高速公路邊坡預(yù)應(yīng)力錨索試驗(yàn)孔試驗(yàn)探究

周邦俤

(福建省隧道工程有限公司,福建 福州 350011)

0 前 言

對(duì)高速公路邊坡實(shí)現(xiàn)合理、有效的防護(hù)是高速公路施工過程中十分重要的環(huán)節(jié),對(duì)于高速公路運(yùn)行過程的安全性和穩(wěn)定性具有十分重要的意義。當(dāng)前我國(guó)比較常見的防護(hù)高速公路邊坡方法是預(yù)應(yīng)力錨索。為有效保證防護(hù)的質(zhì)量,提高高速公路的整體建設(shè)質(zhì)量,本文結(jié)合實(shí)際施工案例對(duì)高速公路邊坡預(yù)應(yīng)力錨索試驗(yàn)孔試驗(yàn)進(jìn)行探究。

1 工程概況

對(duì)于濱萊高速公路中位于淄博西到萊蕪路段的Ⅱ標(biāo)工程MK109+859.561～MK110+110段左邊坡來說,其中所涉及的小樁號(hào)和大樁號(hào)分別接C匝道邊坡以及主線3號(hào)橋,最大高度可達(dá)50.1 m,邊坡的類型屬于類土質(zhì)邊坡,邊坡表層主要是厚度范圍在1～7 m的坡積黏土,其中有局部位置存在孤石；邊坡表層的下部則是厚度范圍在4～7 m的殘疾性黏土；再向下則是厚度范圍在0～5 m的全風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖,在其下部伏有砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖,該類型巖石的存在不利于結(jié)構(gòu)面的進(jìn)一步發(fā)育。也就是說,對(duì)于該路段邊坡來說,其不僅具有高陡的特點(diǎn),而且地下水位比較高,對(duì)于結(jié)構(gòu)面的發(fā)育有不良影響,穩(wěn)定性能比較差,因此，必須采取合理措施對(duì)其進(jìn)行加固。

對(duì)該段邊坡的設(shè)計(jì)最高達(dá)到6級(jí),各個(gè)級(jí)別邊坡設(shè)計(jì)坡率以及相應(yīng)的防護(hù)加固措施分別為：第1級(jí)為1∶0.5～1∶0.75擋墻以及A型半擋墻；而第2級(jí)和第3級(jí)同為1∶0.75,防護(hù)加固措施為預(yù)應(yīng)力錨索框架；MK109+958～MK110+030路段第3級(jí)平臺(tái)的上面設(shè)置間距大小為8 m的抗滑樁,樁身的實(shí)際尺寸大小為2 m×2.5 m,長(zhǎng)度為30 m；對(duì)于第4級(jí)來說,其邊坡設(shè)計(jì)坡率為1∶1.0,防護(hù)加固措施是預(yù)應(yīng)力錨索框架；第5級(jí)的邊坡設(shè)計(jì)坡率是1∶1.0,防護(hù)加固措施是預(yù)應(yīng)力錨索框架；第6級(jí)的邊坡設(shè)計(jì)坡率為1∶1.25,通過拱形骨架植草的方式進(jìn)行邊坡防護(hù)加固。除此之外,在該坡段的第5級(jí)還設(shè)置了三個(gè)試驗(yàn)孔,分別為SY1、SY2以及SY3,相關(guān)參數(shù)設(shè)置為SY1、SY2以及SY3的錨索長(zhǎng)分別為22、20和24 m；而錨固段則分別為6、4.5以及7.5 m。

2 預(yù)應(yīng)力錨索試驗(yàn)孔基本試驗(yàn)的目的

在實(shí)際進(jìn)行錨索施工之前通常需要按照相關(guān)設(shè)計(jì)中的實(shí)際要求對(duì)錨索進(jìn)行基本試驗(yàn),主要依據(jù)：①錨固底層；②錨固噸位,這一工作也被稱為是抗拉拔破壞試驗(yàn)。

