不同類型支擋結(jié)構(gòu)錨索預(yù)應(yīng)力損失測試

彭濤，鄧安

不同類型支擋結(jié)構(gòu)錨索預(yù)應(yīng)力損失測試

彭濤，鄧安

（中冶成都勘察研究總院有限公司，成都 610023）

北京戒臺寺滑坡治理投資巨大，共采用了預(yù)應(yīng)力錨索墩、梁和錨索樁等，錨索總長34 125m，通過工后近5年觀測，工程穩(wěn)定有效?，F(xiàn)場測試各類支擋結(jié)構(gòu)物中的錨索預(yù)應(yīng)力，在錨索墩（梁）中，布置了6孔進(jìn)行錨索應(yīng)力監(jiān)測預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況。通過受力監(jiān)測及分析，了解各類支擋結(jié)構(gòu)物錨索預(yù)應(yīng)力損失的特征及其規(guī)律，為預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)及其預(yù)應(yīng)力損失研究提供參考實(shí)例。（對特征規(guī)律進(jìn)行總結(jié)概括）

滑坡；錨索樁；預(yù)應(yīng)力損失；戒臺寺

戒臺寺位于北京市門頭溝區(qū)內(nèi)馬鞍山北麓，屬國家重點(diǎn)文物保護(hù)單位。戒臺寺滑坡區(qū)域內(nèi)礦產(chǎn)豐富，區(qū)內(nèi)采煤、采青灰等行為活躍，已造成坡體松弛變形。2004年雨季，滑坡區(qū)域內(nèi)普降大雨，坡體變形突然加劇，誘發(fā)了滑坡災(zāi)害。戒臺寺座落于滑坡后部，為國家級文物保護(hù)單位，受滑坡變形影響而危在旦夕，保寺必須治理滑坡。

戒臺寺滑坡長達(dá)1 200m，寬450m，滑體方量達(dá)900多萬m3，坡體發(fā)育有四級平臺，滑坡外貌如圖1。

圖1 戒臺寺滑坡外貌圖

由于滑坡規(guī)模宏大，對其進(jìn)行了分期、分批治理。先進(jìn)行應(yīng)急搶險(xiǎn)工程，快速減緩滑坡變形。隨后實(shí)施保寺工程，采用支擋、錨固、注漿、治水等綜合治理技術(shù)對寺院級滑坡進(jìn)行整治，旨在保護(hù)千年古寺。整治工程中的35根錨索抗滑樁為主體工程，最長樁長為60.3m。采用了673孔錨索，共計(jì)34 125m，形式主要是錨索墩及錨索地梁。整治工程完成后，寺院內(nèi)變形逐漸停止，未有新的裂縫產(chǎn)生。治理工程見圖2。

圖2 多錨點(diǎn)抗滑樁工程斷面圖

1 現(xiàn)場原位測試概況

為了評價(jià)滑坡整治工程效果及研究各類抗滑結(jié)構(gòu)物的錨索預(yù)應(yīng)力損失特征，對各類結(jié)構(gòu)物上的錨索預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了現(xiàn)場原位測試。

1.1 測試的基本原理

應(yīng)用三弦式荷載傳感器來測試錨索應(yīng)力，見圖3、4。

三弦式荷載傳感器內(nèi)部有3根繃緊的鋼弦，鋼弦的長度對應(yīng)一定的振動頻率。當(dāng)鋼筋計(jì)受力時(shí)，鋼弦的長度發(fā)生變化，進(jìn)而引起振動頻率相應(yīng)變化。傳感器在不同的受力狀態(tài)時(shí)，對應(yīng)的鋼弦長度和震蕩頻率則不同。測量儀器通過向鋼弦發(fā)送脈沖使鋼弦產(chǎn)生震蕩，根據(jù)反饋回來的鋼弦震蕩頻率，由計(jì)算公式可算出傳感器的受力值。

