壓力型錨索原型試驗(yàn)及應(yīng)力分布規(guī)律研究*

雷金山，楊秀竹，王安正，強(qiáng) 嶸

(1.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南長沙 410075;2.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410007)

壓力型錨索主要由錨頭、無黏結(jié)鋼絞線、承載體和錨固段注漿體等組成，其張拉荷載從承載體底部導(dǎo)入，注漿體受壓，不易開裂，同時由于周圍巖土的約束，錨固體處于三向受壓狀態(tài)，錨固體與巖土體界面上的黏結(jié)強(qiáng)度將高于拉力型錨索，從錨索受力和防護(hù)角度看，壓力型錨索是一種較合理的錨索結(jié)構(gòu)形式，近年來已廣泛用于永久性錨固工程中［1－3］。國內(nèi)外學(xué)者對其黏結(jié)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力損失也開展了相應(yīng)的研究［4－6］。本文結(jié)合實(shí)際工程，開展了壓力型錨索應(yīng)力分布的原型試驗(yàn)研究，所得的測試規(guī)律與理論結(jié)果進(jìn)行對比，得出結(jié)論可供今后該類錨索的理論研究與設(shè)計(jì)計(jì)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)黏土、強(qiáng)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)黏土，層厚 0.8 ～2.8 m;③強(qiáng)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［7］。

1.2 邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)概況

試驗(yàn)邊坡高達(dá)26 m，采用放坡與錨索網(wǎng)格梁支護(hù)設(shè)計(jì)，分兩級進(jìn)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(hù)［7］。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(jì)采用壓力分散型錨索;錨孔灌注砼 R28≥30MPa;網(wǎng)格梁截面為0.3 m ×0.35 m，錨頭位于網(wǎng)格梁節(jié)點(diǎn)處。

1.3 錨固設(shè)計(jì)概況

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(jì)值為Na=500～540 kN時采用4φj15.24(4×7φ5)鋼絞線，軸向拉力設(shè)計(jì)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。

2 試驗(yàn)方案

現(xiàn)場測試主要包括錨索注漿體應(yīng)力分布測試及預(yù)應(yīng)力變化長期監(jiān)測。另外對邊坡土體的變形情況進(jìn)行長期監(jiān)測，結(jié)合監(jiān)測成果對工程邊坡的穩(wěn)定性作出評價。

2.1 注漿體應(yīng)力分布測試

在壓力分散型錨索軸線方向上沿長布設(shè)應(yīng)變測試點(diǎn)測試注漿體的軸向應(yīng)變，利用獲取的應(yīng)變值可以計(jì)算得到注漿體軸力，進(jìn)而分析錨固段應(yīng)力分布規(guī)律。

2.1.1 試驗(yàn)對象

基于方便測量及有利于進(jìn)行對比分析考慮，在工程邊坡上選擇有代表性的壓力分散型錨索進(jìn)行應(yīng)力測試試驗(yàn)，所選錨索編號及參數(shù)見表1。

表1 應(yīng)力測試錨索參數(shù)Table 1 Cable parameters whose stress was tested

2.1.2 測試儀器設(shè)備

應(yīng)變測量采用浙江黃巖測試儀器廠生產(chǎn)的“BX120－20AA”應(yīng)變片，數(shù)據(jù)采集采用DH3818靜態(tài)應(yīng)變測試儀。

2.1.3 測點(diǎn)埋設(shè)

相關(guān)研究資料表明，壓力分散型錨索靠近承載體附近應(yīng)力分布相對較集中，因此在試驗(yàn)中沿錨索軸線方向布置應(yīng)變測試點(diǎn)時，靠近承載體附近布置較密，隨著靠近孔口布置得相對較疏，在第II級承載板前后各布置一個應(yīng)變測試點(diǎn)。測點(diǎn)布置情況分別見圖1～4所示。

圖1 綁扎就位的應(yīng)變片水泥砂漿試塊Fig.1 Cement mortar test blocks on which strain gauge is sticked

