趙 翔* ，王杰光，張 朋，顧 城

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541000)

錨索樁板墻中錨索應(yīng)力的工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及分析

趙 翔* ，王杰光，張 朋，顧 城

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541000)

結(jié)合廣西某電廠擴(kuò)建工程中錨索樁板墻的實(shí)際運(yùn)用，對(duì)錨索樁板墻中錨索的應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)及分析，結(jié)果表明:1)錨索在鎖定后2 h內(nèi)應(yīng)力變化曲線基本相同，均呈指數(shù)變化，先快后慢，但由于位置、鎖定值等不同，不同錨索在2 h內(nèi)的應(yīng)力變化總幅度有較大差異。2)錨板墻結(jié)構(gòu)中錨索應(yīng)力的長期變化特征與普通邊坡治理工程中錨索的應(yīng)力變化走勢(shì)有較大區(qū)別。3)預(yù)應(yīng)力錨固工程屬隱蔽工程，影響錨索預(yù)應(yīng)力損失的因素較多，設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)用時(shí)很難做到情況完全清楚，通過長期大量的工程數(shù)據(jù)積累，可為其他相似的錨索工程做出定量的安全評(píng)估。

錨索應(yīng)力;預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻;特征曲線;數(shù)據(jù)分析

我國山地丘陵面積較大。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速增長和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張，人們面臨更多更復(fù)雜的高邊坡工程防治問題。預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻作為一種新型的高邊坡支擋結(jié)構(gòu)，以其安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，獲得眾多工程技術(shù)人員的認(rèn)可。預(yù)應(yīng)力錨索的合理應(yīng)用是錨板墻結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。錨索在邊坡加固工程中已得到廣泛應(yīng)用，但目前國內(nèi)外對(duì)實(shí)際工程中預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)力變化研究還主要側(cè)重在施工前期，缺乏對(duì)于施工中后期以及長遠(yuǎn)運(yùn)營期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。錨固類結(jié)構(gòu)由于其作用機(jī)理及巖土工程本身的復(fù)雜性，經(jīng)常有拉斷、錨束體被銹蝕破壞、預(yù)應(yīng)力嚴(yán)重?fù)p失等現(xiàn)象出現(xiàn)，威脅著整體工程的安全，所以有必要對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的錨索應(yīng)力進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)及分析，為同類工程提供參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

某電廠位于廣西壯族自治區(qū)中部，為了落實(shí)國家出臺(tái)的關(guān)停小火電機(jī)組的政策，同時(shí)滿足日益增長的用電需求，擬對(duì)現(xiàn)有電廠進(jìn)行擴(kuò)容改造。擴(kuò)建后的新廠區(qū)瀕臨紅水河，而紅水河下游正籌建橋鞏水電站，為防止汛期以及下游水電站建成蓄水后河水水位上漲威脅電廠岸邊建筑，特采用預(yù)應(yīng)力錨索與樁擋墻聯(lián)合支護(hù)的方式建立長約450 m的江邊護(hù)岸邊坡，外層抗滑樁113根，樁徑 2 000 mm，錨索預(yù)張拉力3 000 kN。

電廠原區(qū)域?yàn)閹r溶殘丘準(zhǔn)平原過渡到巖溶丘陵、峰叢、洼地地貌，南臨紅水河。紅水河兩岸形成基座階地，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，山體多數(shù)相連，山峰巖石裸露，坡腳則有涂層覆蓋，坡岸大部分基巖裸露，穩(wěn)定性好。場(chǎng)地上覆地層均為第四系人工雜填土層(Q4

s)、第四系沖洪積層(Qal+pl)、第四系坡洪積層(Qsl+pl)和殘積層(Qel)，下伏基巖為二疊系合山組(P2h)地層。

擬建擋墻位于擬擴(kuò)建廠區(qū)南側(cè)，紅水河北岸，擬建擋墻軸線距紅水河河槽80～130 m。地貌上跨越紅水河左岸一級(jí)階地及二級(jí)階地前緣。一級(jí)階地地面高程80.00～84.00 m，勘察地段內(nèi)寬約20～110 m。二級(jí)階地地面高程101.00～108.00 m，場(chǎng)地呈臺(tái)階狀，其上部分布有薄層人工填土，下部為沖洪積粘土或粉質(zhì)粘土，基巖面以上為殘積混碎石粘土等。二級(jí)階地前沿斜坡自然坡度20～40°，局部有小型塌岸現(xiàn)象。