F＝a f +b

標(biāo)定系數(shù)，每變化單位頻率平方值對應(yīng)的拉力值，kN/HZ2；標(biāo)定系數(shù)，kN；鋼弦的振動頻率，HZ標(biāo)定系數(shù)a、b由廠家給出，測試中只需要從儀器中讀出鋼弦頻率，便可算出鋼筋計(jì)的受力。

1.2 測試元件的布設(shè)與安裝

主要測試情況如下：在應(yīng)急搶險(xiǎn)工程的4個工程區(qū)域、畫家院子西北角、寺外擋墻加固工程等6個不同地點(diǎn)中各選1孔錨索安裝荷載傳感器，進(jìn)行錨索應(yīng)力測試，編號：MC-1～MC-6，此外，對12#、24#抗滑樁的樁內(nèi)、樁頭共8孔錨索受力狀況監(jiān)測，每個樁各布置4個傳感器（12#樁編號：MC2-1～MC2-4，24#樁編號：MC1-1～MC1-4）。監(jiān)測點(diǎn)布置情況見圖5。

圖3 三弦式荷載傳感器

圖4 錨索應(yīng)力監(jiān)測

圖5 錨索預(yù)應(yīng)力現(xiàn)場測試點(diǎn)平面布置圖

2 測試結(jié)果分析

2.1 錨索應(yīng)力測試

錨索墩（梁）上的錨索應(yīng)力監(jiān)測頻率為1次/月，當(dāng)變形量突然加大時(shí)加密為2次/月，有突發(fā)事件（下雨、暴雨、地震等）時(shí)加密至1次/周。最早于2005年7月6日開始觀測，至2007年5月7日止，6個孔共觀測了260孔次。為便于分析，根據(jù)測試數(shù)據(jù)作出錨索應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線圖，如圖6。

抗滑樁錨索應(yīng)力測試與鋼筋計(jì)一起監(jiān)測，監(jiān)測頻率1次/15天。12#樁、24#樁的錨索應(yīng)力傳感器于2006年4月安裝至2007年底，測試了100、110余孔次。作出它們的錨索應(yīng)力時(shí)序曲線圖（圖7～10）。

圖6 錨墩（梁）錨索應(yīng)力時(shí)序曲線

圖7 12#樁樁內(nèi)錨索應(yīng)力時(shí)序曲線圖

圖8 12#樁樁內(nèi)錨索應(yīng)力時(shí)序曲線

2.2 錨索應(yīng)力變化規(guī)5F8B

從測試結(jié)果看，錨索墩的預(yù)應(yīng)力隨著時(shí)間的推移而減小，呈“臺階式”變化，可分為三個大臺坎階段，即快速降低階段、緩慢降低階段和相對穩(wěn)定階段?？够瑯兜腻^索預(yù)應(yīng)力變化不同于錨索墩（梁），只有快速損失及相對穩(wěn)定階段，無緩慢損失階段（圖11）。

錨索墩（梁）預(yù)應(yīng)力損失的三個階段經(jīng)歷的時(shí)間長短不一，損失值也不相同。快速降低階段一般為張拉期間或張拉完成10天內(nèi)完成，預(yù)應(yīng)力損失約10％；緩慢降低階段為張拉鎖定后近8個月，損失值約3%；穩(wěn)定階段一般在8個月以后，損失值最大，達(dá)11%。錨索應(yīng)力的總損失值為23%。

抗滑樁的錨索應(yīng)力，在急速降低階段損失7.7%，在相對穩(wěn)定階段損失1.6%，總損失值9.3%，遠(yuǎn)小于錨索墩（梁）的23%。其應(yīng)力損失主要產(chǎn)生在快速損失階段，之后便趨于穩(wěn)定。

從錨索預(yù)應(yīng)力損失情況看，錨索墩與錨索地梁又各不相同。錨索墩的錨索應(yīng)力總損失約鎖定值的25%，而錨索梁的應(yīng)力總損失約17%，比錨墩的小。錨索樁的應(yīng)力損失又比錨索梁的要小。從避免應(yīng)力損失上看錨墩、錨梁、錨索樁三者間的優(yōu)越性為：錨索抗滑樁＞錨索地梁＞錨索墩。

