雷金山，楊秀竹，王安正，劉長文，茹 衛(wèi)

(中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南長沙 410075)

壓力型錨索錨固工程原型監(jiān)測與分析＊

雷金山，楊秀竹，王安正，劉長文，茹 衛(wèi)

(中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南長沙 410075)

結(jié)合實際工程，開展壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索的原型長期測試研究，測試結(jié)果表明:壓力分散型錨索預(yù)應(yīng)力變化自張拉鎖定開始，均經(jīng)歷快速下降、波動變化和平緩變化3個過程;邊坡地表豎向位移和水平位移前期發(fā)展較快，后期變形漸趨穩(wěn)定;坡體深部未出現(xiàn)大變形的潛在破裂面，說明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，即在破碎軟弱巖體中采用分散壓力型預(yù)應(yīng)力錨固工程是可行的?？蔀榻窈箢愃棋^固工程提供參考。

壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索;預(yù)應(yīng)力;位移;變形

壓力型錨索相對于拉力型傳統(tǒng)錨索結(jié)構(gòu)在受力性能及承載力等方面有諸多優(yōu)勢，從錨索受力和防護角度看，壓力型錨索是一種較合理的錨索結(jié)構(gòu)形式，已廣泛應(yīng)用于永久性錨固工程中［1－3］。本文結(jié)合實際工程，開展壓力型錨索原型長期監(jiān)測研究，監(jiān)測成果對工程邊坡的穩(wěn)定性作出評價［4－5］，所得結(jié)論可供今后該類錨索的理論研究與設(shè)計計算提供參考。

1 壓力分散型錨索錨固工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

工程邊坡原始地貌為侵蝕堆積－侵蝕剝蝕，為湘江V級階地，邊坡高度15～26 m不等，為永久性邊坡。地層主要由第四系素填土、粉質(zhì)粘土、強風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化粉砂巖組成:①素填土，層厚1.2 ～2.1 m;②粉質(zhì)粘土，層厚 0.8 ～2.8 m;③強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖石破碎，遇水易軟化，失水干裂，為極軟巖，層厚0.5～6.8 m;④中風(fēng)化泥質(zhì)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石較破碎－較完整，遇水易軟化，失水干裂，為極軟巖。

1.2 邊坡支護結(jié)構(gòu)概況

試驗邊坡高達26 m，采用放坡與錨索網(wǎng)格梁支護設(shè)計，分2級進行開挖，次邊坡按1∶1放坡;主邊坡坡比1∶0.3，坡頂設(shè)3 m寬平臺。主邊坡采用錨索網(wǎng)格梁支護［6－8］。設(shè)置6排錨索，按2 m×2 m正方形布置。錨孔直徑為150 mm，錨孔傾角向下15°;設(shè)計采用壓力型錨索;錨孔灌注砼R28≥30 MPa;網(wǎng)格梁截面為 0.3 m ×0.35 m，錨頭位于網(wǎng)格梁節(jié)點處。主邊坡支護結(jié)構(gòu)典型剖面見圖1。

根據(jù)錨固力大小分別采用2種規(guī)格的錨索。其中軸向拉力設(shè)計值為Na=500～540 kN時采用4φj15.24(4×7φ5)鋼絞線，軸向拉力設(shè)計值Na=400 kN時采用3φj15.24(3×7φ5)鋼絞線。采用鋼板承載體，承壓板直徑φ=138 mm、厚20 mm，各錨索兩級承載體間距為2.0 m，實物如圖2所示。

圖1 主邊坡支護典型剖面圖(標高單位:m)Fig.1 Typical section of slope retaining(m)

圖2 安裝好的錨索I級承載板及P錨Fig.2 Level I bearing plate of anchor cable and P anchor

2 監(jiān)測方案

長期監(jiān)測主要包括壓力型錨索預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測及邊坡土體變形監(jiān)測。

2.1 錨索預(yù)應(yīng)力變化長期監(jiān)測

在壓力分散型錨索軸線端頭布設(shè)錨索測力計，以獲得分析錨索的長期預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律。錨索預(yù)應(yīng)力變化監(jiān)測周期長，基于方便測量及有利于進行對比分析考慮，從上至下第4排和第5排中各選擇有代表性的錨索進行預(yù)應(yīng)力變化監(jiān)測。所選錨索編號及參數(shù)見表1。錨索測力計的安裝如圖3所示。

表1 預(yù)應(yīng)力變化監(jiān)測錨索參數(shù)Table 1 Anchor cable parameters whose prestressing force was monitored

圖3 錨索測力計安裝示意圖Fig.3 Forcemeter installation schemes of anchor cable

2.2 邊坡變形監(jiān)測

邊坡工程變形監(jiān)測主要有地表位移監(jiān)測及土體深部位移監(jiān)測。布置如下:在主邊坡頂部平臺上布置A1～A6等6個觀測墩，間距12 m，在次邊坡頂部分別與A1～A6同處垂直邊坡開挖面剖面線上布置B1～B6等6個觀測墩，A1～A6及B1～B6觀測墩用來進行邊坡豎向及水平位移變形觀測;在主邊坡坡頂平臺上布設(shè)S1～S4等4個測斜孔進行邊坡土體深部位移觀測，S1～S4分別和A2～A5處同一剖面，構(gòu)成了6個監(jiān)測剖面，如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點平面布置圖Fig.4 Layout of measuring point

