压力型锚索锚固工程原型监测与分析＊

雷金山，杨秀竹，王安正，刘长文，茹 卫

(中南大学土木建筑学院，湖南长沙 410075)

压力型锚索锚固工程原型监测与分析＊

雷金山，杨秀竹，王安正，刘长文，茹 卫

(中南大学土木建筑学院，湖南长沙 410075)

结合实际工程，开展压力分散型预应力锚索的原型长期测试研究，测试结果表明:压力分散型锚索预应力变化自张拉锁定开始，均经历快速下降、波动变化和平缓变化3个过程;边坡地表竖向位移和水平位移前期发展较快，后期变形渐趋稳定;坡体深部未出现大变形的潜在破裂面，说明边坡处于稳定状态，即在破碎软弱岩体中采用分散压力型预应力锚固工程是可行的。可为今后类似锚固工程提供参考。

压力分散型预应力锚索;预应力;位移;变形

压力型锚索相对于拉力型传统锚索结构在受力性能及承载力等方面有诸多优势，从锚索受力和防护角度看，压力型锚索是一种较合理的锚索结构形式，已广泛应用于永久性锚固工程中［1－3］。本文结合实际工程，开展压力型锚索原型长期监测研究，监测成果对工程边坡的稳定性作出评价［4－5］，所得结论可供今后该类锚索的理论研究与设计计算提供参考。

1 压力分散型锚索锚固工程概况

1.1 工程地质概况

工程边坡原始地貌为侵蚀堆积－侵蚀剥蚀，为湘江V级阶地，边坡高度15～26 m不等，为永久性边坡。地层主要由第四系素填土、粉质粘土、强风化粉砂岩、中风化粉砂岩组成:①素填土，层厚1.2 ～2.1 m;②粉质粘土，层厚 0.8 ～2.8 m;③强风化泥质粉砂岩，节理裂隙极发育，岩石破碎，遇水易软化，失水干裂，为极软岩，层厚0.5～6.8 m;④中风化泥质，节理裂隙较发育，岩石较破碎－较完整，遇水易软化，失水干裂，为极软岩。

1.2 边坡支护结构概况

试验边坡高达26 m，采用放坡与锚索网格梁支护设计，分2级进行开挖，次边坡按1∶1放坡;主边坡坡比1∶0.3，坡顶设3 m宽平台。主边坡采用锚索网格梁支护［6－8］。设置6排锚索，按2 m×2 m正方形布置。锚孔直径为150 mm，锚孔倾角向下15°;设计采用压力型锚索;锚孔灌注砼R28≥30 MPa;网格梁截面为 0.3 m ×0.35 m，锚头位于网格梁节点处。主边坡支护结构典型剖面见图1。

根据锚固力大小分别采用2种规格的锚索。其中轴向拉力设计值为Na=500～540 kN时采用4φj15.24(4×7φ5)钢绞线，轴向拉力设计值Na=400 kN时采用3φj15.24(3×7φ5)钢绞线。采用钢板承载体，承压板直径φ=138 mm、厚20 mm，各锚索两级承载体间距为2.0 m，实物如图2所示。

图1 主边坡支护典型剖面图(标高单位:m)Fig.1 Typical section of slope retaining(m)

图2 安装好的锚索I级承载板及P锚Fig.2 Level I bearing plate of anchor cable and P anchor

2 监测方案

长期监测主要包括压力型锚索预应力损失监测及边坡土体变形监测。

2.1 锚索预应力变化长期监测

在压力分散型锚索轴线端头布设锚索测力计，以获得分析锚索的长期预应力损失规律。锚索预应力变化监测周期长，基于方便测量及有利于进行对比分析考虑，从上至下第4排和第5排中各选择有代表性的锚索进行预应力变化监测。所选锚索编号及参数见表1。锚索测力计的安装如图3所示。

表1 预应力变化监测锚索参数Table 1 Anchor cable parameters whose prestressing force was monitored

