rm o d e l t e s ta r ca c c u r a t e w i t ht h e p r o g r e s so ft h i si s s u e ，n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g o ft h es o f t w a r e o v l i n e a n c h o r p r o ) h a sc o m p l e t e dt h ep r e p a r a t i o no ft h e m a i nf l a m e ，p e r f e c tt h e s o f t w a r ea n dl a u n c ho nt h em a r k e ti sn e x ts t e po ft h es u b j e c t 。 f i g u r e 5 6 】t a b l e 2 】 k e y w o r d s ：s t r e s sw a v e ； r e f e r e n c e 5 0 】 a n c b o r ；a n c h o r i n gq u a l i t y ；n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ； d y n a m i cp a r a m e t e r s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：p 6 31 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作槲：( 胂畿帆单年上月- 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徵翌王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徽堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文储张c 胁装签字吼砂。y 年i 月7 日 导师摊：引够太签字日期1 耻月l 第1 章绪论 1绪论 1 1 选题背景和意义 由于岩土锚固能充分发挥岩土能量，调用和提高岩土的自然强度和自稳能力， 大大减轻结构物自重，节约工程材料，并确保施工安全与工程稳定，具有显著的 经济效益和社会效益，因而锚杆锚固技术在世界范围内得到广泛的应用与发展， 得到工程界的普遍认可，相对其它支护形式具有无可比拟的优越性和生命力【l l 。 美国于1 9 11 年首先用岩石锚杆支护矿山巷道，阿尔及利亚于1 9 3 4 年在舍尔法 坝加高工程中使用预应力锚杆，西德于1 9 5 7 年在深基坑工程中使用土层锚杆。目 前，国外各类岩土锚杆已达6 0 0 余种，每年的使用量达2 5 亿根。西德、奥地利的地 下开挖工程，已把锚杆作为施工中的重要手段，无论硬土层或软土层，几乎没有 不使用锚杆的。 国内使用岩石锚杆起始于1 9 5 0 年代后期。进入6 0 年代，开始在矿山巷道、铁 路隧道及边坡整治工程中大量应用普通砂浆锚杆与喷射混凝土支护。7 0 年代已在 建筑基坑施工中应用了土层锚杆支护。1 9 9 6 年在全国煤矿中，锚杆支护率已达到 2 9 1 。近年来，随着锚杆锚固技术的发展，它的使用范围已从较完整的围岩扩大 到破碎、松软岩体，直至煤层、土地中的结构，特别是在较软的岩体中。应用领 域己扩展到土木工程、岩土工程的各个方面，如矿山巷道、铁路隧道、地下洞室 支护、岩土边坡加固、坝基稳定、深基坑支挡、结构抗浮与抗倾、悬索建筑的地 下受拉结构等【2 】。 锚杆的先进性、可靠性、经济性毋庸置疑。但由于材料、施工、地质条件等 因素的影响，锚固结构系统在施工和使用过程中必然存在许多缺陷，对于锚杆锚 固系统，主要缺陷有： 1 ) 筋材本身缺陷，如材质不均匀，存在裂缝、孔洞，杆体锈蚀等； 2 ) 胶结体缺陷，如砂浆密实度不够，内部有孔洞、裂隙、“蜂窝”等； 3 ) 胶结体与筋材、围岩的粘结不好。 另外，还包括地质界面、软弱地层对锚固质量的影响。具有这些缺陷的锚杆 锚固系，简称为“缺陷锚杆”。随着这些缺陷的产生、积累，会使具有永久支护 的岩土工程失效。