软岩高边坡预应力锚索框架梁支护结构的试验研究

王光勇,冉隆飞

(中铁十二局集团有限公司,山西太原 030024)

预应力锚索框架梁是一种主动受力结构,锚索与框架两大构件体系的互相配合协调,致使锚索框架与岩体之间存在着一种长期相互作用力,对高陡边坡起着稳定性作用,由于它可以边开挖边施工,可以锁定一部分岩土内的应力,保存了大部分岩土的原始受力状态及固有强度,从而在山区铁路、公路的高陡边坡及滑坡中得到越来越广泛的应用,取得了巨大的成功,应用理论研究也获得了很多的成果,但目前国内无论在试验方面还是在理论方面都对其研究尚不足。目前很多设计部门在设计预应力锚索地梁结构时,一般都是采用经验类比法来估算地梁内力,或者按一般建筑基础的方法来计算地梁内力[1-5],而没有较为严格地根据岩石高边坡工程中预应力锚索地梁的具体受力特点来设计地梁;同时,岩土自身的风化作用、锚索自身的受力、蠕动变形和应力松弛等都会改变锚索框架的受力状态,其不合理性及弊端是显而易见的。除此之外,预应力锚索框架梁的实际受力情况和受力大小也缺乏相应的监测资料。鉴于此,本文针对目前预应力锚固技术中存在的一些问题,结合高速铁路某工点软质岩高边坡预应力锚索框架梁支护锚固技术中存在的一些问题,结合高速铁路某工点软岩质高边坡预应力锚索框架梁支护性状与受力进行了现场试验研究,为今后同类地质条件下预应力锚索支护设计和边坡的稳定性分析提供参考。

1 边坡工程概况

试验工点边坡地处剥蚀丘陵地带,上部自然坡度为 28°～40°,下部自然坡度为 25°～37°,坡面第四系由坡、残积亚粘土覆盖层和震旦系粉砂岩、石英砂岩等下伏基岩组成。第四系坡积亚粘土,肉红色或褐红色,厚 0.60～4.50 m,第四系残积亚粘土,褐黄色或褐红色,厚 0～5.90 m。下伏基岩由表至里依次为全风化、强风化、弱风化震旦系粉砂岩、石英砂岩组成,厚1.80～22.0m。岩层层面产状为 95°,∠61°～70°岩层走向与线路走向基本垂直,3组剪性节理,1组压扭性结构面。其中 29°,∠20°～32°压扭性结构面,倾向临空,切割其它裂面,在露头位置发育0.5 m/条,成为该边坡开挖后的最大隐患。刷方后,边坡全长 380 m,坡高44.7 m,共分4级,边坡设计为台阶状,1～3级边坡高10 m,4级边坡最高达 14.7 m;1～2级边坡坡率 1∶0. 3～1∶1;3～4级为 1∶0.5～1∶0.75;平台宽度均为2m,如图 1所示。

图1 边坡概况及加固设计(单位:m)Fig.1 Generalsituation of slope and reinforcementdesign

第 3级 ～第 4级边坡采用预应力锚索框架加固,锚固角α=20°,锚孔孔径130mm,锚索长28～32m,固定段长 7～8 m;第 2级边坡采用预应力锚杆框架加固,锚固角α=20°,锚杆Φ32mm,长8～11.6 m;第 1级边坡采用预应力钢锚管框架加固,锚固角β=18°,钢管Φ50mm,长7～8m。一榀框架由 3根横梁和 4根纵梁构成,每根纵梁及横梁中均配有4根主筋,纵梁间距 3.5 m,横梁间距 4.0 m;纵梁与横梁交点处设有锚索(杆或管),共计12根锚索(杆或管)。锚索框架C30、锚杆框架C25,梁横截面高度为0.5m、宽度为0.4m。

图2 现场测试中土压盒及钢筋计布置图(单位:m)Fig.2 Locations ofthe earth-pressure cells and re-bar stressmeters in the site testing(unit:m)

2 测试方法

通过在框架梁与坡面的接触面埋设土压盒来进行梁底反力的测试,以监测框架梁所受反力的大小及其分布情况。土压盒量程为0.1 MPa,分别埋设在一榀框架的 4根纵梁和3根横梁下,紧贴梁埋设,受力面向下,受力面下用细砂找平,使压力盒与下部土体均匀接触,纵梁和横梁底共埋设土压盒72个。框架梁内力测试采用在梁中钢筋上绑扎钢筋计的方式进行。土压盒和钢筋计的埋设位置如图2所示。A、B、C、D 4根纵梁分别布置Φ16(上)和 Φ25(下)钢筋计上下各14个,共计28个,E、F、G 3根横梁分别布置Φ16(上)和Φ25(下)钢筋计上下各15个,共计30个,量程为200 MPa。纵梁C内埋设砼应变计上下各 7个,共计14个,量程为30 MPa。为了解锚索锁定后预应力的损失情况,用900 kN锚索测力计观测,每根锚索上埋设锚索测力计 1个,共 12个。

