張才連，馮 波

（1．瀏陽(yáng)市水務(wù)局，湖南 長(zhǎng)沙 410300；2．南京卡爾勝水電科技有限公司，江蘇 南京 210012）

預(yù)應(yīng)力錨索由于加固深度大、加固力強(qiáng)，施工效率高等特性，在巖質(zhì)邊坡加固工程中有非常廣泛的應(yīng)用。在重要邊坡的加固過(guò)程中，通常會(huì)選擇一定比例的典型錨索安裝錨索測(cè)力計(jì)，監(jiān)測(cè)錨索張力的變化，以便對(duì)加固效果進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，為邊坡的穩(wěn)定分析提供必要的數(shù)據(jù)支撐。眾多資料和實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)表明錨索測(cè)力計(jì)在錨索張拉、鎖定過(guò)程中測(cè)到的張力與按千斤頂油壓計(jì)算出來(lái)的張力有較大的差異，有時(shí)甚至超過(guò)20%。不少學(xué)者對(duì)造成這種差異的原因進(jìn)行了分析，多數(shù)認(rèn)為錨索的施工質(zhì)量不好，錨索鉆孔的中心線與錨索測(cè)力計(jì)的軸線不重合是造成這種誤差的主要原因，也就是說(shuō)錨索測(cè)力計(jì)是在偏心受壓的狀態(tài)下工作。由于錨索鉆孔不可能完全順直，如果借用鉆孔有效圓的概念就是說(shuō)由于鉆孔的彎曲造成有效圓的孔徑小于錨索鉆孔孔徑，就算有較大的有效圓，有效圓內(nèi)能夠容下一臺(tái)錨索所有的鋼絞線，但由于鋼絞線的性質(zhì)，在下索后對(duì)底部進(jìn)行灌漿錨固時(shí)也不能保證都將錨索均勻錨固在有效圓內(nèi)。因此錨索測(cè)力計(jì)在偏心受壓狀態(tài)下工作是普遍存在的現(xiàn)象。本文從使用最廣泛的振弦式錨索測(cè)力計(jì)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究錨索測(cè)力計(jì)在偏心受壓情況下的狀態(tài)，通過(guò)必要的試驗(yàn)進(jìn)行分析，希望找到這種誤差最主要的原因，以便于指導(dǎo)錨索的施工。

1 振弦式錨索測(cè)力計(jì)校驗(yàn)與理論值對(duì)比

（1）錨索測(cè)力計(jì)校驗(yàn)。振弦式錨索測(cè)力計(jì)多數(shù)情況為4弦，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，4根弦均勻布置在承壓環(huán)側(cè)面，當(dāng)承壓環(huán)受軸向壓力產(chǎn)生變形時(shí)，弦的變形與承壓環(huán)的變形滿足變形相容條件，也即應(yīng)變相同，從而引起鋼弦自振頻率的變化，可以建立鋼弦自振頻率與承壓環(huán)軸向力之間的關(guān)系。這樣可以通過(guò)測(cè)量鋼弦自動(dòng)頻率的變化來(lái)計(jì)算承壓環(huán)軸向力的變化，這是錨索測(cè)力計(jì)的測(cè)量原理。

錨索在張拉過(guò)程中當(dāng)測(cè)力計(jì)實(shí)測(cè)值與按千斤頂壓力的計(jì)算值存在較大誤差時(shí)，有不少人認(rèn)為是錨索測(cè)力計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)確，筆者不認(rèn)同這種觀點(diǎn)，曾對(duì)10臺(tái)2000 kN的錨索測(cè)力計(jì)進(jìn)行過(guò)復(fù)核，復(fù)核采取的線路如下。

（2）先在壓力試驗(yàn)機(jī)上對(duì)錨索測(cè)力計(jì)進(jìn)行精確標(biāo)定，得到錨索測(cè)力計(jì)在各級(jí)荷載下的頻率，從而可建立荷載與頻率之間的關(guān)系，這也是錨索測(cè)力計(jì)最主要的出廠檢驗(yàn)資料。

圖1

（3）從上述試驗(yàn)得到錨索測(cè)力計(jì)的頻率后，從錨索測(cè)力計(jì)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，按變形相容條件反算荷載，探求計(jì)算荷載與實(shí)際荷載之間的差異。

表1 錨索測(cè)力計(jì)標(biāo)定資料

由上述標(biāo)定可得到該錨索測(cè)力計(jì)荷載的計(jì)算公式為：

式中：F—荷載，kN；ΔD—頻模的變化量。

（4）錨索測(cè)力計(jì)理論值計(jì)算。由于錨索測(cè)力計(jì)承壓環(huán)和鋼弦均在線彈性范圍內(nèi)工作，因此對(duì)承壓環(huán)滿足以下的關(guān)系：