所以，对锚固工程的缺陷识别，质量诊断以及实时检测、补强， 一直是岩土工程界广泛关注的问题。 锚杆检测工作是锚固工程中缺陷识别，质量诊断以及实时检测、补强的i i i 提， 安徽理：i ：大学硕十学位论文 是整个锚固工程中不可缺少的环节，只有提高锚杆检测工作的质量和检测评定结 果的可靠性，才能真正地确保锚固工程的质量与安全。目前，这一领域的理论研 究和工程应用都得到了较大的发展，但是锚杆检测是一项很复杂的系统工程，无 论在理论上还是实践中都还存在很多的问题需要研究。 传统的锚杆锚固状态的检测手段，主要依靠对锚杆的抗拔力测试，测定锚杆 静荷载- 位移曲线来确定锚杆极限承载力。这种方法虽然适用于某些场合，但 却存在着许多不足： 1 ) 该方法是一种破坏性检测。 2 ) 要测出完整的荷载啦移曲线，不仅费时长、耗资大，而且为获得准确 的极限承载力需进行破坏性试验，故检测面小，仅限于个别抽查。 3 ) 抗拔力并不能完全反映锚杆的锚固状态。 4 ) 不能检测锚杆的实际长度。 鉴于目前的技术手段和水平，迫切需要开发一种既简便经济又迅速可靠，能 确定锚杆锚固系统施工质量、工作状态的无损检测技术，为锚固工程质量控制和 可靠性检测提供保障与手段，弥补以至取代传统的锚固体系检测方法，适应大规 模工程施工的需要，这就是本文的选题目的所在。 1 2 岩土锚固的力学问题 1 2 1 锚杆的结构及分类 锚杆通常是由锚头、自由锚固段和固定锚固段三部分组成。锚头位于锚杆的 外露端，通过它最终实现对锚杆施加预应力，并将锚固力传给结构物。自由锚杆 段即锚杆固定端顶端以上至结构物间的锚索部分，其上没有拉力传递至周围土层， 这可通过在锚索周围安置无摩擦的套管实现。这些导管起着防止锚杆自由段腐蚀 的作用。固定锚杆段即离结构物最远的锚索部分，通过该段将所承受拉力传递给 周围土层。 1 锚杆的结构 如图1 所示，工程上所使用的锚杆，通常是对受拉杆件所处的锚固系统的总称， 它包含锚杆、锚管、锚索。锚杆由锚固体( 或称内锚头) 、拉杆及锚头( 或称外锚头) 三个基本部分组成【3 - 4 1 。 2 第1 章绪论 1 紧固器；2 承压板；3 台座；4 套管：5 拉杆；6 锚固体 图1 锚杆结构示意图 f i g lt h es k e t c ho f a n c h o rs t r u c t u r e 1 ) 锚头 锚头是构筑物与拉杆的连接部分。它的功用是将来自构筑物的力有效地传给 拉杆。通常拉杆是沿水平线向下倾斜方向设置，因此与作用在构筑物上的侧向土 压力不在同一方向上，为能牢固地将来自结构物的力传给拉杆，一方面必须保证 构件本身的材料有足够的强度，相互的构件能紧密固定，另一方面又必须将集中 力分散开。为此，锚头由台座、承压板和紧固器等部件组成。 2 ) 拉杆 锚杆中的拉杆要求位于锚杆装置中的中心线上，其作用是将来自锚头的拉力 传递给锚固体。由于拉杆通常要承受一定的荷载，所以它一般采用抗拉强度较高 的钢材制成。 3 ) 锚固体 锚固体在锚杆的尾部，与岩土体紧密相连。它的功用是将来自拉杆的力通过 摩阻抵抗力( 或支撑抵抗力) 传递给稳固的地层。 2 锚杆的分类 锚杆种类划分的方法较多，目前国内外多按锚固长度分类，按锚固方式分型。 现有锚杆按锚杆长度可划分为两大类，即集中( 端头) 锚固类锚杆和全长锚固类 锚杆。锚固装置或杆体只有一部分和锚孔壁接触的锚杆，称之为集中类锚杆；锚 固装置或杆体全部和锚孔壁接触的锚杆，称之为全长类锚杆。两类锚杆按锚固方 式可分为两种形式，即机械锚固型和粘结锚固型。锚固装置或杆体和锚孔壁接触， 以摩擦阻力为主起锚固作用的锚杆，称之为机械型锚杆。杆体部分或全长利用胶 结材料把杆体和锚孔壁粘结住，以粘结力为主起锚固作用的锚杆，称之为粘结型 锚杆【5 1 。如图2 所示。 3 安徽理+ i ：人学硕士学位论文 1 2 2 锚固机理 f i 9 2t y p e so f b o l t 1 锚固力 国标g b j 8 6 9 5 将锚固力定义为锚杆对于地层的约束力。我国常用锚杆的直径 为1 4 - - 一2 0 m m ，而锚杆钻孔直径为3 2 - - 一1 5 0 m m 。锚杆作用于地层的力可分为径向和 4 第1 章绪论 切向两个方向，径向锚固力含托锚力和粘锚力。