引江濟淮試驗工程河道邊坡錨桿檢測對比試驗

陳圣剛,于 威,李國維,吳少甫

(1.安徽省投資集團控股有限公司,安徽 合肥 230000; 2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;3.河海大學道路與鐵道工程研究所,江蘇 南京 210098;4.河海大學巖土工程研究所,江蘇 南京 210098; 5.中鐵二十局集團有限公司,陜西 西安 710016)

引江濟淮試驗工程河道邊坡錨桿檢測對比試驗

陳圣剛1,于 威2,3,李國維2,4,吳少甫5

(1.安徽省投資集團控股有限公司,安徽 合肥 230000; 2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;3.河海大學道路與鐵道工程研究所,江蘇 南京 210098;4.河海大學巖土工程研究所,江蘇 南京 210098; 5.中鐵二十局集團有限公司,陜西 西安 710016)

依據GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護技術規范》和SL 377—2007《水利水電工程錨噴支護技術規范》對引江濟淮試驗工程膨脹土邊坡、軟巖邊坡加固錨桿進行拉拔檢測試驗。結果表明,錨桿端部位移和檢測方法相關,GB法檢測的桿體端部位移大于SL法,位移轉換系數為0.9～0.95;軟巖邊坡中錨桿的端部位移量小于弱膨脹土邊坡;兩種方法用于軟巖及弱膨脹土邊坡加固錨桿質量檢測時,會產生彈性伸長值過大現象,采用桿端位移時間過程評價錨桿質量更具有合理性;SL法、GB法檢測到的錨桿軸力線性相關,轉換系數為0.9～1.05;采用SL法檢測非預應力錨桿具有可行性,通過換算可得到GB法檢測數據。

膨脹土;軟巖;錨桿;檢測方法;數據擬合;引江濟淮工程

引江濟淮為跨流域調水工程,全長1 048 km,兼具航運和環保功能,河道水下邊坡長期承受動水荷載作用,要求邊坡及襯砌混凝土面板需保持長期穩定,加固方案之一為采用非預應力錨桿格構梁,錨桿施工質量檢測方法為灌漿28 d后實施拉拔試驗,根據抗拔力和桿體位移情況判定施工質量和對設計要求的符合情況。

錨桿被廣泛用于土木工程的臨時或永久性加固結構中[1-2],我國1964年首次在梅山水庫壩基加固中采用預應力錨桿[3]。錨桿所能承擔的拉拔荷載是錨固工程的控制指標,現場拉拔檢測是錨桿應用的必要環節。對比試驗顯示[4],CECS 22—2005《巖土錨桿技術規程》、GB 50086—2001《錨桿噴射混凝土支護技術規范》、GB 50330—2002《建筑邊坡工程技術規范》、GB 50007—2002《建筑地基基礎設計規范》等相關規范,在錨桿拉拔檢測方面的試驗方法、數據處理的標準并非一致,均有各自的針對性。工程實踐[5]表明,相關規范對錨桿檢測方法的規定,具有較大的余地,使得錨桿質量評價結果產生較大的差異。現有錨桿錨固質量檢測方法加荷時間長、加載等級多,導致錨桿檢測試驗周期長,制約主體工程進度[6]。

表1 輕粉質壤土常規力學參數

表2 泥質砂巖常規力學參數

表3 GFRP和鋼筋錨桿常規力學參數及材料組分

本文通過現場對比試驗,比較GB 50086—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護技術規范》和SL 377—2007《水利水電工程錨噴支護技術規范》(以下分別簡稱GB法與SL法)的差異,建立兩種規范方法檢測指標之間的關系,提出適用于本工程的錨桿質量檢測方法。

GB法針對預應力錨桿,檢測時需要循環加、卸載荷載計量對應位移,優點是可以通過檢測到的桿體位移數據計算得到塑性位移量,據此評估桿體與圍巖的黏結狀態,缺點是要求較長的現場工作時間,檢測效率較低;SL法針對非預應力錨桿,檢測時只需要分級加荷計量對應位移,無卸荷過程,優點是具有較高的檢測效率,缺點是不能評價桿體在試驗荷載條件下的黏結狀態(原因在于無法確定荷載的分布情況,不能計算桿體在試驗荷載下的彈性變形)。