2 預(yù)應(yīng)力錨索的施工要求

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻錨索位置布置圖

采用壓力分散型錨索，由UPS15E單層無粘結(jié)環(huán)氧噴涂鋼絞線制作，且不得損傷鋼絞線的聚乙烯層、油脂層和環(huán)氧樹脂層，入射角30°，分6級(jí)張拉，每級(jí)長2.5 m，3根錨索，每級(jí)錨索的施工千斤頂張拉力為500 kN，每束錨索總張拉力3 000 kN。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)地貌，設(shè)計(jì)于1～75#樁實(shí)施錨索張拉，為3排形式，如圖1所示。從下往上，第1排錨索錨頭高程86.00 m，錨索長33.5 m;第2排錨索錨頭高程90.00 m，錨索長37.5 m;第3排錨索錨頭高程94.00 m，錨索長45.5 m;設(shè)計(jì)嵌固長度15 m，內(nèi)錨段15 m長度須完全位于中風(fēng)化巖體內(nèi);抗滑樁內(nèi)錨段采用6級(jí)YDM15B-18的內(nèi)P錨，2節(jié)HT200摩擦棒接長，并采用Q235A隔離架，錨索張拉段采用HDPE145圓管防護(hù)。錨索應(yīng)力損失超過10%時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)張拉。

3 錨索樁板墻中錨索預(yù)應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

3.1 錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

本工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)的錨索數(shù)量按設(shè)計(jì)要求應(yīng)不少于錨索總量的10%，進(jìn)行試驗(yàn)的錨索位置按照設(shè)計(jì)方要求隨機(jī)抽樣確定，錨索的安裝日期隨現(xiàn)場(chǎng)施工的進(jìn)度確定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，在2010-05-12—2011-09-30期間，共對(duì)17個(gè)測(cè)點(diǎn)先后進(jìn)行錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)，錨索傳感器安裝樁位布置如圖2所示。

圖2 錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置布置圖

錨索應(yīng)力傳感器安裝樁號(hào)及對(duì)應(yīng)的樁體位置見表1。

表1 錨索應(yīng)力傳感器安裝樁號(hào)及對(duì)應(yīng)樁體位置表

3.2 監(jiān)測(cè)頻率及報(bào)警值

從錨索預(yù)應(yīng)力張拉開始監(jiān)測(cè)，頻率為每日一次，當(dāng)遇突發(fā)情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況加密監(jiān)測(cè)。錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)階段，當(dāng)出現(xiàn)下列情況時(shí)應(yīng)及時(shí)報(bào)警:1)每周荷載變化量大于5%的設(shè)計(jì)張拉力;2)錨索應(yīng)力變化累計(jì)值達(dá)到或超過設(shè)計(jì)張拉力的20%。

圖3 測(cè)點(diǎn)鎖定后2 h錨索應(yīng)力值變化曲線圖

3.3 鎖定后2 h內(nèi)錨索預(yù)應(yīng)力變化過程及分析

根據(jù)已有的研究結(jié)果，并結(jié)合大量工程監(jiān)測(cè)可得:錨索在鎖定后即進(jìn)入應(yīng)力速損階段，前1～10 d應(yīng)力損失非?？烨覔p失值較大。為研究這一速損階段，在本工程17個(gè)測(cè)點(diǎn)中，挑選了4個(gè)，在錨索剛剛鎖定之后的2 h內(nèi)，每隔5 min測(cè)一次應(yīng)力值，得到監(jiān)測(cè)曲線圖如圖3、4所示。

由圖3可知，錨索在鎖定后的2 h內(nèi)，應(yīng)力值的變化趨勢(shì)大體相同，都是一個(gè)非線性的過程，總體上都呈負(fù)指數(shù)變化規(guī)律，應(yīng)力損失先急后緩。前1 h內(nèi)的鎖定損失遠(yuǎn)大于后1 h內(nèi)的損失量，前者是后者的3～6倍，后1 h內(nèi)的應(yīng)力損失趨于平緩。