式中：ε—承壓環(huán)應(yīng)變；E′—承壓環(huán)彈性模量，Pa；F—承壓環(huán)荷載，N；A—承壓環(huán)受力面積，m2。

鋼弦的自振頻率公式為：

由（2）可以得到鋼弦的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中：L—鋼弦的長(zhǎng)度，m；ρ—鋼弦的密度，kg/m3；f—鋼弦自振頻率，Hz；E—鋼弦彈性模量，Pa。

根據(jù)變形相容條件，由（1）、（3）不難得到錨索測(cè)力計(jì)荷載的變化量與鋼弦頻率的變化之間的關(guān)系如下：

式中：ΔF—荷載變化量，N；f0—零荷載下的鋼弦頻率，Hz；f—某級(jí)荷載下的鋼弦頻率，Hz。

按（4）式計(jì)算表1中的荷載，并與實(shí)際輸入荷載對(duì)比，結(jié)果如下表2所示。其中取E′=E，ρ=7850 kg/m3，鋼弦的長(zhǎng)度為錨索測(cè)力計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，此錨索測(cè)力計(jì)弦長(zhǎng)L=53.00 mm，承壓環(huán)內(nèi)徑95.00平共處mm，外徑148.00 mm，高度120 m，均取f0和f的平均值。

表2 錨索測(cè)力計(jì)理論計(jì)算荷載與實(shí)際荷載對(duì)比

由上表可知，按鋼弦與承壓環(huán)變形相容條件及錨索測(cè)力計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出來(lái)的理論荷載與實(shí)際荷載的誤差最大為2.08%，這個(gè)誤差是可以接受的。這也說(shuō)明正規(guī)廠家生產(chǎn)的錨索測(cè)力計(jì)經(jīng)出廠標(biāo)定以后，其測(cè)值是比較準(zhǔn)確的，不是錨索施工過(guò)程中測(cè)力計(jì)測(cè)量值與按張拉千斤頂計(jì)算值誤差較大的主要原因。

藻細(xì)胞周邊的水分由于受到藻細(xì)胞的束縛，其性質(zhì)和未受到束縛作用的自由水有差別。藻泥中的水可被分為2種：由于藻細(xì)胞固體物質(zhì)的存在導(dǎo)致其性質(zhì)發(fā)生變化的束縛水和性質(zhì)不受固體物質(zhì)影響的自由水［12］。含水物質(zhì)（如市政污泥）中的束縛水不能通過(guò)傳統(tǒng)的脫水方法（如離心、絮凝或過(guò)濾）被脫除。

2 錨索測(cè)力計(jì)偏心受壓時(shí)受力分析

錨索測(cè)力計(jì)的偏心受壓有兩種典型的工況：（1）錨索張緊后的合力與錨索測(cè)力計(jì)的軸線平行，但存在偏心距e；（2）錨索的合力與錨索測(cè)力計(jì)軸線存在夾角，如下圖所示。

圖2 錨索測(cè)力計(jì)兩種典型工況

錨索測(cè)力計(jì)在工作時(shí)，多數(shù)情況是上述兩種工況的組合，為便于分析問(wèn)題，對(duì)上述兩種工況單獨(dú)進(jìn)行分析。

3 存在偏心距e時(shí)的誤差分析

對(duì)于第一種情況，采用在壓力試驗(yàn)機(jī)上人為設(shè)置偏心距的方式進(jìn)行分析（試驗(yàn)時(shí)設(shè)計(jì)了壓力試驗(yàn)機(jī)與錨索測(cè)力計(jì)配合的傳力塊，便于設(shè)置偏心距），偏心距分別設(shè)置為2、5、10 mm，如下圖 3所示。

測(cè)試用的錨索測(cè)力計(jì)仍然采用上述型號(hào)的錨索測(cè)力計(jì)，每個(gè)測(cè)試檔位計(jì)算錨索測(cè)力計(jì)的計(jì)算值與壓力機(jī)實(shí)際值之間的誤差（錨索測(cè)力計(jì)計(jì)算時(shí)基準(zhǔn)值試驗(yàn)開(kāi)始前選取，試驗(yàn)溫度保持不變），統(tǒng)計(jì)如下表3示。

圖3 錨索測(cè)力計(jì)偏心受壓試驗(yàn)示意圖

表3 錨索測(cè)力計(jì)偏心受壓時(shí)測(cè)量誤差統(tǒng)計(jì)表

由表3可知，對(duì)于試驗(yàn)的錨索測(cè)力計(jì)，在第一種偏心受壓情況下，在試驗(yàn)室3種試驗(yàn)工況下最大誤差為7.50%，這是在試驗(yàn)室情況下，壓力機(jī)的壓力通過(guò)傳力塊比較均勻地傳到圖2錨索測(cè)力計(jì)的陰影面積上，實(shí)際上在施工現(xiàn)場(chǎng)，工作錨的傳力情況不可能有這么好，因此在同等的偏心距下，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量誤差可能還要大于本試驗(yàn)得到的誤差水平。