圖2 MS1和MS2應(yīng)變片水泥砂漿試塊綁扎位置Fig.2 Location of Cement mortar test blocks MS1 and MS2

圖3 MS3和MS4應(yīng)變片水泥砂漿試塊綁扎位置Fig.3 Location of Cement mortar test blocks MS1 and MS2

圖4 MS5和MS6應(yīng)變片水泥砂漿試塊綁扎位置Fig.4 Location of Cement mortar test blocks MS5 and MS6

2.1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

現(xiàn)場試驗(yàn)可以采集得到注漿體軸線方向各測點(diǎn)的應(yīng)變值，利用胡克定律計(jì)算各測點(diǎn)的軸力，經(jīng)分析，在某一段注漿體上的軸力之差由注漿體與孔壁巖土體之間的黏結(jié)應(yīng)力來平衡，故利用兩點(diǎn)間的軸力之差可以計(jì)算得到兩點(diǎn)之間的平均黏結(jié)應(yīng)力。計(jì)算公式如下［8］:

式中:Ni為測點(diǎn)i處注漿體軸力kN;εi為測點(diǎn)i應(yīng)變值με;E為錨固段注漿體的彈性模量GPa;A為鉆孔面積mm2;r為鉆孔半徑mm;Δx為應(yīng)變片間距mm。

由于壓力分散型錨索采用無黏結(jié)鋼絞線，因此通過應(yīng)變測試結(jié)果計(jì)算得到的測點(diǎn)黏結(jié)應(yīng)力結(jié)果主要反映注漿體與巖土體截面之間的應(yīng)力分布狀態(tài)。

3 測試結(jié)果及分析

4.1 壓力型錨索注漿體應(yīng)變分布測試結(jié)果

試驗(yàn)錨索各測點(diǎn)軸向應(yīng)變實(shí)測值與計(jì)算值［8］對比結(jié)果見表2，圖5～7為試驗(yàn)錨索軸向應(yīng)變實(shí)測結(jié)果及與計(jì)算對比圖。

表2 試驗(yàn)錨索注漿體軸向應(yīng)變實(shí)測值與計(jì)算值對比匯總表Table 2 Measured and calculated value contrast of axial strain of grouting body

圖5 MS1和MS2注漿體軸向應(yīng)變分布曲線對比圖Fig.5 Axial strain distribution curve contrast figure of MS1 and MS2

圖6 MS3和MS4注漿體軸向應(yīng)變分布曲線對比圖Fig.6 Axial strain distribution curve contrast figure of MS3 and MS4

圖7 MS5和MS6注漿體軸向應(yīng)變分布曲線對比圖Fig.7 Axial strain distribution curve contrast figure of MS5 and MS6

由以上圖表可以看出，靠承載板段錨固段注漿體軸向應(yīng)變實(shí)測值與計(jì)算值基本吻合，軸向應(yīng)變的變化規(guī)律也基本吻合。但靠錨頭段注漿體軸向應(yīng)變計(jì)算值為0，而實(shí)測值較大，主要是由于計(jì)算時未考慮錨頭的反壓作用，同時說明錨頭的反壓作用僅對靠近錨頭一定長度的注漿體應(yīng)力應(yīng)變分布產(chǎn)生影響，對錨固段注漿體的應(yīng)力應(yīng)變分布影響很小。

3.2 壓力型錨索注漿體軸向壓力測試結(jié)果

圖8～10為根據(jù)試驗(yàn)錨索實(shí)測軸向應(yīng)變值運(yùn)用式(1)計(jì)算得到的各測點(diǎn)軸力實(shí)測分布曲線與運(yùn)用理論計(jì)算結(jié)果［9］對比?？梢钥闯?，相同張拉荷載下的錨索注漿體軸力分布基本一致，各試驗(yàn)錨索錨固段注漿體軸力在2個承載體外荷載作用的位置分別有2個峰值，其影響范圍均在距錨固段底部5 m以內(nèi)。

