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      自承載式預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

      2018-09-28 01:58:38王全成姜昭群羅宏保
      鉆探工程 2018年8期
      關(guān)鍵詞:鋼絞線拉力張拉

      王全成, 姜昭群, 羅宏保, 張 勇, 楊 棟

      (1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川 成都 611734; 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心,四川 成都 611734)

      1 自承載式預(yù)應(yīng)力錨索系統(tǒng)簡(jiǎn)介

      為滿足應(yīng)急搶險(xiǎn)工程快速錨固的要求,我們提出一種快速錨固技術(shù)體系,包含適合在中硬以下碎裂巖層且適合使用空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝的擴(kuò)孔鉆具和不依靠灌漿材料、在不注漿的情況下張拉就能具有一定承載能力(設(shè)計(jì)值的50%以上)的自承載式預(yù)應(yīng)力錨索。

      自承載式預(yù)應(yīng)力錨索系統(tǒng)是一種采用帶滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的拉壓結(jié)合分散型預(yù)應(yīng)力錨索,其作用機(jī)理為:使用多個(gè)承載體進(jìn)行壓力分散;鋼絞線區(qū)分自由段和錨固段;不注漿即可初張拉鎖定至錨索設(shè)計(jì)錨固力的50%及以上。進(jìn)行初張拉鎖定后進(jìn)行灌注砂漿,待砂漿達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行二次張拉鎖定至設(shè)計(jì)錨固力。由于承載體壓力分散且全長(zhǎng)粘結(jié)鋼絞線能提供一部分摩阻力,進(jìn)一步降低了巖土體及注漿材料的強(qiáng)度要求,使得注漿24 h內(nèi)進(jìn)行二次張拉成為可能。傳統(tǒng)錨索內(nèi)錨頭自由地?cái)R置在內(nèi)錨固段孔內(nèi),在無(wú)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行內(nèi)錨固段注漿,而自承載式預(yù)應(yīng)力錨索在有預(yù)應(yīng)力的狀態(tài)下注漿,更有利于對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索鋼絞線的保護(hù)。

      結(jié)合前期預(yù)制高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土格構(gòu)、預(yù)制鋼質(zhì)錨墩等研究成果,在鉆孔完成下入自承載式預(yù)應(yīng)力錨索后即可進(jìn)行張拉施工,及時(shí)施加錨固力,控制滑坡體變形。該技術(shù)特別適合應(yīng)急搶險(xiǎn)的快速錨固施工工程,減少了砂漿體灌注、錨墩澆筑及養(yǎng)護(hù)的等待時(shí)間,能在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)滑坡體進(jìn)行治理,減少國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。

      2 自承載式預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

      現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)位于江油市含增鎮(zhèn)金光洞村的我單位北川試驗(yàn)基地,此處有出露較好的基巖界面,試驗(yàn)點(diǎn)見(jiàn)圖1,試驗(yàn)工作量見(jiàn)表1。

      圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

      表1 自承載式預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作量

      試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)錨索錨固力、鋼絞線應(yīng)力分布進(jìn)行測(cè)試,鉆孔及自承載式預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)如圖2所示。

      圖2 鉆孔及自承載式預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)圖

      根據(jù)設(shè)計(jì)要求,按照規(guī)定的位置和間距布置和裝配承載體,每束錨索分散安裝2個(gè)承載體,承載體距離為3.0 m。承載體組裝如圖3所示。

      用鋼板作為孔口反力裝置,在不注漿的情況下對(duì)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行初始張拉,依靠承載體擴(kuò)張后與孔壁之間的摩擦力提供錨固力。

      初始張拉完成后,即進(jìn)行注漿,本次灌注純水泥漿。注漿完成后按照3 d和14 d的漿體齡期強(qiáng)度進(jìn)行二次張拉,并對(duì)部分錨索進(jìn)行破斷試驗(yàn)。

