邊坡加固錨索預應力損失因素與實例分析

張立剛

由于預應力錨索具有主動加固、深層加固、布置靈活、施工快速、經濟性好等顯著特點,因此在邊坡加固和邊坡地質災害治理工程中得到廣泛應用。在綜合國內外已有大量研究成果的基礎上,本文首先探討了影響錨索預應力損失的各種因素,基于某城市地鐵邊坡工程施工期的錨索預應力安全監(jiān)測實踐,根據多根錨索監(jiān)測結果分析了錨索鎖定后預應力變化規(guī)律,并得出了一些有益的結論,可為同類邊坡錨索加固的優(yōu)化設計和施工提供依據。

1 錨索預應力損失原因

1.1 材料因素

1)灌漿材料的徐變。灌漿材料是由硬化水泥漿和粗、細骨料等構成的多相復合結構,這一特點決定了灌漿材料的非均質性和物理性態(tài)的復雜性。在承受外載之前,由于干縮、泌水等原因,已存在大量的微孔隙和界面裂縫,且這些缺陷的分布完全是隨機的。2)鋼絞線松弛。在鋼絞線長度不變的情況下,錨索張拉后隨時間增長會產生屈服并引起內部應力減小的現象,亦即鋼絞線松弛損失,而且它是預應力錨索體系產生預應力損失的主要原因。3)墩頭混凝土的壓縮和收縮。錨頭一般固定在混凝土墊墩上,墩頭本身特別是早期具有收縮、蠕變性質,且受到預壓應力后也會產生一定量的壓縮變形,進而引起預應力損失。4)錨具錐孔、夾具產生的預應力損失。張拉結束后,對錨索進行鎖定時安裝的錨具夾片會隨鋼絞線往錐孔內回縮而夾緊鋼絞線以達到鎖定目的,鋼絞線回縮過程將導致一定鎖定預應力損失。

1.2 巖土因素

1)巖土流變。大量的工程實例表明,錨索在鎖定后的運行期間,影響錨索預應力損失的主要因素是巖體的流變作用。巖體的流變包括蠕變、松弛和彈性后效。從錨索結構本身分析,巖體的變形主要發(fā)生在靠近自由段部位的錨固段和錨頭底部坡體表層等應力集中區(qū)域。2)巖土卸荷。隨著錨固邊坡施工進程的推進,必然導致一部分邊坡巖體的卸荷效應,該效應使開挖部分的巖體產生變形,位移向坡外變化,而且卸荷狀態(tài)下的巖體應力狀態(tài)比較復雜,部分區(qū)域產生拉應力,巖體受拉蠕變可能會造成錨索的預應力值增加,即負損失。

1.3 施工因素

1)張拉順序。同一個結構物上有多孔錨索時,在群錨張拉過程中,錨索施工對已安裝的錨索的錨固力有一定的影響,通常表現為錨固力的損失。2)封孔灌漿。錨索施工進行至封孔灌漿時,注漿體溫度較錨索體溫度高,而且注漿體水化熱將產生升溫導致錨索體產生膨脹伸長,將導致一定量的錨固力損失。3)錨索孔孔斜率和粗糙程度。錨索施工中鉆孔發(fā)生傾斜不可避免,錨索孔往往呈彎曲狀態(tài),早期錨索張拉時,自由段與巖壁間可能存在一個或多個接觸點,這種接觸點的存在,將導致摩擦力的產生,從而使錨固力發(fā)生沿程損失。4)張拉系統(tǒng)。根據相關資料及其測試,油表所反映的張拉力比千斤頂底部鋼絞線的受力要略大,故張拉系統(tǒng)也會引起一定量的預應力損失量。

1.4 其他外部因素

1)振動和沖擊效應。爆破、重型機械和地震力等發(fā)生的振動和沖擊效應也會引起預應力損失,且該損失量較之長期靜荷載作用引起的預應力損失量大得多。2)降雨。已有在降雨過程中的監(jiān)測數據表明：降雨量及降雨歷時對錨固力的影響集中反映在巖體裂隙較為發(fā)育,滲透系數較大的巖土體中。降雨對錨桿預應力的影響主要表現為錨固應力的增加,而且具有時間滯后效應。隨著裂隙水、孔隙水的消散,增加的錨固預應力也會消散,并基本回到降雨前的預應力水平。3)溫度。溫度的變化主要反映在巖體的變形導致預應力錨索的錨固力變化上。巖體溫度升高會導致錨固力的增加,降溫則使巖體收縮而導致錨固力減小。

2 鎖定后錨索預應力變化監(jiān)測實例分析

2.1 工程概況

某鐵路線路標段范圍內為典型的淺丘槽谷地貌,場地內地勢起伏較大,該區(qū)地震基本烈度為7度。標段內左側有一高邊坡為路塹邊坡,長369.6 m,坡率較陡,高度較大,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,為較強富含地下水的邊坡。地下水主要有兩種類型：1)松散土層孔隙水;2)基巖裂隙水。根據工程需要采用預應力錨索加固,并對預應力錨索應力變化情況進行長期監(jiān)測。