本次试验边坡(第 3级边坡)预应力锚索分 3级锁定,设计吨位为 78 t。第 1级于 2008年 6月14日张拉锁定,张拉力为设计值的 30%,即 23.4 t;25 d后第 2级张拉锁定,张拉力为设计值的70%,即 54.6 t;1 d后再施加第3级张拉锁定,张拉力为设计值的 110%,即 85.8 t。土压盒及钢筋计自次日开始读数,到 2008年 9月 25日,共读数12次。

3 测试结果分析

3.1 梁中钢筋应力的分布特征

由于篇幅所限,锚索张拉前后,对于梁中的钢筋应力和土压力分布特征,文中只选取了纵梁B和横梁G各1根进行分析,钢筋应力变化监测曲线如图 3～图 4所示。当框架梁没有施加锚索预应力时,框架梁里面的钢筋基本不受力。当施加锚索预应力后,梁开始受力,梁此时主要受两个力即锚索张拉力和梁下岩体的反压力。此时,框架梁在结构型式上可以看成一个倒扣在坡面上的连续梁。随着锚索的张拉力的增大,钢筋应力变大。锚索张拉完成后,钢筋应力随时间变化不大,框架梁的内力主要是由施加的锚索预应力引起的。

图3 B梁(纵梁)应力沿梁长的分布Fig.3 Distributions of the stress of B vertical beam along the beam length

由图3可见,整个坡面纵梁B的钢筋应力的变化范围为:-88.4～169.6 MPa(顶面)和-10.4～113.2 MPa(底面)。

由图4可见,整个坡面横梁G的钢筋应力的变化范围为:-42.0～28.0 MPa(顶面);-32.4～29.0MPa(底面)。

由上述可知,纵梁钢筋受力比横梁钢筋受力更大。

文献[6,7]指出,预应力锚索框架梁的受力分析应考虑张拉阶段和工作阶段。张拉阶段是指锚索张拉刚刚完成的阶段,当锚索张拉完成并锁定后,预应力锚索地梁便进入工作阶段。文献[6]分2个阶段分别计算出地梁的弯矩和剪力,张拉阶段正负弯矩交替出现,工作阶段只出现正弯矩。笔者依据文献[7]理论进行计算并与实测值比较发现,框架梁张拉阶段弯矩的分布型式与实测的钢筋应力分布型式相似;但在锚索锁定后的相当长的一段时间内,框架梁的受力并没有进入文献[6-7]所说的工作阶段。这就是说锚索框架梁的受力分析应分为张拉阶段和工作阶段,这点没有错,但工作阶段不是从锚索锁定后算起,而应该是从边坡有下滑的趋势算起比较合理。

图4 G梁(横梁)应力沿梁长的分布Fig.4 Distributions of the stress of G horizontal beam along the beam length

3.2 作用于框架梁上的土压力分布特征

锚索张拉前后,作用在纵梁 B和横梁 G上的土压力或梁底反力沿梁长的变化曲线如图 5所示。由图 5可知,当锚索还未张拉时,土压力盒的测试值为负值(表示土压力盒不受力)。随着锚索的张拉,土压力盒开始受力,作用在地梁上的压力主要是框架梁压岩体而产生的被动土压力,随着张拉荷载的增加,梁上的土压力不断增加。以纵梁B距梁顶 8m的测试值为例,当锚索张拉到设计荷载的30%时,土压力盒的测试值是30.1 kPa;当锚索张拉到设计荷载的 70%时,土压力盒的测试值是104.5 kPa;当锚索张拉到设计荷载的110%,土压力盒的测试值是196.9 kPa。作用在梁上的土压力大小分布不尽相同,这有可能是由于各根锚索的实际张拉力不尽相同和边坡表面土质的差异而引起,导致施加锚索预应力后,梁的各部分变形和受力不均匀。从梁上土压力的分布型式来看,土压力的分布比较相似,基本呈“波浪型”分布,并没有呈现文献[8]所示抛物线分布。土压力峰值基本出现在节点处(图上的峰值在距离节点 0.5m处,由于结点有锚索的存在,不能埋设土压力盒)。纵梁B梁最大土压力出现在距梁顶8m的位置,最大土压力为254.6 kPa;横梁G最大土压力出现在距左侧梁端11.0 m处,其值为250.7 kPa;作用在梁上的土压力随时间变化不大。