現場質量檢測工作的性質要求檢測方法具有高效率特征,獲得更多的質量信息更是檢測工作的根本目的。為實現兩種需要的統一,引江濟淮試驗工程河道邊坡加固錨桿質量施工檢測時進行了檢測方法對比試驗,目的在于開發SL法錨桿檢測數據的潛在價值,發揮其高效率優勢,并利用GB法檢測數據可解讀性強的特點。

1 試驗方案及過程

1.1 工程地質條件

引江濟淮試驗工程位于安徽省合肥市蜀山區小廟鎮,里程樁號K40+700～K42+200,全長1.5 km。上覆地層主要為全新統粉質壤土、上更新統粉質壤土、粉質黏土、砂性土,具有弱、中膨脹性,力學參數見表1。下伏基巖為全風化或強風化白堊紀粉砂巖、細砂巖、粉砂質泥巖,抗壓強度低,具有強崩解性,遇水易軟化,巖性呈現暗紅色、紫紅色,呈柱狀、短柱狀,中厚層狀構造,干燥時易龜裂,節長5～50 cm,RQD(rock quality designation)為10%～50%,局部夾薄層或極薄層,結構面發育,填充黑色鐵錳膜,巖體基本質量為Ⅳ級,分級為軟巖,產狀傾向330°NW～15°NE,傾角15°～35°,力學參數見表2,地層剖面見圖1。

圖1 試驗錨桿地層剖面圖(單位：m)

1.2 試驗試件制作

1.2.1 錨桿

試驗采用的筋材為?25的HRB400螺紋鋼筋和?28的GFRP,其材料組分及基本力學參數見表3。試驗共計12根錨桿試件,試驗錨桿布置見表4。

表4 試驗錨桿布置

1.2.2 傳感器

在桿體表面沿軸線開槽,尺寸為2 mm×2 mm,用酒精清洗槽口并風干,將光柵光纖傳感器放置槽內,在錨桿兩端將傳感器固定,用環氧樹脂膠覆平凹槽,見圖2。以錨桿與坡面的交界點為坐標原點,向內為坐標正向,向外為負向,光纖光柵傳感器布置見圖3。

圖2 內置光纖光柵傳感器

圖3 光纖光柵傳感器布設位置(單位:cm)

1.2.3 試驗裝置

試驗錨桿端部錨固采用套筒灌漿法[7]。將定位環通過螺紋擰入鋼套管,然后將錨桿伸入鋼套管,放入定位環中孔固定定位,將無聲破碎劑與水按照水灰比1∶3.3[8]的比例混合攪拌均勻后倒入鋼套管中,用絲桿趕走其中的氣泡。鋼套管和錨桿約束黏結材料的膨脹從而產生膨脹力,在千斤頂對拉桿施加拉力時,由于膨脹力的作用使鋼套管和錨桿同步受力。

試驗裝置包括鋼支架、鋼墊板、測力計、位移計、空心油壓千斤頂、張拉螺母等。測力計采用三弦式荷載傳感器并且用振弦式頻率讀數儀采集數據,采用MOI的SM125解調儀采集光纖光柵傳感器數據。拉拔裝置結構見圖4。

圖4 拉拔試驗裝置

加載時,穿心千斤頂作用在張拉螺母上張拉拉桿,鋼套管與拉桿之間通過螺紋連接,將拉力從拉桿傳遞到鋼套管,繼而傳遞給錨桿[9-10]。

1.3 加載及測量方式

SL法最大檢測荷載是1.2Nd(Nd為桿體拉力設計值),試驗過程中均勻、緩慢、逐級施加拉拔力,加荷速率不大于1 kN/s,同時記錄錨桿拉力、位移和試驗現象,加載方式見表5。

表5 SL法檢測試驗過程(加載方式)