      圖3 承載體組裝

      對(duì)不注漿的錨索,采用24 t千斤頂按照承載體1和承載體2的順序進(jìn)行循環(huán)張拉直至承載體破壞。

      張拉施工情況見(jiàn)圖4、圖5。

      圖4 自承載式預(yù)應(yīng)力錨索初始張拉

      圖5 錨索整體張拉

      張拉過(guò)程中,利用測(cè)力傳感器采集錨索整體的錨固力,利用磁通量傳感器采集鋼絞線的應(yīng)力分布。數(shù)據(jù)采集見(jiàn)圖6。

      圖6 數(shù)據(jù)采集

      3 自承載式預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

      下面以600 kN級(jí)錨索為例,對(duì)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究分析。

      3.1 錨索張拉力統(tǒng)計(jì)

      錨索張拉力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

      600 kN級(jí)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索不注漿時(shí)設(shè)計(jì)單個(gè)承載體的承載力為150 kN,2個(gè)承載體承載力為300 kN(設(shè)計(jì)值的50%),初始張拉時(shí)除10號(hào)錨索承載體2、11號(hào)錨索承載體1、12號(hào)錨索承載體1內(nèi)錨頭破壞外,其余均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,注漿后二次張拉鎖定錨固力超過(guò)600 kN,滿足設(shè)計(jì)要求。

      表2 錨索張拉力統(tǒng)計(jì) kN

      對(duì)13、14、15號(hào)的600 kN級(jí)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行了不注漿的極限張拉試驗(yàn)。初始張拉鎖定值均超過(guò)300 kN,承載穩(wěn)定,近一個(gè)月的預(yù)應(yīng)力損失率分別為2.7%、4.0%、2.7%。在極限張拉試驗(yàn)時(shí),錨索整體承載力分別達(dá)到了438.8、623.3、419.0 kN,14號(hào)錨索不注漿張拉的整體承載力超過(guò)了600 kN,可見(jiàn),自承載式預(yù)應(yīng)力錨索不注漿即可張拉,滿足工程設(shè)計(jì)中一般4根鋼絞線錨索的承載力設(shè)計(jì)要求。13號(hào)錨索承載體1最大承載力為226 kN,承載體2最大承載力為480 kN。14號(hào)錨索承載體1最大承載力為470 kN,承載體2最大承載力為329 kN。15號(hào)錨索承載體1最大承載力為227 kN,承載體2最大承載力為233 kN,可見(jiàn)單個(gè)承載體(兩根鋼絞線)最小極限承載力達(dá)到了226 kN,達(dá)到鋼絞線(15.20 mm 1860 MPa)極限承載力(按260 kN)的43.5%,單個(gè)承載體(兩根鋼絞線)最大極限承載力達(dá)到了480 kN,達(dá)到鋼絞線極限承載力的92.3%,由此說(shuō)明,在巖層條件合適的情況下,自承載式預(yù)應(yīng)力錨索完全可以不注漿即可進(jìn)行張拉鎖定,滿足錨索的承載力要求。

      3.2 自承載式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布規(guī)律

      自承載式預(yù)應(yīng)力錨索是一種新型的錨索結(jié)構(gòu),下錨后不注漿即可進(jìn)行初始張拉,注漿前的初始張拉,在合適的地層情況下,能達(dá)到錨索設(shè)計(jì)錨固力的50%~100%,根據(jù)地層情況,注漿后短期內(nèi)(1~3 d)可進(jìn)行二次張拉或注漿后不進(jìn)行張拉,除了能滿足快速錨固的要求,同時(shí)降低了張拉過(guò)程對(duì)砂漿強(qiáng)度的要求,錨索的預(yù)應(yīng)力分布更均布合理。

      以1~3號(hào)錨索為例,對(duì)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析。初始張拉和二次張拉自承載式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布變化對(duì)比曲線見(jiàn)圖7。初始張拉自承載式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布見(jiàn)圖7系列2,1~3號(hào)錨索初始張拉值分別為325.74、334.3、453.1 kN。二次張拉自承載式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布見(jiàn)圖7系列1,1~3號(hào)錨索二次張拉值分別為802.4、865.0、865.0 kN。

