張拉方式對預(yù)應(yīng)力錨索支護結(jié)構(gòu)特性影響的室內(nèi)模擬試驗

王琴琴 代文廳 陳開圣 陳斌

摘 要：預(yù)應(yīng)力錨索不同的張拉方式對邊坡支護結(jié)構(gòu)的影響不同。采用微機靜載錨固試驗機進行了預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡室內(nèi)模擬試驗，通過沿鋼絞線軸線方式張拉和與鋼絞線軸線成25°夾角方式張拉結(jié)果對比，分析了兩種張拉方式對支護結(jié)構(gòu)受力和變形的影響，為邊坡的穩(wěn)定性評價提供技術(shù)依據(jù)。結(jié)果表明：不同的張拉方式對鋼絞線抗拉強度的影響不同。沿鋼絞線軸線張拉，破壞荷載強度平均值為1 918.60 MPa，鋼絞線在組裝件中間斷裂;與鋼絞線軸線成25°夾角方式張拉，破壞荷載強度平均值為1 754.69 MPa，鋼絞線在兩端錨具附近斷裂。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力錨索;張拉方式;邊坡;支護結(jié)構(gòu);室內(nèi)模擬試驗

中圖分類號：TU757.1

文獻標(biāo)志碼：B

貴陽市地形復(fù)雜，以喀斯特地貌為主，道路的修建避免不了要開山放坡，這就使得貴州省高速公路兩側(cè)涌現(xiàn)出大量的路塹高邊坡[1]。因其能充分發(fā)揮和提高巖土體的強度，有效控制巖土體的變形，預(yù)應(yīng)力錨索已在基坑、邊坡、隧道、礦山等工程中廣泛應(yīng)用[2]。預(yù)應(yīng)力錨索是通過對錨索施加張拉力以加固巖土體使其達到穩(wěn)定狀態(tài)或改善內(nèi)部應(yīng)力狀況的支擋結(jié)構(gòu)。通過對錨索施加預(yù)應(yīng)力，能夠主動控制巖土體變形，調(diào)整巖土體應(yīng)力狀態(tài)，有利于巖土體的穩(wěn)定性[3]。楊仁樹等[4]為了在巷道圍巖控制中防止錨索發(fā)生剪切破斷，充分發(fā)揮錨索的優(yōu)越性能，在錨索拉伸試驗的基礎(chǔ)上，建立了一套錨索雙剪試驗系統(tǒng)，對錨索的剪切力學(xué)特性進行試驗研究。孫彥鵬等[5]針對預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測難題，研發(fā)了一種新型預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測結(jié)構(gòu)，并通過破壞性張拉試驗和多級荷載反復(fù)張拉試驗對該監(jiān)測結(jié)構(gòu)進行測試。劉晶晶等[6-7]通過對多節(jié)點加載預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁室內(nèi)模型試驗的研究，認為受邊坡坡角和錨索傾角的影響，格構(gòu)梁底面存在的摩擦力對格構(gòu)梁的變形和受力狀態(tài)有較大影響，并對實測結(jié)果與理論計算結(jié)果進行了對比分析。由此可見，預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡研究成果主要集中在承載特性方面，而預(yù)應(yīng)力錨索張拉方式對邊坡及支護結(jié)構(gòu)的安全性影響如何，相關(guān)文獻報道很少。

本文進行了沿鋼絞線軸線方式張拉和與鋼絞線軸線成25°夾角方式張拉的室內(nèi)模擬試驗，通過試驗結(jié)果的對比，分析現(xiàn)場實際施工工況條件對邊坡支護結(jié)構(gòu)受力與變形的影響，為邊坡穩(wěn)定性提供技術(shù)依據(jù)，同時也為其他類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某邊坡分段開挖，一次性開挖高度6 m，長度60 m，為永久性一級邊坡，采用預(yù)應(yīng)力錨索支護。施工圖紙中設(shè)置斜錨具張拉，使錨索在封錨后形成25°的夾角。施工單位在施工過程中對沒有安裝斜錨具的錨索（圖1）進行了張拉，不滿足設(shè)計文件要求，需進行室內(nèi)模擬試驗后方可評議該支護結(jié)構(gòu)的安全性。室內(nèi)模擬試驗為判斷該工程的安全性提供依據(jù)，并為類似工程提供技術(shù)借鑒。

