李 斌， 王 程, 鄧樹密

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川成都 610072)

土層預(yù)應(yīng)力錨索在基坑、邊坡工程中有著廣泛的運(yùn)用。預(yù)應(yīng)力錨索因能充分發(fā)揮巖土的自承潛力，調(diào)節(jié)和提高巖土的自身強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，減輕支護(hù)結(jié)構(gòu)的自重，節(jié)約工程材料，并能保證施工的安全與穩(wěn)定[1-2]。但在在錨固體系內(nèi)部應(yīng)力 (鋼絞線和砂漿體應(yīng)力)的監(jiān)測方面，開展的研究還較少?；谝陨弦蛩乜紤]，通過對錨固體系的內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測，進(jìn)一步加深對錨固段應(yīng)力分布的研究，提供一種快速合理的確定錨固段長度的有效手段，并對錨固體系內(nèi)部應(yīng)力的長期監(jiān)測提供一種可靠有效的方法。本文采用現(xiàn)場監(jiān)測方法對土層錨索進(jìn)行抗拉拔試驗(yàn)和監(jiān)測試驗(yàn)，探討拉力型預(yù)應(yīng)力錨索的工作機(jī)理和性狀。

1 工程實(shí)例

成都軌道交通某線網(wǎng)定位為快線干線和機(jī)場線，該線某車站大里程接盾構(gòu)始發(fā)區(qū)間，小里程端為明挖區(qū)間，主體結(jié)構(gòu)為地下二層島式框架結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工，采用放坡+土釘墻進(jìn)行支護(hù)，采用地面截排水+坑底積水明排進(jìn)行降水。車站部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用放坡，放坡均采用錨桿支護(hù)，網(wǎng)噴坡面采用φ8@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)、1∶0.3和1∶0.4噴射100 mm厚C20混凝土，1∶3段噴射120 mm厚C20混凝土，錨桿采用φ25 mm鋼筋，1∶0.3段水平、豎向間距2.5 m，1∶0.4段水平間距為2.5 m、豎向間距為2.5 m，呈網(wǎng)格布置。每級放坡第一道錨桿距離該坡頂平臺0.5 m，同時(shí)每級放坡最后一道錨桿距離該坡底不應(yīng)超過1.0 m，不宜小于0.5 m，兩道錨桿間距不宜小于1.0 m，不應(yīng)大于2.5 m?；娱_挖現(xiàn)狀見圖1，預(yù)應(yīng)力錨索見圖2，試驗(yàn)錨索設(shè)計(jì)參數(shù)、地層物理力學(xué)指標(biāo)分別見表1、表2。

圖1 地鐵車站基坑

圖2 現(xiàn)場錨索

2 試驗(yàn)測試方案

試驗(yàn)錨索為集中拉力型，采用無粘結(jié)雙層保護(hù)，試驗(yàn)錨索為集中拉力型，采用無粘結(jié)雙層保護(hù)，以提高錨索抗腐蝕能力。錨索張拉段長26 m，內(nèi)錨固段長11 m，設(shè)計(jì)噸位為650 kN，超張拉10 %。

2.1 試驗(yàn)研究內(nèi)容

(1)張拉過程中內(nèi)錨頭變位以及內(nèi)錨固段荷載分布。

(2)錨索鎖定后初期預(yù)應(yīng)力和段荷載分布調(diào)整變化規(guī)律。

(3)錨索鎖定后初期預(yù)應(yīng)力與內(nèi)錨固段荷載分布兩者之間的變化關(guān)系等。

表1 試驗(yàn)錨索設(shè)計(jì)與施工參數(shù)