图3 锚索测力计安装示意图Fig.3 Forcemeter installation schemes of anchor cable

2.2 边坡变形监测

边坡工程变形监测主要有地表位移监测及土体深部位移监测。布置如下:在主边坡顶部平台上布置A1～A6等6个观测墩，间距12 m，在次边坡顶部分别与A1～A6同处垂直边坡开挖面剖面线上布置B1～B6等6个观测墩，A1～A6及B1～B6观测墩用来进行边坡竖向及水平位移变形观测;在主边坡坡顶平台上布设S1～S4等4个测斜孔进行边坡土体深部位移观测，S1～S4分别和A2～A5处同一剖面，构成了6个监测剖面，如图4所示。

图4 监测点平面布置图Fig.4 Layout of measuring point

水准测量采用闭合水准路线进行;变形观测采用根据全站仪坐标测量法结进行;土体深部位移监测主要是利用测斜仪进行。

3 测试结果及分析

3.1 压力分散型锚索预应力变化监测成果分析

3.1.1 锚索张拉锁定引起的预应力损失

本次试验锚索采用逐根张拉的方式进行压力分散型锚索的张拉程，在张拉过程中对于每道锚索均从较长的钢绞线开始张拉。卸载时，靠工作锚夹片来锁定钢绞线，在千斤顶回油的瞬间，钢绞线向坡内回缩，并带动夹片回缩，最终使得锚具、夹片和钢绞线之间相互接触牢固而达到锁定的目的，在此过程中，钢绞线的回缩会使得锚索的有效预应力有所降低。表3为试验锚索张拉锁定瞬时损失的测试结果。线，预应力锁定瞬时损失值相差不大，18.50 m长的钢绞线平均瞬时损失为19.33 kN，15.50 m长的钢绞线平均瞬时损失为27.94 kN。

钢绞线的张拉锁定预应力瞬时损失主要与其回缩量有关，通过计算试验锚索MS7～MS10的第1根钢绞线张拉锁定瞬时回缩量分别为9.73，10.38，12.08 和 12.27 mm，短钢绞线对比长钢绞线回缩量要大，主要是由于压力型锚索张拉时，张拉荷载作用在承载体上，进而使注浆体产生轴向位移，而试验锚索全长注浆，在承载体与锚板之间形成细长的注浆体柱，所以在钢绞线张拉和回缩的过程中注浆体均要发生与钢绞线轴向位移一致方向的位移，而孔壁摩擦会限制其位移量，当钢绞线较长时，受孔壁摩擦作用越明显，故较长钢绞线回缩量要小于较短钢绞线的回缩量。

3.1.2 锚索预应力长期变化规律

自试验锚索张拉锁定后，初始阶段内每天观测测力计受力情况，且每天同一时间进行观测，其后为2～3 d观测1次，并逐渐加大观测间隔时间，通过对张拉锁定后227 d内观测数据的处理，绘制出各试验锚索预应力值随时间的变化曲线见图5～图8所示。

图5 试验锚索MS7锁定后预应力变化曲线Fig.5 Prestressing force curve of anchor cable MS7 afer tension lock

表2 预应力张拉锁定瞬时损失结果Table 2 Momentary loss of prestressing force afer tension lock kN

图6 试验锚索MS8锁定后预应力变化曲线Fig.6 Prestressing force curve of anchor cable MS8 afer tension lock

试验锚索MS7和MS8第1根张拉钢绞线长为18.50 m，MS9和 MS10第1根张拉钢绞线长为15.50 m。从表中可以看出，对于相同长度的钢绞

图7 试验锚索MS9锁定后预应力变化曲线Fig.7 Prestressing force curve of anchor cable MS9 afer tension lock

图8 试验锚索MS10锁定后预应力变化曲线Fig.8 Prestressing force curve of anchor cable MS10 afer tension lock

通过对4道试验锚索预应力观测结果的整理分析，各试验锚索预应力变化具有一个共同的特征，各锚索预应力变化自张拉锁定开始，均经历快速下降、波动变化和平缓变化3个过程。在锚索张拉锁定后7～10 d左右，各锚索的预应力急剧下降，该阶段完成时间较短，预应力损失约为锁定值3.5% ～8.0%，损失平均值为 25.07 kN;锚索锁定后30 d以内的时间里，锚索的预应力呈稳步下降，损失速率较小，受天气温度及降雨的影响，有所波动，该阶段锚索预应力的损失约为锁定值的1% ～3%，损失平均值为7.54 kN;随着时间的推移，锚索的预应力呈平缓变化，该阶段预应力值仍有所下降，但是下降的幅度已经变得很小，最后趋于稳定。

