便攜式在役錨索預(yù)應(yīng)力檢測設(shè)備研制及應(yīng)用

楊 棟，周天游，蔡 強，姜昭群，李 忠，陳文俊

（1.成都華建地質(zhì)工程科技有限公司，四川 成都 611734； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734）

0 引言

錨固工程可有效改善斜坡表面巖土體應(yīng)力狀態(tài)，限制斜坡表面巖土體變形，并具有強度高、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟高效等獨特優(yōu)點，因而在斜坡支護工程中已被廣泛應(yīng)用，且其規(guī)模體量不斷增加，尤其是在大型水利水電工程中，諸如三峽庫區(qū)、溪洛渡水電站、錦屏一級水電站、白鶴灘水電站等國家重大建設(shè)工程［1-5］。但隨著服役時間延長，部分錨固工程已出現(xiàn)不同程度損傷［6-7］，甚至出現(xiàn)錨索拉斷的安全事故［7］。作為隱蔽地下工程，其預(yù)應(yīng)力、長度、灌漿飽滿度及腐蝕狀態(tài)的檢測［8］以及根據(jù)這些指標(biāo)獲取錨固工程損傷狀態(tài)是當(dāng)前工程運營與管理部門最為關(guān)注的焦點，也是學(xué)術(shù)界的研究熱點。其中，錨下預(yù)應(yīng)力的變化直接影響到預(yù)應(yīng)力錨固工程的安全。目前通常的做法是在選取一定數(shù)量的錨索通過預(yù)設(shè)振弦式傳感器、磁通量傳感器［9］、光纖傳感器［10］等進行預(yù)應(yīng)力長期監(jiān)測，監(jiān)測點數(shù)量和監(jiān)測年限非常有限，大量錨索并未預(yù)設(shè)測力傳感器，用少量錨索預(yù)應(yīng)力推斷整個錨固工程是否安全顯然是不合適的。

錨下有效預(yù)應(yīng)力的檢測大致可分為彈性波法、等效質(zhì)量法及反拉法。彈性波法通過激振信號使得錨索振動，根據(jù)一維振動桿原理檢測有效預(yù)應(yīng)力，但錨索結(jié)構(gòu)對波形特征影響機制復(fù)雜，理論探討研究較多，始終無法形成被普遍認可的產(chǎn)品［11-12］。等效質(zhì)量法將錨墩與注漿體視為一體，通過不同的共振頻率確定預(yù)應(yīng)力大?。?3-14］。該方法需要復(fù)雜的現(xiàn)場標(biāo)定試驗，并且精度不高，誤差大約30%。切向剛度法［15］通過室內(nèi)試驗探索錨索預(yù)應(yīng)力與外錨段切向剛度的關(guān)系，仍處于理論探討階段。反拉法則通過對錨索進行張拉獲取張拉荷載-錨索伸長量關(guān)系曲線，通過拐點法或測微法來判斷錨下有效預(yù)應(yīng)力。該方法簡便易行，原理簡單，檢測精度高，在行業(yè)中受認可程度最高。美國的Bruce 等使用拉脫法對加固擋土墻的預(yù)應(yīng)力錨索的工作應(yīng)力進行了檢測［16］。日本及中國香港的巖土錨固規(guī)程均規(guī)定使用拉脫法檢測預(yù)應(yīng)力錨索的工作荷載［17-18］。國內(nèi)預(yù)應(yīng)力檢測的主流生產(chǎn)廠家主要有武漢中巖科技股份有限公司、四川升拓檢測設(shè)備技術(shù)股份有限公司、湖南聯(lián)智科技股份有限公司等，基本采用的是測微法［19］，將差動變壓器測微原理引入錨具夾片位移的測微中。上述主流產(chǎn)品均要求錨索外露段長度＞70 cm，而竣工后的錨索外露段長度僅僅為10 cm 左右；且設(shè)備質(zhì)量大都在150 kg 以上，對于高陡邊坡錨索檢測顯得笨重。綜上，現(xiàn)有產(chǎn)品只適用于錨索施工期檢測，不適用于運維期檢測。

