鄧躍華
(中國鐵建十六局集團(tuán)第二工程有限公司 天津 300162)
高強鋼筋[1-3]通常是指屈服強度不小于400 MPa的普通熱軋、細(xì)晶粒和余熱處理鋼筋,與普通鋼筋相比具有強度高、綜合性能優(yōu)良、節(jié)約環(huán)保、使用壽命長、安全性高等優(yōu)點。其優(yōu)異的力學(xué)性能能夠有效降低工程中鋼筋用量、提高工程施工質(zhì)量。當(dāng)前,隨著工程建設(shè)規(guī)模不斷擴大,面對能源、資源不足,環(huán)境污染加重的形勢,高強鋼筋的應(yīng)用與推廣,在節(jié)材方面可取得顯著成效,對建設(shè)節(jié)約型社會具有重大意義[4-5]。
然而目前我國高強鋼筋只是成功應(yīng)用于建筑樓房、煤礦巷道、風(fēng)能基礎(chǔ)、重載公路、地鐵車站等領(lǐng)域,在工程建設(shè)等領(lǐng)域并未得到廣泛推廣,尤其是鐵路工程中還沒有應(yīng)用先例。因此,推廣高強鋼筋在鐵路工程中的應(yīng)用,為高強鋼筋在鐵路工程中的全面推廣提供理論技術(shù)支撐,研究高強錨桿在鐵路路基邊坡支護(hù)中的適用性十分必要[6]。
新建成蘭鐵路CLZQ-4標(biāo)位于成都平原北部,沿線多為水田及旱地,灌溉溝渠縱橫交錯。工程區(qū)域表覆第四系全新人工填筑土,下伏松軟土、粗圓礫土、卵石土。地層巖性主要以千枚巖、板巖為主,局部段落夾砂巖、灰?guī)r,零星分布花崗巖。受構(gòu)造影響,多表現(xiàn)出強烈的揉皺變形和擠壓破碎,軟巖和破碎巖巖性條件極差。
區(qū)域內(nèi)地下水類型主要有第四系松散層孔隙潛水、碎屑巖類裂隙孔隙水、基巖裂隙水。第四系松散層孔隙潛水主要分布于區(qū)內(nèi)河流兩岸第四系松散堆積層內(nèi),賦存孔隙水,富水性較好。
路基高邊坡采用錨桿框架梁支護(hù),JK0+970~JK1+030區(qū)段位于安縣貨場,基線右側(cè)挖方邊坡較高,最大高度為18 m,主要位于泥巖弱風(fēng)化層中,化學(xué)環(huán)境類型為化學(xué)侵蝕環(huán)境及氯鹽環(huán)境,地表水對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件無侵蝕作用。該邊坡區(qū)域露出層主要是由粉質(zhì)黏土、灰?guī)r、泥巖風(fēng)化碎屑構(gòu)成,露出層厚度在2~3 m之間,露出層以下為6 m厚強風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖和弱風(fēng)化泥巖。將JK0+970~JK1+030路基高邊坡錨桿框架梁支護(hù)段落作為對比試驗段,該段邊坡地質(zhì)分布均勻,參數(shù)基本類似,試驗的可比性能夠保證。
JK0+970~JK1+030區(qū)段錨桿框架梁采用矩形布置,開挖后邊坡為一級邊坡和二級邊坡,一級邊坡高度為8 m,坡度為1∶1.25;二級邊坡高度為5.2 m,坡度為1∶1.25,一級邊坡與二級邊坡之間有一2 m寬平臺??蚣芰夯炷翉姸鹊燃墳镃35,框架梁間距3.0 m。錨桿體一般垂直于坡面布置,錨桿布點位置位于每兩段框架梁交接的節(jié)點上。錨桿注漿壓力為0.2~0.4 MPa,注漿材料選用水灰比0.45~0.5、灰砂比為1∶1的M35水泥砂漿。錨桿參數(shù)如表1所示。
表1 錨桿參數(shù)對比
選取JK0+970~JK1+000為高強錨桿支護(hù)試驗區(qū)間,采用熱處理高強螺紋鋼筋錨桿支護(hù),錨桿總數(shù)約40根,直徑為22 mm,長8 m/根。
