預(yù)應(yīng)力錨索加固高陡邊坡的變形特征分析

宋建慶

（山西省靈丘縣唐河水電站有限公司 山西太原030002)

1 工程概述

唐河水電站位于山西省大同市靈丘縣東河南鎮(zhèn)韓淤地村，設(shè)計(jì)總庫(kù)容950萬(wàn)m3，屬小型水利工程。該工程的建設(shè)使位于庫(kù)區(qū)南岸的省道必須改道，改道后的公路位于唐河右岸山坡下部，公路標(biāo)高由原來(lái)的1053m抬高至1077m。由于邊坡上部鋪設(shè)有京—陜天然氣管道，致使邊坡坡度必須控制在1:0.5～1:0.3之間，從而在公路南側(cè)形成了一高度達(dá)110m的陡坡，加之邊坡巖體極差的地質(zhì)條件致使該邊坡成為一個(gè)潛在的滑坡體。

2 監(jiān)測(cè)設(shè)施布置方案

經(jīng)各種方案比選，采用預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)該邊坡進(jìn)行加固。該方案共設(shè)計(jì)397根長(zhǎng)度12～50m的錨索，預(yù)張拉應(yīng)力設(shè)計(jì)為500kN。為嚴(yán)密監(jiān)控邊坡位移，預(yù)測(cè)產(chǎn)生滑坡的可能性，還布置了三類(lèi)監(jiān)測(cè)設(shè)施，分別是錨索測(cè)力計(jì)、深部位移觀測(cè)的測(cè)斜孔和地表位移觀測(cè)的標(biāo)點(diǎn)。

錨索測(cè)力計(jì)安裝在錨索鎖固端的鎖片下部，用于測(cè)量錨索的張力，自錨索張拉之前安裝，所以可以觀測(cè)錨索整個(gè)生命周期的張力變化情況。測(cè)斜孔是布置在邊坡坡面上的垂直鉆孔，其深度均穿過(guò)了邊坡的可能滑動(dòng)體，即鉆孔底部位于穩(wěn)定的巖體內(nèi)。地表位移觀測(cè)是布置在邊坡表面的一些固定觀測(cè)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在遠(yuǎn)離邊坡的相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域，用于觀測(cè)邊坡表面在三維方向上的位移。

圖1和圖2說(shuō)明了錨索與測(cè)斜孔之間的空間位置關(guān)系。其中地梁的截面為0.5m×0.5m，材料為現(xiàn)澆鋼筋混凝土，錨索的列間距和排間距均為3m。

圖1 錨索、測(cè)斜孔在邊坡上的平面位置圖

圖2 錨索加固的邊坡剖面示意圖

3 錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)量變化特征

為觀測(cè)錨索拉力隨時(shí)間變化關(guān)系，在錨索錨固端安裝一臺(tái)錨索測(cè)力計(jì)，將觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制成錨索拉力過(guò)程線(xiàn)。圖3和圖4為兩個(gè)錨索測(cè)力計(jì)拉力過(guò)程線(xiàn)的示例。

圖3 MS05號(hào)錨索拉力過(guò)程線(xiàn)

圖4 MS08號(hào)錨索拉力過(guò)程線(xiàn)

從過(guò)程線(xiàn)可以看出錨索拉力有如下變化特征：

（1）錨索拉力隨時(shí)間推移均會(huì)產(chǎn)生衰減；

（2）根據(jù)錨索拉力衰減速率，可將其衰減過(guò)程劃分為兩個(gè)階段，通常在張拉初期的7～10d為初始階段，為速降階段，之后為緩降階段，最終趨于平穩(wěn)；

（3）通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目中錨索應(yīng)力衰減速率的統(tǒng)計(jì)可得，速降階段衰減速率為3.5～7.8kN/d，緩降階段衰減速率為0.2～0.8 kN/d，數(shù)據(jù)相差10倍左右。

