劉俊慧
(廣州博昊勘測技術有限公司,廣東 廣州)
巖土工程中使用預應力錨索進行加固后,外界環(huán)境、施工技術、錨索質量等因素都會對錨索的錨固力產生影響。如果錨固力損失嚴重,則無法起到加固、保護的作用,不僅影響工程的施工質量,而且有可能對現(xiàn)場施工人員的安全構成威脅。因此,在巖土工程施工中應用預應力錨索時,一方面要明確錨固力損失機理,進而從源頭上采取措施最大程度上減小錨固力損失;另一方面又要做好錨固力損失檢測,在錨固力不能達標的情況下及時補償張拉。
1.1.1 土體的蠕變影響
土體具有孔隙率高、易于壓縮、天然強度低等特點,嵌入到土層中的錨索在受到較大的荷載時會發(fā)生明顯的蠕變位移,并帶動錨體周邊土體流動,導致錨索承載力出現(xiàn)明顯下降。以飽和淤泥地層為例,不同荷載下錨索的蠕變曲線如圖1 所示。
圖1 飽和淤泥地層中錨索的蠕變曲線
由圖1 可知,在飽和淤泥地層中,錨索的蠕變變形主要發(fā)生施加荷載后的前期。當施加荷載為300 KN 時,在載荷施加的前90 min 內,蠕變量達到了1.90 mm,占總蠕變量(2.59 mm)的73.4%;當施加載荷為600 KN 時,在載荷施加的前90 min 內,蠕變量達到了4.20 mm,占總蠕變量(4.49 mm)的93.5%。橫向對比來看,錨索蠕變量的大小與其預應力成正比,即施加荷載越大的情況下,蠕變量越大。由此可得,土層蠕變是導致錨索錨固力損失的一個主要因素。
1.1.2 土體的壓縮變形影響
受到預應力錨索的影響,土體在受荷影響區(qū)域內會產生塑性壓縮和相對變?yōu)?。根?jù)前人研究可知,松散地層的土體壓縮量大約在25~30 mm,極限荷載下壓縮量最大可以超過100 mm。壓縮量除了與施加荷載有關外,與地層的巖土性質也有密切關系,地層越松散的情況下壓縮量越大。不同地層壓縮引起錨固力損失見表1。
表1 不同地層壓縮引起的錨固力損失(單位:%)
嵌入巖石內的錨索,在長期受到較大預應力作用的情況下,錨固段與圍巖之間形成一段位移,并且隨著位移量的增加錨索的預應力也會持續(xù)下降,最終使錨索松動,從巖石中脫出[1]。圖2 是某巖土工程中2 根預應力錨索的現(xiàn)場預應力損失測試曲線。
圖2 錨固段不同巖體質量與錨固力損失關系曲線
圖2 中,7-2#錨索嵌入的圍巖屬于完整度較好、硬度較大的閃長巖,查閱有關資料可知其BQ(基本質量指標)值為569,假設錨索鎖定后預應力值不變,延續(xù)80 h 后錨固力損失僅為12%。9-2#錨索嵌入的圍巖屬于風化的軟弱巖層,經過計算其BQ 值為352,假設錨索鎖定后預應力值不變,延續(xù)80 h 后錨固力損失達到了58%。
由此可知,在錨固段巖體完整度高、結構面良好,巖體BQ 值較大的情況下,錨固力損失較??;反之錨固力損失較大。
巖土工程中使用預應力錨索進行邊坡加固時,大多采取一邊開挖、一邊施加錨索的方法,這樣在施工期間錨索會受到爆破、地震或者是鉆機等多種沖擊力的影響,進而造成錨固力損失。尤其是在穩(wěn)定性較差的松散巖體中進行鉆挖施工時,產生的沖擊力會導致巖體或土體的抗剪強度降低,錨索錨固段的蠕變量增加;同時,錨固段受到沖擊作用后與巖體之間產生空隙,變得松動,錨固力隨之下降。有研究表明,在巖土工程的爆破作業(yè)中,當爆破點與錨索體之間的距離<5 m 時,錨索錨固力的損失量是受到相同靜荷載下?lián)p失量的40 倍左右[2]。這里以某水利工程為例,基于施工需要采取了劈裂爆破作業(yè),對工程邊坡錨索的錨固力進行了觀測,結果如圖3 所示。
圖3 某水利工程邊坡錨索錨固力變化曲線
由圖3 可知,在1 月2日進行爆破后,錨固載荷為900 kN;在11 月2 日再次觀測時,錨固力降低為745 kN,觀測期間累計下降了155 kN,說明施工爆破對錨固力損失有較為顯著的影響。
