陶明星,曹國福,和再良

(上?？睖y設(shè)計(jì)研究院,上海 200434)

1 前 言

預(yù)應(yīng)力錨索作為一種主動受力結(jié)構(gòu),能夠合理利用巖體的自身強(qiáng)度和自穩(wěn)能力,調(diào)整巖體的應(yīng)力狀態(tài),從而控制巖體變形,達(dá)到加固邊坡的目的。預(yù)應(yīng)力錨索具有強(qiáng)度高、自重輕、工期短、造價(jià)低及施工方便等優(yōu)點(diǎn),是一種高效的加固措施,在邊坡加固工程中得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于巖土工程本身的復(fù)雜性,目前使用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行邊坡加固的設(shè)計(jì)方法、計(jì)算理論還不十分完善,且預(yù)應(yīng)力錨索的加固效果受施工因素影響較大,存在很大的不確定性,因此有必要在施工過程中選擇一定數(shù)量的錨索進(jìn)行跟蹤測試,以了解邊坡加固效果,驗(yàn)證設(shè)計(jì),指導(dǎo)施工。

本文結(jié)合云南弄另水電站廠房后邊坡加固工程的安全監(jiān)測工作,對部分預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行試驗(yàn)研究,重點(diǎn)探討在張拉、鎖定及運(yùn)行過程中錨固力的變化規(guī)律及影響因素,為類似工程積累經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況及試驗(yàn)方法

2.1 工程概況

云南弄另水電站位于云南省德宏州的龍江干流上,電站裝機(jī)容量 180MW,為大(2)型Ⅱ等工程。發(fā)電廠房后人工巖石邊坡高約 116m,邊坡開挖過程中使用錨桿和錨筋樁進(jìn)行了支護(hù),但隨著廠房基坑開挖,邊坡位移呈逐漸增大趨勢,測斜數(shù)據(jù)顯示邊坡深層巖體有相互錯(cuò)動現(xiàn)象。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)及補(bǔ)充勘察資料分析,認(rèn)為該邊坡不滿足穩(wěn)定要求,存在深層滑動的可能,需要進(jìn)行深層支護(hù)。

設(shè)計(jì)采用預(yù)應(yīng)力錨索作為深層支護(hù)措施,在廠房后邊坡布置預(yù)應(yīng)力錨索 5排共 56根,錨索長度分35、45、50m三種,設(shè)計(jì)張拉力為 3000kN,超張拉荷載 3300kN。邊坡開挖及錨索布置剖面見圖1。

預(yù)應(yīng)力錨索為壓力分散型錨索,錨索所用的錨夾具、承載板等為柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的 OVM 15A-19系列產(chǎn)品,千斤頂、鋼絞線等亦為該公司生產(chǎn)。每根錨索體由 19束 d15.2高強(qiáng)度、低松弛無粘結(jié)鋼絞線組成。

圖1 邊坡開挖及錨索布置剖面示意(m)

廠房后邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固工程于 2007年 3月開始施工,至 2007年 6月底全部錨索張拉完成,歷時(shí)約 4個(gè)月。錨索的施工順序?yàn)?先依次施工高程 916.00m、919.00m、931.00m、945.00m4排錨索,最后施工高程 905.00m的 1排錨索。為了解邊坡加固效果及邊坡的長期穩(wěn)定性,在 945.00m、931.00m、919.00m、905.00m高程的 4排錨中各選擇 1根作長期觀測,4根觀測錨索的編號分別為DP1～ DP4。

2.2 地質(zhì)條件

弄另電站廠房區(qū)處于一巖石斜坡上,坡頂高程1069.0m,地面自然坡度 35°～45°,斜坡上除發(fā)育兩條極小沖溝外,無滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象,在自然狀態(tài)下較為穩(wěn)定。廠房建基面高程 870.3m,廠房基坑開挖后,在廠房后將形成一高邊坡。平硐揭示,邊坡全～弱風(fēng)化基巖中節(jié)理及軟弱結(jié)構(gòu)面較發(fā)育,其結(jié)構(gòu)面組合具備楔形體滑移邊界條件。邊坡開挖后,坡體內(nèi)應(yīng)力重分布,平行于坡面的應(yīng)力增大,可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面貫通連續(xù)形成滑坡。因此需要結(jié)合邊坡的抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果,采取錨固及支擋措施。

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用在預(yù)應(yīng)力錨索上安裝測力計(jì)的方法進(jìn)行,所用測力計(jì)為基康儀器(北京)有限公司生產(chǎn)的 BGK 4900振弦式錨索測力計(jì)。測力計(jì)為高強(qiáng)度的合金鋼圓筒,沿筒邊均勻布置 6個(gè)高精度弦式傳感器,可以測量作用在錨索上的總荷載,通過每只傳感器,還可以測量偏心荷載,筒內(nèi)另外設(shè)置了熱敏溫度計(jì)用于測量測力計(jì)及現(xiàn)場環(huán)境溫度。測力計(jì)綜合精度為 ±0.5%F·S,年漂移小于或等于 0.5%F·S。安裝時(shí)使測力計(jì)與錨索同軸,并保證測力計(jì)安裝基面與錨孔垂直,在測力計(jì)下方放置鋼墊板,使測力計(jì)均勻受力。錨索測力計(jì)的安裝方法見圖2。

