濕陷性黃土邊坡加固預(yù)應(yīng)力錨索抗拔現(xiàn)場試驗研究

吳守河 ，李 忠

(1.蘭州市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730030；2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050)

0 引言

近年來，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的進(jìn)一步實施，高等級公路、鐵路等各類工程建設(shè)在西北黃土地區(qū)迅猛發(fā)展，由此產(chǎn)生大量的黃土高陡邊坡。預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)作為一種安全可靠、經(jīng)濟(jì)有效的巖土工程加固措施，已廣泛應(yīng)用于黃土邊坡加固、基坑工程，以及隧道及地下工程[1-3]。為更好地優(yōu)化設(shè)計、降低工程造價，迫切要求研究黃土層中錨索的錨固力特征，為設(shè)計計算提供精確的理論基礎(chǔ)。

事實上，預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)是涉及注漿體、巖土層及錨索(桿)的多介質(zhì)、多界面相互作用的復(fù)雜力學(xué)系統(tǒng)。目前的研究成果大都基于物理模型試驗和數(shù)值仿真模擬手段來探討錨索荷載傳遞機(jī)制，計算結(jié)果與現(xiàn)場工程實際存在較大出入，也易造成許多不必要的工程資源的浪費甚至潛在危險。工程實踐表明，采用現(xiàn)場試驗的方法來研究錨固工程，其結(jié)果較理論方法更符合工程實際，也更可靠。基于此，本文以蘭州南山路黃土高邊坡支護(hù)工程為背景，對黃土地層下的預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行現(xiàn)場拉拔試驗，對于錨索設(shè)計錨固長度下的極限抗拔承載力和預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計參數(shù)進(jìn)行測試和驗證，確定錨索抗拔力是否達(dá)到設(shè)計要求，從而做到更好的優(yōu)化設(shè)計，提高施工安全性，降低工程造價的目的。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

南山路民大隧道位于蘭州市城關(guān)區(qū)五泉山下，處于南山路中段，東起五泉人行天橋西側(cè)，西至規(guī)劃安定門鐵路立交東側(cè)。線路位置受地形地物的控制，大部分段落走行于蘭新鐵路南側(cè)與西北民族大學(xué)半路塹式圍墻間狹窄條形地帶。蘭新鐵路路塹通過該段落，民大隧道位于其路塹南側(cè)的陡坡中，上覆既有戰(zhàn)備公路。隧道所處位置地形復(fù)雜、地面建筑物多。隧道基坑開挖深度 3～14 m，土方開挖量大，由于場地限制，需在基坑開挖前進(jìn)行基坑邊坡加固處理。

1.2 地質(zhì)概況

該隧道段揭露地層為一套第四系全新統(tǒng)松散沖積物，巖性從上到下為：①素填土、②粉土、③圓礫、④粉質(zhì)粘土、⑤淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、⑥卵石層。該區(qū)處于青藏高原東北緣與黃土高坡的交匯部位，大地構(gòu)造屬祁連山褶皺系中祁連隆起東段河口凹陷東北部，次級構(gòu)造發(fā)育。該段②粉土具有中等-很嚴(yán)重的濕陷性，該場地為自重濕陷場地，地基的濕陷等級為 II-IV 級。最大濕陷深度為18.60 m。

1.3 隧道邊坡加固設(shè)計

隧道基坑開挖深度 3～14 m，土方開挖量大，由于場地限制，需在基坑開挖前進(jìn)行基坑加固處理。NzK10+775～NzK10+950 段隧道基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計 G2 斷面圖見圖1所示。

如圖1所示，基坑邊坡采用了排樁預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)基坑深度不同設(shè)長度不同排樁加設(shè)單層或多層錨索。預(yù)應(yīng)力錨索采用國標(biāo)2×7Φ5 鋼絞線，公稱直徑 15.20 mm，抗拉強度為1 860 MPa，錨索設(shè)計長度為 26 m，其自由段長6.0 m，錨固段長 20 m。