托锚力是托板对锚杆孔口及附近 地层的挤压作用力，托锚力的大小由锚杆所加预应力和锚杆工作状态所决定，最 大托锚力就是锚杆拉拔试验时的最大拉拔力：粘锚力是由于地层深部与浅部变形 的差异锚杆通过粘结剂对地层施加的粘结力( 剪切作用力) ，粘锚力的反作用力 就是锚杆体内的轴力：切向锚固力是由于锚杆体贯穿弱面，改善了弱面的力学性 质，限制地层沿弱面的滑动和张开的力，因此锚杆是兼有支护和加固两种作用的 较完美的支护形式。径向锚固力主要起支护作用，切向锚固力主要起加固作用。 锚固力是在锚杆与围岩相互作用过程中形成和变化的。锚杆的锚固力不仅取决于 锚杆本身的结构、参数、锚固方式和锚固长度，金属网、钢带和梁等护表构件， 锚固岩体的坚硬程度、结构和性质等，还取决于锚固岩体的位移、流变、离层和 破裂等围岩的损伤破坏过程。在围岩大变形巷道中，随着锚杆锚固岩体的松动破 裂，锚杆的锚固力大都会迅速下降，实际的锚固力往往远低于理论计算值，甚至 完全失效。 2 抗拔力 作为受拉杆件的锚杆，其承受拉力的能力，一方面取决于预应力筋的截面积 和抗拉强度，这是容易较精确地设计并满足使用要求的：另一方面，则取决于锚 固体的抗拔力。锚固体的抗拔力事先不易准确确定，它与许多因素有关，如锚固 体几何形状、传力方式、锚固体与周边地层的粘结摩阻强度及上覆层厚度等，锚 固体的抗拔力是影响单根锚杆极限承载力的关键所在。一般来说，可以采用以下 方法来提高锚固体的抗拔力和锚杆的承载力：增加锚固体长度；高压灌浆；端头 扩体或多段扩体。阻止锚固体从岩土体中被拔出的抗力是由岩土体与锚固体界面 上的粘结摩阻力决定的。粘结摩阻力在整个锚固体长度上分布是不均匀的，它与 岩土体的渗透性、灌浆压力有很大关系。粘结力的大小是用锚固体中力的变化率 来衡量的，在任意两个截面之间的锚固体应力如果没有变化，粘结应力就不存在。 粘结作用大致由三部分组成：一是水泥胶体与岩土体表面的化学胶着力；二是锚 固体外表面与岩土体接触面上的摩擦力：三是锚固体外表面粗糙产生的机械咬合 作用。化学胶着力很小，发生相对滑动后，粘结力主要由摩擦力和咬合力所提供。 一般说来，在外荷作用下最大粘结摩阻应力分布在锚固体的前半段，随着荷载的 增加，粘结摩阻应力峰值逐渐向锚固体后端转移，在锚固长度范围内结合应力的 分布和转移类似于摩擦桩。 长期以来，人们把锚杆拉拔试验时的抗剪强度当作锚杆剪锚力( 锚固力) ， 现场也认为通过拉拔试验测得的是锚杆锚固力，其实不然，因为锚杆在工作时和 5 安徽理1 ：人学硕士学位论文 拉拔试验时受力分布完全不同，而且两者的变化过程也不相同。锚杆拉拔试验测 得的最大抗剪强度实际上是锚杆可能达到的最大托锚力，锚杆在工作时抗剪强度 的失效过程，远比拉拔试验的破坏过程复杂。剪锚力沿锚杆全长呈非线性分布， 且随地层变形而变化，所以要给出锚杆剪锚力的简单计算公式或实测值是很困难 的，故锚杆拉拔抗剪强度只能在一定程度上反映锚杆剪切锚固力大小，但拉拔试 验对检测锚杆的安设质量、分析锚杆的工作状态具有重要意义，目前仍普遍采用 锚杆在拉拔试验时的抗拔力来评价锚杆剪锚力。 3 锚固机理 正确地设计和应用锚杆支护，必须对锚杆支护机理有正确的认识，并以建立 完善的锚杆支护理论作指导。传统的锚杆支护理论有：悬吊理论、组合梁理论、 组合拱理论、最大水平应力理论等。它们都是以一定的假说为基础的，各自从不 同的角度、不同的条件阐述锚杆支护的作用机理，而且力学模型简单，计算方法 简便易懂，适用于不同的围岩条件，得到了国内外的承认和应用。 近年来，锚杆支护理论研究有了进一步发展，提出了巷道锚杆支护围岩强化 理论，进一步揭示了锚杆支护的实质，扩大了锚杆支护技术的应用范围，特别是 为煤巷和软岩巷道的锚杆支护提供了理论指导。 1 ) 悬吊理论 悬吊理论认为：锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定 岩层上，以增强较弱岩层的稳定性。 对于回采巷道经常遇到的层状岩体，当巷道开挖后，直接顶因弯曲、变形与 老顶分离，如果锚杆及时将直接顶挤压并悬吊在老顶上，或悬吊在比较稳定的岩 层上，就能减小和限制直接顶的下沉和离层，以达到支护的目的，如图3 所示。