2 模擬試驗方案

2.1 模擬試驗?zāi)康?/p>

假設(shè)錨固段和鋼筋混凝土為剛體，因施工單位不按設(shè)計圖設(shè)置斜錨具，對支護結(jié)構(gòu)受力和變形產(chǎn)生影響，需進行室內(nèi)模擬試驗，整理好試驗數(shù)據(jù)及初步分析，為有關(guān)部門對該支護結(jié)構(gòu)的安全性評價提供依據(jù)。

2.2 模擬試驗方法

2.2.1 沿鋼絞線軸線方式張拉

邊坡施工圖設(shè)計采用斜錨具方式張拉，如圖2和圖3所示。張拉方法為：正式張拉前，應(yīng)取0.1～0.2倍錨索軸向拉力值，對錨索預(yù)張拉1～2次，使其各部位接觸緊密和完全平整。采用整束張拉，每級張拉預(yù)應(yīng)力按設(shè)計值（500 kN）的1/4計算，每次張拉兩級，每兩級張拉時間間隔不少于15 min，兩次張拉時間間隔不少于3 d，整束鋼絞線的鎖定荷載為設(shè)計張拉值（500 kN）的1.1倍即550 kN。預(yù)應(yīng)力錨索鎖定48 h內(nèi)，若發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失大于設(shè)計值的10%，應(yīng)進行補張拉。模擬試驗采用沿鋼絞線軸線方式張拉，加載方式與設(shè)計一致。

2.2.2 與鋼絞線軸線成25°夾角方式張拉

邊坡施工中實際采用與樁身平行的錨具方式張拉，如圖4和圖5所示。張拉方法為：與鋼絞線軸線成25°夾角進行張拉。張拉方法與沿鋼絞線軸線方式張拉方法相同，加載方式與設(shè)計一致。

2.3 模擬試驗步驟

2.3.1 沿鋼絞線軸線方式張拉

原材料試驗結(jié)束并且合格的情況下，進行錨固組裝件室內(nèi)模擬試驗。沿鋼絞線軸線方式張拉試驗步驟如下：

組裝件安裝：將10束鋼絞線穿過10孔錨具，按圖2方式進行安裝，做3個組裝件靜載錨固性能試驗，張拉方式為整束張拉。斜托安裝在錨具和支承墊板之間，錨索測力計安裝在斜托與錨具之間。

張拉端加載：模擬設(shè)計加載工況，以錨索張拉鎖定值550 kN的20%→40%→100%→110%緩慢均勻進行張拉，每級持荷15 min，再返回至鎖定值550 kN，持荷48 h，記錄應(yīng)力損失（工況1）。

錨固端加載：模擬土壓力、孔隙水壓力增大等不利環(huán)境因素影響，以鎖定值550 kN為初始力，以鎖定值的1.2倍→1.3倍→1.5倍慢慢均勻進行加載，每級持荷15 min，至1.5倍鎖定值時持荷48 h，記錄應(yīng)力損失（工況2）;再以相同速率加載至鎖定值的1.6倍→1.8倍→2.0倍，每級持荷15 min，至2.0倍時持荷48 h，記錄應(yīng)力損失，同時記錄該級應(yīng)力下的變形值（工況3）。若此時組裝件破壞，試驗結(jié)束，并記錄破壞情況;若未破壞，繼續(xù)加載，直至組裝件破壞，記錄破壞情況[8]（工況4）。

各階段各級加載速率為100 MPa/min[7]。

2.3.2 與鋼絞線成25°夾角方式張拉

試驗步驟與沿鋼絞線軸線方式張拉相同，加載方式與設(shè)計一致。

3 試驗結(jié)果分析

錨固組裝件室內(nèi)模擬試驗數(shù)據(jù)見表1。沿鋼絞線軸線方式張拉試驗結(jié)果如圖6、圖7所示，與鋼絞線軸線成25°夾角方式張拉試驗結(jié)果如圖8、圖9所示。

4 結(jié)論

1）沿鋼絞線軸線方式張拉：張拉端鎖定550 kN持荷48 h，預(yù)應(yīng)力損失平均值為0.3%，應(yīng)變平均值為0.26%;錨固端鎖定825 kN持荷48 h，預(yù)應(yīng)力損失平均值為0.4%，應(yīng)變平均值為0.40%;錨固端鎖定1 100 kN持荷48 h，預(yù)應(yīng)力損失平均值為0.6%，應(yīng)變平均值為0.55%;組裝件鋼絞線斷裂位置位于組裝件中間，破壞荷載強度平均值為1 918.60 MPa。