為解決上述問題，本文研制了在役錨索預(yù)應(yīng)力檢測儀，可適用于鋼絞線外露長度＞7 cm 的在役錨索，并在邛崍市天臺山景區(qū)鳳凰巖不穩(wěn)定斜坡錨固工程中得到應(yīng)用。

1 反拉法原理

對于無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)或灌漿前的有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，通過對鋼筋的外露段施加拉力來測得其錨下預(yù)應(yīng)力。先通過鋼絞線連接器將外露端與一段長約70 cm 鋼絞線相連，使用撐腳、張拉設(shè)備等對其進行張拉，當(dāng)施加外力小于錨下有效預(yù)應(yīng)力時，實際上錨具可視為固定端，此時只是外接鋼絞線受拉，位移變化很??；當(dāng)施加外力達到錨下有效預(yù)應(yīng)力時，錨索自由段與外接鋼絞線同時受拉，因此位移變化增大，張拉曲線變緩，這個突變點或區(qū)間即對應(yīng)錨下有效預(yù)應(yīng)力。典型反拉曲線可見圖1。

圖1 反拉法原理圖示Fig.1 Illustration of anti?pulling principle

（1）OA段：為錨索外露段預(yù)緊，施加荷載很小，張拉曲線呈非線性；

（2）AB段：為錨索外露段彈性變形，此時施加荷載小于錨索自由段軸力，僅鋼絞線外露段受拉，其張拉位移曲線為一斜率較陡的直線；

（3）BC段：為夾片松動，此時施加荷載達到錨索自由段軸力，由于需要克服夾片與錨具及鋼絞線的摩擦，一般會產(chǎn)生一定程度陡降至C點?？扇D中點B為拐點，作為錨索有效預(yù)應(yīng)力。但當(dāng)夾片與錨具及鋼絞線表面光滑、無銹蝕時，有可能為一緩變區(qū)。

（4）CD段：為錨索整體段受拉，此時施加荷載超過錨索自由段軸力，外露段與自由段形成受拉段，產(chǎn)生彈性變形，其張拉位移曲線為一斜率較緩的直線。此時根據(jù)虎克定律，可以反推錨索自由段長度。

需要注意的是，由于現(xiàn)場錨索施工工藝、防腐措施、服役年限的差異，以上各階段不一定都會出現(xiàn)，此時應(yīng)根據(jù)張拉曲線的具體類型來判定錨下有效預(yù)應(yīng)力大小。

2 在役錨索預(yù)應(yīng)力檢測儀

2.1 系統(tǒng)組成

基于反拉法原理，成功研制HRAD-300 型在役錨索預(yù)應(yīng)力檢測儀（圖2）。其主要由數(shù)據(jù)采集儀、鋼絞線連接器、撐腳、限位裝置、對中裝置、拉拔裝置等組成。其中數(shù)據(jù)采集儀由激光位移計、錨索測力計及集成電路組成，數(shù)據(jù)采集儀與電腦采用藍牙連接。位移計量程200 mm，測量誤差0.01 mm；測力計量程300 kN，測量誤差±1%FS。檢測儀單件質(zhì)量＜15 kg，總質(zhì)量＜40 kg?？蛇m用于外露長度＞7 cm 的在役錨索檢測。

圖2 在役錨索預(yù)應(yīng)力檢測儀Fig.2 Prestress detector for in?service anchor

開發(fā)的錨索預(yù)應(yīng)力智能檢測系統(tǒng)主要可分為業(yè)務(wù)模塊層、核心功能層及數(shù)據(jù)管理層（圖3）。業(yè)務(wù)模塊層包括儀器校正、數(shù)據(jù)檢測、工程信息三大模塊。儀器校正模塊可設(shè)置傳感器參數(shù)，標(biāo)定位移計、測力計。數(shù)據(jù)檢測模塊可進行采集設(shè)置、預(yù)警設(shè)置及通訊設(shè)置，實時監(jiān)控張拉曲線，實時計算錨下有效預(yù)應(yīng)力值及自由段長度。工程信息模塊可錄入工程信息，自動生成錨固工程檢測報告。數(shù)據(jù)管理層可實現(xiàn)工程文件保存、讀取、查詢、修改及打印檢測報告等功能，工程文件包含了錨固工程信息、測試原始數(shù)據(jù)、檢測曲線、檢測報告等關(guān)鍵信息。