图5 梁底土压力沿梁长的分布Fig.5 Distributions of the beam bottom counterforces along the beam length

文献[7]指出,计算地梁土压力的方法,一般分为张拉阶段和工作阶段,张拉阶段的土压力一般按照弹性地基梁用无穷级数表示,工作阶段认为地基反力是已知的,一般按照库仑土压力公式计算。从实测资料来看,按照弹性地基梁假设计算的土压力与实际比较相符,实测到的土压力没有明显的工作阶段。从这里也可以看出,锚索张拉锁定后,框架梁并没有立即进入工作阶段。

3.3 混凝土应力分布特征

锚索张拉前后,对于混凝土应力分布特征,本文只选取了纵梁C进行分析,C梁混凝土应力变化如图6所示。

图6 C梁砼应力沿梁长的分布Fig.6 Distributions of the concrete stress of the C vertical beam bottom along the beam length

由图 6可以看出,锚索张拉力的大小对底部混凝土的受力有一定的影响,但对顶面混凝土的受力影响不明显。因此,在设计锚索框架梁时,对框架梁的混凝土的强度不作特殊要求(可用 C15混凝土),但要保证张拉面的混凝土不被压碎。

3.4 锚索预应力损失规律分析

整个框架梁结构纵梁(4根)与横梁(3根)交接处布置一根预应力锚索,因此共有 12根锚索,其相应的预应力随时间变化曲线如图 7所示。

由图 7可见,在锚索锁定后,锚固预应力变化一般经过3个阶段:

第 1个阶段为预应力快速损失阶段。大部分锚索预应力变化特征表现为锚固损失较快,损失值仅次于锁定损失,持续时间大约为 6～10 d,最大达到总锚固力的 4.5%。这个阶段预应力损失主要是由于锚索松弛、混凝土徐变以及锚固效果影响范围内表层岩体压缩而导致的。

图7 锚索预应力随时间变化曲线Fig.7 Time curves of theaxial forces of the prestressed anchor ropes

第 2个阶段为锚固预应力波动变化阶段。大部分锚索锚固预应力变化特征表现为预应力值出现小幅、频繁波动,持续时间大约为11～70 d,最大达到总锚固力的 3.1%。产生这种变化的原因可能是由于岩体及锚索的内部应力调整,产生压缩、回弹的反复过程,从而导致锚索预应力出现波动。

第 3个阶段为平稳变化阶段。70 d后,变化特征为锚固预应力变化较平稳,绝大多数锚索出现趋势性下降,累计损失在 10%内,少数锚索预应力累计损失在4%内,通过超张拉10%基本可以补偿损失。

由于预应力锚固作用机理复杂,影响预应力锚固效果的因素众多,因此需要深入研究锚索的作用机理、锚索的受力过程及影响因素,以指导锚索的合理施工。

4 结果与讨论

软质岩高边坡预应力锚索框架梁的现场试验研究表明:

(1)框架梁钢筋应力分布不尽相同,梁两端索节点位置上表面钢筋应力均为压应力,峰值出现于梁两端节点处;下表面钢筋应力均为拉应力,峰值同样出现于梁两端节点处。其他两节点处基本上为拉应力,少量为压应力,且相邻两节点之中心位置附近拉应力最大,整体趋势呈“波浪型”分布。

(2)混凝土应力分布基本与钢筋应力相同,梁两端索节点位置上表面混凝土应力均为压应力,峰值出现于梁两端节点上表面处;下表面钢筋应力均为拉应力,最大值出现于梁中间附近。同样整体趋势也呈“波浪型”分布,但变化幅度不大。采用 C15混凝土就能满足要求。

(3)各梁的土压力大小分布不尽相同,土压力呈波浪形分布,土压力峰值基本出现在节点处,即表现为梁的节点位置处土压力较大,梁的中部土压力相对较小,且与框架梁钢筋应力的分布基本相似。

(4)框架梁的受力分析可以分张拉阶段和工作阶段,但锚索张拉锁定后,框架梁并没有立即进入工作阶段,工作阶段应该从边坡有下滑趋势时算起比较合理。

(5)通过对 12根锚索预应力损失情况的观测,总结出岩石高边坡的锚索预应力损失规律:在锚索锁定后,锚固预应力变化一般经过快速损失、波动变化和平稳等 3个阶段,其总损失在 10%以内,如果超张拉 10%则基本可以补偿损失。

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