      在圖7中,2號(hào)傳感器所測(cè)應(yīng)力為錨索自由段近孔口處的錨索應(yīng)力,3~7號(hào)傳感器所測(cè)應(yīng)力為錨索錨固段由近自由段至孔底端的錨索應(yīng)力,3~7號(hào)傳感器布置間距為1.5m。由于2號(hào)錨索磁通量傳感器測(cè)量通道被誤占用,零點(diǎn)數(shù)據(jù)不實(shí),二次張拉數(shù)據(jù)存在一定誤差。

      系列1-二次張拉應(yīng)力分布曲線;系列2-初始張拉應(yīng)力分布曲線

      由圖7可知,初始張拉后,自承載式預(yù)應(yīng)力錨索自由段和錨固段均勻受力,注漿后進(jìn)行二次張拉,二次張拉增加的錨索預(yù)應(yīng)力向錨固段傳遞距離在0.5~3 m,傳遞距離有限,但因?yàn)槌跏紡埨淖饔?,使得錨固段整體受力分布均勻,更能充分發(fā)揮錨索的承載力。

      同時(shí),由于初始張拉使巖體承載了部分錨固力,二次張拉降低了錨固對(duì)漿體強(qiáng)度的要求。純水泥漿體,4根鋼絞線的自承載式預(yù)應(yīng)力錨索3 d極限拉拔力為923 kN,破壞形式為鋼絞線斷絲,未出現(xiàn)鋼絞線明顯滑移或漿體破壞。

      3.3 自承載式錨索應(yīng)力分布與普通拉力集中型錨索對(duì)比

      自承載式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布與普通拉力集中型錨索應(yīng)力分布對(duì)比見(jiàn)圖8。

      系列1-自承載式錨索應(yīng)力分布曲線;系列2-普通錨索應(yīng)力分布曲線

      在錨索張拉力相同的情況下(4根鋼絞線的錨索約800 kN),普通拉力集中型預(yù)應(yīng)力錨索錨固段鋼絞線的應(yīng)力向孔底傳遞有限,約為1.53 m,其余靠孔底端的鋼絞線應(yīng)力基本不受錨索張拉力的影響,應(yīng)力接近,說(shuō)明該部分鋼絞線未受力,未發(fā)揮承載的作用。達(dá)到錨固力設(shè)計(jì)值50%的應(yīng)力分布段僅約1 m的范圍,應(yīng)力十分集中。

      而在錨索張拉力相同的情況下(4根鋼絞線的錨索約800kN),自承載式預(yù)應(yīng)力錨索因?yàn)槌跏紡埨淖饔?,使得錨固段整體受力分布均勻,更能充分發(fā)揮錨索的承載力。在錨固段全長(zhǎng)范圍內(nèi)均有應(yīng)力分布,應(yīng)力達(dá)到錨固力設(shè)計(jì)值的50%以上,應(yīng)力分布最大偏差不超過(guò)10%。

      經(jīng)對(duì)比可見(jiàn),自承載式預(yù)應(yīng)力錨索不僅有不注漿即可張拉發(fā)揮錨固用的特點(diǎn),自承載式預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的應(yīng)力分布均勻,能充分發(fā)揮錨段全長(zhǎng)的錨固作用。

      4 結(jié)論

      (1)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索具有安裝后不注漿即可張拉的特點(diǎn),初始張拉力可達(dá)設(shè)計(jì)錨固力的50%~100%。

      (2)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索錨固段的應(yīng)力分布均勻,能充分發(fā)揮錨固段全長(zhǎng)的錨固作用,優(yōu)于普通拉力集中型預(yù)應(yīng)力錨索。

      (3)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)可以滿足巖質(zhì)滑坡應(yīng)急快速錨固的要求。

      (4)希望通過(guò)以后的研究工作,對(duì)自承載式預(yù)應(yīng)力錨索在不同巖層中的適宜性進(jìn)行研究,形成自承載式預(yù)應(yīng)力錨索系列產(chǎn)品,能讓自承載式預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害治理工程中,達(dá)到快速錨固的目的。

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