預(yù)應(yīng)力錨索計(jì)算在邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

朱得斌

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程管理系，山西 太原 030031)

?

預(yù)應(yīng)力錨索計(jì)算在邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

朱得斌

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程管理系，山西 太原 030031)

高等級(jí)公路邊坡防護(hù)作為公路工程的一項(xiàng)重要施工內(nèi)容，對(duì)公路工程質(zhì)量和運(yùn)營后的交通安全都有較大的影響.在易滑塌、穩(wěn)定性差公路邊坡防護(hù)中，預(yù)應(yīng)力錨索防護(hù)是最常用的防護(hù)形式之一.對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索的計(jì)算，是設(shè)計(jì)與施工中的關(guān)鍵步驟.基于工程實(shí)踐，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索伸長量、壓力表讀數(shù)等常用數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，分析了造成錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響因素，并提出了相應(yīng)的防治措施.

預(yù)應(yīng)力錨索；張拉力；伸長量

在山區(qū)公路施工過程中，邊坡的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜多變，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)邊坡進(jìn)行確實(shí)有效的防護(hù).近年來，公路交通經(jīng)歷了一個(gè)空前的大發(fā)展階段，公路總里程，尤其是高速公路里程得到了飛快的增長.但在公路交通事業(yè)飛速發(fā)展的過程中，由于邊坡防護(hù)的設(shè)計(jì)不當(dāng)或施工質(zhì)量問題，出現(xiàn)了邊坡滑塌、巖石碎落、水流沖刷等各種形式的破壞，造成了較大的財(cái)產(chǎn)損失.邊坡防護(hù)形式多樣，包括護(hù)面墻、噴射混凝土、預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿、格子梁、勾縫等形式，而錨索防護(hù)所適用的邊坡情況往往較不穩(wěn)定，是其中較為重要的防護(hù)形式之一.預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)與施工過程中需要對(duì)其張力進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算分析，這也是保證錨索施工質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵.

1　預(yù)應(yīng)力錨索的參數(shù)計(jì)算

某高速公路邊坡防護(hù)在設(shè)計(jì)中擬采用預(yù)應(yīng)力錨索，邊坡起訖點(diǎn)樁號(hào)為K245+550.5～K245+643.6，邊坡長度為93.1m，坡度為1∶1.5，高度為23.5米，采用三級(jí)邊坡，兩級(jí)邊坡間設(shè)置寬1.0m邊坡平臺(tái).錨索采用施工現(xiàn)場加工的方式，加工完成后進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的檢驗(yàn)，施工前必須保證原材料試驗(yàn)檢測合格.錨索按要求張拉完成后采用M30砂漿進(jìn)行填充，以預(yù)防錨索銹蝕.外層采用C25噴射混凝土進(jìn)行封閉保護(hù).為保證施工質(zhì)量，施工前進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，具體計(jì)算內(nèi)容如下：

1.1預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)參數(shù)[2]

(1)預(yù)應(yīng)力錨索采用6Φs15.2型錨索(高強(qiáng)度低松弛)，公稱直徑14.95mm，公稱面積140mm2，強(qiáng)度級(jí)別為1860MPa，彈性模量為195000N/mm2.

(2)預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)控制張拉力бcon 為520kN，設(shè)計(jì)噸位650kN.

(3)預(yù)應(yīng)力錨索的錨固段長均為5m，自由段長度為15m，千斤頂工作長度為0.30m.

(4)張拉設(shè)備校準(zhǔn)方程Y=49.9800X+0.89.

Y—壓力指示器示值(MPa)；X—標(biāo)準(zhǔn)力值(MN).

1.2預(yù)應(yīng)力錨索的張拉程序[3]

張拉預(yù)應(yīng)力錨索所使用的油泵、千斤頂和油表等機(jī)具，必須由國家有關(guān)單位認(rèn)可標(biāo)定單位進(jìn)行標(biāo)定，其中千斤頂和油表必須經(jīng)過配套標(biāo)定之后才允許使用.標(biāo)定要求按有關(guān)國家規(guī)定執(zhí)行，在這里不再贅述.

