土质挖方边坡锚索预应力监测及定量损失分析

黄凌君, 乐旭东, 方妙辉，沈永炎

(1.三明学院建筑工程学院，福建三明365004； 2.三明学院后勤处基建科，福建三明365004)

预应力锚索在边坡工程中运用广泛，但锚索材料随时间和使用条件变化引起的性能劣化都会引起锚索预应力损失甚至失效，严重时导致滑坡等边坡灾害，所以应该对锚索预应力损失规律展开研究。由于受地质条件、荷载条件、施工条件等因素影响，很难单纯从理论上预测工程中可能遇到的问题[1]，结合监测数据对边坡锚索预应力变化规律进行分析具有直观、可靠的特点。国内文献[2—6]基于不同类型边坡锚索预应力损失进行理论计算和实测值比较分析，对锚索预应力变化规律和影响因素展开探讨，取得了一定的成果，国外文献[7]也对锚索预应力损失展开相关分析。但是目前还较少涉及土质挖方边坡锚索预应力的定量分析。

本文基于三明学院新建工科实训大楼边坡锚索预应力变化的监测和分析，对土质挖方边坡及冲孔桩支挡结构物锚索预应力监测的方法进行描述，通过引用文献理论公式计算锚索锁定过程和锁定后预应力损失，并和实测值比较分析，研究各阶段锚索预应力损失影响因素，在工程上具有一定的参考价值。

1 工程概况

三明学院新建工科实训大楼地处三明学院内，场地南面靠山。边坡高度为3.000～14.500 m，为挖方边坡。边坡设计支护方式有冲孔灌注桩、格构式预应力锚索、重力式挡土墙、挂网喷射混凝土等，地下水主要为上层滞水，钻孔量测的稳定水位埋深为0～12.20 m。为保证边坡安全，需要分析其变形趋势，必要时做出预警预报。三明学院建筑工程学院对边坡进行了稳定性监测。场地工程地质情况见表1。

表1 场地地质工程情况

2 锚索预应力监测方案

各锚孔均有4束钢绞线。锚索预应力监测采用MSJ-201系列振弦式圆环形锚索测力计，安装在锚具和锚垫板之间。载荷作用测力计上，将引起弹性圆筒变形并传递给振弦，改变振弦的张力和振动频率，频率信号传输至振弦式读数仪上，即可读出频率值，进而计算出作用于测力计相应的载荷值[8]59。所监测坡体结构及支护剖面图如图1所示。

依据监测方案，锚索应力监测点数量应不小于锚索总数的5%，且锚索总数不应少于3根，本次监测共布置6个锚索预应力监测点，编号为M1—M6。其中M1设置在冲孔灌注桩处，M2、M4设置在第一排锚索(坡底)，M5、M6、M3分别设置在第二、三、四排锚索。监测点布置如图2所示。

图2 监测点布置

3 锚索预应力损失的定量计算

锚索预应力损失主要分为瞬时损失和时程损失两部分[2]1686。预应力锚索张拉完成后，在千斤顶回油瞬间，钢绞线不可避免地向坡内回缩，最终使钢绞线、锚具、夹片之间相互卡牢而达到锁定目的，这时产生的预应力损失称为瞬时损失。时程损失则是由于锚索锁定后周边岩体蠕变，钢绞线松弛，混凝土及灌浆材料等收缩徐变，后续锚索张拉引起群锚效应，降雨、地下水、温度和其他施工因素产生[9]85。以下引用相关文献对锚索预应力损失做定量计算。

3.1 瞬时损失的定量计算

1)锚头及其夹具产生的预应力损失

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)[10]，锚头及其夹具产生的预应力损失

NS=A(∑ΔL)×Ey/L

(1)

式中：ΔL为锚具、夹片的变形回缩量；L为自由段有效长度；Ey为钢绞线的弹性模量；A为钢绞线的截面积。

2)张拉系统引起的预应力损失

这部分预应力损失由张拉系统中千斤顶、油泵的摩擦阻力产生，根据工程经验，一般为拉张荷载的2%～4%[2]1687。

3.2 时程损失中岩体蠕变效应的定量计算

岩体蠕变是锚索预应力损失的主要来源，它是由于岩体本身不连续性和各向异性的存在，受荷区的岩体应力单元在锚索预应力作用下产生塑性压缩和相对变位，并随时间变化。蠕变主要发生在预应力集中区，引起的预应力损失与岩体软硬有关[11]。岩石越坚硬，结构面引起的蠕变越小，预应力损失也越小。而松散岩石尤其是土体变形较大，预应力损失大，并且蠕变时间较长。

蠕变耦合条件下，锚索预应力变化公式[12]43为

σ=C1e-C2t+C3(1-e-C2t)

(2)

式中：

E′S=ESASAr；

ξ′为锚索初始应变量；Eh为马克恩韦蠕变弹性模量；E′S为锚索等效弹性模量；η为黏滞系数；ES为锚索体实际弹性模量；AS为锚索体面积；Ar为岩体面积；El为开尔文蠕变弹性模量；t为时间。

3.3 孔斜率对瞬时和时程损失的定量影响

孔斜率越大，锚索预应力损失也越大，包含瞬时和时程损失。通过大量统计得到损失值ΔP与张拉荷载P、孔斜率n的关系[12]16为

ΔP=P(0.21e1.406n+0.634e0.0006P)

