錨索樁板墻中錨索應力的工程現(xiàn)場監(jiān)測及分析

趙 翔* ，王杰光，張 朋，顧 城

(桂林理工大學 土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541000)

錨索樁板墻中錨索應力的工程現(xiàn)場監(jiān)測及分析

趙 翔* ，王杰光，張 朋，顧 城

(桂林理工大學 土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541000)

結合廣西某電廠擴建工程中錨索樁板墻的實際運用，對錨索樁板墻中錨索的應力變化進行監(jiān)測及分析，結果表明:1)錨索在鎖定后2 h內應力變化曲線基本相同，均呈指數(shù)變化，先快后慢，但由于位置、鎖定值等不同，不同錨索在2 h內的應力變化總幅度有較大差異。2)錨板墻結構中錨索應力的長期變化特征與普通邊坡治理工程中錨索的應力變化走勢有較大區(qū)別。3)預應力錨固工程屬隱蔽工程，影響錨索預應力損失的因素較多，設計及實際運用時很難做到情況完全清楚，通過長期大量的工程數(shù)據(jù)積累，可為其他相似的錨索工程做出定量的安全評估。

錨索應力;預應力錨索樁板墻;特征曲線;數(shù)據(jù)分析

我國山地丘陵面積較大。近年來，隨著社會經濟的高速增長和城市規(guī)模的不斷擴張，人們面臨更多更復雜的高邊坡工程防治問題。預應力錨索樁板墻作為一種新型的高邊坡支擋結構，以其安全可靠、經濟適用等特點，獲得眾多工程技術人員的認可。預應力錨索的合理應用是錨板墻結構的關鍵技術之一［1］。錨索在邊坡加固工程中已得到廣泛應用，但目前國內外對實際工程中預應力錨索的應力變化研究還主要側重在施工前期，缺乏對于施工中后期以及長遠運營期的監(jiān)測數(shù)據(jù)。錨固類結構由于其作用機理及巖土工程本身的復雜性，經常有拉斷、錨束體被銹蝕破壞、預應力嚴重損失等現(xiàn)象出現(xiàn)，威脅著整體工程的安全，所以有必要對工程現(xiàn)場的錨索應力進行跟蹤監(jiān)測及分析，為同類工程提供參考。

1 工程概況及地質條件

某電廠位于廣西壯族自治區(qū)中部，為了落實國家出臺的關停小火電機組的政策，同時滿足日益增長的用電需求，擬對現(xiàn)有電廠進行擴容改造。擴建后的新廠區(qū)瀕臨紅水河，而紅水河下游正籌建橋鞏水電站，為防止汛期以及下游水電站建成蓄水后河水水位上漲威脅電廠岸邊建筑，特采用預應力錨索與樁擋墻聯(lián)合支護的方式建立長約450 m的江邊護岸邊坡，外層抗滑樁113根，樁徑 2 000 mm，錨索預張拉力3 000 kN。

電廠原區(qū)域為巖溶殘丘準平原過渡到巖溶丘陵、峰叢、洼地地貌，南臨紅水河。紅水河兩岸形成基座階地，區(qū)域地質構造相對穩(wěn)定，山體多數(shù)相連，山峰巖石裸露，坡腳則有涂層覆蓋，坡岸大部分基巖裸露，穩(wěn)定性好。場地上覆地層均為第四系人工雜填土層(Q4

s)、第四系沖洪積層(Qal+pl)、第四系坡洪積層(Qsl+pl)和殘積層(Qel)，下伏基巖為二疊系合山組(P2h)地層。

擬建擋墻位于擬擴建廠區(qū)南側，紅水河北岸，擬建擋墻軸線距紅水河河槽80～130 m。地貌上跨越紅水河左岸一級階地及二級階地前緣。一級階地地面高程80.00～84.00 m，勘察地段內寬約20～110 m。二級階地地面高程101.00～108.00 m，場地呈臺階狀，其上部分布有薄層人工填土，下部為沖洪積粘土或粉質粘土，基巖面以上為殘積混碎石粘土等。二級階地前沿斜坡自然坡度20～40°，局部有小型塌岸現(xiàn)象。

2 預應力錨索的施工要求

圖1 預應力錨索樁板墻錨索位置布置圖

采用壓力分散型錨索，由UPS15E單層無粘結環(huán)氧噴涂鋼絞線制作，且不得損傷鋼絞線的聚乙烯層、油脂層和環(huán)氧樹脂層，入射角30°，分6級張拉，每級長2.5 m，3根錨索，每級錨索的施工千斤頂張拉力為500 kN，每束錨索總張拉力3 000 kN。