巷 道浅部围岩松软破碎或者开掘巷道后应力重新分布，顶板出现松动破裂区，这时 锚杆的悬吊作用就是将这部分易冒落岩体悬吊在深部未松动岩层上。 悬吊理论的特点：直观地揭示了锚杆的悬吊作用，在设计过程中不考虑围岩 的自承能力而且将被锚固体与原岩体分开。 悬吊理论适用范围：开掘巷道的顶板在一定范围内，必须有坚硬稳定的岩层。 否则，顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围较大，无法将锚杆锚固到上面坚硬岩 层或者未松动岩层上，悬吊理论就不适用。 6 第l 章绪论 图3 锚轩晌悬吊作h f i 9 3s u s p e n s i o nf u n c t i o no f a n c h o r 2 ) 组合粱理论 组合粱理论认为：在层状岩体中，f 掘巷道，当顶板在一定范隔内不存在坚硬 稳定岩层时，锚杆的悬吊作用届次要地位。 如果顶板岩层存在若干分层，由于顶板锚丰t 的作用疗面是依靠锚牛t 的锚 固力增加各岩层的磨擦力，防止岩层沿层l n i 滑动，避免并岩层出现离层现蒙；另 一方瑚，锚杆丰| = 体可增加岩层问的抗剪刚度，阻止岩层问的水平错动，从而将巷 道顶板锚固范围内的几个薄岩层馈紧成一个较厚的岩层( 组合粱) 。这种组合厚 岩层在上覆岩层载荷的作用下，其是二k 弯曲应变和应力都将大大减小，组合粱的 挠度亦减小，而且组合粱越厚，梁内的最大应力、应变和梁的挠度也就越小，如 图4 所示。 图4 锚杆的f l 舟粱作原理 f ；9 4 a c t i o np h n c l p l e o f c o m p o s i t eb e a mo f a n c h o r 3 ) 组合拱理论 组合拱理论就是在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时，在锚f f 曲端 将形成圆锥形分拓的压应力，如果沿巷道删边巾置馅杆群，j 要锚轩日j 距适当， 各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错，就能在， 体巾7 眵成一个均匀的压缩带 即承压拱( 组合拱) ，这个承j _ i i 拱- ，以承受i ：部破碎岩石施加的径向荷载。在 一-匪一a 以i二i 安徽理：i ：人学硕士学位论文 承压拱内的岩石径向及切向均受压，处于三向应力状态，其围岩强度得到提高， 支撑强度也相应加大，如图5 所示。因此，锚杆支护的关键在于获得较大的承压拱 厚度和较高的强度，其厚度越大，越有利于围岩的稳定和支承能力的提高。 图5 锚秆的组合拱原理 f i 9 5c o m b i n e da r c ht h e o r yo fa n c h o r 4 ) 最大水平应力理论 最大水平应力理论，就是矿井岩层的水平应力通常大于垂直应力，水平应力 具有明显的方向性，最大水平应力一般为最小水平应力的1 5 - 一2 5 倍。在最大水平 应力作用下，顶底板岩层易于发生剪切破坏，出现错动与松动而膨胀造成围岩变 形，锚杆的作用即是约束其沿轴向岩层膨胀和垂直于轴向的岩层剪切错动，因此 要求锚杆必须具备强度大、刚度大、抗剪阻力大，才能起到约束围岩变形的作用。 1 2 3 锚杆的失效 总参工程兵科研三所于1 9 8 5 年7 月1 9 8 7 年7 月，以“砂浆锚杆的腐蚀与防护 研究 为题，开展了锚杆使用寿命问题研究。研究采用现场取样实测与室内模拟 实验相结合的方法，进行了锚杆应力腐蚀速度实验、锚杆在握裹层存在裂隙时的 腐蚀实验、裸露锚杆腐蚀速度实验及涂料对锚杆的保护作用实验，对优质砂浆锚 杆使用寿命、施工质量不良砂浆锚杆使用寿命和施工质量不良且环境恶劣时砂浆 锚杆使用寿命提出了经验公式。限于条件及问题的复杂性，该项研究较为粗浅。 锚杆通常有以下失效方式： 1 锚杆的抗拉承载力不足引起的破坏 1 ) 锚杆被拉断 锚杆锚固段在硬质岩中时，锚固段灌浆体和岩体的粘结强度以及钢筋和灌浆 体之间的粘结强度足够，且锚固段长度足够，主要由钢筋的屈服强度来决定锚固 8 第1 章绪论 力的大小。当锚杆所受拉力超过钢筋的屈服强度时，锚杆就会被拉断。 2 ) 钢筋和锚固体的结合面粘结破坏 锚杆锚固段处在硬质岩中时，锚固体和岩体的粘结强度可能比钢筋和锚固体 的粘结强度还要高，当钢筋和锚固体的粘结强度不足以抵抗外荷载时，钢筋和锚 固体的结合面就会发生粘结破坏，导致钢筋被拔出。 