選取JK1+000~JK1+030為普通錨桿支護(hù)試驗區(qū)段,采用普通螺紋鋼筋錨桿支護(hù),錨桿總數(shù)約40根,直徑32 mm,長8 m/根。每個試驗區(qū)段布設(shè)兩個測試斷面,每個測試斷面布設(shè)4根測力錨桿,每根錨桿布設(shè)3個鋼筋軸力測點,在測力錨桿附近位置布置邊坡位移測點。錨桿軸力采用鋼筋計進(jìn)行測試,邊坡位移采用全站儀測試。
(1)鋼筋計布設(shè)
鋼筋計安裝時,將每根8 m長錨桿截斷成4節(jié),3個截斷點處采用與錨桿粗細(xì)相同的鋼筋計滿焊焊接牢固;焊接完成后檢查是否有缺陷,排除漏焊、半焊等焊接不合格區(qū)域,保證試驗成功。
(2)邊坡位移監(jiān)測
每個試驗區(qū)段內(nèi)設(shè)置兩個監(jiān)測斷面,其中JK0+985與JK0+988為高強錨桿監(jiān)測斷面,每個監(jiān)測斷面埋設(shè)4個監(jiān)測錨桿;JK1+015與JK1+018為普通錨桿監(jiān)測斷面,每個監(jiān)測斷面埋設(shè)4個監(jiān)測錨桿。在一級邊坡與二級邊坡之間平臺處,22 mm高強錨桿與32 mm普通錨桿監(jiān)測斷面各埋設(shè)一個邊坡位移觀測樁。位移觀測樁采用混凝土樁,樁中心為φ14 mm鋼筋,刻畫十字線,外露5 mm,采用全站儀進(jìn)行觀測。
錨桿與儀器埋設(shè)完成后,取第一時間采集的數(shù)據(jù)為初始值,初始幾天無特殊情況堅持每天進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,后期數(shù)據(jù)采集頻率可適當(dāng)下降。本次錨桿軸力監(jiān)測期為100 d,位移監(jiān)測期為20 d。由于路基邊坡工程露天,無遮雨設(shè)施,數(shù)據(jù)采集時為保護(hù)儀器應(yīng)避免在雨天進(jìn)行[7-10]。
22 mm高強錨桿試驗段8個監(jiān)測錨桿(MG1~MG8)的錨桿受力時程監(jiān)測結(jié)果如圖1~圖3所示,其中每根錨桿上設(shè)置3個受力監(jiān)測點,以里側(cè)監(jiān)測點、中間監(jiān)測點、外側(cè)監(jiān)測點進(jìn)行標(biāo)記。
圖1 高強錨桿里側(cè)軸力時程曲線
圖2 高強錨桿中間軸力時程曲線
圖3 高強錨桿外側(cè)軸力時程曲線
通過整理不同坡高處、不同埋深位置的軸力值,22 mm高強錨桿軸力空間分布如圖4所示。
圖4 高強錨桿軸力空間分布
32 mm普通錨桿試驗段8個監(jiān)測錨桿(MP1~MP8)的錨桿受力時程監(jiān)測結(jié)果如圖5~圖7所示,其中每根錨桿上有3個受力監(jiān)測點,以里側(cè)監(jiān)測點、中間監(jiān)測點、外側(cè)監(jiān)測點進(jìn)行標(biāo)記。
圖5 普通錨桿內(nèi)側(cè)軸力時程曲線
圖6 普通錨桿中間軸力時程曲線
圖7 普通錨桿外側(cè)軸力時程曲線
通過整理不同坡高處、不同埋深位置的軸力值,32 mm普通錨桿軸力空間分布如圖8所示。
圖8 普通錨桿軸力空間分布
(1)22 mm高強錨桿與32 mm普通錨桿的軸力時程發(fā)展規(guī)律基本一致,同一錨桿上里側(cè)、中間、外側(cè)3點軸力發(fā)展大體上呈現(xiàn)出一致性,先小幅度增加,隨后呈現(xiàn)出短暫受壓狀態(tài),然后緩慢向受拉趨勢發(fā)展。從錨桿不同埋深部位所受軸力時程發(fā)展曲線而言,越靠近里側(cè),錨桿軸力發(fā)展越穩(wěn)定,受外界因素干擾程度越??;而外側(cè)部位所受軸力發(fā)展起伏較大,更容易受到外部因素干擾。按照趨勢而言,外側(cè)部位所受軸力總體最大,且相同部位采用22 mm高強錨桿的軸力發(fā)展穩(wěn)定程度要優(yōu)于32 mm普通錨桿。
