边坡加固锚索预应力损失因素与实例分析

张立刚

由于预应力锚索具有主动加固、深层加固、布置灵活、施工快速、经济性好等显著特点,因此在边坡加固和边坡地质灾害治理工程中得到广泛应用。在综合国内外已有大量研究成果的基础上,本文首先探讨了影响锚索预应力损失的各种因素,基于某城市地铁边坡工程施工期的锚索预应力安全监测实践,根据多根锚索监测结果分析了锚索锁定后预应力变化规律,并得出了一些有益的结论,可为同类边坡锚索加固的优化设计和施工提供依据。

1 锚索预应力损失原因

1.1 材料因素

1)灌浆材料的徐变。灌浆材料是由硬化水泥浆和粗、细骨料等构成的多相复合结构,这一特点决定了灌浆材料的非均质性和物理性态的复杂性。在承受外载之前,由于干缩、泌水等原因,已存在大量的微孔隙和界面裂缝,且这些缺陷的分布完全是随机的。2)钢绞线松弛。在钢绞线长度不变的情况下,锚索张拉后随时间增长会产生屈服并引起内部应力减小的现象,亦即钢绞线松弛损失,而且它是预应力锚索体系产生预应力损失的主要原因。3)墩头混凝土的压缩和收缩。锚头一般固定在混凝土垫墩上,墩头本身特别是早期具有收缩、蠕变性质,且受到预压应力后也会产生一定量的压缩变形,进而引起预应力损失。4)锚具锥孔、夹具产生的预应力损失。张拉结束后,对锚索进行锁定时安装的锚具夹片会随钢绞线往锥孔内回缩而夹紧钢绞线以达到锁定目的,钢绞线回缩过程将导致一定锁定预应力损失。

1.2 岩土因素

1)岩土流变。大量的工程实例表明,锚索在锁定后的运行期间,影响锚索预应力损失的主要因素是岩体的流变作用。岩体的流变包括蠕变、松弛和弹性后效。从锚索结构本身分析,岩体的变形主要发生在靠近自由段部位的锚固段和锚头底部坡体表层等应力集中区域。2)岩土卸荷。随着锚固边坡施工进程的推进,必然导致一部分边坡岩体的卸荷效应,该效应使开挖部分的岩体产生变形,位移向坡外变化,而且卸荷状态下的岩体应力状态比较复杂,部分区域产生拉应力,岩体受拉蠕变可能会造成锚索的预应力值增加,即负损失。

1.3 施工因素

1)张拉顺序。同一个结构物上有多孔锚索时,在群锚张拉过程中,锚索施工对已安装的锚索的锚固力有一定的影响,通常表现为锚固力的损失。2)封孔灌浆。锚索施工进行至封孔灌浆时,注浆体温度较锚索体温度高,而且注浆体水化热将产生升温导致锚索体产生膨胀伸长,将导致一定量的锚固力损失。3)锚索孔孔斜率和粗糙程度。锚索施工中钻孔发生倾斜不可避免,锚索孔往往呈弯曲状态,早期锚索张拉时,自由段与岩壁间可能存在一个或多个接触点,这种接触点的存在,将导致摩擦力的产生,从而使锚固力发生沿程损失。4)张拉系统。根据相关资料及其测试,油表所反映的张拉力比千斤顶底部钢绞线的受力要略大,故张拉系统也会引起一定量的预应力损失量。

1.4 其他外部因素

1)振动和冲击效应。爆破、重型机械和地震力等发生的振动和冲击效应也会引起预应力损失,且该损失量较之长期静荷载作用引起的预应力损失量大得多。2)降雨。已有在降雨过程中的监测数据表明：降雨量及降雨历时对锚固力的影响集中反映在岩体裂隙较为发育,渗透系数较大的岩土体中。降雨对锚杆预应力的影响主要表现为锚固应力的增加,而且具有时间滞后效应。随着裂隙水、孔隙水的消散,增加的锚固预应力也会消散,并基本回到降雨前的预应力水平。3)温度。温度的变化主要反映在岩体的变形导致预应力锚索的锚固力变化上。岩体温度升高会导致锚固力的增加,降温则使岩体收缩而导致锚固力减小。

2 锁定后锚索预应力变化监测实例分析

2.1 工程概况

某铁路线路标段范围内为典型的浅丘槽谷地貌,场地内地势起伏较大,该区地震基本烈度为7度。标段内左侧有一高边坡为路堑边坡,长369.6 m,坡率较陡,高度较大,节理裂隙发育,岩体破碎,为较强富含地下水的边坡。地下水主要有两种类型：1)松散土层孔隙水;2)基岩裂隙水。根据工程需要采用预应力锚索加固,并对预应力锚索应力变化情况进行长期监测。