2 預(yù)應(yīng)力錨索抗拔現(xiàn)場試驗

2.1 試驗設(shè)計

為了對南山路民大隧道邊坡預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計錨固長度下的極限抗拔承載力等設(shè)計參數(shù)進(jìn)行測試和驗證，特在工程現(xiàn)場選址進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索拉拔試驗，以確定錨索抗拔力是否達(dá)到設(shè)計要求，從而做到更好的優(yōu)化設(shè)計，降低工程造價。

現(xiàn)場試驗設(shè)計預(yù)應(yīng)力錨索構(gòu)造見圖2所示，錨頭鋼墊板見圖3所示，錨頭反力裝置采用了 C30鋼板混凝土墊板，見圖4所示。

錨孔注漿采用 425 級普通硅酸鹽水泥，其配合比為水泥：水 =1：0.42 的水泥凈漿，注漿壓力為0.5～2.0 MPa，采用孔底返漿至錨固段與自由段交界處，即自由段不注漿。試驗進(jìn)行一組，即 3 根預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場拉拔試驗。根據(jù)設(shè)計圖紙，現(xiàn)場完成預(yù)應(yīng)力錨索鉆孔、錨索制作安裝、注漿及張拉，其中預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場制作及張拉測試見圖5所示。

圖1 G2 基抗開挖支護(hù)斷面圖

圖2 預(yù)應(yīng)力錨索構(gòu)造詳圖

圖3 鋼墊板設(shè)計示意圖

圖4 混凝土墊板設(shè)計示意圖

圖5 預(yù)應(yīng)力錨索制作及張拉現(xiàn)場實景

2.2 試驗測試

預(yù)應(yīng)力錨索張拉設(shè)備采用穿心式液壓千斤頂YDC-100。試驗加載采用逐級加載法，每級加依次為預(yù)估破壞荷載的 10%、20%、20%、20%、20%、10%，預(yù)估破壞荷載為 500 kN。在每級加荷等級觀測時間為 5 min，在觀測時間內(nèi)前后兩次測讀變形，當(dāng)測讀錨頭移項目累計變位量不大于 0.1 mm時，方可施加一級荷載，否則應(yīng)延長觀測時間，直至錨頭位移增量在 2 h 內(nèi)小于 2 mm 時，方可施加下一級荷載。在拉拔過程中，采用游標(biāo)卡尺測量錨索的伸長變形?，F(xiàn)場錨索張拉加載見圖6所示。

2.3 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)試驗加載方案，逐級加載，直至加載100%。在加載過程中，每級加荷在觀測時間內(nèi)前后兩次測讀錨頭變形，由于測讀錨頭位移本級增量均大于 0.1 mm，因此采用延長觀測時間，錨頭位移增量在 2 h 內(nèi)均小于 2 mm，分別記錄各級加載下錨索荷載位移變化數(shù)據(jù)，見表1～表3所列。

圖6 現(xiàn)場試驗預(yù)應(yīng)力錨索張拉實景

如表1～表3所列，從試驗結(jié)果可以看出，1#、2#、3#錨索在各級荷載作用下錨頭位移逐級增量均未超過前一級位移 2 倍，按相關(guān)規(guī)范[12]附錄 X 土層錨桿試驗要點 (X.0.5 條錨桿終止試驗條件第 1 款的規(guī)定：“后一級荷載產(chǎn)生的錨頭位移增量達(dá)到或超過前一級荷載產(chǎn)生位移增量的 2倍?！?，可判定各錨索均未破壞，由此可判定錨索抗拔承載力達(dá)到設(shè)計要求。

如上所述，按照原加載方案，100%加載后，除了各錨頭位移有明顯增大外，各錨索均未出現(xiàn)破壞。為測定各錨索現(xiàn)場極限抗拔力，再預(yù)加破壞荷載 20%進(jìn)行了破壞性超張拉試驗，直至錨索出現(xiàn)破壞。加載中，1#錨索張拉至 598 kN時，第一單元鋼絞線在錨頭附近發(fā)生斷絲，鋼絞線達(dá)到破壞荷載；2#錨索張拉至 584 kN 時，第一單元鋼絞線錨頭附近發(fā)生斷絲；3#錨索張拉至 604 kN 時，第一單元鋼絞線同樣錨頭附近斷絲。各錨索的破壞均是由于鋼絞線斷絲引起，未出現(xiàn)錨固體拔出等其它形式破壞。