圖2 錨索測力計(jì)安裝示意

安裝前對每只錨索測力計(jì)都進(jìn)行了現(xiàn)場率定。分別采用廠家給出的多項(xiàng)式法和直線公式法對錨固荷載進(jìn)行計(jì)算,對比發(fā)現(xiàn)用多項(xiàng)式法計(jì)算的結(jié)果與率定荷載更為接近,因此在后期觀測數(shù)據(jù)處理中均采用多項(xiàng)式法計(jì)算錨固荷載,并根據(jù)現(xiàn)場率定成果對部分廠家提供的多項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)行了修正。多項(xiàng)式法的計(jì)算公式為:

式中 F——錨固荷載,kN;

A、B、C——多項(xiàng)式系數(shù) ;

R1——測力計(jì)頻率模數(shù)平均值,H2z/1000;

K——溫度率定系數(shù),kN/℃;

T0——率定溫度,℃;

T1——測試溫度,℃。

3 試驗(yàn)成果及分析

3.1 試驗(yàn)成果

根據(jù)施工安排,4根觀測錨索的施工順序?yàn)镈P3→DP2→DP1→DP4,張拉完成時(shí)間分別為 2007年 4月 26日、5月 24日 、6月 8日、6月 14日。

圖3～6分別為錨索測力計(jì) DP1～DP4安裝完成 6個(gè)月內(nèi)錨索錨固力隨時(shí)間的變化曲線,圖中時(shí)間年份均為 2007年,溫度是測力計(jì)安裝位置的測試溫度。

圖3 DP1錨固力變化曲線

圖4 DP2錨固力變化曲線

圖5 DP3錨固力變化曲線

圖7是 DP1～DP3在施工完成后 30天內(nèi),錨固力隨時(shí)間的變化曲線,圖中時(shí)間軸上的點(diǎn) A代表鎖定時(shí)刻,對應(yīng)的錨固力數(shù)值為鎖定荷載。DP4的曲線與 DP3基本一致,圖中未示出。

3.2 錨固力的變化規(guī)律

從圖3～6可以看出,4只測力計(jì)經(jīng)歷了夏、秋、冬三個(gè)季節(jié),溫度測值變化較大,但錨固力測值相對平穩(wěn),說明錨固力變化與測力計(jì)溫度變化的關(guān)聯(lián)度不大。原因是測力計(jì)安裝在錨索外側(cè)端頭,其測試溫度基本與氣溫相近,隨氣候變化較大,而錨索體的主要部分深埋在巖體中,相關(guān)觀測資料顯示本邊坡深層巖體溫度基本穩(wěn)定,因此錨固力未表現(xiàn)出隨外界溫度的大幅波動。

圖6 DP4錨固力變化曲線

圖7 張拉完成 30天內(nèi)錨固力變化曲線

結(jié)合圖 3～7可以發(fā)現(xiàn),在張拉、鎖定及運(yùn)行過程中,4根錨索錨固力變化趨勢基本一致,錨固力的變化過程大致可分為 3個(gè)階段:

(1)鎖定時(shí)錨固力迅速下降階段。本階段隨著千斤頂?shù)男遁d,錨索張拉力向工作夾片與鋼絞線間的摩擦力及擠壓力轉(zhuǎn)化,錨夾具發(fā)生變形導(dǎo)致錨固力損失,同時(shí)錨索張拉端產(chǎn)生回縮。

(2)張拉完成 30天內(nèi)緩慢下降階段。本階段錨固力損失的原因主要為巖體及錨索內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整,產(chǎn)生巖體壓縮、鋼絞線應(yīng)力松弛所致。

(3)張拉完成 30天以后的基本穩(wěn)定階段。巖體及錨索應(yīng)力調(diào)整完成,重新達(dá)到平衡。

另外,4根錨索在鎖定后錨固力測值變化基本平穩(wěn),未出現(xiàn)文獻(xiàn)[3]中總結(jié)的“波動變化階段”,原因是錨索施工時(shí)廠房施工爆破已完成,且錨索深埋于溫度基本穩(wěn)定的山體中,即基本不存在文獻(xiàn)[3]中提及的引起錨固力波動變化的外界因素。

3.3 錨固力損失的統(tǒng)計(jì)分析

為考察預(yù)應(yīng)力錨索錨固力在不同時(shí)段內(nèi)的定量變化,對4根錨索施工完成后 180天內(nèi)部分特征時(shí)間的錨固力及相應(yīng)損失率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 錨固力及相應(yīng)預(yù)應(yīng)力損失率統(tǒng)計(jì)

