土質(zhì)挖方邊坡錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)及定量損失分析

黃凌君, 樂(lè)旭東, 方妙輝，沈永炎

(1.三明學(xué)院建筑工程學(xué)院，福建三明365004； 2.三明學(xué)院后勤處基建科，福建三明365004)

預(yù)應(yīng)力錨索在邊坡工程中運(yùn)用廣泛，但錨索材料隨時(shí)間和使用條件變化引起的性能劣化都會(huì)引起錨索預(yù)應(yīng)力損失甚至失效，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致滑坡等邊坡災(zāi)害，所以應(yīng)該對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律展開(kāi)研究。由于受地質(zhì)條件、荷載條件、施工條件等因素影響，很難單純從理論上預(yù)測(cè)工程中可能遇到的問(wèn)題[1]，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)邊坡錨索預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行分析具有直觀、可靠的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)[2—6]基于不同類型邊坡錨索預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)測(cè)值比較分析，對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律和影響因素展開(kāi)探討，取得了一定的成果，國(guó)外文獻(xiàn)[7]也對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失展開(kāi)相關(guān)分析。但是目前還較少涉及土質(zhì)挖方邊坡錨索預(yù)應(yīng)力的定量分析。

本文基于三明學(xué)院新建工科實(shí)訓(xùn)大樓邊坡錨索預(yù)應(yīng)力變化的監(jiān)測(cè)和分析，對(duì)土質(zhì)挖方邊坡及沖孔樁支擋結(jié)構(gòu)物錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的方法進(jìn)行描述，通過(guò)引用文獻(xiàn)理論公式計(jì)算錨索鎖定過(guò)程和鎖定后預(yù)應(yīng)力損失，并和實(shí)測(cè)值比較分析，研究各階段錨索預(yù)應(yīng)力損失影響因素，在工程上具有一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

三明學(xué)院新建工科實(shí)訓(xùn)大樓地處三明學(xué)院內(nèi)，場(chǎng)地南面靠山。邊坡高度為3.000～14.500 m，為挖方邊坡。邊坡設(shè)計(jì)支護(hù)方式有沖孔灌注樁、格構(gòu)式預(yù)應(yīng)力錨索、重力式擋土墻、掛網(wǎng)噴射混凝土等，地下水主要為上層滯水，鉆孔量測(cè)的穩(wěn)定水位埋深為0～12.20 m。為保證邊坡安全，需要分析其變形趨勢(shì)，必要時(shí)做出預(yù)警預(yù)報(bào)。三明學(xué)院建筑工程學(xué)院對(duì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。場(chǎng)地工程地質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地地質(zhì)工程情況

2 錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案

各錨孔均有4束鋼絞線。錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用MSJ-201系列振弦式圓環(huán)形錨索測(cè)力計(jì)，安裝在錨具和錨墊板之間。載荷作用測(cè)力計(jì)上，將引起彈性圓筒變形并傳遞給振弦，改變振弦的張力和振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)傳輸至振弦式讀數(shù)儀上，即可讀出頻率值，進(jìn)而計(jì)算出作用于測(cè)力計(jì)相應(yīng)的載荷值[8]59。所監(jiān)測(cè)坡體結(jié)構(gòu)及支護(hù)剖面圖如圖1所示。

依據(jù)監(jiān)測(cè)方案，錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)不小于錨索總數(shù)的5%，且錨索總數(shù)不應(yīng)少于3根，本次監(jiān)測(cè)共布置6個(gè)錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為M1—M6。其中M1設(shè)置在沖孔灌注樁處，M2、M4設(shè)置在第一排錨索(坡底)，M5、M6、M3分別設(shè)置在第二、三、四排錨索。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3 錨索預(yù)應(yīng)力損失的定量計(jì)算

錨索預(yù)應(yīng)力損失主要分為瞬時(shí)損失和時(shí)程損失兩部分[2]1686。預(yù)應(yīng)力錨索張拉完成后，在千斤頂回油瞬間，鋼絞線不可避免地向坡內(nèi)回縮，最終使鋼絞線、錨具、夾片之間相互卡牢而達(dá)到鎖定目的，這時(shí)產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失稱為瞬時(shí)損失。時(shí)程損失則是由于錨索鎖定后周邊巖體蠕變，鋼絞線松弛，混凝土及灌漿材料等收縮徐變，后續(xù)錨索張拉引起群錨效應(yīng)，降雨、地下水、溫度和其他施工因素產(chǎn)生[9]85。以下引用相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失做定量計(jì)算。

3.1 瞬時(shí)損失的定量計(jì)算

1)錨頭及其夾具產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)[10]，錨頭及其夾具產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失

NS=A(∑ΔL)×Ey/L

(1)