錨索張拉的采用分階段張拉：

各階段張拉力的大小與張拉順序?yàn)椋?→130kN(25%*бcon，初張拉)→260kN(50%*бcon)→ 390kN(75%*бcon)→520kN(100%*бcon)→572kN(110%*бcon，錨固).

1.3錨索張拉主要參數(shù)計(jì)算[1]

1.3.1理論伸長值計(jì)算公式

△L=PL/EA

式中：

——P預(yù)應(yīng)力錨索的平均張拉力(kN)；

——L預(yù)應(yīng)力錨索的長度(mm)；

——E預(yù)應(yīng)力錨索的彈性模量；

——A預(yù)應(yīng)力錨索的公稱面積.

1.3.2計(jì)算各階段張拉參數(shù)

根據(jù)已知數(shù)據(jù)，分階段對(duì)錨索的理論伸長值、壓力表讀數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，文章只對(duì)初始階段的張拉參數(shù)計(jì)算過程進(jìn)行列舉，其他階段計(jì)算結(jié)果詳見表1.

錨索張拉第一階段:P=бcon*25%(初張拉)，計(jì)算過程如下：

X=520*0.25kN=130kN=0.13MN.根據(jù)計(jì)算公式，可得：

理論伸長：△L=520000*0.25*(15000+300)/(3*140*195000)=24.29mm

壓力表讀數(shù)：Y=49.9800X+0.89=7.39MPa

表1　錨索計(jì)算參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

1.3.3張拉的實(shí)際伸長值

錨索張拉過程中，在嚴(yán)格控制張拉力的同時(shí)，還應(yīng)該以實(shí)測伸長值進(jìn)行校核.整個(gè)張拉過程中對(duì)油表讀數(shù)、實(shí)測伸長值應(yīng)及時(shí)記錄，及時(shí)分析處理數(shù)據(jù)，使其在滿足設(shè)計(jì)與規(guī)范要求的前提下進(jìn)行各階段張拉.

另外，張拉力和伸長值是錨索張拉過程中的主要控制參數(shù)，以控制張拉力為主，同時(shí)用伸長值校核應(yīng)力.當(dāng)實(shí)際伸長值與理論伸長值的相差率大于10%或小于5%時(shí)，應(yīng)暫時(shí)停止張拉，檢查設(shè)備、張拉程序與計(jì)算結(jié)果等可能影響張拉的原因，查明并處理后，再繼續(xù)張拉.

理論伸長值的計(jì)算主要是在理論狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力鋼筋的伸長量，沒有考慮摩擦阻力損失和錨口損失的影響.工程應(yīng)用時(shí)，需要考慮摩擦阻力、錨口損失等原因，在相應(yīng)的施工規(guī)范中有明確的規(guī)定，也可以通過試驗(yàn)確定.試驗(yàn)確定的方法是埋入檢測元件，用伸長量、千斤頂油表度數(shù)得出的應(yīng)力、布置在不同部位的測力元件之間的差值來計(jì)算確定.

張拉力是錨索的應(yīng)力控制的主要指標(biāo)，而伸長量在張拉過程中只能作為一個(gè)參考值，因?yàn)殄^索的有效長度不易確定，并且錨固段的變形大小也很難量化.

2　預(yù)應(yīng)力錨索的張拉數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析[4]

在施工準(zhǔn)備工作沒有完成的情況下不可進(jìn)行錨索張拉.首先應(yīng)按要求對(duì)張拉預(yù)應(yīng)力錨索的主要機(jī)具，主要包括油泵、千斤頂和油表等進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定合格后方可使用.張拉時(shí)砂漿應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，根據(jù)上述預(yù)應(yīng)力錨索計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)錨索分階段進(jìn)行張拉，并同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄分析.錨索張拉按設(shè)計(jì)荷載的25%、50%、75%、100%，110%分階段進(jìn)行.前四個(gè)量級(jí)的持續(xù)時(shí)間均為5min，最后一次超張拉要求靜載持續(xù)30min.上述五個(gè)量級(jí)的張拉均應(yīng)在同一天內(nèi)完成，否則應(yīng)卸荷重新再依次張拉.