圖8 MS1和MS2注漿體軸力分布曲線對比圖Fig.8 Grouting body axial force distribution curve contrast figure of MS1 and MS2

圖9 MS3和MS4注漿體軸力分布曲線對比圖Fig.9 Grouting body axial force distribution curve contrast figure of MS3 and MS4

圖10 MS5和MS6注漿體軸力分布曲線對比圖Fig.10 Grouting body axial force distribution curve contrast figure of MS5and MS6

地錨索錨固段注漿體軸力實(shí)測值與理論計(jì)算值的曲線變化規(guī)律基本吻合，說明理論計(jì)算能較好的反映錨索錨固段軸向應(yīng)力的分布規(guī)律。同樣的，由于錨頭反壓作用的影響使得靠錨頭段注漿體軸力分布實(shí)測值與理論計(jì)算差異很大。

3.2 壓力型錨索注漿周邊黏結(jié)應(yīng)力測試結(jié)果

表3為根據(jù)試驗(yàn)錨索實(shí)測軸向應(yīng)變值運(yùn)用式(2)計(jì)算得到的各試驗(yàn)錨索注漿體周邊黏結(jié)應(yīng)力平均值，其與理論計(jì)算［8］成果對比曲線見圖11～13。可以看出，兩者變化規(guī)律與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，從表中數(shù)值可以看出距Ⅰ級承載板5.0 m范圍外的錨固段注漿體周邊黏結(jié)應(yīng)力很小，基本可忽略不計(jì)，說明錨索的張拉荷載已經(jīng)被這一段注漿體與周邊土體的接觸摩擦作用所消耗，其為有效錨固段;靠錨頭段注漿體受到錨頭的反壓作用使得注漿體周邊作用有與錨固段注漿體黏結(jié)應(yīng)力反向的應(yīng)力，這在理論計(jì)算中未考慮。

表3 試驗(yàn)錨索注漿體周邊黏結(jié)應(yīng)力平均值計(jì)算表Table 3 Mean value of bond stress around grouting body

圖11 MS1和MS2注漿體周邊黏結(jié)應(yīng)力曲線對比圖Fig.11 Bond stress curve contrast figure of MS1 and MS2

圖12 MS3和MS4注漿體周邊黏結(jié)應(yīng)力曲線對比圖Fig.12 Bond stress curve contrast figure of MS3 and MS4

圖13 MS5和MS6注漿體周邊黏結(jié)應(yīng)力曲線對比圖Fig.13 Bond stress curve contrast figure of MS5 and MS6

綜上，通過對實(shí)測結(jié)果及理論計(jì)算結(jié)果的對比分析，說明理論計(jì)算能較好地反映錨索錨固段應(yīng)力分布規(guī)律，壓力分散型錨索錨固段應(yīng)力沿軸線分布具有與承載體數(shù)目相同的峰值，當(dāng)承載體布置合理時峰值大小基本相等。

4 結(jié)論

(1)對于兩級間距2 m的承載體而言，黏結(jié)應(yīng)力影響范圍大致分布在距錨固段底部5.0 m左右，且此范圍隨所受荷載大小變化很小;與黏結(jié)應(yīng)力分布一樣，軸向應(yīng)力分布也有2個峰值，分別在2個承載體外荷載作用的位置，影響范圍集中在距錨固段底部4.8 m左右。

(2)實(shí)測結(jié)果及理論計(jì)算結(jié)果的對比分析表明，壓力分散型錨索錨固段應(yīng)力沿軸線分布具有與承載體數(shù)目相同的峰值，當(dāng)承載體布置合理時峰值大小基本相等。

(3)實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算成果比較，變化趨勢基本吻合，真實(shí)地反映了注漿體應(yīng)力應(yīng)變分布的規(guī)律，得出結(jié)論可供今后該類錨索的理論研究與設(shè)計(jì)計(jì)算參考。

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