GB法最大檢測荷載也是1.2Nd,荷載分為5個等級,每一級荷載的穩壓時間是1 min,最大荷載穩壓時間是5 min,加載方式見表6。

表6 GB法檢測試驗過程

錨桿張拉前,取10～20 kN對錨桿預張拉1次或2次,使錨桿系統完全平直,各部位接觸緊密,以減緩張拉過程中各部分的受力不均勻。

2 試驗結果與分析

2.1 錨桿桿體端部位移總量

圖5為軟巖邊坡5.0 m長加固錨桿檢測時的桿體端部位移,可以看出，對于GFRP錨桿,兩種規范方法檢測引起的端部位移幾乎相同,說明先期SL法的無循環拉拔過程對后期GB法的有循環拉拔過程沒有構成顯著影響;對于鋼筋錨桿,GB法方法檢測的位移大于SL法檢測的位移,說明先期SL法的無循環拉拔過程對后期有循環拉拔過程構成一定影響。

圖5 軟巖邊坡5.0 m長加固錨桿端部位移

圖6為弱膨脹土邊坡10.0 m長加固錨桿檢測時的桿體端部位移,圖中顯示,GFRP錨桿的端部位移對于先期拉拔的反應不明顯,而鋼筋錨桿則有明顯的反應,即先期拉拔對后期拉拔時的桿體端部位移構成顯著影響。

圖6 弱膨脹土邊坡10.0 m長加固錨桿端部位移

由此,對于弱膨脹土邊坡采用鋼筋錨桿加固的工況,先期無循環拉拔過程對后期有循環拉拔過程有顯著的影響,比軟巖邊坡的情況更顯著。

2.2 錨桿體端部位移組成

圖7為軟巖土邊坡加固加固錨桿的拉拔檢測結果,圖8為弱膨脹土邊坡加固加固錨桿的拉拔檢測結果。

圖7 軟巖邊坡5.0 m長錨桿端部位移

圖8 弱膨脹土邊坡10.0 m長錨桿端部位移

圖7(a)(b)的坐標幅值相同,比較發現,軟巖邊坡中錨桿在經歷拉拔試驗時,同級荷載下GB法的桿端位移量大于SL法,卸荷到零后殘留的塑性位移量也大,兩種材料的錨桿表現出相同的特征;比較兩種檢測方法在兩種材料的錨桿上殘留的塑性位移, GB法檢測后GFRP錨桿表現出來的塑性位移總量小于鋼筋錨桿,但兩種檢測方法產生的塑性位移差值大于鋼筋錨桿,如表7所示。

圖8顯示,弱膨脹土邊坡中加固錨桿拉拔試驗時的變形特征與軟巖邊坡中的錨桿具有相同的規律。

上述現象的原因在于,對比試驗實施在同一根錨桿上,先實施的SL法檢測對錨桿的黏結狀態構成了一定的損傷,導致GB法實施時相同荷載下產生相對較大的彈、塑性位移;GFRP錨桿的彈性模量僅僅為鋼筋錨桿的1/4,與加固體之間具有更好的變形協調性,界面黏結狀態受到較小的損傷,錨桿體上的荷載傳遞深度更小,SL法張拉時無循環,對GFRP錨桿產生的損傷影響深度相對更小。由此導致GB法檢測時鋼筋錨桿的彈塑性位移大于GFRP錨桿,而兩種方法檢測到的桿體塑性位移差別小于GFRP錨桿的塑性位移。

表7中,理論彈性伸長量是根據GB法中的規定算出的,數據顯示,檢測到鋼筋錨桿的彈性伸長量大于理論值,軟巖和弱膨脹土邊坡中均顯示相同的特征。上述現象說明:錨桿理論伸長值計算時采用的桿長基數,即自由段+1/3錨固長,不一定合理,實際可能更大;檢測時桿體端部位移測量方法的精度不夠,桿體端部加載裝置的自身變形和整體位移未被完全剔除。

表7 錨桿體端部位移

由此,對于軟巖、弱膨脹土等低強度被加固體,現有GB法、SL法用于加固錨桿質量檢測時,試驗方法和數據處理方法應做適當調整,需要合理確定彈性伸長量計算基數,合理測量端部加載裝置的自身變形和整體位移。