水準測量采用閉合水準路線進行;變形觀測采用根據(jù)全站儀坐標測量法結(jié)進行;土體深部位移監(jiān)測主要是利用測斜儀進行。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 壓力分散型錨索預(yù)應(yīng)力變化監(jiān)測成果分析

3.1.1 錨索張拉鎖定引起的預(yù)應(yīng)力損失

本次試驗錨索采用逐根張拉的方式進行壓力分散型錨索的張拉程，在張拉過程中對于每道錨索均從較長的鋼絞線開始張拉。卸載時，靠工作錨夾片來鎖定鋼絞線，在千斤頂回油的瞬間，鋼絞線向坡內(nèi)回縮，并帶動夾片回縮，最終使得錨具、夾片和鋼絞線之間相互接觸牢固而達到鎖定的目的，在此過程中，鋼絞線的回縮會使得錨索的有效預(yù)應(yīng)力有所降低。表3為試驗錨索張拉鎖定瞬時損失的測試結(jié)果。線，預(yù)應(yīng)力鎖定瞬時損失值相差不大，18.50 m長的鋼絞線平均瞬時損失為19.33 kN，15.50 m長的鋼絞線平均瞬時損失為27.94 kN。

鋼絞線的張拉鎖定預(yù)應(yīng)力瞬時損失主要與其回縮量有關(guān)，通過計算試驗錨索MS7～MS10的第1根鋼絞線張拉鎖定瞬時回縮量分別為9.73，10.38，12.08 和 12.27 mm，短鋼絞線對比長鋼絞線回縮量要大，主要是由于壓力型錨索張拉時，張拉荷載作用在承載體上，進而使注漿體產(chǎn)生軸向位移，而試驗錨索全長注漿，在承載體與錨板之間形成細長的注漿體柱，所以在鋼絞線張拉和回縮的過程中注漿體均要發(fā)生與鋼絞線軸向位移一致方向的位移，而孔壁摩擦?xí)拗破湮灰屏浚?dāng)鋼絞線較長時，受孔壁摩擦作用越明顯，故較長鋼絞線回縮量要小于較短鋼絞線的回縮量。

3.1.2 錨索預(yù)應(yīng)力長期變化規(guī)律

自試驗錨索張拉鎖定后，初始階段內(nèi)每天觀測測力計受力情況，且每天同一時間進行觀測，其后為2～3 d觀測1次，并逐漸加大觀測間隔時間，通過對張拉鎖定后227 d內(nèi)觀測數(shù)據(jù)的處理，繪制出各試驗錨索預(yù)應(yīng)力值隨時間的變化曲線見圖5～圖8所示。

圖5 試驗錨索MS7鎖定后預(yù)應(yīng)力變化曲線Fig.5 Prestressing force curve of anchor cable MS7 afer tension lock

表2 預(yù)應(yīng)力張拉鎖定瞬時損失結(jié)果Table 2 Momentary loss of prestressing force afer tension lock kN

圖6 試驗錨索MS8鎖定后預(yù)應(yīng)力變化曲線Fig.6 Prestressing force curve of anchor cable MS8 afer tension lock

試驗錨索MS7和MS8第1根張拉鋼絞線長為18.50 m，MS9和 MS10第1根張拉鋼絞線長為15.50 m。從表中可以看出，對于相同長度的鋼絞

圖7 試驗錨索MS9鎖定后預(yù)應(yīng)力變化曲線Fig.7 Prestressing force curve of anchor cable MS9 afer tension lock

圖8 試驗錨索MS10鎖定后預(yù)應(yīng)力變化曲線Fig.8 Prestressing force curve of anchor cable MS10 afer tension lock

通過對4道試驗錨索預(yù)應(yīng)力觀測結(jié)果的整理分析，各試驗錨索預(yù)應(yīng)力變化具有一個共同的特征，各錨索預(yù)應(yīng)力變化自張拉鎖定開始，均經(jīng)歷快速下降、波動變化和平緩變化3個過程。在錨索張拉鎖定后7～10 d左右，各錨索的預(yù)應(yīng)力急劇下降，該階段完成時間較短，預(yù)應(yīng)力損失約為鎖定值3.5% ～8.0%，損失平均值為 25.07 kN;錨索鎖定后30 d以內(nèi)的時間里，錨索的預(yù)應(yīng)力呈穩(wěn)步下降，損失速率較小，受天氣溫度及降雨的影響，有所波動，該階段錨索預(yù)應(yīng)力的損失約為鎖定值的1% ～3%，損失平均值為7.54 kN;隨著時間的推移，錨索的預(yù)應(yīng)力呈平緩變化，該階段預(yù)應(yīng)力值仍有所下降，但是下降的幅度已經(jīng)變得很小，最后趨于穩(wěn)定。