由此可見，工程現(xiàn)場的黃土地層能為設(shè)計錨索提供足夠的錨固力。根據(jù)工程設(shè)計中錨索施加預(yù)應(yīng)力 260 kN，而試驗中錨索極限抗拔力達(dá)到平均約為 590 kN，可知該工程預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計安全系數(shù)大于 2.0。另外，由表1～表3知，各錨索加載至 100%時，錨頭累計總位移量約為 60 mm，加載至 50%時，即加載至預(yù)應(yīng)力張拉值時，各錨頭累計總位移量約為 20 mm，該值也同時滿足設(shè)計允許位移值（不大于 20 mm)的要求。

根據(jù)表1～表3試驗數(shù)據(jù)，分別作出各級加載過程中錨索位移逐級增量及累計增量與荷載變化關(guān)系曲線，見圖7、圖8所示。

表1 1#錨索抗拔試驗荷載位移記錄表

表2 2#錨索抗拔試驗荷載位移記錄表

表3 3#錨索抗拔試驗荷載位移記錄表

圖7 各錨索抗拔加載 Q-S 曲線圖

圖8 錨索加載 Q-S 曲線多項式擬合曲線圖

如圖7所示，隨著荷載的逐級增加，荷載與位移均呈非線性變化，荷載越大特性越明顯。各錨索曲線變化特征基本相近。將圖7所示各錨索的 Q-S曲線進(jìn)行采用多項式進(jìn)行擬合，如圖8所示，推得擬合多項式如式（1）所示：

式（1）中 S 為錨索錨頭位移，Q 為錨索加載量。該式可作為同類預(yù)應(yīng)力錨索位移計算的參考或經(jīng)驗公式使用。

3 結(jié)論

通過此次濕陷性黃土層中預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場抗拔試驗研究，主要得出結(jié)論如下：

（1）3 個錨索抗拔試驗地層均為混陷性黃土地層，通過逐級加載試驗，錨索抗拔承載力滿足設(shè)計要求，且各錨索均未出現(xiàn)破壞。根據(jù)錨索設(shè)計參數(shù)，通過超張拉預(yù)估破壞荷載的 20%直至錨索破壞，得到濕陷性黃土地層錨索極限抗拔力達(dá)到約600 kN。根據(jù)工程設(shè)計中錨索施加預(yù)應(yīng)力 260 kN，而試驗中錨索極限抗拔力平均約為 590 kN，可知實際工程中預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計安全系數(shù)大于 2.0?，F(xiàn)場試驗證明，在混陷性黃土地層中使用預(yù)應(yīng)力錨索是可行的，且可以獲得較為可靠的錨固力。

（2）當(dāng)錨索 100%加載時，錨頭累計總位移量約為 60 mm，但錨索總體并未出現(xiàn)破壞。當(dāng)錨索加載至 50%達(dá)到施加預(yù)應(yīng)力時，錨頭累計總位移量約為 20 mm，該值也同時滿足設(shè)計允許位移值。由此也驗證了設(shè)計中錨索預(yù)應(yīng)力張拉值的合理性。

（3）在加載試驗過程中，隨著荷載的逐級增加，荷載與位移均呈非線性變化。通過曲線擬合，得到了混陷性黃土地層中預(yù)應(yīng)力錨索 Q-S 曲線擬合多項式，如文中式（1），該式可作為同類預(yù)應(yīng)力錨索位移計算參考或經(jīng)驗公式使用。另外，對于濕陷性黃土地層中預(yù)應(yīng)力錨索諸多特性，在該項試驗中還未得到揭示，在今后的工作中還需要通過更為復(fù)雜的試驗進(jìn)行測試和驗證。

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