進(jìn)行這一基本試驗(yàn)的主要目的：①準(zhǔn)確了解該邊坡地層中錨索的相關(guān)參數(shù),包括極限承載力以及安全系數(shù)；②全面掌握該地層條件下會(huì)對(duì)錨索錨固力產(chǎn)生的所有影響因素以及對(duì)應(yīng)的影響程度；③對(duì)錨索工程的相關(guān)施工工藝進(jìn)行檢驗(yàn)；④對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行校核,從而為高邊坡錨固工程的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)工作提供可靠的參數(shù),有效保證錨固安裝工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性以及合理性。

3 預(yù)應(yīng)力錨索試驗(yàn)孔的方案

首先,在進(jìn)行試驗(yàn)開孔之前,在相關(guān)設(shè)備到位之后,包括空壓機(jī)以及潛孔鉆等,相關(guān)工作人員嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鉆孔平臺(tái)的搭設(shè),并通過測(cè)角儀也就是地質(zhì)羅盤實(shí)現(xiàn)對(duì)孔位傾角的定位,從而保證孔位的實(shí)際角度符合設(shè)計(jì)相關(guān)要求。

其次,本試驗(yàn)過程中所用到的張拉設(shè)備為油壓千斤頂(YDC1100),并且嚴(yán)格按照液壓千斤頂相關(guān)檢定規(guī)程,交由山東省計(jì)量科學(xué)技術(shù)研究所對(duì)其進(jìn)行檢定工作。并且在實(shí)際進(jìn)行張拉之前應(yīng)該按照檢定曲線計(jì)算獲得與張拉加荷荷載相對(duì)應(yīng)的油壓表讀數(shù)。對(duì)于錨索位移量的測(cè)量主要是通過游標(biāo)卡尺進(jìn)行,錨索墊墩位移的測(cè)量采用百分表形式進(jìn)行。

此外,還應(yīng)該確定試驗(yàn)錨索所具有的最大試驗(yàn)荷載,以及錨索不同長(zhǎng)度錨固段的下述參數(shù)：①補(bǔ)償荷載；②預(yù)張拉荷載；③初始荷載。該試驗(yàn)過程中對(duì)于分散型錨索各單元來說,其差異伸長(zhǎng)量以及差異荷載的相關(guān)計(jì)算公式如下：

差異伸長(zhǎng)量：

σ=P/A；ΔL1=(σ/E)×L1

ΔL2=(σ/E)×L2；ΔL1-L2=ΔL1-ΔL2

差異荷載：

ΔP1=(E×A×ΔL1-2/L1)×2；

錨索體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為A·Fptk；初始荷載：0.1AFptk+ΔP1。

式中，L1,L2分別為第一單元以及第二單元錨索的長(zhǎng)度,并且L1>L2；ΔL1,ΔL2分別為給定最終張拉(也就是設(shè)計(jì)鎖定)荷載作用下各單元錨索的伸長(zhǎng)量；ΔL12為給定最終張拉(也就是投計(jì)鎖定)荷載作用下各單元錨索在的差異伸長(zhǎng)量；ΔP1為分步差異張拉荷載的增量；σ為給定的最終張拉(也就是設(shè)計(jì)鎖定)荷載作用下鋼絞線所具有的束應(yīng)力；E為鋼絞線的彈性模量；A為錨索的截面積；P為給定最終張拉(也就是設(shè)計(jì)鎖定)荷載作用下每一根鋼絞線束的荷載；FPTK為無粘結(jié)鋼絞線所具有的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

最終的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 補(bǔ)償張拉值的計(jì)算結(jié)果表

再次,以試驗(yàn)張拉設(shè)備為依據(jù)進(jìn)行檢定的校準(zhǔn)方程為：y=0.0483X-0.33,實(shí)現(xiàn)對(duì)工程中循環(huán)加卸荷等級(jí)以及相應(yīng)位移觀測(cè)間隔時(shí)間表的有效制定,并獲得本工程中荷載與油表讀數(shù)兩者之間的關(guān)系表,確定張拉的具體順序。值得注意的是每次測(cè)定錨頭位移的次數(shù)應(yīng)該在3次以上,并且只有錨頭移量在0.1 mm以內(nèi)的時(shí)候才能夠施加下一級(jí)荷載,否則需要延長(zhǎng)觀察的時(shí)間,直到測(cè)量結(jié)果滿足條件才能夠施加下一級(jí)荷載。