3 ) 锚固体和岩土体的结合面粘结破坏 锚杆锚固段处在软岩或者土层中时，锚固体和岩土体的粘结强度可能比钢筋 和锚固体的粘结强度要低的多，这使锚固体和岩土体的粘结强度所能发挥的摩阻 力比钢筋和锚固体的粘结强度所能发挥的摩阻力要低，导致破坏首先发生在锚固 体和岩土体的结合面，锚杆被拔出。 4 ) 锚固体的破坏 当施加于钢筋上的荷载向锚固体传递时，锚固体就会膨胀受压，进一步通过 锚固体将荷载传递给岩土体。荷载越大，锚固体所受的压力越大，当压力超过锚 固体的抗压强度时，锚固体就会被压碎破坏，锚杆锚固失效。 2 锚杆在滑动面处或者节理面处的剪切破坏 许多工程事故中可以看出，锚杆存在局部被剪坏的情况。大量的剪切实验也 证明在节理岩体中采用锚杆加固时，加锚节理面的抗剪强度随剪切位移的增大而 增大。但即使不大的剪切位移就己使锚杆的抗剪作用得到充分发挥。所以，在边 坡锚固中，当节理面或者滑动面发生较大滑移时，锚杆( 钢筋) 就可能会被剪断 或发生较大的剪切变形而导致锚杆加固失效。 3 岩土体破坏 1 ) 锚固段底端有锚定板或膨胀体的锚杆内部岩土体的剪切或受压破坏； 当锚杆的锚固段底端有膨胀体且锚固段长度较短受荷相对较大时，膨胀体所 受拉力较大，该处锚固体和岩土体界面的剪应力以及膨胀体对周围岩土体的压应 力都较大，荷载增大到一定程度时，就有可能导致内部岩土体产生受剪破坏或受 压破坏，造成锚杆整体失效。如果锚杆锚固段长度足够一般不会出现此种破坏。 2 ) 锚固段顶端岩体的破坏 当岩石完整且锚杆的深度较浅时，锚固段顶端会出现近似于锥形破裂面的拔 出岩块破坏。在成层岩体中会沿水平层面发生破坏。 3 ) 群锚效应引起的岩土体的破坏 当锚杆布置的较密时，岩土体受力区的重叠必然会引起应力叠加和锚杆位移 的叠加，就可能造成岩土体的破坏。 9 安徽理j ：人学硕士学位论文 1 3 国内外研究现状与分析 近几十年发展起来的无损探伤技术主要利用相应的硬件设备和媒介以及获取 结论的信号处理方法对岩土锚固进行安全评价，它是多学科紧密结合的高技术产 物。现代材料科学和应用物理学的发展为无损探伤技术奠定了理论基础，现代电 子技术和计算机科学的发展为无损探伤技术提供了现代化的测试工具，同时，现 代土木工程中迅速发展的新设计、新材料、新工艺又对无损探伤技术不断地提出 新的更高的要求，起着积极的促进作用。所以，它已成为测试技术体系中的一个 重要分支，是建筑工程测试技术现代化的重要发展方向。 二十世纪8 0 年代以来，应力波法被逐渐应用于锚固工程的质量检测中，国内 外许多研究人员进行了无损检测锚杆锚固质量的研究工作，取得了很大的成果。 1 9 7 8 年瑞典的h e t h u m e r 提出用测超声波能量损耗的原理来检测锚杆的灌注 质量，并f l = l g e n d y n a m i ka b 公司于1 9 8 0 年推出了b o l t o m e t e rv e r s i o n 锚杆质量检测 仪，但因存在激发条件苛刻和衰减快等缺点而未得到广泛应用【6 】。 上世纪9 0 年代，美国矿业管理局开发出能检测锚杆应变和长度的超声波仪器， 但它无法评价锚杆的旌工质量i m 】。超声波方法的特点是衰减快，对于长度较大的 锚杆的检测有些无能为力，且激发条件苛刻又不能作出定量化评价；为了得到比 较好的超声波信号，锚头必须磨平，故现场适用性较差。 由于锚杆检测中底端反射识别比较困难，因此澳大利亚q u e e n s l a n d 大学 d i o r d j e r i c 教授提出用锚固锚杆的频率响应函数评价锚固质量。他采用测试信号的 频谱与输入信号的频谱比为频率响应函数。由此，自由锚杆具有最大的频率响应 函数值而锚固质量优的锚杆具有最小的频率响应函数值。其他锚固质量则界于这 两个值之间。虽然现阶段还没有进一步的进展发表，但锚固质量分辨率不高( 特 别是当锚固长度较长时) 将是该方法的固有缺陷。 伦敦大学的帝国学院数年来一直致力于使用超声导波测试锚固锚杆以及类似 结构( b e a r d 等，2 0 0 3 ) 1 0 l 。他们开发了计算波散射的程序( d i s p e r s e ) ，并把它 应用于锚杆检测中，用它模拟得到了最优激发波。