溫度應(yīng)力下邊坡細石混凝土噴層開裂問題實測研究

王沐星，陳志堅

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

噴錨支護在邊坡加固及地下工程基坑支護中的應(yīng)用十分廣泛[1-3]，混凝土噴層開裂是十分普遍的、目前仍難以克服的難題，是影響噴錨支護工程耐久性的重要因素之一。很多學者針對這一問題做了許多研究，研究表明影響混凝土開裂的最主要因素是各種變形，這些變形可能是混凝土水化熱產(chǎn)生的收縮變形[4-9]、環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的熱脹冷縮[10-11]，也可能是荷載增大產(chǎn)生的變形。朱伯芳院士在20世紀90年代提出了非均質(zhì)彈性徐變體兩個基本定理及有限元徐變應(yīng)力隱式解法，開辟了混凝土溫度應(yīng)力和溫度控制的研究領(lǐng)域[12-14]。劉建友[15]對雅襲江錦屏一級水電站地下廠房的下游拱腰處混凝土噴層裂縫展開詳細的調(diào)查，分析廠房下游拱腰處圍巖變形破壞及混凝土噴層開裂剝落的原因并進行數(shù)值分析。發(fā)現(xiàn)裂縫形成原因是高地應(yīng)力和偏壓作用。李宇杰[16]以北京地鐵某區(qū)間隧道為研究背景，在襯砌結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)裂縫病害的情況下，使用混凝土彈塑損傷本構(gòu)模型，通過模擬計算

研究隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力、損傷和承載力狀態(tài)，給出了襯砌結(jié)構(gòu)主要承受周圍土層對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓應(yīng)力，格柵鋼筋主要承受拉應(yīng)力的結(jié)論。目前對于噴射混凝土裂縫成因的研究集中于隧道以及地下洞室這兩種工況下，對于邊坡噴錨支護混凝土噴層開裂問題，目前仍少見公開研究報導(dǎo)。因此，本文依托連云港中云臺山路塹巖質(zhì)高邊坡噴錨支護工程開展溫度應(yīng)力下邊坡細石混凝土噴層開裂問題實測研究。

1 工程概況

中云臺山路塹邊坡坡面走向52.5°～232.5°，高速公路從一埡口處橫穿中云臺山山脈，路面標高15～17 m，路左側(cè)山頂標高289.2 m、右側(cè)山頂標高287.7 m，兩側(cè)路塹邊坡總高度約270 m。其中，左邊坡2010年6月開挖完成，人工坡高(即開挖深度)約200 m、總體坡度為42.4°，布置20級臺階，主體臺階坡度為55°、臺面寬度為3 m(有3級臺階的寬度為10 m)。巖體發(fā)育的結(jié)構(gòu)面主要有4組(圖1)，由于邊坡高陡，且存在結(jié)構(gòu)面不利組合，為防止掉塊產(chǎn)生的落石危害高速公路安全運營，坡面采取了噴錨支護，其中，錨桿為隨機錨桿，長度為6 m和8 m，設(shè)計抗拔力為60 kN和70 kN，坡面鋼筋網(wǎng)采用φ8 mm的圓鋼，間距為20 cm×20 cm，混凝土噴層設(shè)計厚度10 cm，但由于巖石堅硬、完整性較好以及控制爆破問題，坡面超欠挖問題突出，混凝土噴層厚度差異較大。此外，坡面混凝土噴層順坡向設(shè)置了間距約20 m的施工縫。邊坡總體形態(tài)及傳感器組成見圖2。

圖1 結(jié)構(gòu)面傾向玫瑰花圖Fig.1 Structural plane inclining to rose diagram

2 監(jiān)測儀器及工作原理

本文根據(jù)連云港中云臺山開挖深度約200 m的路塹巖質(zhì)高邊坡約10年的鋼筋網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展細石混凝土噴層開裂問題的分析。其中，坡面鋼筋網(wǎng)應(yīng)變計采用美國基康公司生產(chǎn)的GK4000型表面應(yīng)變計(圖3)，該傳感器長150 mm，量程為3 000 με，靈敏度為0.4 με，精度為±0.5% F.S.，非線性<0.5%F.S.，工作溫度-20 ℃～80 ℃，可同時觀測坡面鋼筋網(wǎng)的應(yīng)變和溫度，并根據(jù)鋼筋的彈性模量，換算坡面鋼筋網(wǎng)的應(yīng)力。埋設(shè)方法采用錨固塊直接焊接在鋼筋上。