式中：ΔL為錨具、夾片的變形回縮量；L為自由段有效長(zhǎng)度；Ey為鋼絞線的彈性模量；A為鋼絞線的截面積。

2)張拉系統(tǒng)引起的預(yù)應(yīng)力損失

這部分預(yù)應(yīng)力損失由張拉系統(tǒng)中千斤頂、油泵的摩擦阻力產(chǎn)生，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般為拉張荷載的2%～4%[2]1687。

3.2 時(shí)程損失中巖體蠕變效應(yīng)的定量計(jì)算

巖體蠕變是錨索預(yù)應(yīng)力損失的主要來(lái)源，它是由于巖體本身不連續(xù)性和各向異性的存在，受荷區(qū)的巖體應(yīng)力單元在錨索預(yù)應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性壓縮和相對(duì)變位，并隨時(shí)間變化。蠕變主要發(fā)生在預(yù)應(yīng)力集中區(qū)，引起的預(yù)應(yīng)力損失與巖體軟硬有關(guān)[11]。巖石越堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)面引起的蠕變?cè)叫?，預(yù)應(yīng)力損失也越小。而松散巖石尤其是土體變形較大，預(yù)應(yīng)力損失大，并且蠕變時(shí)間較長(zhǎng)。

蠕變耦合條件下，錨索預(yù)應(yīng)力變化公式[12]43為

σ=C1e-C2t+C3(1-e-C2t)

(2)

式中：

E′S=ESASAr；

ξ′為錨索初始應(yīng)變量；Eh為馬克恩韋蠕變彈性模量；E′S為錨索等效彈性模量；η為黏滯系數(shù)；ES為錨索體實(shí)際彈性模量；AS為錨索體面積；Ar為巖體面積；El為開(kāi)爾文蠕變彈性模量；t為時(shí)間。

3.3 孔斜率對(duì)瞬時(shí)和時(shí)程損失的定量影響

孔斜率越大，錨索預(yù)應(yīng)力損失也越大，包含瞬時(shí)和時(shí)程損失。通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)得到損失值ΔP與張拉荷載P、孔斜率n的關(guān)系[12]16為

ΔP=P(0.21e1.406n+0.634e0.0006P)

(3)

4 錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)6個(gè)錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要包含錨索張拉、鎖定過(guò)程中以及鎖定后預(yù)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。鎖定過(guò)程需要監(jiān)測(cè)人員全程跟蹤，以獲得可靠的張拉荷載和鎖定荷載數(shù)據(jù)；鎖定后，初期(10 d內(nèi))每2 d監(jiān)測(cè)1次，之后每7 d監(jiān)測(cè)1次，當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)變化較大時(shí)加密監(jiān)測(cè)，至穩(wěn)定后，隔半年至1年監(jiān)測(cè)1次，監(jiān)測(cè)時(shí)間至大樓竣工后不少于2年。

表2為錨索錨固過(guò)程中某瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力鎖定損失的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖3為鎖定后錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。鎖定后預(yù)應(yīng)力時(shí)程損失見(jiàn)表3。

表2 錨索預(yù)應(yīng)力的鎖定損失

圖3 鎖定后預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

錨索編號(hào)初應(yīng)力/kN錨索應(yīng)力/kN20 d75 d損失比/%20 d75 dM1265.46240.47241.609.49.0M2214.80197.00198.608.37.5M4231.50207.58209.1010.39.7M5271.92232.76245.3614.49.8M6270.70231.20226.8014.616.2M3304.36257.45256.9015.415.6

5 錨索預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律分析

5.1 鎖定時(shí)的預(yù)應(yīng)力損失

表2可以看出，錨索的實(shí)際平均鎖定損失率在20%左右。根據(jù)4.1部分所述，結(jié)合實(shí)際錨索參數(shù)，每根錨索直徑為15.2 mm，ΔL取6 mm(廠家提供)，Ey取1.95×105MPa，自由段有效長(zhǎng)度L為5 m，計(jì)算得錨頭及其夾具產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失NS為16.8 kN，損失率約為6%，而張拉系統(tǒng)引起的預(yù)應(yīng)力損失率按3%計(jì)算，故鎖定損失率理論值為9%。另外，還有施工時(shí)孔斜率偏大造成的預(yù)應(yīng)力損失，根據(jù)公式(3)，當(dāng)孔斜率為3%、張拉荷載為300 kN時(shí)錨索預(yù)應(yīng)力損失可達(dá)10%。由于實(shí)際鎖定荷載大多數(shù)比設(shè)計(jì)鎖定荷載略低，建議施工中還應(yīng)適當(dāng)增加張拉力，必要時(shí)在預(yù)應(yīng)力損失較大情況下進(jìn)行二次張拉。