本次測試還發(fā)現(xiàn)錨索預(yù)應(yīng)力隨季節(jié)變化，逢雨季、春融季節(jié)，各孔錨索拉力均普遍有微小的增大，過后又減小，錨索拉力存在微小“波浪”變化規(guī)律（圖12）。

2.3 預(yù)應(yīng)力損失原因

錨索預(yù)應(yīng)力損失主要由鋼絞線松弛、張拉系統(tǒng)損失、夾片回彈及地層徐變等4項(xiàng)主要原因造成的。對于不同結(jié)構(gòu)物，各種因素造成的應(yīng)力損失大小不一樣。在不同的階段，起主要作用的因素又不一樣。

對于錨索墩（梁），在錨索應(yīng)力變化的三個階段中，即快速損失、緩慢損失、相對穩(wěn)定階段，各個階段造成應(yīng)力損失的因素不同。在第一個階段，鋼絞線松弛、張拉系統(tǒng)誤差、錨具夾片回彈是造成應(yīng)力損失的主要原因，此階段的損失時(shí)間較快，在張拉鎖定的初期幾天內(nèi)完成，損失值為9％。之后，地層受錨索拉力作用變形，而錨索應(yīng)力主要受地層徐變的影響而慢慢變小，地層在錨索拉力下的壓密變形是漫長的，這是錨索應(yīng)力損失的第二個階段，損失值約3％。本次測試的緩慢損失階段時(shí)間偏長，達(dá)8個多月（240天），直至整治工程完全竣工后才完成。此階段中，錨索墩錨索張拉鎖定后的近一年內(nèi)，抗滑樁施工尚未完成，樁坑開挖的爆破震動，對錨索的應(yīng)力也造成一定的損失，這也是緩慢損失階段過長的原因之一。當(dāng)抗滑樁工程完成后，錨索分擔(dān)的滑坡推力減少，錨索產(chǎn)生較大量的松弛損失，加上地層徐變的影響，致使此階段的應(yīng)力損失值最大（11%），之后拉力值基本穩(wěn)定在一個較小范圍內(nèi)。錨索墩（梁）錨索應(yīng)力損失見下圖所示。

圖9 12#樁樁頭錨索應(yīng)力時(shí)序曲線

圖10 24#樁內(nèi)錨索應(yīng)力時(shí)序曲線

圖11 錨索預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律

圖12 錨索預(yù)應(yīng)力隨季節(jié)變化

對于抗滑樁上的錨索，如圖14所示，預(yù)應(yīng)力損失只有快速降低、相對穩(wěn)定兩個階段。在前一階段，主要是受鋼絞線松弛、張拉系統(tǒng)誤差、錨具夾片回彈等的影響，應(yīng)力損失值為7.7%，占總應(yīng)力損失值的83%。相對穩(wěn)定階段應(yīng)力損失的主要影響因素有地層徐變，但對比錨索墩（梁），地層徐變的影響相對要小得多（1.6%）。此外，樁與錨索間的應(yīng)力調(diào)整也可能造成鋼絞線松弛，從而損失部分預(yù)應(yīng)力。

2.4 降低預(yù)應(yīng)力損失的措施

分析產(chǎn)生錨索預(yù)應(yīng)力損失的原因，對癥下藥。結(jié)合本次測試，提出解決錨索預(yù)應(yīng)力損失的一些辦法：

1）選擇優(yōu)質(zhì)的錨索材料及先進(jìn)張拉系統(tǒng)及方法。以減少鋼絞線、錨具、張拉等環(huán)節(jié)造成的應(yīng)力損失。