最后,在實(shí)際試驗(yàn)的過程中如果出現(xiàn)了下述任一種現(xiàn)象,那么就可以認(rèn)為錨固體遭到了破壞：①后一級(jí)荷載所產(chǎn)生的錨頭位移增加量是上一級(jí)荷載所產(chǎn)生位移量的兩倍或者是兩倍以上；②錨頭的位移量呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的狀態(tài)；③鋼絞線遭到破壞。

4 預(yù)應(yīng)力錨索試驗(yàn)孔的試驗(yàn)過程

4.1 對(duì)試驗(yàn)錨孔進(jìn)行放樣以及定位

根據(jù)工程設(shè)計(jì)相關(guān)文件以及規(guī)范要求,本試驗(yàn)中所涉及的三個(gè)試驗(yàn)孔放置位置為SY1、SY2以及SY3的樁號(hào)分別是K109+978、K109+998以及K110+010,都是左5級(jí)。以設(shè)計(jì)要求為依據(jù),對(duì)三個(gè)試驗(yàn)孔進(jìn)行定位,三個(gè)孔的孔軸線傾角相同,都是20°。

4.2 鉆造試驗(yàn)錨孔

在已經(jīng)定位好的錨孔孔位處進(jìn)行鉆造,SY1、SY2以及SY3這三個(gè)錨孔鉆造的深度分別為22、20以及24 mm；孔軸線的傾角都是20°；孔徑大小都是130 mm。以相關(guān)設(shè)計(jì)文件為依據(jù)使用與工程孔相同的施工工藝,在已定的位置處依次進(jìn)行下述操作：首先搭高平臺(tái)；接下來鉆機(jī)就位；然后接通動(dòng)力；最后采用無水干鉆,并注意對(duì)地質(zhì)資料的詳細(xì)記錄。在完成鉆孔操作之后為保證孔底部沒有殘?jiān)鼞?yīng)該進(jìn)行反復(fù)3～5次的回鉆操作。

4.3 制作并安裝錨索

以相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求為依據(jù),本試驗(yàn)中每一根錨索是由三個(gè)不同單元的無粘結(jié)鋼絞線(1 860 MPa)所組成的,并且每一個(gè)單元包括兩根等長(zhǎng)度的鋼絞線,通過鋼質(zhì)承載體、擠壓套以及限位片等物件對(duì)其進(jìn)行固定,支撐結(jié)構(gòu)為注漿管穿過數(shù)個(gè)架線環(huán)形成,在自由段以及錨固段之間設(shè)置一個(gè)止?jié){段,并且還應(yīng)該在自由段位置處設(shè)立深入錨固段5 cm的排氣管。預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)圖

4.4 錨孔的注漿環(huán)節(jié)

在對(duì)錨孔注漿的時(shí)候,壓力大小為2 MPa,孔口不溢漿,排氣管的主要變化過程中首先是冒出均勻的氣泡,接下來會(huì)因?yàn)闈{體的流出而出現(xiàn)壓力的上升,最后就可以停止注漿操作。

4.5 錨墩的澆筑環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)首先需要進(jìn)行的工作是刻槽,并對(duì)坡面進(jìn)行修整,保證其與錨索相垂直,接下來就是綁扎鋼筋并將螺紋筋、玻紋管以及錨墊板進(jìn)行合理的放置,最后的工序是進(jìn)行混凝土的澆筑以及振搗密實(shí)操作,保證不存在漏漿現(xiàn)象。

