淺析觀音閣水庫碾壓混凝土原位抗剪試驗的實施方案

楊春旗

(遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003)

觀音閣水庫為大型碾壓混凝土壩結構，為了使工程質量得到保障，建設方要求不僅對混凝土抗壓性能做出檢測，還要檢測混凝土的抗剪性能。碾壓混凝土層面結合的優劣性能直接影響碾壓混凝土的質量，因此有必要現場進行碾壓混凝土的原位抗剪試驗。碾壓混凝土原位抗剪試驗是一項綜合性較強的試驗，操作步驟復雜。試驗裝置主要由豎向加載系統、剪切系統、錨桿反力系統組成。目前普遍應用在試驗中的豎向荷載加載方法有壓重法和錨桿法。

壓重法需要不斷的重復運輸和吊裝，存在安裝時間長、安全性能低、穩定性差等缺點。錨桿法多由直徑較小的鋼筋或錨筋制成錨桿，打孔后往孔中注入一定量的錨固劑，再插入鋼筋，并沿同一個方向旋轉，使錨固劑很好地包裹桿體，形成握裹力，由于錨固劑需要一定的凝結時間，待強度達到要求時才可以使用，因此從錨桿埋設完畢到投入使用需時間較長，且錨固后的錨桿殘留在錨固體中，不便回收，影響后續施工。由于碾壓混凝土原位抗剪試驗需在工程現場進行，環境多變，傳統的壓重法和錨桿法都有很大的局限性，實施困難。

1 實施方案

為突破傳統方法的局限性，在觀音閣水庫碾壓混凝土抗剪試驗過程中采用一種碾壓混凝土原位抗剪試驗的錨固反力裝置。本裝置施工方便、破壞性小、錨固力強，拆卸方便，可反復使用，且節省試驗材料，降低成本，縮短試驗周期。此裝置包括錨桿反力機構、豎向加載機構和剪切機構。

錨桿反力機構，包括第一膨脹錨桿、第二膨脹錨桿、第三膨脹錨桿、第四膨脹錨桿、第一次梁、第二次梁和主梁。

第一膨脹錨桿機構，包括螺桿、固定螺帽、上脹塞、瓣狀套管、開口式箍環、下脹塞、第一支撐桿和活動螺帽。

螺桿的上下端分別有外螺紋，中間為無螺紋段。固定螺帽為普通六角螺母，該螺帽與螺桿焊接固定；上脹塞下端為圓錐形體，其中心為無螺紋孔；下脹塞為圓錐形體，其中心孔有內螺紋。瓣狀套管由沿圓周方向分布的三個弧形瓣件對接構成，弧形瓣件兩端對應瓣狀套管軸線的夾角為120°。瓣狀套管的上、下端分別與上脹塞和下脹塞接觸，瓣狀套管上端的三個弧形瓣件的內徑與上脹塞的錐形體部分的外徑相匹配，瓣狀套管下端的三個弧形瓣件的內徑與下脹塞外徑相匹配，這樣保證了上下錐形脹塞能夠嵌入瓣狀套管內部。瓣狀套管外壁上有二道環形凹槽。二道環形凹槽內分別套裝有開口式箍環，其作用是使瓣狀套管在膨脹時箍緊，在收縮時放松，從而保證整個螺桿和第一膨脹錨桿機構脹縮自如，拆卸方便。

固定螺帽、上脹塞、瓣狀套管和下脹塞由上至下依次套裝在螺桿上。其中，固定螺帽固定在螺桿的上端有外螺紋段底部。上脹塞和瓣狀套管位于螺桿的無螺紋段，上脹塞的錐形體插入瓣狀套管的上端開口內。下脹塞旋設在螺桿的下端有外螺紋段，且下脹塞插入瓣狀套管的下端開口內。

第一支撐桿的下端中心孔內有內螺紋，螺桿的上端以外螺紋與第一支撐桿下端連接。

第二膨脹錨桿、第三膨脹錨桿和第四膨脹錨桿在結構上與第一膨脹錨桿相同。

第一膨脹錨桿和第二膨脹錨桿豎直設置，第一膨脹錨桿的第一支撐桿和第二膨脹錨桿的第二支撐桿的上端分別穿過第一次梁的兩端并與活動螺帽連接。第二次梁與第一次梁平行設置。第三膨脹錨桿和第四膨脹錨桿豎直設置。第三膨脹錨桿的第三支撐桿和第四膨脹錨桿的第四支撐桿分別穿過第二次梁的兩端并與活動螺帽連接。主梁橫向設置，其兩端分別與第一次梁和第二次梁垂直固定連接。

豎向加載機構包括橫向滾軸排、豎向千斤頂和水平鋼墊板。橫向滾軸排抵頂在主梁的下端面上。橫向滾軸排設置在豎向千斤頂上，豎向千斤頂設置在水平鋼墊板上。

剪切機構包括第一垂直鋼墊板、剪切向千斤頂、傳力塊和第二垂直鋼墊板。第一垂直鋼墊板和第二垂直鋼墊板豎直設置，剪切向千斤頂抵頂在第一垂直鋼墊板上，傳力塊左端抵頂在剪切向千斤頂的底座上，傳力塊右端抵頂在第二垂直鋼墊板上。