錨索拉力之所以會(huì)產(chǎn)生衰減，是由于所加固的巖土體為彈塑性材料，該類(lèi)材料的特點(diǎn)是，當(dāng)對(duì)其施加一定壓力后可使之產(chǎn)生壓縮變形，但當(dāng)應(yīng)力釋放時(shí)所產(chǎn)生的變形不能夠完全恢復(fù)。每組預(yù)應(yīng)力錨索張拉后可產(chǎn)生高達(dá)750kN的拉力，通過(guò)鋼筋混凝土地梁的反作用將這種力施加到邊坡巖土體之上。假設(shè)錨索的間距為3m，那么施加在單位長(zhǎng)度地梁上的壓力就是250kN/m，而通過(guò)地梁直接施加在邊坡上的壓強(qiáng)為500kPa。

4 邊坡深層巖體的變形特征

測(cè)斜孔用于觀測(cè)邊坡的深層位移，它是基于孔底位于穩(wěn)定巖體的假設(shè)基礎(chǔ)上的。將觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制成位移——深度曲線(xiàn)，就可以得到測(cè)斜孔在某一時(shí)刻垂直向的位移情況，如果將多次的位移——深度曲線(xiàn)放置在同一坐標(biāo)系統(tǒng)中，還可以比較出測(cè)斜孔所在邊坡的深部位移隨時(shí)間的發(fā)展情況。如圖5所示，為CX02號(hào)測(cè)斜孔自8月9日至9月18日期間的歷次曲線(xiàn)。結(jié)合安裝于該測(cè)斜孔周邊的MS08號(hào)錨索測(cè)力計(jì)的過(guò)程線(xiàn)進(jìn)行分析，在測(cè)斜孔周邊的錨索張拉（8月14日）之前，測(cè)斜孔產(chǎn)生了小幅度的順坡（N）向位移，例如8月13日時(shí)，孔深1m處產(chǎn)生了向北約1.3mm的位移，而錨索張拉之后，邊坡巖體即產(chǎn)生了向坡內(nèi)（S）的位移，至9月18日時(shí)，孔深1m處產(chǎn)生了向南4.5mm的位移，且錨索拉力對(duì)巖體的影響深度約為8m，8m以下的巖體基本保持穩(wěn)定。

圖5 CX2號(hào)測(cè)斜孔位移—深度曲線(xiàn)

本項(xiàng)目中多個(gè)測(cè)斜孔的觀測(cè)數(shù)據(jù)都表現(xiàn)為相似的規(guī)律，這一現(xiàn)象說(shuō)明，在錨索加固邊坡時(shí)，錨索拉力會(huì)使邊坡巖土體產(chǎn)生壓縮變形，從而使邊坡淺部巖土體產(chǎn)生向坡內(nèi)的位移。

5 邊坡巖體力學(xué)指標(biāo)的反演

錨索加固巖土體的變形特征是由巖土體本身的物理力學(xué)性質(zhì)決定的，所以反過(guò)來(lái)所可用觀測(cè)到的變形特征來(lái)反算巖土體的相關(guān)指標(biāo)。在此用以下兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行說(shuō)明。首先，巖土體之所以能被壓縮變形，是由于巖土體中存在著孔隙或裂隙，在此統(tǒng)稱(chēng)為空隙，空隙占巖土體總體積的比例稱(chēng)為空隙比(e)，它是用于描述巖土體松散程度的一項(xiàng)重要物理指標(biāo)。另一個(gè)指標(biāo)是用于描述巖土體在力的作用下產(chǎn)生變形的能力，叫做變形模量(E)，其定義為E=ΔP/Δε，即應(yīng)力增量與應(yīng)力方向上產(chǎn)生的應(yīng)變的比值，單位為MPa，變形模量是用于描述巖土體強(qiáng)度的一個(gè)重要的力學(xué)參數(shù)。錨索加固邊坡巖體的過(guò)程與原位大型試驗(yàn)的原理類(lèi)似，故可以通過(guò)所觀測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)反算巖土體變形模量，例如以MS08號(hào)錨索測(cè)力計(jì)的最終穩(wěn)定壓力(600kN)作為施加在該部位的作用力，以CX2號(hào)測(cè)斜孔孔口最大位移量作為巖土體的最終壓縮量(4.5mm)進(jìn)行計(jì)算，可得，即該部位巖體的變形模量。