表2 場地錨索所在層土質(zhì)物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方法

(1)通過鋼尺量測孔口鋼絞線伸長值反推內(nèi)錨頭變位；內(nèi)錨固段載荷分布通過內(nèi)錨段鋼絞線上的應(yīng)變計(jì)測量。

(2)預(yù)應(yīng)力錨索鋼絞線應(yīng)變的測量是試驗(yàn)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，這是因?yàn)殇摻g線應(yīng)變值大，從張拉完成后預(yù)應(yīng)力筋一直處于較高的應(yīng)力水平，應(yīng)變計(jì)長期高應(yīng)力狀態(tài)下的使用壽命尤為重要。

(3)應(yīng)變計(jì)穿入巖體孔中，與混凝土砂漿澆筑在一起，測量環(huán)境惡劣，如果應(yīng)變計(jì)的粘貼技術(shù)不可靠，防護(hù)措施不當(dāng)，就會造成應(yīng)變片斷裂、剝離、脫落，引線斷路、絕緣度降低等問題，使應(yīng)變計(jì)失效。應(yīng)重點(diǎn)解決應(yīng)變計(jì)膠粘劑的選擇、粘貼技術(shù)、應(yīng)變計(jì)的防護(hù)問題,提高預(yù)應(yīng)力筋大應(yīng)變測量的成功率。

(4)根據(jù)傳統(tǒng)拉力集中型錨索內(nèi)錨段荷載分布非線性的特點(diǎn)[2-6]，將應(yīng)變計(jì)布置在靠近內(nèi)錨段起始段約4.5 m軸力變化大的范圍內(nèi)，另外為了解內(nèi)錨段的情況也設(shè)置了少量測點(diǎn)。內(nèi)錨段應(yīng)變計(jì)布置具體見圖3。

圖3 預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)變測點(diǎn)布置示意(單位：cm)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 錨索抗拔試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)CECS 22:2005《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》[3]和GB 50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[4]相關(guān)要求對錨索承載力進(jìn)行評定錨索抗拔試驗(yàn)。試驗(yàn)荷載和變形數(shù)據(jù)見表3。

本次檢測的2根錨桿在試驗(yàn)加載到最大試驗(yàn)荷載下所測得的彈性位移量，超過該荷載下桿體自由段長 度理論彈性伸長值的80 %，且小于桿體自由段長度與1/2錨固段長度之和的理論彈性伸長值；在最后一級荷載作用下1～10 min錨桿蠕變量都小于1.0 mm，故都滿足設(shè)計(jì)要求(圖4、圖5)。

3.2 錨索張拉時(shí)錨固段軸力分布分析

錨索采用全長有粘結(jié)拉力型結(jié)構(gòu)，荷載傳遞路徑為：有粘結(jié)鋼絞線—水泥漿包裹體—巖體。本次兩根試驗(yàn)錨索軸力曲線通過應(yīng)變片實(shí)測應(yīng)變，轉(zhuǎn)化為應(yīng)力后乘以鋼絞線截面面積可計(jì)算得到，具體軸力分布曲線如圖6、圖7所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖4 預(yù)應(yīng)力錨索1-149-15#荷載-位移曲線

圖5 預(yù)應(yīng)力錨索1-169-15#位移-時(shí)間曲線

圖6 預(yù)應(yīng)力錨索1-149-15#軸力分布曲線

圖7 預(yù)應(yīng)力錨索1-169-15#軸力分布曲線

從圖6、圖7可以看出，一方面預(yù)應(yīng)力錨索錨固段在張拉過程中，當(dāng)荷載較小時(shí)，錨索軸力主要分布在錨固段的前端。隨著荷載的繼續(xù)增大，軸力向錨固段的遠(yuǎn)處傳遞，且錨固段軸力整體上表現(xiàn)出反“S”形曲線表現(xiàn)。同時(shí)，隨張拉荷載增加，各測試截面軸力均呈增大趨勢，靠近內(nèi)錨起始段軸力較大，向內(nèi)錨固段末端迅速衰減，軸力分布呈現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中和非線性，整體分布形態(tài)為指數(shù)函數(shù)形式。其中內(nèi)錨固段始端0～10 m范圍內(nèi)應(yīng)力高度集中，其后急劇衰減。內(nèi)錨固段軸力在15 m處基本衰減至零，最大傳遞深度約15 m。荷載較小時(shí)，軸力曲線近似呈直線，并且錨固段末端一定范圍軸力幾乎為0，隨著荷載增大，軸力曲線的反“S”形狀逐漸表現(xiàn)出來，同時(shí)軸力在錨固段中間區(qū)域衰減較快，這說明此范圍內(nèi)錨固段側(cè)摩阻力發(fā)揮較好。