2.2 錨索預應力監(jiān)測方案

1)監(jiān)測對象。據設計文件,共設置 7個監(jiān)控點,分別對 8號-1,8號-2,9號-3,12號-1,12號-3,14號-2,16號-1錨索的有效預應力進行長期監(jiān)測。2)錨索應力監(jiān)控儀器和方法。采用振弦式錨索應力計,該振弦式錨索應力計的測試原理是利用張緊的鋼弦在不同張力情況下其自振頻率不同,通過數模轉換器測試其鋼弦的頻率,通過反算得到實際的壓力值,并配用對應的頻率讀數儀。

2.3 錨索預應力測試結果及規(guī)律

由圖1,圖2可以看出：所有錨索的總最大錨索應力損失量均小于70 kN,其損失量均在控制標準范圍內,滿足安全施工要求。同時從錨索預應力時程變化圖可知,基本可以將錨索錨固鎖定后預應力的變化分為三個階段：第一階段為預應力快速損失階段：在此階段,錨索預應力快速損失,錨索應力的損失在剛張拉后的一周內基本完成90%以上,這主要與本工程較好的邊坡巖體材料特性有關。第二階段為預應力波動變化階段：至張拉鎖定30 d內,錨索預應力值和預應力損失量均出現較小范圍的波動。其原因主要是巖體和錨索在內部應力調整,產生壓縮、回彈的反復過程,從而導致錨索預應力出現小幅、頻繁波動。第三階段為緩慢變化階段：至張拉鎖定30 d后,錨索預應力值趨于平穩(wěn),偶見極小的預應力損失量。

3 結語

綜合國內外大量研究成果的基礎上,本文首先探討了影響錨索預應力損失的各種因素,基于某城市地鐵邊坡工程施工期的錨索預應力安全監(jiān)測實踐,根據多根錨索應力監(jiān)測結果分析了錨索鎖定后預應力變化的三階段規(guī)律,確保了本工程安全有序的完成。

[1] 中國巖土錨固工程協會.巖土工程中的錨固技術[M].北京：人民交通出版社,1996.

[2] 張發(fā)明.巖質邊坡預應力錨固的力學行為及效應[J].巖石力學與工程學報,2000,19(sup)：1077-1080.

[3] 顧金才.預應力錨索內錨固段受力特點現場試驗研究[J].巖石力學與工程學報,1998,17(sup)：788-792.

[4] 張發(fā)明,趙維炳,劉 寧.預應力錨桿錨固荷載的變化規(guī)律及預測模型[J].巖石力學與工程學報,2004,23(1)：39-43.

[5] 朱晗遷,孫紅月,汪會幫,等.邊坡加固錨桿預應力變化規(guī)律分析[J].巖石力學與工程學報,2004,23(16)：2756-2760.

[6] 何思明,王成華,吳文華.基于損傷理論的預應力錨桿荷載—變形特性分析[J].巖石力學與工程學報,2004,23(5)：786-792.

[7] 陳安敏,顧金才,沈 俊,等.軟巖加固中錨索張拉噸位隨時間變化規(guī)律的模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2002,21(1)：251-256.

[8] 楊松林,徐衛(wèi)亞,劉祖德.巖石錨桿抗拔實驗數據及可靠度分析[J].巖石力學與工程學報,2003,22(1)：61-64.

[9] 張發(fā)明,劉 寧,陳祖煜,等.影響大噸位預應力長錨索錨固力損失的因素分析[J].巖土力學,2002,23(2)：194-197.

[10] 程良奎,張作媚,楊志銀,等.巖土加固實用技術[M].北京：地震出版社,1994.

[11] 劉紅軍,齊 鑫,王秀海,等.預應力錨桿肋梁在深基坑支護中的應用[J].工程地質學報,2005,13(4)：568-572.

[12] 曾憲明,雷志梁,張文中,等.關于錨桿“定時炸彈”問題的討論——答郭映忠教授[J].巖石力學與工程學報,2002,21(1)：143-147.

[13] 宋茂信.巖體邊坡開挖爆破對預應力錨索錨固性能影響的現場觀測[J].防護工程,1998(3)：74-77.

[14] 張發(fā)明,劉 寧,趙維炳.巖質高邊坡預應力錨固力學行為與群錨效應[J].巖石力學與工程學報,2000,19(sup)：1083-1087.

[15] 張宏博,李英勇,宋修廣.邊坡錨固工程中錨索預應力的變化研究[J].山東大學學報(工學版),2002,32(6)：574-577.

[16] 肖寶林.淺析三峽船閘錨索預應力損失及錨固效果[J].人民長江,2003,34(9)：6-7.

[17] 汪明武,王鶴齡.錨固工程質量的無損檢測技術[J].巖石力學與工程學報,2002,21(1)：125-126.