根據(jù)鋼筋應(yīng)變計的實測模數(shù)，按式(1)計算坡面鋼筋的微應(yīng)變：

圖2 邊坡形態(tài)及傳感器布置圖Fig.2 Slope shape and sensor layout

ε=(R1-R0)×0.391

(1)

式中，R0和R1分別為安裝后的鋼筋應(yīng)變計的初始模數(shù)和實測模數(shù)(digit，即10-3×Hz2)。

根據(jù)上述計算得到的鋼筋的微應(yīng)變，按式(2)計算坡面鋼筋網(wǎng)的軸力(kN，以拉為正)：

P=ε×E×S

(2)

式中，S為鋼筋截面積，鋼筋直徑為8 mm；E為錨筋模量，取210 GPa。

圖3 鋼筋應(yīng)變計示意圖Fig.3 Schematic diagram of reinforcement strain gauge

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)場實測Fig.4 Monitoring data field measurement

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測傳感器安裝埋設(shè)隨邊坡開挖及其噴錨支護施工同步進行，時間為2009年9月7日—2011年8月12日，各傳感器安裝埋設(shè)完成后，即開始數(shù)據(jù)自動采集。左邊坡開挖和噴錨支護完成時間為2010年6月，高速公路于2011年6月23日通車，監(jiān)測工作持續(xù)進行，本文以2018年10月9日—2019年10月9日的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

在134平臺的坡面上布置坡面鋼筋網(wǎng)軸力監(jiān)測點2個；104平臺的坡面上布置坡面鋼筋網(wǎng)軸力監(jiān)測點1個；84平臺的坡面上布置坡面鋼筋網(wǎng)軸力監(jiān)測點3個；64平臺的坡面上布置坡面鋼筋網(wǎng)軸力監(jiān)測點3個，選取具有代表性的一個監(jiān)測點進行分析；54平臺的坡面上布置坡面鋼筋網(wǎng)軸力監(jiān)測點1個；44平臺的坡面上安裝埋設(shè)坡面鋼筋網(wǎng)軸力監(jiān)測點2個。監(jiān)測結(jié)果見表1，圖5和圖6。

由圖5、圖6可知，坡面鋼筋網(wǎng)軸力的變化主要受氣溫變化、降雨入滲產(chǎn)生的地溫變化影響。通常情況下，坡面鋼筋網(wǎng)軸力也與溫度呈現(xiàn)負相關(guān)。與錨桿軸力監(jiān)測點不同的是，坡面鋼筋網(wǎng)軸力監(jiān)測點位于坡面細石混凝土噴層內(nèi)，受日照輻射影響強烈，監(jiān)測點位置的溫度不僅呈季節(jié)性變化，日變幅也較大。相應(yīng)的，坡面鋼筋網(wǎng)軸力也呈現(xiàn)季節(jié)性變化和日變化，而且一個降雨過程也會產(chǎn)生顯著變化。由于坡面細石混凝土噴層能夠起到約束邊坡巖體變形的作用，而溫度變化也會引起邊坡巖體的脹縮變形。故對于巖體變形大的區(qū)域(如路塹邊坡南側(cè)84～124 m高程平臺之間的欠穩(wěn)定三角體)，坡面鋼筋網(wǎng)軸力則與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)，如圖6所示。

此外，坡面鋼筋網(wǎng)軸力在較大程度上受2018年10月—2019年6月斷續(xù)性降水和2019年6月上旬—8月下旬的豐水期降水入滲誘發(fā)的路塹邊坡整體應(yīng)力松弛調(diào)整的影響。受這些因素的綜合影響，本年度坡面鋼筋網(wǎng)軸力均有不同幅度的變化，且呈現(xiàn)拉壓變換現(xiàn)象，變化量在-8.0 kN～+8.0 kN以內(nèi)。目前所有測點的防護網(wǎng)拉力均呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)。