2）實(shí)施超張拉，將損失值預(yù)先張拉，以彌補(bǔ)張拉后的損失。

3）合理安排施工工序，使支擋、錨固結(jié)構(gòu)物能夠協(xié)調(diào)共同抵抗滑坡推力。

4）在錨索施工場地，盡量避免爆破振動，必須使用時(shí)，要盡量遠(yuǎn)離錨索，爆破施工完成后，要對附近松弛的錨索進(jìn)行補(bǔ)張拉。

5）對于重要工程使用的預(yù)應(yīng)力錨索，最好能在錨索上安裝測試設(shè)備，定期監(jiān)測錨索受力，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失過大，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)張拉。

6）要將錨索墩（梁）嵌入地面以下，座于堅(jiān)硬地基土上，減少地層徐變，特別是避免降雨造成的應(yīng)力松弛。

7）研制應(yīng)力可調(diào)式錨索，封錨后根據(jù)錨索應(yīng)力變化情況進(jìn)行補(bǔ)張拉，是解決預(yù)應(yīng)力損失的較好方法。

圖13 錨索墩（梁）錨索預(yù)應(yīng)力損失示意圖

圖14 抗滑樁錨索預(yù)應(yīng)力損失示意圖

3 結(jié)論

通過對本次滑坡支擋錨固結(jié)構(gòu)物的現(xiàn)場原位測試，經(jīng)研究分析，得出以下結(jié)論：

1）錨索預(yù)應(yīng)力損失隨時(shí)間有一個變化過程，在張拉階段及張拉完成不長時(shí)間內(nèi)損失較大，隨后進(jìn)入緩慢損失階段，然后進(jìn)入相對穩(wěn)定階段。比較不同結(jié)構(gòu)物的預(yù)應(yīng)力損失，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物與地層接觸面越大，預(yù)應(yīng)力損失越小，即：抗滑樁比錨索框架梁好，錨索框架梁比錨索地梁好，錨索地梁比錨索墩好。此外，地層越松軟，預(yù)應(yīng)力損失越大，地層越硬，預(yù)應(yīng)力損失越小?？梢妼τ绣^索的邊坡應(yīng)做好截排水工作，邊坡一旦遇水浸泡，預(yù)應(yīng)力損失較大。

2）錨索預(yù)應(yīng)力損失還與施工過程中的擾動有關(guān)，如開挖放炮或機(jī)械震動等均可造成預(yù)應(yīng)力損失，建議在施工過程中，對錨索進(jìn)行初步張拉后，先別切斷鋼絞線，持荷一段時(shí)間，讓地層充分壓密，待施工完成以后，統(tǒng)一張拉鎖定。

3）在錨索抗滑樁中，錨索的預(yù)應(yīng)力值并非一成不變，隨著季節(jié)變化呈一定的波動規(guī)律，雨季大，旱季小。這表明錨索抗滑樁不同于其它預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)（錨梁或錨墩），具有較強(qiáng)的應(yīng)力調(diào)節(jié)功能，此與滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)有關(guān)，說明在對樁上錨索進(jìn)行張拉鎖定時(shí)，初始應(yīng)力不宜過高，應(yīng)預(yù)留一定的安全儲備。

[1] 徐邦棟，滑坡分析與防治[M]．北京：中國鐵道出版社，2002．

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Anchor Cable Prestress Loss Test of Different Types of Retaining Structure

PENG Tao DENG An

(Chengdu Surveying Research Institute Co., Ltd, MCC Chengdu 610000)

The Jietai Temple landslide in Beijing is 1200 m long and 450m wide with the volume of slide mass of 9 000 000m3. The control engineering cost is high, 34 125 m-long anchor cable was used. In anchor cable piers (beams), 6 holes were arranged for anchor cable pre-force monitoring, in order to test the change in the anchor cable pre-force. The sensing devices were embedded into12#, 24# anti-slide piles 12 and 24 in order to monitor the stress of the anchor cables. The anti-slide engineering can be evaluated according the testing results.

Jietai temple landslide; retaining structure; anchor cable; prestress loss test in situ; anti-slide pile; sensing devices

2017-05-12

彭濤（1981-），男，四川簡陽人，高級工程師，研究方向?yàn)閹r土工程

P641.4；P618.31

A

1006-0995（2017）04-0651-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.04.028