4.6 做好試驗(yàn)張拉的前期準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行試驗(yàn)張拉之前,應(yīng)該嚴(yán)格檢查千斤頂以及油泵的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),并將液壓系統(tǒng)連接好,在此基礎(chǔ)上啟動(dòng)油泵,實(shí)現(xiàn)千斤頂和油泵的試運(yùn)轉(zhuǎn)。安裝相關(guān)機(jī)具的順序如下：首先安裝錨環(huán)；然后是限位板、千斤頂以及工具錨和夾片；最后是對(duì)液壓系統(tǒng)的連接。值得注意的是下述三個(gè)部位的軸線應(yīng)該在同一直線上：①千斤頂軸線；②錨孔軸線；③錨索軸線。

4.7 錨索的試驗(yàn)張拉環(huán)節(jié)

在經(jīng)過驗(yàn)證表明水泥漿以及混凝土試塊都達(dá)到相關(guān)張拉要求的條件下,就可以進(jìn)行錨索的張拉環(huán)節(jié),根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)要求,SY1、SY2以及SY3這三個(gè)試驗(yàn)孔張拉值計(jì)算過程所涉及的方程式如下：首先,預(yù)張拉：將兩個(gè)不同單元的錨索同時(shí)張拉至15%×A×Fptk大小使錨索拉直再松開；其次,差異荷載補(bǔ)償張拉包括錨索體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值A(chǔ)·Fptk、試驗(yàn)最大荷載：0.8A Fptk、P=0.8A Fptk/4、σ=P/A、ΔL1=σ/E×L1、ΔL2=σ/E×L2,其中第一單元差異荷載的計(jì)算為△P1=[(EA△L1-2)/L1]×2；接下來,以SY1為例,張拉的順序?yàn)橄葟埨谝粏卧痢鱌1= 57.08(2.43 MPa),然后再加上第二單元張拉至初始荷載=0.1AFptk+ΔP1,隨后是接著張拉第一循環(huán)至30%×AFptk,并穩(wěn)壓10分鐘左右進(jìn)行卸載至初始荷載,再按第二循環(huán)通過一次張拉至30%AFptk、50%AFptk,在壓力表的讀數(shù)達(dá)到19.5 MPa的時(shí)候,壓力停止上升,此時(shí)油缸開始繼續(xù)伸長(zhǎng)不收斂直到降壓到30%AFPTK以及初始荷載,在卸載達(dá)到0的時(shí)候發(fā)現(xiàn)錨索有破壞現(xiàn)象,至此張拉過程結(jié)束。

5 預(yù)應(yīng)力錨索試驗(yàn)孔基本試驗(yàn)的結(jié)果

SY1、SY2以及SY3分別在孔張拉達(dá)到0.394A Fptk、0.298A×Fptk以及0.529A Fptk的時(shí)候錨頭發(fā)生位移的急劇增加現(xiàn)象,并且位移不收斂、油表的讀數(shù)也不發(fā)生增加,三孔分別穩(wěn)定在19.5、14.2以及34.89 MPa時(shí)發(fā)現(xiàn)錨索出現(xiàn)破壞而卸載至0。本試驗(yàn)中錨索的破壞形式體現(xiàn)在位移不收斂。

本試驗(yàn)中,對(duì)于孔錨固體安全系數(shù)的計(jì)算如下所示：首先對(duì)于錨固體與巖土兩者之間所具有粘結(jié)強(qiáng)度值Γ的計(jì)算公式為：

最后工程孔錨固體的安全系數(shù)大小為：

式中,L0和Nt分別為工程孔錨固段的長(zhǎng)度以及錨索(桿)的設(shè)計(jì)荷載。本文基本試驗(yàn)的結(jié)果計(jì)算統(tǒng)計(jì)表如表2所示。錨索的破壞荷載明顯大于設(shè)計(jì)荷載,三孔的安全系數(shù)均符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求,可以按照原定計(jì)劃進(jìn)行實(shí)際施工。

表2 基本試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)束語(yǔ)

為有效保障高速公路工程施工的整體質(zhì)量,就需要結(jié)合實(shí)際情況采用合理的高速公路邊坡預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù),本文通過對(duì)高速公路邊坡預(yù)應(yīng)力錨索試驗(yàn)孔試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)探究,希望能夠?yàn)楹罄m(xù)相關(guān)研究的順利開展提供一定的參考和依據(jù)。

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