然后在实验室与现场进行验证。 山于计算模拟程序中一些不合实际情况的简化，模拟结果与实验具有一定的偏差， 但不失为一种很好的尝试。 1 9 8 7 年我国铁科院铁建所钟世航教授提出用声波能量对比的方法，使用机械 撞击的激发方式和水作耦合接受传感器的手段来研究锚杆的水泥砂浆灌注饱和度 与反射振幅的关系，并与地矿部技术方法研究所协作研制出声波反射波检测仪【1 1 l 。 1 0 第1 章绪论 该法较以往方法虽有很大改进，但是用机械撞击的方式使激发的能量有很大的随 机性，反射的能量不稳定。最主要的是它所能测的锚杆最长只有4 2 米。 1 9 9 5 年至19 9 8 年郭世明等在大朝山水电站采用应力波法对近千根锚杆进行了 质量检测【1 2 l ，通过在测试中的对比研究，取得一定的效果，说明采用应力波法对 锚杆质量进行检测是可行的。 锚杆长度检测采用应力反射波法进行测定，该方法的基本理论依据为一维杆 件的弹性应力波反射理论，在锚杆顶部激发弹性应力波，当弹性应力波传播到锚 杆底部时由于锚杆和锚杆底部的岩石存在波阻抗差异，将产生反射波回到锚杆顶。 根据反射波的走时和锚杆中的应力波传播速度就可以确定出锚杆长度。应力波在 坚硬完整的介质中传播速度大，衰减速度快，而在松散及不完整介质中应力波的 传播速度小，衰减速度慢。因此可以利用应力波的这一传播特性来判断注浆饱和 度情况。对于注浆饱满的，砂浆和岩石的耦合性好，可看成完整的介质，因此应 力波的波形规则衰减快，近似于指数衰减：对于注浆饱满程度差的，则砂浆和岩 石间的耦合性差，可看成松散不完整的介质，应力波的波形杂乱，衰减慢。根据 不同方向、不同部位激振的应力波衰减曲线就可以对注浆饱和度作出判断，但对 于锚杆锚固质量只能作粗略的定性或半定量的质量评价，且主观性较大。 淮南矿院的王鹤龄和南京大学的汪明武等人根据应力波传播规律，利用锚固 段长度及应力波能量衰减系数来评价锚杆锚固状态，并给出了分级标准，提出了 快速普查检测锚杆锚固质量及预测锚固力的无损拉拔试验方法【l 弘1 6 】。 研究表明，由于锚固体系广义波阻抗的变化，激发的声频应力波在波阻抗界 面处发生界面效应，产生反射波和透射波，应力波能量重新分配，介质质点间内 摩擦也导致能量向其他形式转化，此外，反射波的相位特征及能量衰减规律反映 了锚杆的锚固状态和侧阻力分布状态，且应力波能量吸收系数与锚固段长度有关。 检测工作的核心之一是锚固段长度的测定，工作关键是系统参数的合理设定。通 过现场锚杆拉拔试验可知，锚杆锚固体系的拉拔曲线在锚固体系临破坏前有明显 的变化，若自动跟踪绘制拉拔曲线形态和拉拔系数的变化特征，来判断锚杆受力 是否达到临界破坏，并用拉拔曲线转折前后曲线割线交点预测锚固力，可达到既 测定锚杆锚固力，又不损坏锚杆锚固力。现场实测拉拔曲线可能呈现出复杂的变 化规律，因为影响锚固力的因素多且复杂，锚固体系破坏方式又多样的原因。实 测位移除锚固体系的弹性和塑性变形外，还有锚杆垫板的变形和压入松散岩面的 位移，以及杆体与锚固介质、锚固介质对孔壁围岩的相对位移等。故无损拉拔测 定的锚杆锚固力与实际锚固力及破损性拉拔测定锚固力存在差别，这是该法需完 安徽理t 大学硕+ 学位论文 善和改进的方面。此方法存在与前述方法存在同样的缺陷和局限性，而且采集的 信号也难以分析辨认。 2 0 0 0 年长江工程地球物理勘测研究院在原有桩基检测仪器及其理论的基础 上，对三峡工程的锚杆进行研究，应用了声频应力波法，自行设计研制了功率可 调的自动发射装置和微型灵敏的接收传感器进行信号的激发和接受，将传统的信 号处理方法和现代的信号处理方法相结合，把信号的能量特征与相位特征结合， 从而对锚杆长度及锚固状态进行综合判断1 7 1 。 太原理工大学爆破所通过对端锚锚杆反射波信号的时、频域分析，获得表征 锚杆锚固质量的4 个参数【1 睨们，分别为有效锚固长度、基频、频率比、单位动刚度。 重庆大学的许明利用声波原理把声波测试技术应用于锚固工程完整性无损检 测中，其基本原理是采用动力瞬态激振引起锚杆弹性振动，通过测定锚杆的振动 响应来估计和推断锚杆的完整性。利用人工神经网络进行锚杆完整性的预测，将 人工神经网络这类非线性动力学系统运用于该灰色系统的质量预测2 m 3 1 ，取得了 一定的效果。 