膨脹錨桿示意圖如圖1所示，瓣狀套管示意圖如圖2所示。

圖1 膨脹錨桿示意圖

圖2 瓣狀套管示意圖

使用中，用鉆機在試驗構件上打好四個錨固孔，將四個膨脹錨桿分別插入四個錨固孔中，旋緊固定螺帽，螺桿跟著一起旋轉，下脹塞隨著螺紋逐漸旋緊，使得上下兩個脹塞的錐形部分同時插入由三個弧形瓣件組合成的套管中，三個弧形瓣件隨即向外張開，兩個開口式箍環也隨著三個弧形瓣件組合成的套管向外擴張，由于套管膨脹形成摩擦握裹力，達到錨固效果。

試驗中通常用4個膨脹錨桿連接的4個支撐桿，4個膨脹錨桿通過上端螺桿分別與4個支撐桿相連接，其中二個支撐桿之間架設第一次梁，另外二個支撐桿間架設第二次梁，用活動螺帽固定次梁；在二個次梁的中間架設主梁，主梁下部依次安裝橫向滾軸排，豎向千斤頂，水平鋼墊板。整個豎向加載機構所有部件需安裝在同一軸線上，與預定剪切面相垂直。其次是安裝剪切機構，安裝順序為垂直鋼墊板，剪切向千斤頂，傳力塊，垂直鋼墊板，剪切系統應嚴格定位，中心線要平行于預定剪切面。錨固反力裝置安裝完畢后即可緩慢施加荷載開展試驗。具體實施方案如圖3所示。

2 選用該方案的優勢

(1)膨脹錨桿與傳統錨桿相比，其原理是依靠錨桿膨脹產生的摩擦力達到錨固效果。本文中的膨脹錨桿，當旋緊固定螺帽時，受上下脹塞擠壓作用，使三個弧形瓣件組成的套管外壁始終能保持與螺桿平行，產生的摩擦阻力更大更均勻，因此錨固力更強。通過拉拔試驗，膨脹錨桿可提供大于10kN的錨固力。

(2)施工方便，破壞性小，由于錨固力更強，打孔無需像傳統錨桿一樣打得很深，埋設時也無需注入錨固劑，節省施工時間。

圖3 抗剪試驗實施方案示意圖

(3)膨脹錨桿與支撐桿靠螺紋連接固定，支撐桿采用直徑較粗的鋼管代替傳統的鋼筋和錨筋，具有更好的穩定性和剛性。支撐桿與次梁，次梁與主梁之間也通過螺紋來連接和固定，整個反力系統更牢固、穩定，且方便拆卸，可以反復使用，節省試驗材料，降低成本，提高工效。

3 結語

在觀音閣水庫建設中，選用該方案，將設備組裝并布置到需試驗的混凝土上，按照試驗規范要求逐步操作，順利完成了抗剪試驗，試驗過程和效果比較理想。采用這種新的方案完成碾壓混凝土原位的抗剪試驗比傳統方案節約時間14d左右。

這種方案的不足在于當碾壓混凝土強度較低時，需要將設備埋的較深才能保證試驗順利完成。

[1] 胡曉靜. 既有建筑嵌套建造地下室設計與施工[J]. 水利規劃與設計, 2013(12).

[2] 張林, 徐進, 陳新, 等. 碾壓混凝土斷裂試驗研究[J]. 水利學報, 2001(05).

[3] 莊玉峰. 擋土墻墻后土體顆粒實驗及直接剪切試驗研究探析[J]. 水利技術監督, 2017(02).

[4] 蔡躍波, 陸采榮, 孫君森. 碾壓混凝土材料性能和耐久性研究[J]. 水利發電, 2001(08).

[5] 張剛, 鎮俊武, 寧順才. 哥斯達黎加水電站項目碾壓混凝土軸向直接抗拉強度試驗研究 [J]. 水利規劃與設計, 2016(02).

[6] 朱岳明, 黃文雄. 碾壓混凝土及碾壓混凝土壩的滲流特性研究[J]. 水利水電技術, 1995(12).

[7] 黃志強, 宋玉普, 王學志. 碾壓混凝土層面拉伸破壞試驗研究[J]. 大連理工大學學報, 2003(12).

[8] 湯洪潔. 碾壓混凝土拱壩的質量控制[J]. 水利規劃與設計, 2010(05).

[9] 劉數華, 曾力, 吳定燕. 碾壓混凝土抗裂性能研究[J]. 重慶建筑大學學報, 2015(03).

[10] 雷興順, 歐陽松, 張勇. 大朝山攔河壩碾壓混凝土施工質量控制[J]. 水利技術監督, 2001(05).