具體到每束錨索，鎖定后2 h內(nèi)的應(yīng)力變化雖然曲線走勢(shì)大致相同，但具體數(shù)值比例卻各有差別，2 h的變化總量也不相同。從圖3、圖4可知，剛剛鎖定后的應(yīng)力損失是最快的，這一過程各束錨索分別持續(xù)10～40 min不等。特別是對(duì)比同為3排錨索的HP-42-3測(cè)點(diǎn)和HP-51-3測(cè)點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)它們損失總量相差1倍以上，且HP-42-3測(cè)點(diǎn)在2 h時(shí)的損失曲線收斂速度明顯慢于HP-51-3測(cè)點(diǎn)。

由于目前國內(nèi)巖土工程中采用的鋼絞線普遍是高強(qiáng)低松弛的，因此鋼絞線的松弛量對(duì)錨索有效預(yù)應(yīng)力降低的影響也相對(duì)較小。主要影響錨索預(yù)應(yīng)力損失的因素是被加固介質(zhì)的蠕變和巖土體裂隙的壓密［2］。在實(shí)際工程中，由于邊坡巖土體包括深層的穩(wěn)定性良好的地層，它們各個(gè)部位的裂隙發(fā)育程度并不可能完全一致，巖體的性質(zhì)也有較大差別，使得實(shí)際工程中各錨束體應(yīng)力損失的偏差較大。對(duì)于蠕變或結(jié)構(gòu)面的壓密幅度較大的巖土體，如軟性巖體或破碎邊坡，錨固介質(zhì)的變形大，錨索的錨固力損失就大;反之，錨索體的應(yīng)力損失則相對(duì)較小。以上這些因素導(dǎo)致了前面抽取的4個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力損失過程差異巨大，但總體變化依然有著明顯的規(guī)律，可以為相似工程提供借鑒。

圖4 不同測(cè)點(diǎn)鎖定后2 h應(yīng)力值變化綜合比較圖

3.4 錨索應(yīng)力的長期變化值監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析

錨索預(yù)應(yīng)力的變化通常分為短期變化和長期變化。短期變化指鎖定變化，長期變化則是指由于巖體蠕變、鋼絞線長期松弛等引起的預(yù)應(yīng)力變化［3］。錨索預(yù)應(yīng)力的長期有效性是關(guān)系到整個(gè)錨索樁板墻結(jié)構(gòu)的核心問題之一，結(jié)構(gòu)中錨索應(yīng)力的變化會(huì)改變樁墻的受力，從而引起樁墻后面填土體作用力的重分布，影響到整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的安全。但是，目前工程中對(duì)錨索長時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還非常少，特別是對(duì)于高填方樁板墻結(jié)構(gòu)就更加稀缺，不利于對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)地研究。本工程對(duì)錨索樁板墻17根錨索先后進(jìn)行了鎖定后在施工以及運(yùn)營中的長期監(jiān)測(cè)，圖5為錨索預(yù)應(yīng)力鎖定之后的應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)全過程(圖中第1天指樁板墻中第一根錨索開始張拉日期，即2010-05-12，其余錨索隨工程進(jìn)度張拉日期各不相同;總監(jiān)測(cè)天數(shù)為507 d)。

圖5 電廠擴(kuò)建護(hù)岸邊坡錨索應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)曲線圖

圖6 HP-25-1錨索監(jiān)測(cè)值特征曲線

Benmokrane和Balivy等［4］根據(jù)對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力變化的系統(tǒng)觀測(cè)，提出預(yù)應(yīng)力損失的三段論:Ⅰ為應(yīng)力驟降階段;Ⅱ?yàn)檎鹗幾兓A段;Ⅲ為緩慢變化階段。本工程經(jīng)過長達(dá)507 d的監(jiān)測(cè)，得到了與上述研究成果有許多差異的特征曲線，以HP-25-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)錨索應(yīng)力為例，長期應(yīng)力值監(jiān)測(cè)特征曲線如圖6所示。

