摘要
现有的锚索预应力检测设备要求锚索外露段长度>70 cm，不适应于运维期的在役锚索检测，且质量大都在150 kg以上，对于高陡边坡锚索检测显得笨重。为此研制了HRAD-300型便携式在役锚索预应力智能检测仪，可适用于钢绞线外露长度>7 cm的在役锚索预应力检测。检测仪位移量程200 mm，测量误差0.01 mm；测力量程300 kN，测量误差±1%FS，单件质量<15 kg，总质量<40 kg。基于反拉法原理及检测曲线形态，提出锚下有效预应力算法，并编制了相关软件。室内试验表明，检测曲线形态多为拐点不明显型，计算值与原始锁定值基本一致。使用该设备对邛崃市天台山景区凤凰岩不稳定斜坡锚固工程进行检测，结果表明，现场锚索检测曲线多为拐点明显型，具有明显的突变点及陡降；锚索运行状态良好，持续发挥功效，2号锚索预应力损失较为明显，可以采取补偿张拉方式；同一锚索的不同钢绞线存在受力不均的情况。便携式在役锚索预应力检测仪智能、轻便，可为锚固工程健康评价提供数据支撑。
锚固工程可有效改善斜坡表面岩土体应力状态，限制斜坡表面岩土体变形，并具有强度高、结构简单、经济高效等独特优点，因而在斜坡支护工程中已被广泛应用，且其规模体量不断增加，尤其是在大型水利水电工程中，诸如三峡库区、溪洛渡水电站、锦屏一级水电站、白鹤滩水电站等国家重大建设工
锚下有效预应力的检测大致可分为弹性波法、等效质量法及反拉法。弹性波法通过激振信号使得锚索振动，根据一维振动杆原理检测有效预应力，但锚索结构对波形特征影响机制复杂，理论探讨研究较多，始终无法形成被普遍认可的产
为解决上述问题，本文研制了在役锚索预应力检测仪，可适用于钢绞线外露长度>7 cm的在役锚索，并在邛崃市天台山景区凤凰岩不稳定斜坡锚固工程中得到应用。
对于无黏结预应力结构或灌浆前的有黏结预应力结构，通过对钢筋的外露段施加拉力来测得其锚下预应力。先通过钢绞线连接器将外露端与一段长约70 cm钢绞线相连，使用撑脚、张拉设备等对其进行张拉，当施加外力小于锚下有效预应力时，实际上锚具可视为固定端，此时只是外接钢绞线受拉，位移变化很小；当施加外力达到锚下有效预应力时，锚索自由段与外接钢绞线同时受拉，因此位移变化增大，张拉曲线变缓，这个突变点或区间即对应锚下有效预应力。典型反拉曲线可见
图1 反拉法原理图示
Fig.1 Illustration of anti‑pulling principle
（1）OA段：为锚索外露段预紧，施加荷载很小，张拉曲线呈非线性；
（2）AB段：为锚索外露段弹性变形，此时施加荷载小于锚索自由段轴力，仅钢绞线外露段受拉，其张拉位移曲线为一斜率较陡的直线；
（3）BC段：为夹片松动，此时施加荷载达到锚索自由段轴力，由于需要克服夹片与锚具及钢绞线的摩擦，一般会产生一定程度陡降至C点。可取图中点B为拐点，作为锚索有效预应力。但当夹片与锚具及钢绞线表面光滑、无锈蚀时，有可能为一缓变区。
（4）CD段：为锚索整体段受拉，此时施加荷载超过锚索自由段轴力，外露段与自由段形成受拉段，产生弹性变形，其张拉位移曲线为一斜率较缓的直线。此时根据虎克定律，可以反推锚索自由段长度。
需要注意的是，由于现场锚索施工工艺、防腐措施、服役年限的差异，以上各阶段不一定都会出现，此时应根据张拉曲线的具体类型来判定锚下有效预应力大小。
基于反拉法原理，成功研制HRAD-300型在役锚索预应力检测仪（
图2 在役锚索预应力检测仪
Fig.2 Prestress detector for in‑service anchor
开发的锚索预应力智能检测系统主要可分为业务模块层、核心功能层及数据管理层（
图3 锚索预应力智能检测系统框架
Fig.3 System framework diagram of HRAD-300
由于位移及预应力采用连续采样，加压稳压过程中，同一位移下可能对应多个不同拉力值，导致数据冗余，对原始数据进行中位值平均滤波，剔除多余数据并采用递推平均滤波处理。典型检测曲线形态分为拐点明显（
图4 典型预应力检测曲线
Fig.4 Typical prestress detection curve
当锈蚀明显时，检测曲线多为拐点明显型，大多数现场检测曲线属于此类。若锚索服役年限较短，锈蚀不明显，则其检测曲线有可能表现为第二类。对第一类检测曲线，有明显突变区，其特征为在不同位移值下的两个点会出现拉力值相同。首先用程序搜索出这两个点的位移坐标x1、x2，再次搜索对应拉力区间［y1，y2］中最大值y_max，即为拐点位置。若不存在拐点，根据曲线的凹凸性，搜索曲线中上凸处的最大值。本方法的精度与搜索区间的大小，及曲线趋势有关。软件还设置了“修正”功能，即可人工交互修改拐点。
室内试验在张拉台架上进行，锚索一端使用千斤顶将钢绞线张拉锁定至不同预应力值；另一端使用HRAD-300型便携式锚索预应力检测仪进行检测。室内进行了长度为4 m（
图5 1号锚索（长度4 m）室内检测曲线
Fig.5 Indoor detection curve of No.1 anchor cable with the length of more than 4m
图6 2号锚索（长度6 m）室内检测曲线
Fig.6 Indoor detection curve of No.2 anchor cable with the length of more than 4m
由
邛崃市天台山景区凤凰岩不稳定斜坡发育一处坡面型泥石流及一处滑坡，严重威胁景区公路及过往行人。采取的工程措施包括拦砂坝、排水沟、格构锚杆及双排抗滑桩，施工单位为成都华建地质工程科技有限公司，锚索完工时间2014年。2022年11月，项目组选取治理工程中3根锚索进行检测（
图7 凤凰岩不稳定斜坡锚索检测
Fig.7 Anchor detection of Fenghuang rock slope
检测曲线见
图8 凤凰岩不稳定斜坡锚索检测曲线
Fig.8 Anchor detection curves of Fenghuang rock slope