在錨索張拉的每個(gè)階段，不僅要通過控制油表讀數(shù)來控制張拉力，也要通過對(duì)實(shí)測伸長量和理論伸長量的對(duì)比來分析控制張拉質(zhì)量.張拉的過程中對(duì)每個(gè)階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并且進(jìn)行計(jì)算分析，保證其相差率在規(guī)范要求的情況下，才可以進(jìn)行下一個(gè)階段的張拉，以保證施工的總體質(zhì)量.

預(yù)應(yīng)力錨索張拉過程中及時(shí)對(duì)油表讀數(shù)、伸長量等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，同時(shí)完成對(duì)計(jì)算的理論伸長量和實(shí)測伸長量相差率的計(jì)算.表2為錨索張拉實(shí)測值與理論值對(duì)比表，由于張拉過程中的數(shù)據(jù)數(shù)量較多，在這里只對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行列舉分析.

表2　錨索張拉施工記錄表

由上述計(jì)算可知，張拉力為設(shè)計(jì)荷載的75%是張拉力大小為390kN.伸長量理論值為96.9mm，實(shí)測數(shù)據(jù)與理論值的相差率范圍為-4.77%～+8.67%，符合規(guī)范要求的實(shí)際伸長值與理論伸長值的相差率-5%～+10%.說明該階段張拉符合設(shè)計(jì)要求，可繼續(xù)進(jìn)行下一階段：100%張拉力的張拉.

按照以上方法，在每個(gè)階段的張拉過程中，都要對(duì)其張力和伸長量對(duì)照數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)，在符合要求的前提下方可進(jìn)行下一階段的張拉，直到完成張拉為止.采用這種方法，可以在整個(gè)施工過程中對(duì)錨索張拉質(zhì)量進(jìn)行控制，保證施工質(zhì)量.

3　錨索預(yù)應(yīng)力損失分析及防治措施

3.1錨索預(yù)應(yīng)力損失分析[6]

錨索的預(yù)應(yīng)力大小將直接影響主動(dòng)錨發(fā)揮作用的程度及其對(duì)被錨固土體安全性的保證程度.而目前對(duì)于錨索有效預(yù)應(yīng)力的檢測沒有較為有效的方法，主要采用預(yù)埋傳感器方法.另外，應(yīng)力波反射法和反拉法檢測法是目前主要的兩個(gè)研究方向.

圖1　典型錨索有效預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律曲線

錨索有效預(yù)應(yīng)力隨著預(yù)應(yīng)力的損失而減小.錨索預(yù)應(yīng)力的損失主要是在張拉過程、鎖定過程中，且隨著時(shí)間的變化也會(huì)引起預(yù)應(yīng)力損失.錨索施工完成后隨時(shí)間的增長其預(yù)應(yīng)力不斷降低.根據(jù)規(guī)范要求，實(shí)測錨索預(yù)應(yīng)力值應(yīng)≧90%設(shè)計(jì)值，如低于則視為不合格.因此，在施工中應(yīng)采取措施預(yù)防錨索預(yù)應(yīng)力損失.研究證明，錨索有效預(yù)應(yīng)力值的變化如圖1.預(yù)應(yīng)力錨索的有效預(yù)應(yīng)力的變化可以分為3個(gè)主要階段,即快速降低期、一般降低期與緩慢降低期.

3.2錨索預(yù)應(yīng)力損失防治措施[5]

為了保證錨索有效預(yù)應(yīng)力，在施工中應(yīng)采取有效的防治措施，將錨索預(yù)應(yīng)力的損失降到最低.在對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的幾個(gè)主要影響因素進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，總結(jié)得出如下施工中常用的防治錨索有效預(yù)應(yīng)力損失的措施：

(1)合理選擇錨頭形式，錨頭變形及夾具回縮會(huì)引起的預(yù)應(yīng)力損失.實(shí)踐證明，混凝土結(jié)構(gòu)錨固端頭的整體連接性較好，預(yù)應(yīng)力減低較??；墩臺(tái)式錨頭承壓范圍小，預(yù)應(yīng)力損失較大.