2）與鋼絞線軸線成25°夾角方式張拉：張拉端鎖定550 kN持荷48 h，預(yù)應(yīng)力損失平均值為0.3%，應(yīng)變平均值為0.26%;錨固端鎖定825 kN持荷48 h，預(yù)應(yīng)力損失平均值為0.5%，應(yīng)變平均值為0.46%;錨固端鎖定1 100 kN持荷48 h，預(yù)應(yīng)力損失平均值為0.7%，應(yīng)變平均值為0.58%;組裝件鋼絞線斷裂位置位于兩端錨具附近，破壞荷載強度平均值為1 754.69 MPa。

3）與鋼絞線軸線成25°夾角方式張拉的破壞荷載強度平均值（1 754.69 MPa）比沿鋼絞線軸線方式張拉的破壞荷載強度平均值（1 918.60 MPa）小8.54%;比規(guī)范的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值（1 860 MPa）小5.66%。說明不同的張拉方式對鋼絞線的抗拉強度影響不同，與鋼絞線軸線成25°夾角方式張拉對鋼絞線的抗拉強度有所減小。

4）與鋼絞線軸線成25°夾角方式張拉的鋼絞線破壞荷載強度是設(shè)計控制應(yīng)力（393 MPa）的4.46倍，是設(shè)計超張拉應(yīng)力（432 MPa）的4.06倍，說明本工程鋼絞線的設(shè)計控制應(yīng)力遠小于非軸線張拉破壞荷載強度。

5）為確保工程安全，建議對邊坡和支護工程加強巡視，按有關(guān)規(guī)定對工程監(jiān)測監(jiān)控。

參考文獻：

[1]陳開圣， 王琴琴， 蔣浩. 某隧道出口段高邊坡監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 貴州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2020， 37（6）： 13-19.

[2] 劉永權(quán)， 劉新榮， 楊忠平， 等. 不同類型預(yù)應(yīng)力錨索錨固性能現(xiàn)場試驗對比研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2016， 35（2）： 275-283.

[3] 張昱. 預(yù)應(yīng)力錨索的分類及應(yīng)用[J]. 貴州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2006， 23（3）： 326-328.

[4] 楊仁樹， 李永亮， 王茂盛， 等. 預(yù)應(yīng)力錨索剪切力學(xué)特性試驗研究[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2018， 47（6）： 1166-1174.

[5] 孫彥鵬， 凌永玉， 林興超， 等. 新型預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)部監(jiān)測結(jié)構(gòu)試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報， 2020， 42（增刊2）： 226-230.

[6] 劉晶晶， 趙其華， 彭社琴， 等. 預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁作用下邊坡土中應(yīng)力分布的室內(nèi)模型試驗研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)， 2006， 33（4）： 9-12.

[7] 劉晶晶， 趙其華， 張文居， 等. 多節(jié)點加載預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁室內(nèi)模型試驗研究[J]. 水土保持研究， 2012， 19（2）： 264-270.

[8] 中國建筑科學(xué)研究院. 預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器： GB/T 14370—2015[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2015.

（責(zé)任編輯：周曉南）

Indoor Simulation Test on the Effect of Tensioning Method on the

Characteristics of Prestressed Anchor Cable Supporting Structure

WANG Qinqin1， DAI Wenting*2， CHEN Kaisheng3， CHEN Bin2

（1. Qiannan Traffic Test and Detection Co.， Ltd.， Douyun 558000， China; 2.Guizhou Gongda Civil Engineering Testing Co.， Ltd.， Guiyang 550018， China;3.College of Civil Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China）

Abstract：

The influence of different tension modes of prestressed anchor cable on the slope supporting structure is different. The indoor simulation test of prestressed anchor cable reinforcement slope is carried out by using the microcomputer static load anchorage test machine. By comparing the results of tension along the axis of steel strand and 25° angle with the axis of the steel strand， the influence of two kinds of tension modes on the stress and deformation of the supporting structure is analyzed， which provides technical basis for the stability evaluation of slope. The results show that different tension modes have different effects on the tensile strength of the steel strand. The average tensile failure load along the axis of the steel strand is 1 918.60 MPa， and the steel strand breaks in the middle of the assembly part; the average tensile failure load strength of 25° angle with the axis of the steel strand is 1 754.69 MPa， and the steel strand breaks near the anchorage at both ends.

Key words：

prestressed anchor cable; tension mode; slope; supporting structure; indoor simulation test

收稿日期：2020-11-23

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51368010，51668011）;貴州省科技支撐計劃資助項目（黔科合支撐[2020]4Y038）

作者簡介：王琴琴（1988—），女，工程師，研究方向：土木工程，E-mail：359396260@qq.com.

通訊作者：代文廳，E-mail：546814062@qq.com.