2.3 錨桿體端部位移時間過程

圖9為軟巖邊坡加固錨桿在檢測的最大荷載條件下,桿體端部位移與穩壓時間的關系,圖10為弱膨脹土邊坡加固錨桿在檢測的最大荷載條件下,桿體端部位移與穩壓時間的關系。

圖9 軟巖邊坡5.0 m長錨桿端部位移和的時間關系

圖10 弱膨脹土邊坡10 m錨桿端部位移和時間的關系

圖9顯示,GB法、SL法檢測的錨桿端部位移時間過程具有較高的相似性,軟巖邊坡加固錨桿桿體端部位移在規定的穩壓時間5 min內均趨于一個穩定值,位移增量小于1 mm,符合規范要求,SL法先期張拉對后期GB法張拉未產生顯著影響。

圖10顯示,弱膨脹土邊坡加固錨桿桿體端部位移與軟巖邊坡加固桿體端部位移具有相同的規律。

可見,從桿體端部位移時間過程考察,檢測錨桿的性狀處于規范允許范圍內,說明錨桿桿體在受到荷載張拉引起的膠結損傷后,錨桿與膠結體之間應力重新調整,又達到了新的平衡,可以承擔設計荷載。同時也說明,即使檢測錨桿的彈性伸長量大于理論值,錨桿也可能是有效的。

綜上,對于GFRP錨桿,無論是軟巖或弱膨脹土邊坡,先期SL法無循環拉拔過程對后繼GB法有循環拉拔過程不構成顯著影響;對于鋼筋錨桿,先期SL法無循環拉拔過程對后繼GB法有循環拉拔過程構成一定影響,兩種方法測定的位移轉換時,GB法檢測的桿端位移要給予小于1的系數修正,本試驗的修正系數為0.90～0.95;GFRP錨桿的塑性位移小于鋼筋錨桿,軟巖邊坡中錨桿的位移量小于弱膨脹土邊坡;現行SL法、GB法用于錨桿質量檢測時,其試驗方法和數據處理方法均需要調整;對于軟巖、弱膨脹土等強度較低的被加固體,采用桿端位移時間過程評價錨桿質量更具有合理性。

2.4 不同檢測方法的錨桿軸力

圖11為軟巖邊坡5.0 m錨桿采用兩種方法檢測所得到的軸力關系,圖12為弱膨脹土邊坡10.0 m錨桿采用兩種方法檢測所得到的軸力關系。

圖11 軟巖邊坡5.0 m錨桿體軸力

圖12 弱膨脹土邊坡10.0 m錨桿體軸力

以上各圖顯示,GB與SL法檢測到的錨桿軸力在各不同深度處均近似為線性關系,采用式(1)進行線性擬合,得到的參數見表8。

NGB=aNSL+b

(1)

式中:NGB為采用GB法所測軸力；NSL為采用SL法所測軸力;a、b為擬合參數。

表9顯示,GB法與SL法檢測的錨桿軸力之間具有良好的線性關系,相關性指標大于0.93,說明兩種檢測方法得到的錨桿軸力變化規律近乎相同,依據SL法檢測到的錨桿軸力,按照相關關系換算得到的GB法檢測軸力值,完全可以反映實際錨固狀態。

圖13為相關參數a、b與錨桿深度的關系，可以看出,相關性參數與錨固深度具有近似線性關系,采用線性擬合,聯合式(1)得到GB法與SL法檢測的錨桿軸力間關系經驗模型如式(2)所示,其中包含錨桿深度的影響,模型參數見表9。

NGB=(ch+d)NSL+eh+f

(2)

其中ch+d=aeh+f=b

式中：h為深度；c、d、e、f為擬合參數。

表8 GB法與SL法錨桿軸力檢測值的相關性參數

圖13 弱膨脹土邊坡10 m GFRP錨桿參數a、b與深度關系

加固對象錨桿類別a?h關系b?h關系cdR2efR2泥質砂巖弱膨脹土5．0m鋼筋-0．0311．020．9280．109-0．2370．9975．0mGFRP-0．1541．2080．9920．524-0．430．95910．0m鋼筋0．0810．9750．943-0．473．9430．73810．0mGFRP0．0351．1030．940-1．2514．0330．987