圖3 錨索預(yù)應(yīng)力智能檢測系統(tǒng)框架Fig.3 System framework diagram of HRAD-300

2.2 數(shù)據(jù)處理及算法

由于位移及預(yù)應(yīng)力采用連續(xù)采樣，加壓穩(wěn)壓過程中，同一位移下可能對應(yīng)多個不同拉力值，導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余，對原始數(shù)據(jù)進行中位值平均濾波，剔除多余數(shù)據(jù)并采用遞推平均濾波處理。典型檢測曲線形態(tài)分為拐點明顯（圖4a）及拐點不明顯（圖4b）兩大類。

圖4 典型預(yù)應(yīng)力檢測曲線Fig.4 Typical prestress detection curve

當(dāng)銹蝕明顯時，檢測曲線多為拐點明顯型，大多數(shù)現(xiàn)場檢測曲線屬于此類。若錨索服役年限較短，銹蝕不明顯，則其檢測曲線有可能表現(xiàn)為第二類。對第一類檢測曲線，有明顯突變區(qū)，其特征為在不同位移值下的兩個點會出現(xiàn)拉力值相同。首先用程序搜索出這兩個點的位移坐標(biāo)x1、x2，再次搜索對應(yīng)拉力區(qū)間［y1，y2］中最大值y_max，即為拐點位置。若不存在拐點，根據(jù)曲線的凹凸性，搜索曲線中上凸處的最大值。本方法的精度與搜索區(qū)間的大小，及曲線趨勢有關(guān)。軟件還設(shè)置了“修正”功能，即可人工交互修改拐點。

3 室內(nèi)驗證

室內(nèi)試驗在張拉臺架上進行，錨索一端使用千斤頂將鋼絞線張拉鎖定至不同預(yù)應(yīng)力值；另一端使用HRAD-300 型便攜式錨索預(yù)應(yīng)力檢測儀進行檢測。室內(nèi)進行了長度為4 m（圖5）及6 m 錨索（圖6）的預(yù)應(yīng)力檢測。室內(nèi)檢測曲線形態(tài)多為拐點不明顯型，存在緩變區(qū)，但不存在驟降的情形。這是由于室內(nèi)試驗使用的鋼絞線、夾片及錨具保存完好無銹蝕，因此夾片與鋼絞線及錨具的摩擦可以忽略不計。為模擬夾片與鋼絞線及錨具的摩擦，選取試樣1-7 及1-9 在錨具與墊板之間、夾片與錨具之間涂滿AB膠，這兩個試樣的檢測曲線產(chǎn)生了突變點（圖5）。

圖5 1 號錨索（長度4 m）室內(nèi)檢測曲線Fig.5 Indoor detection curve of No.1 anchor cable with the length of more than 4m

圖6 2 號錨索（長度6 m）室內(nèi)檢測曲線Fig.6 Indoor detection curve of No.2 anchor cable with the length of more than 4m

由圖5 及圖6 可見，對于兩種類型的檢測曲線，使用軟件自動搜索功能，錨下有效預(yù)應(yīng)力計算值與原始鎖定值基本一致，誤差＜5 kN，精度可滿足工程需求。

4 工程應(yīng)用

邛崍市天臺山景區(qū)鳳凰巖不穩(wěn)定斜坡發(fā)育一處坡面型泥石流及一處滑坡，嚴(yán)重威脅景區(qū)公路及過往行人。采取的工程措施包括攔砂壩、排水溝、格構(gòu)錨桿及雙排抗滑樁，施工單位為成都華建地質(zhì)工程科技有限公司，錨索完工時間2014 年。2022 年11月，項目組選取治理工程中3 根錨索進行檢測（圖7a），錨索設(shè)計錨固力450 kN，每根錨索4 根鋼絞線。首先清理錨頭，然后再依次安裝好連接器、撐腳、限位裝置、對中裝置、拉拔裝置及數(shù)據(jù)采集儀（圖7b）。所檢測的錨索外露段長度約為10 cm，最短外露長度約為7 cm（圖7c）。