某高速公路的K26+256~K28+604 段位于丘陵地帶,該路段U 型溝谷發(fā)育,植被覆蓋率高,多年平均降水量1 381 mm。邊坡自然坡度36.6~42.7°,一側坡體有松動變形跡象,另一側靠近溝谷河流。該路段屬于半挖半填露天,有最大高度為90 m 的高邊坡。從地質調查情況來看,邊坡區(qū)地層以侏羅紀熔結凝灰?guī)r為主,巖體裂隙發(fā)育,破碎情況較為嚴重。為保障公路行車安全,必須要對邊坡進行加固。原加固方案為“混凝土擋土墻+鋼筋網噴射混凝土”聯(lián)合防護,但是在邊坡開挖期間發(fā)現(xiàn)多處坡面裂縫,并且錨索鉆孔時遇到數(shù)次卡鉆、突然進尺等情況,表明邊坡存在連續(xù)的張開裂隙帶,原防護方案無法保證邊坡穩(wěn)定,需要重新設計防護方案。結合現(xiàn)場情況,優(yōu)化后的方案如下:使用預應力錨索進行Ⅰ級邊坡加固;Ⅱ級和Ⅲ級邊坡在錨索加固的基礎上,使用鋼筋混凝土格型底梁將外錨頭連接成為整體。
現(xiàn)場施工時,為了避免發(fā)生牽引式坍塌,施工人員首先進行了坡頂外山體的加固處理。使用機械設備清理掉坡面松動的石塊和質量較差的土體后,進行邊坡分級。將原來的連續(xù)性邊坡改為三級臺階式邊坡,按照自上而下的順序進行開挖。第一級高度為20 m,坡率為0.8;第二級高度為24 m,坡率為0.85;第三級至高邊坡的山頂,坡率為0.85。完成開挖后,使用小型碾壓設備將土體夯實,形成硬度較大并且表面平整的分級式坡面。然后按照施工圖紙進行測量放線,標記出需要插入錨桿、錨索的具體位置,將砂漿錨桿、預應力錨索插入相應位置[3]。同時,在滑塌體底部設置水平排水孔,不僅能夠及時排出坡體徑流,還能消除潑面體滲水。在坡腳出砌筑片石混凝土擋土墻進行加固,防止落實掉落到公路上。
本次巖土工程中共布置了470 根預應力錨索,均采用高強度低松弛無粘結鋼絞線,單根鋼絞線的極限抗拉強度可以達到1 950 MPa。每根錨索有5 條鋼絞線組成,錨索長度在20~30 m 不等。根據(jù)施工方案,錨索預應力至少要達到750 kN,考慮到存在一定的預應力損失,超張拉10%,即張拉荷載需要達到825 kN。
如前文所述,該工程所在地區(qū)的邊坡巖體裂隙較為發(fā)育,采用預應力錨索加固后需要密切監(jiān)測錨索的有效預應力,一方面用于檢驗該加固方案的應用效果和施工質量;另一方面也能提前采取應對措施,避免出現(xiàn)邊坡滑塌事故。隨機抽選一定數(shù)量的錨索,在錨索上安裝測力計,抽選數(shù)量不低于錨索總數(shù)的10%。
本次錨索預應力監(jiān)測采用的是MGH 型振弦式錨索測力儀,由精密傳感器、O 型密封圈、活塞、缸體等組成。壓力傳感器采集到的壓力信號被轉換成電信號,傳輸?shù)紾SJ-2 型電腦檢測儀中進行分析,輸出結果可直接顯示錨索拉力[4]。該儀器的準確率為0.5%,可以滿足工程監(jiān)測需要。這里選取第1#、7#和13#三根錨索,在錨索鎖定的120 min 內,每20 min 收集1 次數(shù)據(jù),將記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計成表2。
表2 錨固力短期損失速率(單位:kN/min)
由表2 數(shù)據(jù)可知,3 根錨索的錨固力變化趨勢基本一致,即隨著時間的增加,錨固力呈現(xiàn)出下降趨勢。其中,1#錨索的錨固力短期損失速率最快,最開始為0.81 kN/min,在測試結束是下降到0.22 kN/min,2 h內下降了72.8%。
從抽樣錨索的錨固力監(jiān)測結果來看,部分錨索的錨固力損失較為嚴重,達不到預期的邊坡加固效果,需要采取補償張拉措施,使錨索應力重新達到設計值[5]。這里以其中一根需要補償張拉的錨索為例,補償張拉前后的錨固力損失對比結果見表3。
表3 錨索補償張拉前后錨固力損失對比
由表3 數(shù)據(jù)可知,該錨索經過補償張拉后,錨固力損失值從160.75 kN 降低為7.05 kN;錨固力損失比從19.60%降低至0.93%,這一數(shù)據(jù)表明補償張拉取得了顯著效果。
巖土工程施工中,采用預應力錨索進行加固能夠顯著提高邊坡穩(wěn)定性。但是錨索的錨固力會受到多種因素的影響,例如土體的壓縮變形、巖體的應力狀態(tài)、鋼絞線的松弛程度以及錨索的施工質量等,都有可能導致錨固力損失進而達不到設計要求,產生安全隱患或質量問題。施工單位在應用預應力錨索時,應當明確錨固力損失的原因與機理,并通過密切監(jiān)測錨固力的方式,隨時掌握錨固力變化情況,當錨固力達不到施工要求時及時采取補償張拉措施,確保預應力錨索的可靠與穩(wěn)定。