圖14為弱膨脹土邊坡10.0 m GFRP錨桿不同深度桿體軸力實測值與經驗模型計算值之間的對比,可見經驗模型具有較好的精度。

綜上,所建經驗模型實質上反映了先期張拉對黏結狀態的影響,而實際情況應該是只有一種試驗數據,其中不包含損傷的影響,采用本轉換模型得到的GB法軸力應該比實際的要小,即是安全的。轉換模型和場地條件對應,只能用于同一個場地。檢測之前先進行標準試驗,建立適應本場地的轉換模型,然后用于本場地的其他錨桿。

圖14 弱膨脹土邊坡10.0 m鋼筋錨桿軸力曲線

3 結 論

a. 錨桿端部位移和檢測方法相關。GFRP錨桿的端部位移差別不大,鋼筋錨桿的端部位移差別明顯,先期加載引起的端部位移小于后期加載引起的端部位移。針對SL法的鋼筋錨桿端部位移轉換成GB法的桿體端部位移的修正系數為0.90～0.95。軟巖邊坡中錨桿的端部位移量小于弱膨脹土邊坡。

b. 軟巖邊坡加固錨桿承載具有特殊性。現行SL法與GB法用于軟巖及弱膨脹土邊坡加固錨桿質量檢測時,會產生不合理現象,其試驗方法和數據處理方法均需要調整。采用桿端位移時間過程評價錨桿質量更具有合理性。

c. SL法與GB法檢測到的錨桿軸力具有相關性。同一根錨桿采用不同規范方法檢測,所測桿體軸力間存在線性關系,由SL法檢測的軸力計算GB法檢測的軸力時,修正系數為0.90～1.05,修正系數大小和地質條件、錨桿類型有關。

d. 采用SL法檢測非預應力錨桿具有可行性。采用SL法現場檢測的錨桿,可通過本文建立的模型轉換為GB法檢測數據,這對于工程質量評定和施工進度具有積極意義和經濟價值。

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AcomparativestudyondifferenttestingmethodsforcanalslopereinforcementbarsinthewaterdiversionexperimentalprojectfromYangtzetoHuaiheRiver//

CHEN Shenggang1, YU Wei2,3, LI Guowei2,4, WU Shaofu5

(1.AnhuiInvestmentGroupHoldingCo.,Ltd.,Hefei230000,China;2.KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 3.HighwayandRailwayResearchInstitute,HohaiUniversity,Nanjing, 210098,China; 4.GeotechnicalResearchInstitute,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 5.ChinaRailway20thBureauGroupCo.,Ltd.,Xi’an710016,China)

Pull out test of the anchors in the water diversion experimental project from Yangtze to Huaihe River in both expansive soil slopes and soft rock slopes was carried out on the basis ofTechnicalCodeforEngineeringofGroundAnchoragesandShotcreteSupport(GB 50086-2015) andTechnicalSpecificationofShotcreteandRockBoltforWaterResourceandHydropowerProject(SL 377-2007). The results show that the displacement of the rod measured by the GB method is larger than that of the SL method, with a displacement conversion coefficient of 0.9～0.95. The displacement of the rod in soft rock slopes is less than that in weak expansive soil slopes. During the anchor rodstests in soft rocks and weak expansive soils, both GB and SL method overestimate the elastic extension values and it is more reasonable to evaluate the rod quality through the time process of the displacement. There is a linear relationship between the axial force measured by the two methods and the conversion coefficient is around 0.9～1.05. The SL method is a more efficient approach for non-prestressed anchors and the test data obtained by both methods can be converted mutually, which has positive significance and economic value for the evaluation of engineering quality and construction progress.

expansive soil; soft rock; anchor rod; inspection method; data fitting; water diversion project from Yangtze to Huaihe River

國家自然科學基金(41472240，41602352);中央高校基本科研業務費專項(2015B25514)

陳圣剛(1963—),男,高級工程師,碩士,主要從事水利水電研究。E-mail:chenshenggang@sohu.com

李國維(1964—),男,研究員,博士,主要從事巖土工程研究。E-mail: lgwnj@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.06.012

TV522

A

1006-7647(2017)06-0069-07

2017-04-20 編輯：鄭孝宇)