邊坡預(yù)應(yīng)力錨索索力檢測(cè)方法比較研究

王曉琳 李東平 鄧年春 覃華橋

摘 要：邊坡預(yù)應(yīng)力錨索索力是結(jié)構(gòu)安全性的重要指標(biāo)，其索力損失是造成錨索失效的關(guān)鍵因素，因此準(zhǔn)確測(cè)量錨索索力具有重要意義。該文對(duì)用于邊坡預(yù)應(yīng)力錨索索力檢測(cè)的6種方法，包括錨桿拉拔力檢測(cè)法、壓力傳感法、彈性波檢測(cè)法、光纖智能錨索法、錨索鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)法以及磁通量傳感器監(jiān)測(cè)法，進(jìn)行了比較研究。對(duì)各類測(cè)量方法的測(cè)量原理、應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析與比對(duì)，為邊坡預(yù)應(yīng)力錨索索力的檢測(cè)方法選擇提供了參考。

關(guān)鍵字：預(yù)應(yīng)力 錨索 索力檢測(cè) 傳感器

中圖分類號(hào)：TU455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（c）-0100-02

現(xiàn)代基礎(chǔ)工程建設(shè)中，高邊坡越來(lái)越多，同時(shí)，預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)也逐漸成為邊坡加固的一項(xiàng)重要手段，并在實(shí)際工程中得到大量的應(yīng)用。邊坡預(yù)應(yīng)力錨索在施工和運(yùn)營(yíng)期，錨索索力不可避免的會(huì)產(chǎn)生損失，錨索的有效索力是關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵因素之一[1]。為了確保錨索防護(hù)的結(jié)構(gòu)安全，新建的邊坡錨索應(yīng)積極考慮增設(shè)長(zhǎng)效的錨索索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)假定、監(jiān)視施工質(zhì)量和服役安全狀態(tài)，既有的邊坡錨索應(yīng)考慮合適的索力檢測(cè)方法，以確保邊坡結(jié)構(gòu)的安全、適用與耐久性[2]。目前，主要采用的錨索索力檢測(cè)方法主要有錨索軸向拉拔力檢測(cè)法、壓力傳感法、彈性波檢測(cè)法、光纖智能錨索法以及磁通量傳感器監(jiān)測(cè)法。

1 錨索軸向拉拔力檢測(cè)法

錨索軸向拉拔檢測(cè)法主要依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范GB50330-2002》。該檢測(cè)方法主要用來(lái)檢驗(yàn)錨索安裝質(zhì)量，評(píng)估錨索的錨固能力。通常采用臥式油泵加壓，常常配合穿心式千斤頂使用。再通過(guò)精密的壓力表將力學(xué)量（壓力或壓強(qiáng)）轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)的刻度，從而換算出錨索索力值。該方法簡(jiǎn)單易行，主要可用于在施工過(guò)程中控制和調(diào)節(jié)錨索的張拉。如圖1所示。

但由于壓力表本身具有指針偏轉(zhuǎn)過(guò)快，易偏位，高壓時(shí)指針抖動(dòng)比較激烈，讀數(shù)時(shí)存在人為的隨機(jī)誤差，千斤頂標(biāo)定存在誤差等特點(diǎn)[3]。而且部分錨固情況下，最大拉拔力和錨固力之間的關(guān)系還要根據(jù)巖體—粘結(jié)劑、錨索—粘結(jié)劑的剛度關(guān)系來(lái)決定[2]。因此，它不可用于運(yùn)營(yíng)期的錨索索力的動(dòng)態(tài)測(cè)量，也不適用于長(zhǎng)期在線錨索索力測(cè)量。

2 壓力傳感法

利用壓力傳感器測(cè)量錨索的索力時(shí)，是將圓環(huán)形彈性材料和應(yīng)變傳感材料組成穿式壓力傳感器，將其安裝在錨索的錨具和索孔墊板之間。錨索在張力的作用下使彈性材料受到錨具和索孔墊板之間的壓力作用，并發(fā)生形變。通過(guò)應(yīng)變傳感材料將彈性材料的形變轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)或光信號(hào)，再通過(guò)儀表二次處理，測(cè)量得到索力。根據(jù)彈性材料可以分別與不同敏感元件組合的特點(diǎn)，壓力傳感器的特性主要由敏感元件所決定。測(cè)量承壓環(huán)應(yīng)變的傳感器主要有電阻應(yīng)變片式、振弦應(yīng)變式、光纖光柵應(yīng)變式、液壓傳感法等4種。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