3.2 变形监测结果

3.2.1 边坡地表竖向位移监测结果

根据水准测量结果计算每一次测得各点高程值和初始值之差记为该点累计竖向位移，并做出累计竖向位移－时间曲线，见图9。

图9 各监测剖面累计竖向位移－时间曲线Fig.9 Accumulative total vertical displacement－ time curve of different monitoring profiles

图9中各曲线显示各观测点累计竖向位移量较小，整个施工期结束最大累计位移只有8.48 mm。监测初期由于土方施工刚完成，边坡土体应力重分布尚未完成，以及受锚索钻孔施工等影响各观测点竖向位移值波动变化较大;监测期间降雨较多，该段时间各点变形曲线呈反复波动状态，说明雨水对边坡土体变形有较大的影响;在锚索网格梁施工完成之后，各观测点竖向位移值变化较小，曲线显示渐趋稳定，整个观测期间坡体未发现任何开裂和下沉现象，说明坡体基本稳定。

3.2.2 边坡地表水平位移监测结果

水平位移各曲线(如图10)显示，观测期间各点累计水平位移量均在10 mm以内，与竖向位移类似，观测初期水平位移变化速率较快，数值波动也相对较大，当锚索预应力张拉完成之后，水平位移变形量增长很小，从曲线可以看出观测后期变形基本趋于稳定，说明施加预应力能有效控制边坡土体的变形。

图10 各监测剖面累计水平位移－时间曲线Fig.10 Accumulative total horizontal displacement－ time curve of different monitoring profiles

3.2.3 边坡土体深部位移监测结果

由图11～图14可知，各测斜孔各深度实际位移均较小，变形主要发生在孔口附近。由于锚索施工的影响各曲线形态各异，但各曲线沿深度的变化趋势基本一致，且未出现明显的异常情况，表明边坡土体内部未出现大变形的潜在破裂面，说明该孔附近坡体在监测期间是稳定的。

4 结论

(1)压力分散型锚索预应力变化自张拉锁定开始，均经历快速下降、波动变化和平缓变化3个过程;

图11 测斜孔S1实际位移－深度曲线Fig.11 Displacement－depth curve of surveying slant hole S1

图12 测斜孔S2实际位移－深度曲线Fig.12 Displacement－ depth curve of surveying slant hole S2

图13 测斜孔S3实际位移－深度曲线Fig.13 Displacement－ depth curve of surveying slant hole S3

图14 测斜孔S4实际位移－深度曲线Fig.14 Displacement－ depth curve of surveying slant hole S4

(2)通过对各试验锚索预应力长期监测成果的分析，并采用双曲线拟合法对后期预应力损失进行了预测，表明试验锚索预应力损失在控制范围之内;

(3)边坡地表竖向位移和水平位移前期发展较快，支护结构施工完成之后，各变形曲线渐趋稳定，变形速率及累计变形量均在控制范围之内;

(4)深部位移曲线没有出现明显的异常情况，边坡体内部未出现大变形的潜在破裂面;地表也未出现明显的变形情况，说明坡体在整个监测期间是稳定的。

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Prototype monitoring and analysis of anchoring construction by pressure－dispersive cable

LEI Jin-shan，YANG Xiu-zhu，WANG An-zheng，LIU Chang-wen，RU Wei

(College of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

Based on engineering practice，monitoring of pressure－dispersive prestressed cable was carried on for a long time.The result of monitoring showed that change of prestressing force after the tension primarily locked included three processes，which successively were rapid dropping，fluctuant change and gentle change.Vertical and horizontal displacement of slope surface developed rapidly in the earlier stage，and later deformation gradually stabilized.Deep slope body had no large deformation of potential fracture surface，which showed that the slope was in a stable state.Soft fractured rock anchored by pressure－dispersive prestressed cable is feasible.It is useful for the similar anchor projects in the future.

pressure－dispersive prestressed cable;prestressing force;displacement;deformation

TU457

A

1672－7029(2011)06－0064－06

2011－10－13

国家自然科学基金资助项目(51108462);湖南省科技厅工业支撑计划项目(1GK20113127)

雷金山(1973－)，男，湖南湘乡人，高级工程师，博士研究生，从事岩土及地下工程的教学、科研与工程设计、咨询工作