圖7 鳳凰巖不穩(wěn)定斜坡錨索檢測Fig.7 Anchor detection of Fenghuang rock slope

檢測曲線見圖8，現(xiàn)場錨索檢測曲線多為拐點明顯型曲線，具有明顯的突變點及陡降，這是由于施加張拉力克服夾片與錨具及鋼絞線摩擦產(chǎn)生的。其中鋼絞線1-4 與室內(nèi)實驗結(jié)果類似，存在緩變區(qū)，不存在明顯的拐點，該鋼絞線表面較為光滑，銹蝕不明顯。檢測結(jié)果統(tǒng)計表見表1。檢測結(jié)果表明，1 號錨索錨下有效預(yù)應(yīng)力約為414.4 kN，2 號錨索錨下有效預(yù)應(yīng)力約為293.1 kN，3 號錨索錨下有效預(yù)應(yīng)力約為427.0 kN。錨索運行狀態(tài)良好，持續(xù)發(fā)揮功效，其中2 號預(yù)應(yīng)力損失較為明顯，可以采取補償張拉。

表1 錨索檢測結(jié)果統(tǒng)計Table 1 Statistics of anchor cable detect results

圖8 鳳凰巖不穩(wěn)定斜坡錨索檢測曲線Fig.8 Anchor detection curves of Fenghuang rock slope

同一錨索的不同鋼絞線存在受力不均的情況（表1）。定義不均勻系數(shù)為錨索各鋼絞線極差與均值的比值，可見本次檢測錨索不均勻系數(shù)分別為0.37、0.18 及0.21。推測為編制錨索、下錨及張拉工藝造成。鋼絞線不均勻受力問題雖然是在錨索施工后已經(jīng)發(fā)生，但是其直接影響錨索長期承載能力和后期容許附加應(yīng)力增量。因此錨索的長期承載能力分析必須建立在對該問題準(zhǔn)確認識的基礎(chǔ)上。

使用該設(shè)備檢測錨索自由段長度時，結(jié)果較為離散（參見表1）。這是因為利用虎克定律反推自由段長度時，需假定鋼絞線彈性模量為常數(shù)，由于漫長的服役年限、復(fù)雜的腐蝕環(huán)境，鋼絞線彈性模量會發(fā)生不同程度的變化［3］，從而影響長度檢測的精度。建議錨索長度還應(yīng)結(jié)合設(shè)計資料及應(yīng)力波無損檢測的方式綜合確定。

5 結(jié)論

（1）自主研發(fā)的HRAD-300 型便攜式在役錨索預(yù)應(yīng)力檢測儀，可適用于鋼絞線外露長度＞7 cm 的在役錨索預(yù)應(yīng)力檢測。其便于攜帶，不受地形影響，可實時監(jiān)測張拉曲線、計算錨下有效預(yù)應(yīng)力，并出具檢測報告。

（2）基于檢測曲線不同形態(tài)提出錨下有效預(yù)應(yīng)力算法并編制相關(guān)軟件，通過室內(nèi)試驗進行了驗證，計算值與鎖定值基本一致。

（3）錨索預(yù)應(yīng)力檢測儀成功運用于鳳凰巖不穩(wěn)定斜坡錨索檢測。其中2 號錨索預(yù)應(yīng)力損失較為明顯。同一錨索的不同鋼絞線存在受力不均的情況。錨索不均勻系數(shù)分別為0.37、0.18 及0.21。

（4）由于漫長的服役年限、復(fù)雜的腐蝕環(huán)境，鋼絞線彈性模量會發(fā)生不同程度的變化，從而影響設(shè)備長度檢測的精度。建議錨索長度應(yīng)結(jié)合設(shè)計資料及應(yīng)力波無損檢測的方式綜合確定。