(2)在張拉過程中減少應(yīng)力損失.錨索張拉系統(tǒng)本身存在一定的摩擦阻力損失，會(huì)在張拉的過程中降低錨索的預(yù)應(yīng)力.通常，我們可以采用分級(jí)式張拉，使錨索的各鋼絞線受力進(jìn)行充分調(diào)整，較小鎖定過程中的應(yīng)力損失.

(3)錨索應(yīng)深入邊坡的堅(jiān)硬巖石內(nèi)部，并且邊坡應(yīng)穩(wěn)定，不能出現(xiàn)沉降.邊坡巖體破碎，易出現(xiàn)沉降都會(huì)造成錨索預(yù)應(yīng)力的損失，直接影響其錨固作用.

(4)在錨索托梁上加墊木坯或焊接變形角，增加錨索的變形能力，提高錨索的支護(hù)能力.

(5)有必要的情況下，可以對(duì)錨索進(jìn)行補(bǔ)償張拉，也采用超張拉的方式.如果想有效提高錨索的有效預(yù)應(yīng)力，可以適當(dāng)增加補(bǔ)償張拉的次數(shù).

(6)埋設(shè)傳感器，全程監(jiān)測錨索預(yù)應(yīng)力的變化情況，實(shí)時(shí)采取有效措施進(jìn)行處理.

4　結(jié)語

錨索邊坡防護(hù)在施工中存在很多質(zhì)量問題，如錨索張拉力不足，伸長量不符合要求，甚至出現(xiàn)錨索長度不足，不按要求張拉的嚴(yán)重質(zhì)量問題，給邊坡防護(hù)安全帶來較大的隱患.因此，在設(shè)計(jì)與施工階段根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行錨索張力及和伸長量等相關(guān)參數(shù)計(jì)算，并在施工中采取有效的措施降低錨索預(yù)應(yīng)力損失，進(jìn)而達(dá)到控制錨索施工質(zhì)量的目的.

[1]中華人民共和國檢驗(yàn)檢疫總局,中華人民共和國建設(shè)部.GB50086-2001錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[M].北京: 中國計(jì)劃出版社,2001.

[2]畢晨曦，李守義.錨索設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)復(fù)雜地基導(dǎo)流墻預(yù)應(yīng)力錨固的影響分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2015,(5):141-145.

[3]鄭筱彥,夏元友,張亮亮,等.預(yù)應(yīng)力錨索(桿)群錨作用機(jī)理研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,(11):62-67.

[4]尚海.預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)在高邊坡防護(hù)中的應(yīng)用[J].價(jià)值工程,2015,(27):35-37.

[5]陳志勇,李志剛,龐有師,等.預(yù)應(yīng)力錨索和格構(gòu)梁復(fù)合結(jié)構(gòu)在路塹邊坡防護(hù)中的應(yīng)用研究[J] .交通科技,2007,(5):48-50.

[6]謝立輝,歐名賢.工程邊坡的穩(wěn)定性分析及抗滑樁的應(yīng)用研究[J] .長沙大學(xué)學(xué)報(bào),2003,(4):69-73.

(責(zé)任編校：晴川)

Application of Prestressed Anchorage Cable Calculation in Slope Protection

ZHU Debin

(Department of Engineering Management, Shanxi Traffic Vocational and Technical College,Taiyuan Shanxi 030031, China)

Highway slope protection as an important content of highway construction project exerts great influence on highway engineering quality and traffic safety after the operation. For highway slope protection which is slump-prone and of poor stability, prestressed anchorage cable is one of the most commonly used forms of protection. Prestressed anchorage cable calculation is the key step of design and construction. Based on engineering practice, the paper calculates and analyzes common data such as prestressed anchorage cable elongation, analyzes the influential factors causing prestress loss of anchor cable, and puts forward several corresponding prevention measures.

prestressed anchorage cable; tension; elongation

2016-06-01

朱得斌(1983— )，男，吉林農(nóng)安人，山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程管理系講師，碩士.研究方向：工程管理.

U416

A

1008-4681(2016)05-0029-03