北京工业大学机电学院何存富等利用超声导波的特点沿传播路径衰减很 小，可以沿杆件传播很远的距离，但接收到的信号则包含了锚杆的整体性信息 建立了应用超声导波方法检测锚杆完整性的试验模型【2 4 2 5 1 ，并取得一定成果。 在理论上，对于埋地锚杆，4 0 - 9 0k h z 的l ( 0 ，1 ) 模态的衰减值在所有模态中最 小，传播距离最长；位移模式简单，易于激发；能量速度最大，容易与其他速度 较慢模态区别。此段l ( o ，1 ) 模态可用来对埋地锚杆进行检测。 除此以外，在锚杆无损检测的理论和工程应用方面还有许多单位和个人也做 了大量的研究工作，上述研究工作的开展和相关仪器的研制，极大的推动了我国 岩土锚固工程和工程质量无损检测技术的发展，但是锚杆无损检测是一项很复杂 的系统工程，无论在理论上还是实践中都还存在很多的问题需要研究。 1 4 本文的研究内容、方法与研究路线 1 4 1 研究内容 锚杆锚固质量无损检测是当前地球物理研究的热门课题，本文在理论分析的 基础上，采用室内模型试验和现场测试相结合的方法，利用m a t l a b 数字信号处理 功能，对应力波法在锚杆锚固质量无损检测中的应用进行了研究，研究内容如下： 1 应力波在锚杆体中传播的理论 1 2 第l 章绪论 对应力波传播理论进行分析，研究弹性波在锚固体系中的传播规律，从而总 结出弹性波在锚固体系中的衰减规律和能量分配规律，为锚杆锚固质量的检测提 供理论依据。 2 模型试验 用水泥砂浆做锚固剂，制作三种不同规格的锚杆模型，观察其在砂浆凝固过 程中的低应变动力响应规律，归纳出不同锚固状态锚杆的动测特性，从而总结一 套合适锚杆无损检测要求的技术流程。 3 现场试验 锚杆在煤矿巷道支护中应用范围相当广泛，而且随着煤矿综采工作的进展， 锚杆的锚固状态也随着巷道围岩的破坏而变化，对锚杆锚固状态这一变化过程的 适时检测，可以更好的证实模型试验所得规律的正确性。本文选择淮南矿业集团 顾桥煤矿l11 5 ( 1 ) - - _ 作面回风顺槽为试验现场。 4 试验数据的处理 利用m a t l a b 的数字信号处理功能，编写f f t 和s 变换程序对锚杆动测数据进行 处理，并同时编制一套适合锚杆锚固质量无损检测的软件m i n e a n c h o r p r o 。 1 4 2 研究方法 依据现代结构动力学及结构探伤理论的观点，缺陷的存在必然使系统的结构 组合发生变化，相应地影响到结构的动力响应特性，使得各种结构参数在不同程 度上受到影响，进而使结构显示出与j 下常结构相区别的动态特征，通过对完整锚 杆锚固系统与缺陷锚杆的动测对比分析，以及根据锚杆锚固体系固有特性的变化 建立锚杆锚固体系质量定量评价的方法，这在理论上是有充分根据的，技术上是 可行的。 本文采用理论研究和实验模型分析等方法进行综合研究。在实验室内制作了 多个锚杆锚固系统模型试件，在锚杆端头激发出应力波，根据应力波的反射情况， 结合工程实际情况，研究纵向应力波在锚杆锚固系统中的传播规律，很好的为矿 井巷道锚杆检测服务。 1 3 安徽理i ：人学硕士学位论文 1 4 3 研究路线 图6 研究流程图 f i 9 6f l o wc h a r to fr e s e a r c h 1 4 第2 章锚杆无损检测的理论基础 2 锚杆无损检测的理论基础 2 1锚杆无损检测的波动理论 2 1 1 应力波的传播 当锚杆头受瞬态力激振后，引起锚杆头质点振动，并以应力波的形式向杆底 传播。当波在均匀介质中传播时，波的传播速度，幅度和类型均保持不变；但当 波在不均匀介质( 波阻抗发生变化) 中传播时，它将产生反射、透射或散射现象， 波的强度将发生突变，导致扰动能量重新分配，一部分能量穿过界面向前传播为 透射波，而另外一部分能量反射回原介质，称为反射波。在实际工程中透射波不 易测得，但反射波可在其传至锚杆顶时由安装于锚杆顶的传感器( 加速度计或速 度计) 测得。由于反射波携带锚杆体内的信息，利用反射波内所含的信息，就可 以对锚杆的锚固质量进行分析。 1 反射波 1 ) 反射波的形成 ( 1 ) 反射系数 设入射波的振幅为4 ，反射波的振幅为彳r ，反射波和入射波振幅之比，叫做 反射界面的反射系数，用字母r 表示，写为： j r = 竺 ( 2 1 ) 4 。 