表1 各測點監(jiān)測期內(nèi)鋼筋網(wǎng)軸力變化Tab.1 Changes of axial force of steel mesh at each monitoring point during the monitoring period

圖5 各平臺坡面鋼筋網(wǎng)軸力變化時程曲線Fig.5 Time-history curve of axial force variation of steel mesh on slope surface of each platform

圖6 84平臺坡面鋼筋網(wǎng)軸力與溫度變化時程曲線Fig.6 Time-history curves of axial force and temperature change of steel mesh on 84 platform slope

僅從數(shù)值大小看(表1)，坡面鋼筋網(wǎng)軸力在8 kN以內(nèi)變化。但較之錨桿軸力，坡面鋼筋網(wǎng)鋼筋的截面積更小，φ6 mm鋼筋實測1 kN軸力對應(yīng)的拉應(yīng)力為35 MPa、φ8 mm鋼筋實測1 kN軸力對應(yīng)拉應(yīng)力為20 MPa 。由此可見，坡面鋼筋網(wǎng)拉應(yīng)力普遍較大。坡面鋼筋網(wǎng)鋼筋受力較大的原因為：坡面細石混凝土噴層具有約束邊坡巖體變形、防止局部失穩(wěn)的作用，現(xiàn)場調(diào)查表明，與坡面近平行的NE向裂隙的產(chǎn)狀為32°/NW、SE∠74°～90°，該組裂隙控制了邊坡結(jié)構(gòu)類型，使左邊坡呈現(xiàn)縱向坡結(jié)構(gòu)，由于該組裂隙近直立，傾向在NW向和SE向之間變化，當裂隙傾向NW時，左邊坡結(jié)構(gòu)類型為陡傾順向坡；當裂隙傾向SE時，左邊坡結(jié)構(gòu)類型為陡傾反向坡，傾倒變形問題突出。故在邊坡的不同部位，其變形存在較大的、質(zhì)的差異，有些部位的邊坡巖體向坡內(nèi)位移，而相鄰的另一些部位則表現(xiàn)為向坡外臨空方向的位移。顯然，這些部位的坡面鋼筋網(wǎng)“繃得很緊”，故鋼筋受拉問題突出。對于邊坡巖體向坡內(nèi)產(chǎn)生水平位移的部位其周邊邊坡巖體向坡外臨空方向位移，坡面細石混凝土噴層存在被揭起的作用，這是坡面細石混凝土出現(xiàn)鼓起破壞的主要原因之一。根據(jù)應(yīng)變協(xié)調(diào)原則，φ8 mm鋼筋軸力超過1.2 kN時，細石混凝土的拉應(yīng)力即達35 MPa，超過其抗拉強度，這是坡面細石混凝土出現(xiàn)老化開裂的重要原因之一。

4 結(jié)論

1)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，與坡面近平行的NE向裂隙近直立，傾向在NW向和SE向之間變化，從而導(dǎo)致在邊坡的不同部位、不同高程，其變形存在較大的、質(zhì)的差異，有些部位的邊坡巖體向坡內(nèi)位移，而相鄰的另一些部位則表現(xiàn)為向坡外臨空方向的位移，導(dǎo)致附近混凝土噴層開裂問題嚴重。

2)實測結(jié)果表明坡面鋼筋網(wǎng)軸力在8 kN以內(nèi)。根據(jù)應(yīng)變協(xié)調(diào)原則，φ8 mm鋼筋軸力超過1.2 kN時，細石混凝土的拉應(yīng)力即達35 MPa，超過其抗拉強度，細石混凝土存在順坡向拉裂問題(水平向因順坡向伸縮縫而減緩)。

3)對于邊坡巖體水平位移方向突變的部位，細石混凝土噴層存在順坡向受壓和鼓起問題(水平向因順坡向伸縮縫而減緩)，這是坡面細石混凝土出現(xiàn)鼓起破壞的主要原因之一。通過分析混凝土噴層開裂影響下會導(dǎo)致降雨入滲增加，邊坡南部地下水位的起伏變化將有可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，故應(yīng)繼續(xù)加強對混凝土噴層裂縫的監(jiān)測。