(3)

4 锚索预应力监测数据

对6个锚索预应力监测点进行监测，主要包含锚索张拉、锁定过程中以及锁定后预应力实时监测。锁定过程需要监测人员全程跟踪，以获得可靠的张拉荷载和锁定荷载数据；锁定后，初期(10 d内)每2 d监测1次，之后每7 d监测1次，当测试数据变化较大时加密监测，至稳定后，隔半年至1年监测1次，监测时间至大楼竣工后不少于2年。

表2为锚索锚固过程中某瞬时预应力锁定损失的监测结果。

图3为锁定后锚索预应力随时间变化曲线。锁定后预应力时程损失见表3。

表2 锚索预应力的锁定损失

图3 锁定后预应力随时间变化曲线

锚索编号初应力/kN锚索应力/kN20 d75 d损失比/%20 d75 dM1265.46240.47241.609.49.0M2214.80197.00198.608.37.5M4231.50207.58209.1010.39.7M5271.92232.76245.3614.49.8M6270.70231.20226.8014.616.2M3304.36257.45256.9015.415.6

5 锚索预应力损失规律分析

5.1 锁定时的预应力损失

表2可以看出，锚索的实际平均锁定损失率在20%左右。根据4.1部分所述，结合实际锚索参数，每根锚索直径为15.2 mm，ΔL取6 mm(厂家提供)，Ey取1.95×105MPa，自由段有效长度L为5 m，计算得锚头及其夹具产生的预应力损失NS为16.8 kN，损失率约为6%，而张拉系统引起的预应力损失率按3%计算，故锁定损失率理论值为9%。另外，还有施工时孔斜率偏大造成的预应力损失，根据公式(3)，当孔斜率为3%、张拉荷载为300 kN时锚索预应力损失可达10%。由于实际锁定荷载大多数比设计锁定荷载略低，建议施工中还应适当增加张拉力，必要时在预应力损失较大情况下进行二次张拉。

5.2 快速损失阶段

由图3可知，在预应力锚索锁定后20 d内，锚索预应力快速损失。根据统计表3，可知同期锚索预应力损失比为8.3%～15.4%。结合图1发现，大体上覆盖层越厚(靠坡底)锚索预应力衰减幅度越小。这是因为坡顶土质疏松、土体蠕变大导致预应力衰减幅度大，而靠近坡底土体压缩模量更大，使蠕变预应力损失比减少。根据公式(2)结合实际情况计算，大体拟定岩体蠕变相关参数取值如表4。

表4 相关参数取值

计算得C1=97，C2=0.018，C3=592。以锚索预应力取250 kN为例，算出600 h预应力损失值，变化曲线如图4所示。由图可知，蠕变造成的预应力损失先快后慢，在600 h(25 d)可以达到23 kN(损失率9.2%)，此时蠕变影响已趋于稳定。结合表3数据可见，本阶段影响锚索预应力快速损失的因素主要是土体蠕变。另外，钢绞线自身松弛、灌浆材料和混凝土收缩徐变以及地下水和降雨因素也起到一定作用。

M4监测点应力损失较M2监测点预应力损失更大，主要是M2处地下水较多，导致边坡岩体重度增加，抗剪强度下降，边坡向外位移，锚索预应力损失稍小[9]86。对于背景中土质挖方边坡，地下水对锚索预应力的影响较岩质边坡更明显。

5.3 随机摆动衰减期

图3预应力锚索锁定20 d至75 d内，锚索预应力随时间变化曲线出现不规律的频繁摆动。这一阶段土体蠕变造成的预应力损失影响较小，而锚索内部预应力调整回缩、施工作业(临近部位锚索张拉等)、钢绞线自身松弛、混凝土收缩徐变等因素相互作用使锚索频繁发生松弛和张紧的调整过程，最终反映在锚索预应力损失比的随机摆动上。坡顶锚索预应力损失较坡底锚索更大原因是坡顶锚索岩土体蠕变完成的时间更长。

图4 预应力损失变化曲线

5.4 相对稳定阶段

在锚索锁定75 d以后，预应力进入相对稳定阶段。而图3锚索预应力曲线大体呈现缓慢稳定上升阶段，这和传统锚索预应力监测结果不同，主要是3个原因造成的。一是六七月份三明地区降雨较多，雨水渗入边坡，产生和地下水一样的影响效果，使锚索预应力有所增加，雨季过后随着裂隙水散失，锚固力将回到雨季前水平[13]；二是受边坡后方100 m左右范围新建体育馆工程坡体开挖施工的影响，产生附加力，使锚索预应力小幅度上升[8]61；三是六七月份边坡土体温度升高，土体颗粒体积膨胀，使锚索预应力增大[9]86。

6 结论

1)锚索预应力损失包含锁定过程和锁定后的损失。根据锚索预应力监测曲线，锁定后阶段可以分为快速损失阶段、随机摆动衰减期、相对稳定阶段。

2)本文边坡锚索预应力锁定平均损失率为20%，孔斜率偏大是主要原因。

3)本文边坡锚索锁定后在快速损失阶段应力损失比为8%～15%，覆盖层越厚锚索预应力衰减幅度越小，该阶段主要是土体蠕变造成的锚索应力损失；相对稳定阶段受降雨和边坡后面施工场地开挖等影响，锚索预应力曲线大体呈现缓慢稳定上升阶段。