| 锚索编号 | 钢绞线编号 | 单束预应力/kN | 不均匀系数 | 设计锚固力/kN | 综合锚下预应力/kN | 自由段长度/m |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1-1 | 112.4 | 0.37 | 450 | 414.4 | 11.58 |
| 1-2 | 118.73 | |||||
| 1-3 | 103.3 | |||||
| 1-4 | 79.94 | |||||
| 2 | 2-1 | 72.55 | 0.18 | 450 | 293.1 | 18.05 |
| 2-2 | 81.57 | |||||
| 2-3 | 68.53 | |||||
| 2-4 | 70.41 | |||||
| 3 | 3-1 | 106.92 | 0.29 | 450 | 427.0 | 21.20 |
| 3-2 | 114.6 | |||||
| 3-3 | 118.22 | |||||
| 3-4 | 87.23 |
同一锚索的不同钢绞线存在受力不均的情况（
使用该设备检测锚索自由段长度时，结果较为离散（参见
（1）自主研发的HRAD-300型便携式在役锚索预应力检测仪，可适用于钢绞线外露长度>7 cm的在役锚索预应力检测。其便于携带，不受地形影响，可实时监测张拉曲线、计算锚下有效预应力，并出具检测报告。
（2）基于检测曲线不同形态提出锚下有效预应力算法并编制相关软件，通过室内试验进行了验证，计算值与锁定值基本一致。
（3）锚索预应力检测仪成功运用于凤凰岩不稳定斜坡锚索检测。其中2号锚索预应力损失较为明显。同一锚索的不同钢绞线存在受力不均的情况。锚索不均匀系数分别为0.37、0.18及0.21。
（4）由于漫长的服役年限、复杂的腐蚀环境，钢绞线弹性模量会发生不同程度的变化，从而影响设备长度检测的精度。建议锚索长度应结合设计资料及应力波无损检测的方式综合确定。
参考文献（References）
Li Shucai， Wang Hongtao， Wang Qi. Failure mechanism of bolting support and high‑strength bolt‑grouting technology for deep and soft surrounding rock with high stress［J］. Journal of Central South University， 2016（23）：440-448. [百度学术]
江权，陈建林，冯夏庭.大型地下洞室对穿预应力锚索失效形式与耦合模型［J］.岩土力学，2013，34（8）：2271-2279. [百度学术]
JIANG Quan， CHEN Jianlin， FENG Xiating. The failure form and coupling model of prestressed anchorage cable for large underground caverns and coupling model［J］. Rock and Soil Mechanics， 2013，34（8）：2271-2279. [百度学术]
王全成，姜昭群，罗宏保，等.自承载式预应力锚索现场试验研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45（8）：79-82，87. [百度学术]
WANG Quancheng， JIANG Zhaoqun， LUO Hongbao， et al. Field test of self‑bearing pre‑stressed anchor cable［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunnling）， 2018，45（8）：79-82，87. [百度学术]
罗宏保，王全成，张勇，等.预应力锚索孔内扩孔工艺的研究［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2016，43（10）：44-48. [百度学术]
LUO Hongbao， WANG Quancheng， ZHANG Yong， et al. Research on pre‑stressed anchor cable hole reaming technology［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunnling）， 2016，43（10）：44-48. [百度学术]
郝峰，李存峰.跨断层牛顿力监测系统超大长度锚索综合施工技术［J］.钻探工程，2021，48（5）：88-95. [百度学术]
HAO Feng， LI Cunfeng. Comprehensive construction technology for super‑long anchor cables for the cross‑fault Newton force monitoring system［J］. Drilling Engineering， 2021，48（5）：88-95. [百度学术]
董志宏，丁秀丽，黄书岭，等.高地应力区大型洞室锚索时效受力特征及长期承载风险分析［J］.岩土力学，2019，40（1）：352-361. [百度学术]
DONG Zhihong， DING Xiuli， HUANG Shuling， et al. Analysis of ageing‑stress characteristics and long‑term bearing risk of anchor cable for a large cavern in high geo‑stress area［J］. Rock and Soil Mechanics， 2019，40（1）：352-361. [百度学术]
陶志刚，任树林，郝宇，等.层状反倾边坡破坏机制及NPR锚索控制效果物理模型试验［J］.岩土力学，2021，42（4）：977-990. [百度学术]