依據(jù)現(xiàn)場地勢地貌，設計于1～75#樁實施錨索張拉，為3排形式，如圖1所示。從下往上，第1排錨索錨頭高程86.00 m，錨索長33.5 m;第2排錨索錨頭高程90.00 m，錨索長37.5 m;第3排錨索錨頭高程94.00 m，錨索長45.5 m;設計嵌固長度15 m，內錨段15 m長度須完全位于中風化巖體內;抗滑樁內錨段采用6級YDM15B-18的內P錨，2節(jié)HT200摩擦棒接長，并采用Q235A隔離架，錨索張拉段采用HDPE145圓管防護。錨索應力損失超過10%時應進行補張拉。

3 錨索樁板墻中錨索預應力變化監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

3.1 錨索應力監(jiān)測點布置

本工程進行監(jiān)測的錨索數(shù)量按設計要求應不少于錨索總量的10%，進行試驗的錨索位置按照設計方要求隨機抽樣確定，錨索的安裝日期隨現(xiàn)場施工的進度確定。根據(jù)現(xiàn)場施工進度，在2010-05-12—2011-09-30期間，共對17個測點先后進行錨索應力監(jiān)測，錨索傳感器安裝樁位布置如圖2所示。

圖2 錨索應力監(jiān)測點位置布置圖

錨索應力傳感器安裝樁號及對應的樁體位置見表1。

表1 錨索應力傳感器安裝樁號及對應樁體位置表

3.2 監(jiān)測頻率及報警值

從錨索預應力張拉開始監(jiān)測，頻率為每日一次，當遇突發(fā)情況，根據(jù)現(xiàn)場情況加密監(jiān)測。錨索應力監(jiān)測階段，當出現(xiàn)下列情況時應及時報警:1)每周荷載變化量大于5%的設計張拉力;2)錨索應力變化累計值達到或超過設計張拉力的20%。

圖3 測點鎖定后2 h錨索應力值變化曲線圖

3.3 鎖定后2 h內錨索預應力變化過程及分析

根據(jù)已有的研究結果，并結合大量工程監(jiān)測可得:錨索在鎖定后即進入應力速損階段，前1～10 d應力損失非?？烨覔p失值較大。為研究這一速損階段，在本工程17個測點中，挑選了4個，在錨索剛剛鎖定之后的2 h內，每隔5 min測一次應力值，得到監(jiān)測曲線圖如圖3、4所示。

由圖3可知，錨索在鎖定后的2 h內，應力值的變化趨勢大體相同，都是一個非線性的過程，總體上都呈負指數(shù)變化規(guī)律，應力損失先急后緩。前1 h內的鎖定損失遠大于后1 h內的損失量，前者是后者的3～6倍，后1 h內的應力損失趨于平緩。

具體到每束錨索，鎖定后2 h內的應力變化雖然曲線走勢大致相同，但具體數(shù)值比例卻各有差別，2 h的變化總量也不相同。從圖3、圖4可知，剛剛鎖定后的應力損失是最快的，這一過程各束錨索分別持續(xù)10～40 min不等。特別是對比同為3排錨索的HP-42-3測點和HP-51-3測點，可以發(fā)現(xiàn)它們損失總量相差1倍以上，且HP-42-3測點在2 h時的損失曲線收斂速度明顯慢于HP-51-3測點。

由于目前國內巖土工程中采用的鋼絞線普遍是高強低松弛的，因此鋼絞線的松弛量對錨索有效預應力降低的影響也相對較小。主要影響錨索預應力損失的因素是被加固介質的蠕變和巖土體裂隙的壓密［2］。在實際工程中，由于邊坡巖土體包括深層的穩(wěn)定性良好的地層，它們各個部位的裂隙發(fā)育程度并不可能完全一致，巖體的性質也有較大差別，使得實際工程中各錨束體應力損失的偏差較大。對于蠕變或結構面的壓密幅度較大的巖土體，如軟性巖體或破碎邊坡，錨固介質的變形大，錨索的錨固力損失就大;反之，錨索體的應力損失則相對較小。以上這些因素導致了前面抽取的4個測點應力損失過程差異巨大，但總體變化依然有著明顯的規(guī)律，可以為相似工程提供借鑒。