根据反射理论，可证明当波垂直入射到反射界面上时，反射系数为 彳，岛+ 朋 z 2 + z i ( 2 2 ) 式中，岛、k 、岛、v 2 表示分界面上下两种介质的密度和波在介质中传播的 速度，p l k = z l ，p 2 v , = z 2 表示上下介质的波阻抗( w a v ei m p e n d a n e e ) 。 反射系数写成一般式为： r ：生： 4 警暑告：务争 n = 2 、3 ( 2 - 3 ) i i 一= t = ， 。工 岛+ 见一i 圪一l l乙+ 乙一l 一一一一。 反射系数的物理意义是说地震波垂直入射到反射界面上后，被反射回去能量 的多少，说明在界面上能量的分配问题。 ( 2 ) 形成反射波的条件 1 5 安徽理工大学硕士学位论文 当r = 0 ，即z 。= z 川时，不产生反射，这实际上是一种均匀介质，不存在弹 性分界面，只有z 。z 川，即r 0 时，才产生反射，所以形成反射波的条件是地 下岩层中存在着波阻抗分界面。在实际的沉积岩层中，密度随深度变化的数量级 远比速度变化要小，可假设它为常量，这时反射系数可简化为： 灭：善笋( 2 - 4 ) 圪+ 圪一1 ( 3 ) 反射波强度 从式( 2 4 ) 可知反射系数与上下岩层的波阻抗差成j 下比，差值越大，r 值越 大，反射波越强；反之则弱。 ( 4 ) 反射波的极性 r 有正负值的问题，当乙 z 川时，n r 0 ，反射波与入射波的相位相同，都 为正极性：反之，r z 州或z 。 。，以速度边界条件给出i 窑| 。：杆处于弹性变形阶 段，应力和应变关系遵循h o o k e 定律，本构关系( 2 5 8 ) 化为： t l r = e e ( 2 6 9 ) 式中e 为杨氏模量( y o u n g sm o d u l u s ) 。非线性的波动方程( 2 6 1 ) 简化为线性 波动方程。 窘一四堕t a x 2 = 。 ( 2 - 7 。) a 2 。o v 川， 式中c o 是完全由材料常数p o 和e 所决定的常数 c o ：1 厍( 2 - 7 1 ) y 由式( 2 - 6 6 ) 和( 2 6 7 ) 知，这时特征线和相容条件分别为( x ，) 平面和( v ，e ) 平面上斜率为c 的两族直线： 扰d v 二+ 蝠c 破o d 【 = r 7 引入积分常数r l l 、r h 、r l 、r 2 ，将( 2 - 7 2 ) 式改为： p c o f = r l l t 1 ，一c 。占：r l f x + c o t = r 2 t 1 ，+ c 。占：r 2 ( 右行波) ( 左行波) 足l 、r 2 称为r i e m a n n 不变量。 设杆件原来处于静止的自然状态，t = 0 时刻在杆端x = 0 处受到一个给定条件 的冲击，例如杆端质点速度随时间的变化v 。( f ) 是已知的。于是问题归结为在初始 条件v ( x ，0 ) = e ( x ，o ) = o 及边界条件v ( 0 ，) = v o ( r ) 下求解式( 2 6 2 ) 或式( 2 7 2 ) 。 第2 章锚杆无损检测的理论基础 c ( o ，丁) 7 口 g 一 钐尺 图1 3 正负特征线 f i g l3p o s i t i v ea n dm i n u st y p i c a ll i n e 在( x ，f ) 平面上，经任一点有正向和负向两特征线，如图1 3 所示，其中o a 是 经过o ( o ，0 ) 点的正向特征线。在o a 的下方a o x 区，沿o x 轴的1 ，和g 按初试条件 是已知的，而经a o x 区p 的正向特征线q 尸和负向特征线即都与o x 轴相交，于 是沿这两条特征线r i e m a n n 不变量蜀和尺：可由初始条件确定： 沿q 尸：1 ，一c o e = v ( q ) 一c o 占( q ) 沿足p ：，+ c o s = v ( r ) + c o e ( r ) 因而q p 和即的交点尸点处的v ( p ) 和e ( p ) 即可由上两式解得： v ( p ) = 去口( 足) + v ( q ) 】+ c 。k ( 冗) - - c ( q