TAO Zhigang， REN Shulin， HAO Yu， et al. Physical model experiment on failure mechanism and NPR anchor cable control effect of layered counter‑tilt slope［J］. Rock and Soil Mechanics，2021，42（4）：977-990. [百度学术]
程良奎，韩军，张培文.岩土锚固工程的长期性能与安全评价［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（5）：865-872. [百度学术]
CHENG Liangkui， HAN Jun， ZHANG Peiwen. Long term performance and safety evaluation of geotechnical anchorage engineering［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2008，27（5）：865-872. [百度学术]
Kwun H， Bartels K A. Magnetostrictive sensor technology and its applications［J］. Ultrasonics， 1998，36（1-5）：171-178. [百度学术]
Assaf Klar， Ori Nissim， Itai Elkayam. A hardeningload transfer function for rock bolts and its calibration using distributed fiber optic sensing［J］. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering， https：//doi.org/10.1016/j.jrmge. 2022.12.027. [百度学术]
张维平.一种基于谱能比的数字信号分析方法：ZL201210056010.8［P］.2014-05-14. [百度学术]
ZHANG Weiping. A digital signal analysis method based on spectral energy ratio： ZL201210056010.8［P］. 2014-05-14. [百度学术]
郭琦.复杂预应力体系梁式结构有效预应力预测理论与方法研究［D］.西安：长安大学，2008. [百度学术]
GUO Qi. Study on the theory and method of effective prestress prediction for beam‑type structures with complex prestressed systems［D］. Xi’an： Chang’an University， 2008. [百度学术]
Wu Jiaye， Wu Jiaer， Yang Chao， et al. System equivalentmass based post‑tensioned anchor tension testing technique［C］//ASCE， GeoCongress 2012， Oakland， California： 2688-2696． [百度学术]
吴佳晔.等效质量法在锚下有效预应力检测中的应用［J］.铁道建筑，2017（5）：1-4. [百度学术]
WU Jiaye. Application of equivalent mass method in inspection of effective prestress under anchorage［J］. Railway Engineering， 2017（5）：1-4. [百度学术]
陈强，周志鸿，朱宝龙.基于外锚头段切向刚度的在役锚索预应力测试方法研究［J］.岩石力学与工程学报，2022，41（8）：1596-1608. [百度学术]
CHEN Qiang， ZHOU Zhihong， ZHU Baolong. Study on prestress test on in‑service anchor cables based on tangential stiffness of external anchor head segment［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2022，41（8）：1596-1608. [百度学术]
Bruce Mary Ellen C， Gomez Jesus， Traylor Robert P. Repeated Lift‑off Testing of Single Bore Multiple Anchors for Dam Retaining Wall over a 5-year Period［M］. New York： American Society of Civil Engineers， 2009. [百度学术]
Hiroaki Miyatake， Takeshi Oshita， Hiroaki Kubo， et al. A new manual for ground anchor inspection， integrity investigation and remedial measures［C］// International Conference on Ground Anchorages and Anchored Structures in Service. London， 2007. [百度学术]
Hong Kong Geotechnical Control Office. Model Specification for Prestressed Ground Anchors［M］. Hong Kong： Government Publications Centre， 1989. [百度学术]