由圖6可知，錨索在本工程的樁板墻應(yīng)用中，應(yīng)力變化可以分為6個(gè)階段:Ⅰ為錨索的預(yù)張拉及其應(yīng)力快速下降階段，這一階段的應(yīng)力值變化與傳統(tǒng)曲線很相似，都是經(jīng)過速損階段后進(jìn)入波動(dòng)變化階段。本例中錨索的速損階段損失應(yīng)力約80 kN，占初張拉值的3%。Ⅱ?yàn)殄^索的補(bǔ)張拉及其應(yīng)力速損階段，補(bǔ)張拉階段錨索應(yīng)力大幅躍升，之后依然是進(jìn)入應(yīng)力速損階段。本例中張拉后的應(yīng)力速損階段損失應(yīng)力約45 kN，占補(bǔ)張拉值的1.5%，明顯小于初張拉的損失率。Ⅲ為震蕩下降階段，該階段在本例HP-25-1中持續(xù)約100～110 d，震蕩幅度較大，損失應(yīng)力305 kN，占補(bǔ)張拉值的10%。Ⅳ為波動(dòng)平衡階段，如果忽略補(bǔ)張拉的作用，則這一階段是第一段與傳統(tǒng)樁錨工程中錨索應(yīng)力變化差異極大的時(shí)間段。傳統(tǒng)錨索監(jiān)測(cè)過程中，在經(jīng)歷了3～4個(gè)月的震蕩變化之后，錨索應(yīng)力均趨于穩(wěn)定，而本例中這一時(shí)間段應(yīng)力變化卻震蕩起伏，極小值與極大值最大差距約155 kN，震蕩幅度達(dá)到補(bǔ)張拉值的5%。其原因?yàn)猷徑^索的張拉與補(bǔ)張拉、墻后土方回填碾壓時(shí)工程車輛的活荷載作用等影響。Ⅴ為持續(xù)平穩(wěn)上升階段，持續(xù)約75～90 d，應(yīng)力增加100 kN，占補(bǔ)張拉值的3%。這一階段與傳統(tǒng)滑坡治理工程中錨索應(yīng)力的監(jiān)測(cè)研究結(jié)果迥異，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是錨索鎖定以后，由于填土施工以及填土附加應(yīng)力所造成。這些影響在之前的階段也都存在，但由于錨固層巖體的蠕變、臨近錨索的張拉和附近的其他錨索孔的施工等因素均較強(qiáng)烈，導(dǎo)致錨索的應(yīng)力損失遠(yuǎn)超過填土的附加應(yīng)力增長，故這一階段的顯現(xiàn)比較滯后。值得注意的是，同樣是樁板墻錨索的監(jiān)測(cè)，有的工程中［5］這一階段卻顯現(xiàn)得特別早，取代了應(yīng)力速損階段，這是因?yàn)槠涔こ讨械腻^索拉力較小，約800～1 000 kN，且墻后填土較快，所以填土的附加力較為明顯且迅速。Ⅵ為平衡穩(wěn)定階段，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，本工程錨索在監(jiān)測(cè)進(jìn)行到420 d后錨索樁板墻預(yù)應(yīng)力才呈現(xiàn)出平穩(wěn)變化，盡管預(yù)應(yīng)力還是有所波動(dòng)，但是波動(dòng)幅度已經(jīng)變得很小，均在15 kN以內(nèi)。

錨索應(yīng)力的這種長期變化的特點(diǎn)是高填方錨索樁板墻工程與普通錨索抗滑樁的顯著區(qū)別，造成這種與傳統(tǒng)研究結(jié)果不同的原因主要有:1)在樁板墻工程中，樁板墻背后的土料回填高度是不斷變化的，填方造成的附加應(yīng)力勢(shì)必會(huì)影響錨索的應(yīng)力變化，由圖6第Ⅴ階段可知，樁墻后的填土對(duì)錨索的最終應(yīng)力影響很大;2)由于錨索是隨施工進(jìn)度張拉的，根據(jù)施工需要，各個(gè)錨索張拉順序有先后之分，一根錨索的張拉對(duì)相鄰近的錨索產(chǎn)生影響，使震蕩更頻繁;3)本工程中錨索基本都要經(jīng)過補(bǔ)張拉，與前人研究相比，補(bǔ)張拉的施工相當(dāng)于是在錨索的應(yīng)力變化過程中施加了外力影響，勢(shì)必會(huì)改變曲線走勢(shì);4)在錨索張拉之后的監(jiān)測(cè)過程中，施工仍在進(jìn)行，諸如土方回填的附加應(yīng)力、運(yùn)送或碾壓回填土的工程車輛的活荷載、其他錨索鉆孔的施工等因素給錨索張拉后的運(yùn)營提供了一個(gè)復(fù)雜的外部環(huán)境［6］，所以錨索在經(jīng)歷了震蕩下降之后的平衡階段的應(yīng)力變化也是震蕩的;5)本工程中錨索經(jīng)過第Ⅴ階段即持續(xù)平穩(wěn)上升階段后，最終穩(wěn)定值普遍比初張拉值和補(bǔ)張拉值高50～100 kN，這是因?yàn)殄^索經(jīng)過補(bǔ)張拉后，應(yīng)力損失變小而填方的附加應(yīng)力不斷增加，最終使錨索應(yīng)力值不斷攀升，甚至超過原來的鎖定或補(bǔ)張拉值。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2011年4月初新張拉的HP-13-1、HP-16-1、HP-18-2、HP-20-1、HP-21-3 等測(cè)點(diǎn)錨索，雖然也經(jīng)歷了第Ⅴ階段的持續(xù)攀升，但是攀升幅度均不大，最終應(yīng)力平穩(wěn)值也都小于初張拉鎖定值。

