便攜式在役錨索預應力檢測設備研制及應用

楊 棟，周天游，蔡 強，姜昭群，李 忠，陳文俊

（1.成都華建地質工程科技有限公司，四川 成都 611734； 2.中國地質科學院探礦工藝研究所，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力狀態，限制斜坡表面巖土體變形，并具有強度高、結構簡單、經濟高效等獨特優點，因而在斜坡支護工程中已被廣泛應用，且其規模體量不斷增加，尤其是在大型水利水電工程中，諸如三峽庫區、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工程［1-5］。但隨著服役時間延長，部分錨固工程已出現不同程度損傷［6-7］，甚至出現錨索拉斷的安全事故［7］。作為隱蔽地下工程，其預應力、長度、灌漿飽滿度及腐蝕狀態的檢測［8］以及根據這些指標獲取錨固工程損傷狀態是當前工程運營與管理部門最為關注的焦點，也是學術界的研究熱點。其中，錨下預應力的變化直接影響到預應力錨固工程的安全。目前通常的做法是在選取一定數量的錨索通過預設振弦式傳感器、磁通量傳感器［9］、光纖傳感器［10］等進行預應力長期監測，監測點數量和監測年限非常有限，大量錨索并未預設測力傳感器，用少量錨索預應力推斷整個錨固工程是否安全顯然是不合適的。

錨下有效預應力的檢測大致可分為彈性波法、等效質量法及反拉法。彈性波法通過激振信號使得錨索振動，根據一維振動桿原理檢測有效預應力，但錨索結構對波形特征影響機制復雜，理論探討研究較多，始終無法形成被普遍認可的產品［11-12］。等效質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應力大?。?3-14］。該方法需要復雜的現場標定試驗，并且精度不高，誤差大約30%。切向剛度法［15］通過室內試驗探索錨索預應力與外錨段切向剛度的關系，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-錨索伸長量關系曲線，通過拐點法或測微法來判斷錨下有效預應力。該方法簡便易行，原理簡單，檢測精度高，在行業中受認可程度最高。美國的Bruce 等使用拉脫法對加固擋土墻的預應力錨索的工作應力進行了檢測［16］。日本及中國香港的巖土錨固規程均規定使用拉脫法檢測預應力錨索的工作荷載［17-18］。國內預應力檢測的主流生產廠家主要有武漢中巖科技股份有限公司、四川升拓檢測設備技術股份有限公司、湖南聯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；且設備質量大都在150 kg 以上，對于高陡邊坡錨索檢測顯得笨重。綜上，現有產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應力檢測儀，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鳳凰巖不穩定斜坡錨固工程中得到應用。

1 反拉法原理

對于無黏結預應力結構或灌漿前的有黏結預應力結構，通過對鋼筋的外露段施加拉力來測得其錨下預應力。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、張拉設備等對其進行張拉，當施加外力小于錨下有效預應力時，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??；當施加外力達到錨下有效預應力時，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，這個突變點或區間即對應錨下有效預應力。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，作為錨索有效預應力。但當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。

（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。此時根據虎克定律，可以反推錨索自由段長度。

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

2 在役錨索預應力檢測儀

2.1 系統組成

基于反拉法原理，成功研制HRAD-300 型在役錨索預應力檢測儀（圖2）。其主要由數據采集儀、鋼絞線連接器、撐腳、限位裝置、對中裝置、拉拔裝置等組成。其中數據采集儀由激光位移計、錨索測力計及集成電路組成，數據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。檢測儀單件質量＜15 kg，總質量＜40 kg?？蛇m用于外露長度＞7 cm 的在役錨索檢測。

圖2 在役錨索預應力檢測儀Fig.2 Prestress detector for in?service anchor

開發的錨索預應力智能檢測系統主要可分為業務模塊層、核心功能層及數據管理層（圖3）。業務模塊層包括儀器校正、數據檢測、工程信息三大模塊。儀器校正模塊可設置傳感器參數，標定位移計、測力計。數據檢測模塊可進行采集設置、預警設置及通訊設置，實時監控張拉曲線，實時計算錨下有效預應力值及自由段長度。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。數據管理層可實現工程文件保存、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、測試原始數據、檢測曲線、檢測報告等關鍵信息。

圖3 錨索預應力智能檢測系統框架Fig.3 System framework diagram of HRAD-300

2.2 數據處理及算法

由于位移及預應力采用連續采樣，加壓穩壓過程中，同一位移下可能對應多個不同拉力值，導致數據冗余，對原始數據進行中位值平均濾波，剔除多余數據并采用遞推平均濾波處理。典型檢測曲線形態分為拐點明顯（圖4a）及拐點不明顯（圖4b）兩大類。

圖4 典型預應力檢測曲線Fig.4 Typical prestress detection curve

當銹蝕明顯時，檢測曲線多為拐點明顯型，大多數現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為第二類。對第一類檢測曲線，有明顯突變區，其特征為在不同位移值下的兩個點會出現拉力值相同。首先用程序搜索出這兩個點的位移坐標x1、x2，再次搜索對應拉力區間［y1，y2］中最大值y_max，即為拐點位置。若不存在拐點，根據曲線的凹凸性，搜索曲線中上凸處的最大值。本方法的精度與搜索區間的大小，及曲線趨勢有關。軟件還設置了“修正”功能，即可人工交互修改拐點。

3 室內驗證

室內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應力值；另一端使用HRAD-300 型便攜式錨索預應力檢測儀進行檢測。室內進行了長度為4 m（圖5）及6 m 錨索（圖6）的預應力檢測。室內檢測曲線形態多為拐點不明顯型，存在緩變區，但不存在驟降的情形。這是由于室內試驗使用的鋼絞線、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生了突變點（圖5）。

圖5 1 號錨索（長度4 m）室內檢測曲線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，錨下有效預應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 工程應用

邛崍市天臺山景區鳳凰巖不穩定斜坡發育一處坡面型泥石流及一處滑坡，嚴重威脅景區公路及過往行人。采取的工程措施包括攔砂壩、排水溝、格構錨桿及雙排抗滑樁，施工單位為成都華建地質工程科技有限公司，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、拉拔裝置及數據采集儀（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 鳳凰巖不穩定斜坡錨索檢測Fig.7 Anchor detection of Fenghuang rock slope

檢測曲線見圖8，現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生的。其中鋼絞線1-4 與室內實驗結果類似，存在緩變區，不存在明顯的拐點，該鋼絞線表面較為光滑，銹蝕不明顯。檢測結果統計表見表1。檢測結果表明，1 號錨索錨下有效預應力約為414.4 kN，2 號錨索錨下有效預應力約為293.1 kN，3 號錨索錨下有效預應力約為427.0 kN。錨索運行狀態良好，持續發揮功效，其中2 號預應力損失較為明顯，可以采取補償張拉。

表1 錨索檢測結果統計Table 1 Statistics of anchor cable detect results

圖8 鳳凰巖不穩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發生，但是其直接影響錨索長期承載能力和后期容許附加應力增量。因此錨索的長期承載能力分析必須建立在對該問題準確認識的基礎上。

使用該設備檢測錨索自由段長度時，結果較為離散（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，由于漫長的服役年限、復雜的腐蝕環境，鋼絞線彈性模量會發生不同程度的變化［3］，從而影響長度檢測的精度。建議錨索長度還應結合設計資料及應力波無損檢測的方式綜合確定。

5 結論

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

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

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

（4）由于漫長的服役年限、復雜的腐蝕環境，鋼絞線彈性模量會發生不同程度的變化，從而影響設備長度檢測的精度。建議錨索長度應結合設計資料及應力波無損檢測的方式綜合確定。