從表1可見,錨索施工完成 180天后,錨固力平均總損失量占平均最大張拉荷載的 17.9%。錨固力在鎖定時(shí)即前述的第(1)段損失較大,平均損失率約占 180天總損失率的 2/3。錨固力在鎖定時(shí)的損失主要由錨夾具變形及夾片與鋼絞線間發(fā)生滑移引起,可以通過超張拉來彌補(bǔ);但超張拉是以提高錨索設(shè)計(jì)承載力為代價(jià)的,超張拉部分的承載力只在張拉鎖定時(shí)起作用,如果超張拉值增大,則錨索的設(shè)計(jì)承載力也要相應(yīng)加大,是不經(jīng)濟(jì)的,因而努力減少鎖定損失才是更合理的途徑。可見,選擇優(yōu)質(zhì)的錨夾具及施工工藝對減少預(yù)應(yīng)力損失至關(guān)重要。

在本工程預(yù)應(yīng)力錨索施工過程中,當(dāng)依次完成DP3、DP2、DP1的張拉鎖定后,發(fā)現(xiàn) 3根錨索的鎖定荷載依次減小而損失率依次增大,施工至 DP1時(shí),鎖定荷載已不能滿足不低于設(shè)計(jì)值 90%的要求,補(bǔ)張拉效果亦不理想。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),由于連續(xù)進(jìn)行了40多根錨索的施工作業(yè),錨索施工機(jī)具未進(jìn)行定期檢驗(yàn)、率定和保養(yǎng),產(chǎn)生了油泵出力不足、壓力表讀數(shù)偏差增大、張拉端回縮量偏大等不良現(xiàn)象。隨后對千斤頂、壓力表等進(jìn)行了重新率定和保養(yǎng),更換了油泵等,在施工 DP4時(shí),鎖定效果得到了明顯改善。

4 邊坡加固效果

圖8 測點(diǎn)水平位移過程線

圖9 測點(diǎn)垂直位移過程線

圖8、9分別為 2006年 10月～2007年 6月廠房后邊坡部分變形觀測點(diǎn) TR2、TR5、TR10的水平位移及垂直位移過程線。從圖8、9的邊坡變形觀測數(shù)據(jù)可以看出,2007年 5月,隨著廠房后邊坡大部分預(yù)應(yīng)力錨索張拉完成,邊坡變形得到了有效控制,各觀測點(diǎn)的水平、垂直位移曲線都呈收斂趨勢。

錨索施工完成以后 6個(gè)月的錨固力測試表明,4根觀測錨索的長期錨固力都小于設(shè)計(jì)值 3000kN,錨固力損失量較大,6個(gè)月總損失量約占最大張拉荷載的 18%;錨固力損失主要產(chǎn)生在鎖定時(shí)及最初的一個(gè)月內(nèi),后期基本穩(wěn)定,未出現(xiàn)大幅度降低或長期衰減不止的現(xiàn)象。邊坡變形觀測數(shù)據(jù)顯示,2007年 6月以后,廠房后邊坡已基本穩(wěn)定,表明預(yù)應(yīng)力錨索加固達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié) 語

(1)巖石邊坡預(yù)應(yīng)力錨索錨固力變化可分為3個(gè)階段,即鎖定時(shí)錨固力迅速下降階段、張拉完成30天內(nèi)緩慢下降階段和張拉完成 30天以后的基本穩(wěn)定階段。

(2)巖石邊坡預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力在鎖定時(shí)損失較大,努力減少鎖定時(shí)的預(yù)應(yīng)力損失對控制錨索最大張拉荷載、降低承載力浪費(fèi)、節(jié)約工程費(fèi)用具有重要意義。

(3)預(yù)應(yīng)力錨索的加固效果受施工因素影響較大,施工中應(yīng)對施工機(jī)具進(jìn)行定期檢驗(yàn)和率定,嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。其對邊坡的加固效果應(yīng)結(jié)合邊坡位移觀測數(shù)據(jù)綜合加以分析。

[1]中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) .DL/T5176-2003《水電工程預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].北京:中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會,2003.

[2]杜斌,李勇,孔思麗.預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁中錨索預(yù)應(yīng)力損失的試驗(yàn)研究[J].巖土工程界,2006,9(1):74-76.

[3]張發(fā)明,趙維炳,劉寧.預(yù)應(yīng)力錨索錨固荷載的變化規(guī)律及預(yù)測模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(1):39-43.

[4]唐孟雄.基坑工程預(yù)應(yīng)力錨索錨固力試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(6):1158-1163.

[5]申慶成,陳新,李國正,等.邊坡危巖治理中對錨索預(yù)應(yīng)力損失的試驗(yàn)研究[J].云南水力發(fā)電,2006,22(5):9-11.

[6]張發(fā)明,劉寧,陳祖煜,等.影響大噸位預(yù)應(yīng)力長錨索錨固力損失的因素分析[J].巖土力學(xué),2003,24(2):194-197.

[7]鄭啟強(qiáng),饒法強(qiáng) .壓力分散型錨索在高邊坡加固中的施工控制[J].四川建材,2007(4):188-190.