3.3 錨索鎖定后初期錨固段軸力變化分析

錨索預(yù)應(yīng)力損傷大小直接影響到錨固效果和邊坡安全。本次監(jiān)測時(shí)間段內(nèi)，給出錨固段內(nèi)關(guān)鍵位置測點(diǎn)2 m，8 m，10 m和15 m處的軸力變化情況。錨索自鎖定到第4天，錨索錨固段軸力損傷較大，主要是由于鋼絞線松弛、外錨變形、內(nèi)錨段和錨固巖體等綜合作用導(dǎo)致的，進(jìn)而引起內(nèi)錨段載荷變化，并相互作用。具體表現(xiàn)在各測點(diǎn)軸力變化大，整體呈下降趨勢。

從錨索鎖定第4天到第15天，錨索錨固段軸力相對變化較小。主要原因是錨固巖體和錨索內(nèi)錨固段變形影響，并受環(huán)境溫度及大氣降水影響。具體表現(xiàn)在近內(nèi)錨段起始端測點(diǎn)軸力變化大，持續(xù)時(shí)間長，且載荷分布明顯出現(xiàn)調(diào)整。該階段載荷分布變化規(guī)律說明，受巖體或錨固體蠕變和局部變形破壞影響，在個(gè)別錨固位置載荷進(jìn)行了調(diào)整，但調(diào)整范圍較小，說明錨固情況較好。

圖8 錨索1-149-15#軸力隨時(shí)間變化曲線

圖9 錨索1-169-15#軸力隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)論

(1)預(yù)應(yīng)力錨索在張拉期間，錨索軸力特征為當(dāng)荷載較小時(shí)，錨索軸力主要分布在錨固段的前端。隨著荷載的繼續(xù)增大，軸力向錨固段的遠(yuǎn)處傳遞，且錨固段軸力整體上表現(xiàn)出反“S”形曲線表現(xiàn)。同時(shí)，隨張拉荷載增加，軸力分布呈現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中和非線性，整體分布形態(tài)為指數(shù)函數(shù)形式。

(2)錨索在內(nèi)錨固段范圍內(nèi)應(yīng)力高度集中，內(nèi)錨固段軸力末端處基本衰減至零。隨著荷載增大，軸力曲線的反“S”形狀逐漸表現(xiàn)出來，同時(shí)軸力在錨固段中間區(qū)域衰減較快，這說明此范圍內(nèi)錨固段側(cè)摩阻力發(fā)揮較好。

(3)錨索在使用期間軸力變化分為兩個(gè)階段：第一階段，通常自鎖定到第4天，錨索錨固段軸力損傷較大，主要是由于鋼絞線松弛、外錨變形、內(nèi)錨段和錨固巖體等綜合作用導(dǎo)致的，進(jìn)而引起內(nèi)錨段載荷變化，并相互作用，錨索各測點(diǎn)軸力變化大，整體呈下降趨勢。第二階段，錨索錨固段軸力相對變化較小。主要原因是錨固巖體和錨索內(nèi)錨固段變形影響，并受環(huán)境溫度及大氣降水影響。

(4)采用應(yīng)變測試技術(shù)對錨索錨固段鋼絞線的應(yīng)力分布進(jìn)行監(jiān)測，精度高，受干擾小反映的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，應(yīng)變測試技術(shù)可作為錨索基試驗(yàn)等各種試驗(yàn)中鋼絞線應(yīng)力分布檢測的一種有效方法。