2.2 锚索预应力监测方案

1)监测对象。据设计文件,共设置 7个监控点,分别对 8号-1,8号-2,9号-3,12号-1,12号-3,14号-2,16号-1锚索的有效预应力进行长期监测。2)锚索应力监控仪器和方法。采用振弦式锚索应力计,该振弦式锚索应力计的测试原理是利用张紧的钢弦在不同张力情况下其自振频率不同,通过数模转换器测试其钢弦的频率,通过反算得到实际的压力值,并配用对应的频率读数仪。

2.3 锚索预应力测试结果及规律

由图1,图2可以看出：所有锚索的总最大锚索应力损失量均小于70 kN,其损失量均在控制标准范围内,满足安全施工要求。同时从锚索预应力时程变化图可知,基本可以将锚索锚固锁定后预应力的变化分为三个阶段：第一阶段为预应力快速损失阶段：在此阶段,锚索预应力快速损失,锚索应力的损失在刚张拉后的一周内基本完成90%以上,这主要与本工程较好的边坡岩体材料特性有关。第二阶段为预应力波动变化阶段：至张拉锁定30 d内,锚索预应力值和预应力损失量均出现较小范围的波动。其原因主要是岩体和锚索在内部应力调整,产生压缩、回弹的反复过程,从而导致锚索预应力出现小幅、频繁波动。第三阶段为缓慢变化阶段：至张拉锁定30 d后,锚索预应力值趋于平稳,偶见极小的预应力损失量。

3 结语

综合国内外大量研究成果的基础上,本文首先探讨了影响锚索预应力损失的各种因素,基于某城市地铁边坡工程施工期的锚索预应力安全监测实践,根据多根锚索应力监测结果分析了锚索锁定后预应力变化的三阶段规律,确保了本工程安全有序的完成。

[1] 中国岩土锚固工程协会.岩土工程中的锚固技术[M].北京：人民交通出版社,1996.

[2] 张发明.岩质边坡预应力锚固的力学行为及效应[J].岩石力学与工程学报,2000,19(sup)：1077-1080.

[3] 顾金才.预应力锚索内锚固段受力特点现场试验研究[J].岩石力学与工程学报,1998,17(sup)：788-792.

[4] 张发明,赵维炳,刘 宁.预应力锚杆锚固荷载的变化规律及预测模型[J].岩石力学与工程学报,2004,23(1)：39-43.

[5] 朱晗迁,孙红月,汪会帮,等.边坡加固锚杆预应力变化规律分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(16)：2756-2760.

[6] 何思明,王成华,吴文华.基于损伤理论的预应力锚杆荷载—变形特性分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(5)：786-792.

[7] 陈安敏,顾金才,沈 俊,等.软岩加固中锚索张拉吨位随时间变化规律的模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(1)：251-256.

[8] 杨松林,徐卫亚,刘祖德.岩石锚杆抗拔实验数据及可靠度分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(1)：61-64.

[9] 张发明,刘 宁,陈祖煜,等.影响大吨位预应力长锚索锚固力损失的因素分析[J].岩土力学,2002,23(2)：194-197.

[10] 程良奎,张作媚,杨志银,等.岩土加固实用技术[M].北京：地震出版社,1994.

[11] 刘红军,齐 鑫,王秀海,等.预应力锚杆肋梁在深基坑支护中的应用[J].工程地质学报,2005,13(4)：568-572.

[12] 曾宪明,雷志梁,张文中,等.关于锚杆“定时炸弹”问题的讨论——答郭映忠教授[J].岩石力学与工程学报,2002,21(1)：143-147.

[13] 宋茂信.岩体边坡开挖爆破对预应力锚索锚固性能影响的现场观测[J].防护工程,1998(3)：74-77.

[14] 张发明,刘 宁,赵维炳.岩质高边坡预应力锚固力学行为与群锚效应[J].岩石力学与工程学报,2000,19(sup)：1083-1087.

[15] 张宏博,李英勇,宋修广.边坡锚固工程中锚索预应力的变化研究[J].山东大学学报(工学版),2002,32(6)：574-577.

[16] 肖宝林.浅析三峡船闸锚索预应力损失及锚固效果[J].人民长江,2003,34(9)：6-7.

[17] 汪明武,王鹤龄.锚固工程质量的无损检测技术[J].岩石力学与工程学报,2002,21(1)：125-126.