5.2 快速損失階段

由圖3可知，在預(yù)應(yīng)力錨索鎖定后20 d內(nèi)，錨索預(yù)應(yīng)力快速損失。根據(jù)統(tǒng)計(jì)表3，可知同期錨索預(yù)應(yīng)力損失比為8.3%～15.4%。結(jié)合圖1發(fā)現(xiàn)，大體上覆蓋層越厚(靠坡底)錨索預(yù)應(yīng)力衰減幅度越小。這是因?yàn)槠马斖临|(zhì)疏松、土體蠕變大導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力衰減幅度大，而靠近坡底土體壓縮模量更大，使蠕變預(yù)應(yīng)力損失比減少。根據(jù)公式(2)結(jié)合實(shí)際情況計(jì)算，大體擬定巖體蠕變相關(guān)參數(shù)取值如表4。

表4 相關(guān)參數(shù)取值

計(jì)算得C1=97，C2=0.018，C3=592。以錨索預(yù)應(yīng)力取250 kN為例，算出600 h預(yù)應(yīng)力損失值，變化曲線如圖4所示。由圖可知，蠕變?cè)斐傻念A(yù)應(yīng)力損失先快后慢，在600 h(25 d)可以達(dá)到23 kN(損失率9.2%)，此時(shí)蠕變影響已趨于穩(wěn)定。結(jié)合表3數(shù)據(jù)可見(jiàn)，本階段影響錨索預(yù)應(yīng)力快速損失的因素主要是土體蠕變。另外，鋼絞線自身松弛、灌漿材料和混凝土收縮徐變以及地下水和降雨因素也起到一定作用。

M4監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力損失較M2監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力損失更大，主要是M2處地下水較多，導(dǎo)致邊坡巖體重度增加，抗剪強(qiáng)度下降，邊坡向外位移，錨索預(yù)應(yīng)力損失稍小[9]86。對(duì)于背景中土質(zhì)挖方邊坡，地下水對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力的影響較巖質(zhì)邊坡更明顯。

5.3 隨機(jī)擺動(dòng)衰減期

圖3預(yù)應(yīng)力錨索鎖定20 d至75 d內(nèi)，錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線出現(xiàn)不規(guī)律的頻繁擺動(dòng)。這一階段土體蠕變?cè)斐傻念A(yù)應(yīng)力損失影響較小，而錨索內(nèi)部預(yù)應(yīng)力調(diào)整回縮、施工作業(yè)(臨近部位錨索張拉等)、鋼絞線自身松弛、混凝土收縮徐變等因素相互作用使錨索頻繁發(fā)生松弛和張緊的調(diào)整過(guò)程，最終反映在錨索預(yù)應(yīng)力損失比的隨機(jī)擺動(dòng)上。坡頂錨索預(yù)應(yīng)力損失較坡底錨索更大原因是坡頂錨索巖土體蠕變完成的時(shí)間更長(zhǎng)。

圖4 預(yù)應(yīng)力損失變化曲線

5.4 相對(duì)穩(wěn)定階段

在錨索鎖定75 d以后，預(yù)應(yīng)力進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段。而圖3錨索預(yù)應(yīng)力曲線大體呈現(xiàn)緩慢穩(wěn)定上升階段，這和傳統(tǒng)錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果不同，主要是3個(gè)原因造成的。一是六七月份三明地區(qū)降雨較多，雨水滲入邊坡，產(chǎn)生和地下水一樣的影響效果，使錨索預(yù)應(yīng)力有所增加，雨季過(guò)后隨著裂隙水散失，錨固力將回到雨季前水平[13]；二是受邊坡后方100 m左右范圍新建體育館工程坡體開(kāi)挖施工的影響，產(chǎn)生附加力，使錨索預(yù)應(yīng)力小幅度上升[8]61；三是六七月份邊坡土體溫度升高，土體顆粒體積膨脹，使錨索預(yù)應(yīng)力增大[9]86。

6 結(jié)論

1)錨索預(yù)應(yīng)力損失包含鎖定過(guò)程和鎖定后的損失。根據(jù)錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線，鎖定后階段可以分為快速損失階段、隨機(jī)擺動(dòng)衰減期、相對(duì)穩(wěn)定階段。

2)本文邊坡錨索預(yù)應(yīng)力鎖定平均損失率為20%，孔斜率偏大是主要原因。

3)本文邊坡錨索鎖定后在快速損失階段應(yīng)力損失比為8%～15%，覆蓋層越厚錨索預(yù)應(yīng)力衰減幅度越小，該階段主要是土體蠕變?cè)斐傻腻^索應(yīng)力損失；相對(duì)穩(wěn)定階段受降雨和邊坡后面施工場(chǎng)地開(kāi)挖等影響，錨索預(yù)應(yīng)力曲線大體呈現(xiàn)緩慢穩(wěn)定上升階段。