邊坡錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)控及其穩(wěn)定性分析

徐 俊,洪寶寧

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京210098)

0 引 言

成果分析,并預(yù)測(cè)高邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,這在工程上具有較大的參考價(jià)值。

邊坡工程在交通、水利、建筑等工程建設(shè)中具有重要地位。預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)也逐漸成為邊坡加固的一項(xiàng)重要手段在大量的邊坡工程中得到應(yīng)用。就目前針對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失研究而言,朱晗迓、孫紅月[1]等學(xué)者通過(guò)錨索預(yù)應(yīng)力的系統(tǒng)監(jiān)控和資料分析,探討了錨索預(yù)應(yīng)力變化的理論依據(jù);高大水、曾勇[2-6]等學(xué)者提出錨索應(yīng)力損失分為3個(gè)階段,有效地揭示了錨索預(yù)應(yīng)力衰減的變化規(guī)律。本文基于前人的研究,利用對(duì)廣東惠州某高速的高邊坡12個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析引起該高邊坡錨索應(yīng)力損失的主要因素,并評(píng)估該高邊坡在未來(lái)時(shí)間段的穩(wěn)定性。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)以及數(shù)據(jù)

1 工程概況

該高邊坡處于廣東省惠州市低山丘陵地區(qū),為剝蝕～堆積地貌,基巖多覆蓋,坡腳見(jiàn)基巖出露,山體坡度約為45°,高差73 m。高邊坡面向公路一側(cè)出現(xiàn)滑坡體,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘探,該滑坡體處于整體暫時(shí)穩(wěn)定～變形階段,滑動(dòng)面尚未完全形成,但局部處于蠕滑狀態(tài)。邊坡坡體主要由坡殘積粉質(zhì)粘土和全-強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖構(gòu)成,坡體局部見(jiàn)風(fēng)化巖塊,因此邊坡總體上屬土質(zhì)邊坡。此邊坡為修建高速公路切坡形成,總體為東西走向。邊坡地形起伏較大且地勢(shì)較高,溝谷切割深,地下水主要向坡腳滲透,循環(huán)途徑短,排泄條件良好,屬淺循環(huán)地下水。邊坡基巖片理化現(xiàn)象明顯。邊坡土體的物理力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 邊坡土體的物理力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)

施工單位于2011年7月完成對(duì)該邊坡二、三、四、五級(jí)坡體的施工,各級(jí)坡體均采用預(yù)應(yīng)力錨索的加固方式,錨固段為砂漿膠結(jié)式,外錨頭為錨塞式,預(yù)應(yīng)力荷載設(shè)計(jì)值為600 kN,現(xiàn)場(chǎng)采用1.1倍荷載設(shè)計(jì)值(660 kN)進(jìn)行超張拉。二級(jí)邊坡錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為28 m,三級(jí)35 m,四級(jí)、五級(jí)38 m,共計(jì)錨索269處,監(jiān)控點(diǎn)16處。一級(jí)邊坡采用鋼花管注漿加固形式。圖1為錨索加固剖面圖,圖2為錨索測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖1 錨索加固剖面圖

圖2 錨索測(cè)點(diǎn)布置圖(圖中圓圈代表測(cè)點(diǎn))

2 錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果

本工程中采用金土木公司提供的MXR-1020型振弦式錨索測(cè)力計(jì)對(duì)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控,該錨索測(cè)力計(jì)為圓環(huán)式,安裝在錨墊板和錨具之間。監(jiān)控點(diǎn)在坡體上分布均勻,能較好的反映錨索應(yīng)力值的變化。

當(dāng)坡體施工完成后,即對(duì)邊坡預(yù)設(shè)的監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。經(jīng)過(guò)對(duì)該惠州高速公路高邊坡12個(gè)月的監(jiān)控以及數(shù)據(jù)整理,獲得加固該高邊坡錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間的變化值。圖3～圖6反映了各級(jí)邊坡隨時(shí)間的變化曲線。

圖3 二級(jí)邊坡錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

圖4 三級(jí)邊坡錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

圖5 四級(jí)邊坡錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

邊坡的監(jiān)控結(jié)果顯示,在預(yù)應(yīng)力錨索鎖定之后的2個(gè)月內(nèi),錨索預(yù)應(yīng)力損失最快。在這段時(shí)間內(nèi),邊坡加固巖體在預(yù)應(yīng)力的作用下,發(fā)生了蠕變變形,在巖體的結(jié)構(gòu)面和裂隙的閉合作用的影響下,錨索預(yù)應(yīng)力不斷減小。而隨著巖體結(jié)構(gòu)面和裂隙閉合作用的影響隨時(shí)間越來(lái)越小,在其后的時(shí)間內(nèi),錨索預(yù)應(yīng)力損失達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 五級(jí)邊坡錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

3 錨索預(yù)應(yīng)力損失統(tǒng)計(jì)分析

預(yù)應(yīng)力錨索在鎖定瞬間會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)損失,這種損失主要來(lái)自于錨索的回縮量。預(yù)應(yīng)力錨索的外錨固采用夾片自錨體系[1]。在千斤頂?shù)幕赜退查g,其鋼絞線不可避免地向坡內(nèi)收縮,并帶動(dòng)夾片回縮,最終使得錨具、夾片和鋼絞線之間相互卡牢而達(dá)到鎖定目的。錨索回縮引起的預(yù)應(yīng)力損失是不可避免的。這種預(yù)應(yīng)力損失屬于瞬時(shí)損失。根據(jù)廠家提供的關(guān)于錨片自錨時(shí)的資料,該工程在錨固時(shí),錨索回縮量 ΔL約為6.5 mm,回縮引起的預(yù)應(yīng)力損失值:

式中:Es為鋼絞線的彈性模量;As為鋼絞線的截面積;L為鋼絞線自由段的有效長(zhǎng)度。

Ns經(jīng)計(jì)算,約為30 kN ～45 kN,占錨索預(yù)應(yīng)力值的6%。

針對(duì)引起錨索預(yù)應(yīng)力損失的主要因素不同,可以將錨索預(yù)應(yīng)力損失分為3個(gè)階段——快速衰減階段、緩慢損失階段、相對(duì)穩(wěn)定階段。根據(jù)單個(gè)錨索在特定時(shí)間段內(nèi)應(yīng)力變化情況制定表2,表2反映了錨索預(yù)應(yīng)力損失隨時(shí)間的變化值。

表2 錨索預(yù)應(yīng)力損失隨時(shí)間的變化值

3.1 快速衰減階段

在預(yù)應(yīng)力錨索封錨后的0～30 d內(nèi),錨索預(yù)應(yīng)力損失急劇,損失比率約9.8%～19.4%。影響錨索預(yù)應(yīng)力快速衰減的主要因素有:

(1)坡體蠕變。巖體結(jié)構(gòu)面以及裂縫在較大拉應(yīng)力的作用下,巖體內(nèi)部產(chǎn)生彈塑性壓縮或相對(duì)位移[7],引用伍國(guó)軍,陳衛(wèi)忠,王永剛推倒出的計(jì)算巖體在單向受壓狀態(tài)下的錨桿軸力表達(dá)式

(2)其他因素的耦合。包括了鋼絞線本身的應(yīng)力松弛、溫度、降雨對(duì)巖石蠕變的影響、邊坡土體的壓縮等等。

3.2 緩慢損失階段

該階段發(fā)生在邊坡加固后的30 d～120 d,錨索預(yù)應(yīng)力一直處于持續(xù)下降階段,下降比率約3.2%～10.3%。

影響錨鎖預(yù)應(yīng)力緩慢損失的主要因素有:

(1)巖體的蠕變。根據(jù)計(jì)算公式(2),估算該階段巖體蠕變產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失為18 kN,占錨索預(yù)應(yīng)力值的2.7%。

(2)邊坡土體的壓縮。

(3)其他因素的耦合。如降雨、溫度等。由于邊坡現(xiàn)場(chǎng)采用明溝排水,對(duì)邊坡蠕滑產(chǎn)生的裂縫及時(shí)進(jìn)行填堵,防止地表水的滲入,以及打入PVC管輔助邊坡排水,因此,在本工程中地下水對(duì)邊坡預(yù)應(yīng)力的影響較小,但不可忽略。

3.3 相對(duì)穩(wěn)定階段

該階段發(fā)生在邊坡加固120 d之后,錨索預(yù)應(yīng)力微弱的趨勢(shì)不斷減小。影響錨索預(yù)應(yīng)力減小的主要因素有:

(1)邊坡土體的壓縮。土體作為一種彈塑性介質(zhì),在受到較大載荷作用下,土體不斷被壓密。土體密實(shí)的過(guò)程導(dǎo)致邊坡錨索預(yù)應(yīng)力不斷減小。

(2)其他因素耦合。

4 錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間的函數(shù)關(guān)系

隨著錨索預(yù)應(yīng)力不斷變化,邊坡的安全系數(shù)也隨著時(shí)間在不斷地改變。運(yùn)用Geo-slope軟件中有限元部分進(jìn)行分析,建立邊坡的三維模型,將檢測(cè)數(shù)據(jù)錄入模型之中,隨著錨索應(yīng)力的不斷減小,邊坡安全系數(shù)不斷下降,可以得到邊坡安全系數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線,見(jiàn)表3。

表3 安全系數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線

根據(jù)錨索預(yù)應(yīng)力值隨時(shí)間的變化曲線,通過(guò)最小化誤差的平方和尋找能與該曲線匹配的函數(shù),從而反映錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間的變化關(guān)系。坡體安全系數(shù)是隨著時(shí)間的對(duì)數(shù)函數(shù)成線性比例關(guān)系。

式中:Y為坡體安全系數(shù);X為時(shí)間(以月為單位)。

該曲線的擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.9912,因此,該方程能較好的模擬現(xiàn)實(shí)中安全系數(shù)的變化情況。

運(yùn)用擬合函數(shù)式(3),當(dāng)X=20時(shí),坡體安全系數(shù)約為1.20,降到了規(guī)范要求的臨界值,因此,在隨后的一年內(nèi)對(duì)該坡體進(jìn)行二次張拉是很有必要的。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)廣東惠州某高速公路高邊坡的監(jiān)控以及對(duì)其錨索預(yù)應(yīng)力變化數(shù)據(jù)的分析,對(duì)錨索各個(gè)階段預(yù)應(yīng)力損失的分析,坡體安全系數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系的探討,得到以下認(rèn)識(shí):

(1)除去錨索鎖定時(shí)回縮的瞬時(shí)損失(約35%),錨索預(yù)應(yīng)力的損失主要由坡體的蠕變引起(約65%)。

(2)在錨索預(yù)應(yīng)力的相對(duì)穩(wěn)定階段,此時(shí),錨索預(yù)應(yīng)力整體出現(xiàn)微小的損失說(shuō)明邊坡巖體在錨索監(jiān)測(cè)深度范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯的滑動(dòng)或變形跡象。

(3)由于該邊坡位于廣東省惠州市,處于多雨地區(qū),邊坡在施工期間以及后期的維護(hù)過(guò)程中都十分注意坡體的防水排水工作,對(duì)于文獻(xiàn)[1]提到的降雨對(duì)邊坡錨索預(yù)應(yīng)力的影響,在監(jiān)控過(guò)程中體現(xiàn)并不明顯,可見(jiàn),重視坡體的排水工作,可以有效地減小降雨對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的影響。

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