錨索測(cè)力計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)張拉過(guò)程中，容易保證工作錨與測(cè)力計(jì)的同軸度，但偏心距存在的主要原因并不是保證同心度就可以避免。我們知道鋼絞線張力通過(guò)工作錨將力傳遞到錨索測(cè)力計(jì)上，鋼絞線在工作錨上是對(duì)稱分布的，但由于每根鋼絞線上的張力不可能完全保持一樣，這樣對(duì)錨索測(cè)力計(jì)承壓環(huán)而言就產(chǎn)生了偏心受壓，同時(shí)受到彎矩的作用，產(chǎn)生測(cè)量誤差。

4 存在偏心角θ時(shí)的誤差分析

當(dāng)存在偏心角θ時(shí)，由于荷載較大，不好在實(shí)驗(yàn)室模擬，因此擬用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行分析。分析線路如下：

（1）建立有限單元模型，荷載以面力施加在承壓環(huán)上，荷載與承壓環(huán)法線方向的夾角為θ。

（3）由公式（3）理論計(jì)算弦在上述應(yīng)變變化量時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率變化量。

（4）對(duì)4根弦的變化量取平均值，代入錨索測(cè)力計(jì)廠家的計(jì)算公式，求得錨索測(cè)力計(jì)的計(jì)算荷載，并與建模時(shí)施加的荷載進(jìn)行比較，分析誤差范圍。

數(shù)值計(jì)算時(shí)仍采用上述型號(hào)的錨索測(cè)力計(jì)建模，偏心角 θ分別取 θ=1°，θ=3°，θ=5°，荷載 Q 分別取 500、1000、1500、2000 kN（荷載轉(zhuǎn)換成面力進(jìn)行加載），對(duì)計(jì)算結(jié)果按上述（2）（3）（4）步驟進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表 4 所示。

由表4可知，從數(shù)值計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，存在偏心角θ時(shí)，對(duì)錨索測(cè)力計(jì)的影響很大，偏心角越大測(cè)量誤差越大，當(dāng)偏心角為5°時(shí)，最大誤差達(dá)到11.67%。雖然這是數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，模型不能完全模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，但也可以說(shuō)明，偏心角是造成測(cè)量誤差非常重要的原因，實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)盡量減小偏心角，必要的時(shí)候可以檢驗(yàn)錨墊板與鉆孔之間的夾角（錨墊板法線與鉆孔軸線方向的夾角即為偏心角）。

表4 錨索測(cè)力計(jì)存在偏心角時(shí)誤差統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

錨索測(cè)力計(jì)是邊坡、地下洞室加固過(guò)程中用得比較多的監(jiān)測(cè)儀器，在施工過(guò)程中對(duì)錨索測(cè)力計(jì)測(cè)值與按張拉設(shè)備計(jì)算出來(lái)的測(cè)值之間的誤差也有不少文獻(xiàn)進(jìn)行了分析，本文通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析認(rèn)為，對(duì)于合格的錨索測(cè)力計(jì)在壓力試驗(yàn)機(jī)上良好加載時(shí)，其測(cè)量值沒(méi)有大的誤差。當(dāng)荷載存在偏心距或偏心角時(shí)其最終荷載誤差明顯過(guò)大，在這兩種情況下，錨索測(cè)力計(jì)承壓環(huán)的受力都不均勻，可能有部分承壓環(huán)內(nèi)力已經(jīng)超過(guò)了材料的彈性極限，產(chǎn)生了塑性變形，承壓環(huán)的應(yīng)力與應(yīng)變之間已經(jīng)不是線性關(guān)系所致。要減小錨索測(cè)力計(jì)的測(cè)量誤差，可以從以下兩方面考慮：

（1）錨索測(cè)力計(jì)生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)錨索測(cè)力時(shí)，承壓環(huán)材料應(yīng)該完全在線彈性范圍內(nèi)工作，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)，承壓環(huán)材料的彈性極限應(yīng)該還有一定的余度，筆者認(rèn)為不應(yīng)小于20%，以避免偏心受壓時(shí)承壓環(huán)部分屈服，造成很大的測(cè)量誤差。

（2）偏心距和偏心角的存在是錨索測(cè)力計(jì)誤差的主要來(lái)源，應(yīng)該做到鉆孔平直，鉆孔有效圓面積大，另外錨墊板外平面與鉆孔的垂直度是關(guān)鍵的控制因素，必要的時(shí)候需要進(jìn)行測(cè)定，減小偏心角θ。張拉過(guò)程中，各級(jí)應(yīng)張拉均勻，使每束錨索受力均勻，減小合力的偏心距。