圖4 不同測點鎖定后2 h應力值變化綜合比較圖

3.4 錨索應力的長期變化值監(jiān)測及結果分析

錨索預應力的變化通常分為短期變化和長期變化。短期變化指鎖定變化，長期變化則是指由于巖體蠕變、鋼絞線長期松弛等引起的預應力變化［3］。錨索預應力的長期有效性是關系到整個錨索樁板墻結構的核心問題之一，結構中錨索應力的變化會改變樁墻的受力，從而引起樁墻后面填土體作用力的重分布，影響到整個工程結構的安全。但是，目前工程中對錨索長時間的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)還非常少，特別是對于高填方樁板墻結構就更加稀缺，不利于對其進行系統(tǒng)地研究。本工程對錨索樁板墻17根錨索先后進行了鎖定后在施工以及運營中的長期監(jiān)測，圖5為錨索預應力鎖定之后的應力變化監(jiān)測全過程(圖中第1天指樁板墻中第一根錨索開始張拉日期，即2010-05-12，其余錨索隨工程進度張拉日期各不相同;總監(jiān)測天數(shù)為507 d)。

圖5 電廠擴建護岸邊坡錨索應力變化監(jiān)測曲線圖

圖6 HP-25-1錨索監(jiān)測值特征曲線

Benmokrane和Balivy等［4］根據(jù)對錨索預應力變化的系統(tǒng)觀測，提出預應力損失的三段論:Ⅰ為應力驟降階段;Ⅱ為震蕩變化階段;Ⅲ為緩慢變化階段。本工程經過長達507 d的監(jiān)測，得到了與上述研究成果有許多差異的特征曲線，以HP-25-1監(jiān)測點錨索應力為例，長期應力值監(jiān)測特征曲線如圖6所示。

由圖6可知，錨索在本工程的樁板墻應用中，應力變化可以分為6個階段:Ⅰ為錨索的預張拉及其應力快速下降階段，這一階段的應力值變化與傳統(tǒng)曲線很相似，都是經過速損階段后進入波動變化階段。本例中錨索的速損階段損失應力約80 kN，占初張拉值的3%。Ⅱ為錨索的補張拉及其應力速損階段，補張拉階段錨索應力大幅躍升，之后依然是進入應力速損階段。本例中張拉后的應力速損階段損失應力約45 kN，占補張拉值的1.5%，明顯小于初張拉的損失率。Ⅲ為震蕩下降階段，該階段在本例HP-25-1中持續(xù)約100～110 d，震蕩幅度較大，損失應力305 kN，占補張拉值的10%。Ⅳ為波動平衡階段，如果忽略補張拉的作用，則這一階段是第一段與傳統(tǒng)樁錨工程中錨索應力變化差異極大的時間段。傳統(tǒng)錨索監(jiān)測過程中，在經歷了3～4個月的震蕩變化之后，錨索應力均趨于穩(wěn)定，而本例中這一時間段應力變化卻震蕩起伏，極小值與極大值最大差距約155 kN，震蕩幅度達到補張拉值的5%。其原因為鄰近錨索的張拉與補張拉、墻后土方回填碾壓時工程車輛的活荷載作用等影響。Ⅴ為持續(xù)平穩(wěn)上升階段，持續(xù)約75～90 d，應力增加100 kN，占補張拉值的3%。這一階段與傳統(tǒng)滑坡治理工程中錨索應力的監(jiān)測研究結果迥異，產生這種現(xiàn)象的主要原因是錨索鎖定以后，由于填土施工以及填土附加應力所造成。這些影響在之前的階段也都存在，但由于錨固層巖體的蠕變、臨近錨索的張拉和附近的其他錨索孔的施工等因素均較強烈，導致錨索的應力損失遠超過填土的附加應力增長，故這一階段的顯現(xiàn)比較滯后。值得注意的是，同樣是樁板墻錨索的監(jiān)測，有的工程中［5］這一階段卻顯現(xiàn)得特別早，取代了應力速損階段，這是因為其工程中的錨索拉力較小，約800～1 000 kN，且墻后填土較快，所以填土的附加力較為明顯且迅速。Ⅵ為平衡穩(wěn)定階段，監(jiān)測結果表明，本工程錨索在監(jiān)測進行到420 d后錨索樁板墻預應力才呈現(xiàn)出平穩(wěn)變化，盡管預應力還是有所波動，但是波動幅度已經變得很小，均在15 kN以內。