(2)從同一根錨桿不同部位軸力空間分布大小來看,22 mm高強錨桿與32 mm普通錨桿的空間分布規(guī)律基本一致,呈現(xiàn)出“外大內(nèi)小”的分布特點,外側(cè)部位所受軸力要大于內(nèi)側(cè)部位,且越靠近坡腳位置越明顯。
(3)從監(jiān)測斷面不同高度錨桿軸力分布來看,同一斷面處錨桿軸力分布呈現(xiàn)出“上大下小”的特點,高處的錨桿所受軸力整體上要小于低處錨桿,坡腳位置處錨桿所受軸力要大于其他部位。
(4)對比軸力大小,采用22 mm高強錨桿所受最大軸力為5.74 kN,所受軸力監(jiān)測平均值為2.36 kN;而采用32 mm普通錨桿所受最大軸力為6.68 kN,為高強錨桿的1.16倍,所受軸力監(jiān)測平均值為2.91 kN,為高強錨桿的1.23倍。對比可見,采用22 mm高強錨桿各點所受軸力普遍小于32 mm普通錨桿。
(5)錨桿軸力發(fā)展受降水影響較大,如監(jiān)測后第13天出現(xiàn)大規(guī)模降水,錨桿軸力明顯出現(xiàn)增大,因此,邊坡支護(hù)設(shè)計時應(yīng)充分考慮降水因素。
采用全站儀對監(jiān)測斷面處埋設(shè)的邊坡位移觀測樁進(jìn)行位移監(jiān)測[11],整理監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖9、圖10所示。
圖9 邊坡水平位移發(fā)展曲線
圖10 邊坡豎直位移發(fā)展曲線
(1)采用22 mm高強錨桿與采用32 mm普通錨桿邊坡支護(hù)斷面邊坡位移發(fā)展趨勢基本一致,早期邊坡位移發(fā)展迅速,一周后邊坡位移發(fā)展趨緩。同邊坡錨桿受力類似,邊坡位移也受降水影響,降水期間邊坡位移增幅加大,因此邊坡支護(hù)設(shè)計要充分考慮降水因素的不利影響。
(2)22 mm高強錨桿支護(hù)斷面邊坡水平位移達(dá)到16.4 mm,豎直位移為10.9 mm;32 mm普通錨桿支護(hù)斷面邊坡水平位移達(dá)18.3 mm,豎直位移為13.1 mm,同一支護(hù)斷面邊坡水平位移要大于豎直位移。
(3)采用22 mm高強錨桿支護(hù)斷面邊坡水平位移為32 mm普通錨桿支護(hù)斷面的89.6%,采用22 mm高強錨桿支護(hù)斷面邊坡豎直位移為32 mm普通錨桿支護(hù)斷面的83.2%,可見采用22 mm高強錨桿支護(hù)斷面邊坡位移要小于32 mm普通錨桿支護(hù)斷面,采用22 mm高強錨桿具有較好的控制邊坡位移能力。
22 mm高強錨桿和32 mm普通錨桿支護(hù)下邊坡安全系數(shù)、邊坡位移、塑型區(qū)分布、錨桿受力分布特點基本一致。22 mm高強錨桿的安全系數(shù)、受力均要略優(yōu)于32 mm普通錨桿,采用22 mm高強錨桿軸力發(fā)展穩(wěn)定程度略好于32 mm普通錨桿,各位置單根錨桿相同部位的軸力也普遍小于32 mm普通錨桿。采用22 mm高強錨桿支護(hù)斷面邊坡位移要小于32 mm支護(hù)斷面,采用22 mm高強錨桿顯示出較好的控制邊坡位移能力。就邊坡穩(wěn)定性分析而言,22 mm高強錨桿可以替代32 mm普通錨桿。
與32 mm普通錨桿相比,22 mm高強錨桿每根鋼材耗費節(jié)約53%,直接費用節(jié)約46%。路基邊坡錨桿采用高強鋼筋相對于普通鋼筋結(jié)構(gòu)輕便,便于安裝與運輸,能夠節(jié)約運輸成本,且有利于提高施工效率、加快施工進(jìn)度、降低施工難度、提高施工安全性,具有可觀的間接經(jīng)濟效益。實際工程中可用22 mm高強錨桿代替32 mm普通錨桿,從而提高工程質(zhì)量及工程安全性、降低用鋼量,達(dá)到經(jīng)濟、高效的效果,同時提高我國鐵路工程綠色施工水平[12]。