壓力傳感器主要存在的問(wèn)題為零點(diǎn)漂移對(duì)測(cè)量精度的影響。導(dǎo)致零點(diǎn)漂移的主要因素有彈性體的應(yīng)力釋放不完全、材料徐變，此外還和外界磁場(chǎng)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率，環(huán)境溫度等諸多因素。由于傳感器與受力結(jié)構(gòu)為串接的安裝方式，一旦傳感器損壞很難修復(fù)和更換。而且大噸位傳感器的制造、標(biāo)定難度大、成本高。基于其性能特點(diǎn)該類傳感器在實(shí)驗(yàn)室和施工監(jiān)控階段的錨索索力監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較多，在長(zhǎng)效錨索索力監(jiān)測(cè)中較少使用。

3 等效質(zhì)量法

等效質(zhì)量法為頻率法索力監(jiān)測(cè)方法的延伸。埋入式錨索與空懸錨索的邊界條件有很大的不同，而且埋入式錨索無(wú)法對(duì)外部錨索激發(fā)自由振動(dòng)，只能通過(guò)對(duì)錨頭或者露出錨索激勵(lì)。為此，將錨頭與墊板、墊板與后面的混凝土或巖體的接觸面模型化成如下的彈簧支撐體系。

該彈簧體系的剛性K與張力（有效預(yù)應(yīng)力）成正比關(guān)系。另外，在錨頭激振誘發(fā)的系統(tǒng)基礎(chǔ)自振頻率f 可以簡(jiǎn)化表示為：

f= （1）

在上式中，如果M為一常量，那么根據(jù)測(cè)試的基頻f即可較容易的測(cè)出張拉力。然而，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，埋入式錨索在錨頭激振時(shí)，其誘發(fā)的振動(dòng)體系并非固定不變，而是會(huì)隨著錨固力的變化而變化。錨固力越大，參與自由振動(dòng)的質(zhì)量也就越大?；驹恚豪眉ふ皴N（力錘）敲擊錨頭，并通過(guò)粘貼在錨頭上的傳感器拾取錨頭的振動(dòng)響應(yīng)，從而能夠快速、簡(jiǎn)單地測(cè)試錨索的現(xiàn)有張力。如圖3所示。

在等效質(zhì)量法使用中，激振是影響其測(cè)試精度的重要因素。激振錘的尺寸、激振能量大小、錨索索力的高低、在錨頭上的激振位置等因素都會(huì)影響到實(shí)際的測(cè)量精度。此方法安裝簡(jiǎn)單實(shí)用，但受眾多干擾因素影響測(cè)量精度不高，在實(shí)際工程中較少使用。[5]

4 光纖光柵傳感器智能錨索

光纖光柵智能鋼絞線是用FRP-OFBG筋替換普通鋼絞線的中絲得到。全部采用該種鋼絞線或與其它普通鋼絞線混用，組成智能鋼絞線錨索，利用等變形原理，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。用FRP-OFBG筋替換7絲鋼絞線的中絲得到的智能鋼絞線，見(jiàn)圖4所示，圖5是替換中絲后的光纖光柵智能鋼絞線橫斷面圖。為了保證FRP-OFBG筋與鋼絲的粘結(jié)效果，保持同步變形，在智能筋的表面可增加噴涂環(huán)氧樹(shù)脂等粘結(jié)劑。智能錨索布設(shè)圖如圖6所示。[4]

智能錨索法有著耐腐蝕、傳感精度高、抗干擾因素強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是其光纖光柵傳感器元件自身很脆弱，在封裝過(guò)程中極易損壞，另外光纖光柵智能錨索在通長(zhǎng)范圍內(nèi)的溫度補(bǔ)償，暫缺乏有效的方法，用量相對(duì)較少。