4 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力錨索在樁板墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用具有良好的前景，但是，關(guān)于這一結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論還不夠成熟，涉及因素較多、關(guān)系復(fù)雜?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)既能及時(shí)糾正理論計(jì)算與設(shè)計(jì)中不合實(shí)際的謬誤，也能指導(dǎo)樁板墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)理走向成熟，所以在工程實(shí)踐中應(yīng)該積累更多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)庫，供科研與工程應(yīng)用［7］。本文只是對(duì)錨索樁板墻結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力錨索在張拉鎖定后2 h內(nèi)以及施工和運(yùn)營期間預(yù)應(yīng)力的變化進(jìn)行了分析，認(rèn)為:1)錨索在鎖定后2 h內(nèi)應(yīng)力變化曲線基本相同，均呈指數(shù)變化，先快后慢，但由于位置、鎖定值等不同，不同錨索在2 h內(nèi)的應(yīng)力變化總幅度有較大差異。2)錨板墻結(jié)構(gòu)中錨索應(yīng)力的長期變化特征與普通邊坡治理工程中錨索的應(yīng)力變化走勢(shì)有較大區(qū)別。3)預(yù)應(yīng)力錨固工程屬隱蔽工程，影響錨索預(yù)應(yīng)力損失的因素較多，設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)用時(shí)很難做到完全清楚情況，通過長期大量的工程數(shù)據(jù)積累，可為其他相似的錨索工程做出定量的安全評(píng)估。

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Monitoring and Results Analysis for the Anchor Cable Stress of Prestressed Anchor Sheet-pile Wall

ZHAO Xiang* ，WANG Jieguang，ZHANG Peng，GU Cheng
(College Civil and Architectural Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541000，China)

Based on the practical application of prestressed anchor sheet-pile wall in the expansion project of a certain power plant in Guangxi，this paper analyzes the results of the monitoring on the stress variation in anchor cable and get the following conclusion:1)the stress curve of anchor cable within 2 hours after locking is basically the same，appeared as index changes and slow down after，however，due to the different of the location and locked values，etc，the total amplitude of stress changes in different anchor cable within 2 hours have greater difference.2)long-term variation of the stress in anchor cable in prestressed anchor sheet-pile wall and the trend of stress changes in anchor cable in common Slope engineerings is quite different.3)the prestressed anchor engineering is concealed work，there are many factors that affect prestress loss，it is hard to be entirely clear to situation when designing and practical application，however，through the accumulation of large amounts of engineering data for a long time，in order to provide a quantitative assessment of safety in the similar engineering.

anchor cable stress;prestressed anchor sheet-pile wall;characteristic curve;data analysis

TU43

A

2095-5383(2014)02-0081-04

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2014.02.026

2014-03-10

廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目“巖溶地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治研究”(11-CX-02)

趙翔(1989-)，男(漢族)，江蘇宿遷人，在讀碩士研究生，研究方向:基礎(chǔ)工程與地基處理，通信作者郵箱:zhaoxiang215@163.com。

王杰光(1963-)，男(漢族)，廣西貴港人，教授，博士，研究方向:巖土工程。