3.2 變形監(jiān)測結(jié)果

3.2.1 邊坡地表豎向位移監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)水準測量結(jié)果計算每一次測得各點高程值和初始值之差記為該點累計豎向位移，并做出累計豎向位移－時間曲線，見圖9。

圖9 各監(jiān)測剖面累計豎向位移－時間曲線Fig.9 Accumulative total vertical displacement－ time curve of different monitoring profiles

圖9中各曲線顯示各觀測點累計豎向位移量較小，整個施工期結(jié)束最大累計位移只有8.48 mm。監(jiān)測初期由于土方施工剛完成，邊坡土體應(yīng)力重分布尚未完成，以及受錨索鉆孔施工等影響各觀測點豎向位移值波動變化較大;監(jiān)測期間降雨較多，該段時間各點變形曲線呈反復(fù)波動狀態(tài)，說明雨水對邊坡土體變形有較大的影響;在錨索網(wǎng)格梁施工完成之后，各觀測點豎向位移值變化較小，曲線顯示漸趨穩(wěn)定，整個觀測期間坡體未發(fā)現(xiàn)任何開裂和下沉現(xiàn)象，說明坡體基本穩(wěn)定。

3.2.2 邊坡地表水平位移監(jiān)測結(jié)果

水平位移各曲線(如圖10)顯示，觀測期間各點累計水平位移量均在10 mm以內(nèi)，與豎向位移類似，觀測初期水平位移變化速率較快，數(shù)值波動也相對較大，當(dāng)錨索預(yù)應(yīng)力張拉完成之后，水平位移變形量增長很小，從曲線可以看出觀測后期變形基本趨于穩(wěn)定，說明施加預(yù)應(yīng)力能有效控制邊坡土體的變形。

圖10 各監(jiān)測剖面累計水平位移－時間曲線Fig.10 Accumulative total horizontal displacement－ time curve of different monitoring profiles

3.2.3 邊坡土體深部位移監(jiān)測結(jié)果

由圖11～圖14可知，各測斜孔各深度實際位移均較小，變形主要發(fā)生在孔口附近。由于錨索施工的影響各曲線形態(tài)各異，但各曲線沿深度的變化趨勢基本一致，且未出現(xiàn)明顯的異常情況，表明邊坡土體內(nèi)部未出現(xiàn)大變形的潛在破裂面，說明該孔附近坡體在監(jiān)測期間是穩(wěn)定的。

4 結(jié)論

(1)壓力分散型錨索預(yù)應(yīng)力變化自張拉鎖定開始，均經(jīng)歷快速下降、波動變化和平緩變化3個過程;

圖11 測斜孔S1實際位移－深度曲線Fig.11 Displacement－depth curve of surveying slant hole S1

圖12 測斜孔S2實際位移－深度曲線Fig.12 Displacement－ depth curve of surveying slant hole S2

圖13 測斜孔S3實際位移－深度曲線Fig.13 Displacement－ depth curve of surveying slant hole S3

圖14 測斜孔S4實際位移－深度曲線Fig.14 Displacement－ depth curve of surveying slant hole S4

(2)通過對各試驗錨索預(yù)應(yīng)力長期監(jiān)測成果的分析，并采用雙曲線擬合法對后期預(yù)應(yīng)力損失進行了預(yù)測，表明試驗錨索預(yù)應(yīng)力損失在控制范圍之內(nèi);

(3)邊坡地表豎向位移和水平位移前期發(fā)展較快，支護結(jié)構(gòu)施工完成之后，各變形曲線漸趨穩(wěn)定，變形速率及累計變形量均在控制范圍之內(nèi);

(4)深部位移曲線沒有出現(xiàn)明顯的異常情況，邊坡體內(nèi)部未出現(xiàn)大變形的潛在破裂面;地表也未出現(xiàn)明顯的變形情況，說明坡體在整個監(jiān)測期間是穩(wěn)定的。

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Prototype monitoring and analysis of anchoring construction by pressure－dispersive cable

LEI Jin-shan，YANG Xiu-zhu，WANG An-zheng，LIU Chang-wen，RU Wei

(College of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

Based on engineering practice，monitoring of pressure－dispersive prestressed cable was carried on for a long time.The result of monitoring showed that change of prestressing force after the tension primarily locked included three processes，which successively were rapid dropping，fluctuant change and gentle change.Vertical and horizontal displacement of slope surface developed rapidly in the earlier stage，and later deformation gradually stabilized.Deep slope body had no large deformation of potential fracture surface，which showed that the slope was in a stable state.Soft fractured rock anchored by pressure－dispersive prestressed cable is feasible.It is useful for the similar anchor projects in the future.

pressure－dispersive prestressed cable;prestressing force;displacement;deformation

TU457

A

1672－7029(2011)06－0064－06

2011－10－13

國家自然科學(xué)基金資助項目(51108462);湖南省科技廳工業(yè)支撐計劃項目(1GK20113127)

雷金山(1973－)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，高級工程師，博士研究生，從事巖土及地下工程的教學(xué)、科研與工程設(shè)計、咨詢工作