錨索應力的這種長期變化的特點是高填方錨索樁板墻工程與普通錨索抗滑樁的顯著區(qū)別，造成這種與傳統(tǒng)研究結果不同的原因主要有:1)在樁板墻工程中，樁板墻背后的土料回填高度是不斷變化的，填方造成的附加應力勢必會影響錨索的應力變化，由圖6第Ⅴ階段可知，樁墻后的填土對錨索的最終應力影響很大;2)由于錨索是隨施工進度張拉的，根據(jù)施工需要，各個錨索張拉順序有先后之分，一根錨索的張拉對相鄰近的錨索產生影響，使震蕩更頻繁;3)本工程中錨索基本都要經過補張拉，與前人研究相比，補張拉的施工相當于是在錨索的應力變化過程中施加了外力影響，勢必會改變曲線走勢;4)在錨索張拉之后的監(jiān)測過程中，施工仍在進行，諸如土方回填的附加應力、運送或碾壓回填土的工程車輛的活荷載、其他錨索鉆孔的施工等因素給錨索張拉后的運營提供了一個復雜的外部環(huán)境［6］，所以錨索在經歷了震蕩下降之后的平衡階段的應力變化也是震蕩的;5)本工程中錨索經過第Ⅴ階段即持續(xù)平穩(wěn)上升階段后，最終穩(wěn)定值普遍比初張拉值和補張拉值高50～100 kN，這是因為錨索經過補張拉后，應力損失變小而填方的附加應力不斷增加，最終使錨索應力值不斷攀升，甚至超過原來的鎖定或補張拉值。通過對比發(fā)現(xiàn)，2011年4月初新張拉的HP-13-1、HP-16-1、HP-18-2、HP-20-1、HP-21-3 等測點錨索，雖然也經歷了第Ⅴ階段的持續(xù)攀升，但是攀升幅度均不大，最終應力平穩(wěn)值也都小于初張拉鎖定值。

4 結語

預應力錨索在樁板墻結構中的應用具有良好的前景，但是，關于這一結構的計算理論還不夠成熟，涉及因素較多、關系復雜?，F(xiàn)場實測既能及時糾正理論計算與設計中不合實際的謬誤，也能指導樁板墻結構的計算機理走向成熟，所以在工程實踐中應該積累更多的實測數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)庫，供科研與工程應用［7］。本文只是對錨索樁板墻結構中預應力錨索在張拉鎖定后2 h內以及施工和運營期間預應力的變化進行了分析，認為:1)錨索在鎖定后2 h內應力變化曲線基本相同，均呈指數(shù)變化，先快后慢，但由于位置、鎖定值等不同，不同錨索在2 h內的應力變化總幅度有較大差異。2)錨板墻結構中錨索應力的長期變化特征與普通邊坡治理工程中錨索的應力變化走勢有較大區(qū)別。3)預應力錨固工程屬隱蔽工程，影響錨索預應力損失的因素較多，設計及實際運用時很難做到完全清楚情況，通過長期大量的工程數(shù)據(jù)積累，可為其他相似的錨索工程做出定量的安全評估。

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［2］張發(fā)明，趙維柄，劉寧，等.預應力錨索錨固荷載的變化規(guī)律及預測模型［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(1):39-43.

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［7］張發(fā)明，趙維柄，劉寧，等.預應力錨索錨固荷載的變化規(guī)律及預測模型［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(1):39-43.

Monitoring and Results Analysis for the Anchor Cable Stress of Prestressed Anchor Sheet-pile Wall

ZHAO Xiang* ，WANG Jieguang，ZHANG Peng，GU Cheng
(College Civil and Architectural Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541000，China)

Based on the practical application of prestressed anchor sheet-pile wall in the expansion project of a certain power plant in Guangxi，this paper analyzes the results of the monitoring on the stress variation in anchor cable and get the following conclusion:1)the stress curve of anchor cable within 2 hours after locking is basically the same，appeared as index changes and slow down after，however，due to the different of the location and locked values，etc，the total amplitude of stress changes in different anchor cable within 2 hours have greater difference.2)long-term variation of the stress in anchor cable in prestressed anchor sheet-pile wall and the trend of stress changes in anchor cable in common Slope engineerings is quite different.3)the prestressed anchor engineering is concealed work，there are many factors that affect prestress loss，it is hard to be entirely clear to situation when designing and practical application，however，through the accumulation of large amounts of engineering data for a long time，in order to provide a quantitative assessment of safety in the similar engineering.

anchor cable stress;prestressed anchor sheet-pile wall;characteristic curve;data analysis

TU43

A

2095-5383(2014)02-0081-04

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2014.02.026

2014-03-10

廣西巖土力學與工程重點實驗室項目“巖溶地質災害預測與防治研究”(11-CX-02)

趙翔(1989-)，男(漢族)，江蘇宿遷人，在讀碩士研究生，研究方向:基礎工程與地基處理，通信作者郵箱:zhaoxiang215@163.com。

王杰光(1963-)，男(漢族)，廣西貴港人，教授，博士，研究方向:巖土工程。