5 振弦鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)法

振弦式鋼筋計(jì)安裝于錨索上，鋼筋受力產(chǎn)生的變形將引起焊接于鋼筋上的儀器內(nèi)鋼弦變形，使鋼弦發(fā)生應(yīng)力變化，從而改變鋼弦的振動(dòng)頻率。測(cè)量時(shí)利用電磁線圈激撥鋼弦并量測(cè)其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至頻率讀數(shù)裝置或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再經(jīng)換算即可得到鋼筋的應(yīng)力變化量。同時(shí)由鋼筋計(jì)中的熱敏電阻可同步測(cè)出埋設(shè)點(diǎn)的溫度值。[7] 具體結(jié)構(gòu)如下圖7所示。

鋼筋計(jì)主要由振弦式感應(yīng)部件、熱敏電阻、鋼套、連接桿、電纜及密封組件等組成，鋼筋計(jì)的感應(yīng)部件為一振弦式應(yīng)變計(jì)。其最常見(jiàn)的幾種安裝方式就是對(duì)焊、熔槽焊、綁條焊、螺紋連接等，其缺點(diǎn)就是對(duì)焊接工藝要求較高，焊接的質(zhì)量直接影響到測(cè)量精度。而且焊接過(guò)程中溫度較高容易損壞儀器。且對(duì)錨桿本身結(jié)構(gòu)有影響。

6 磁通量傳感器測(cè)量法

當(dāng)鐵磁性材料受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力或應(yīng)變，相應(yīng)地磁導(dǎo)率發(fā)生改變，通過(guò)測(cè)定磁導(dǎo)率變化來(lái)反映應(yīng)力變化，依據(jù)此原理制成磁通量傳感器。

在某一溫度下，鐵磁材料內(nèi)應(yīng)力與磁導(dǎo)率變化為一線性關(guān)系，利用鐵磁材料的磁導(dǎo)率-應(yīng)力關(guān)系曲線，可以直接測(cè)量出鐵磁材料內(nèi)力。磁通量傳感器就是利用上述原理制成的，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8所示，它由激勵(lì)和測(cè)量?jī)蓪泳€圈組成。當(dāng)在激磁線圈通入脈沖電流時(shí)，鐵磁材料被磁化，會(huì)在鋼芯試件縱向產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)。由于相互感應(yīng)，在測(cè)量線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓同施加的磁通量成正比關(guān)系。對(duì)任一種鐵磁材料， 在試驗(yàn)室進(jìn)行幾組應(yīng)力、溫度下的試驗(yàn)，建立磁導(dǎo)率變化與結(jié)構(gòu)應(yīng)力、溫度的關(guān)系后，即可用來(lái)測(cè)定用該種材料制造的構(gòu)件的內(nèi)力。[8]

磁通量傳感器監(jiān)測(cè)法具有結(jié)實(shí)耐用的特點(diǎn)，且是一種無(wú)損、非接觸測(cè)量方法，內(nèi)置溫度傳感器，可自補(bǔ)償溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，能有效地用于預(yù)應(yīng)力錨索的長(zhǎng)期檢測(cè)。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)錨索索力檢測(cè)的以上6種方法的分析，錨索軸向拉拔力檢測(cè)法簡(jiǎn)單直觀，但需要足夠的安裝空間和平臺(tái)，測(cè)量精度較低。壓力傳感法短期測(cè)量精度較高，長(zhǎng)期受彈性體材料徐變影響及敏感元件零漂等影響，測(cè)量精度會(huì)大大下降。彈性波檢測(cè)法為一種使用簡(jiǎn)單的檢測(cè)手段，但受眾多干擾因素影響測(cè)量精度不高，在實(shí)際工程中較少使用。智能錨索法有著耐腐蝕、傳感精度高、抗干擾因素強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是其脆弱性，以及溫度補(bǔ)償方法的局限性，阻礙了這項(xiàng)技術(shù)在工程中的廣泛應(yīng)用。錨索鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)法安裝復(fù)雜，而且對(duì)錨索本身結(jié)構(gòu)有損壞。測(cè)量精度隨著時(shí)間的推移，受材料徐變的影響，會(huì)逐漸減低。磁通量傳感器測(cè)量法具有精度高、耐久性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且是一種無(wú)損、非接觸測(cè)量方法，能有效地用于邊坡錨索的全壽命周期的長(zhǎng)效監(jiān)測(cè)，有著良好的應(yīng)用前景。

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