預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻支護(hù)多級高填方邊坡監(jiān)測研究與分析

朱彥鵬，魏真紅，楊校輝，朱喬紅

(1.蘭州理工大學(xué)甘肅省土木防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，蘭州 730050)

0 引 言

隨著山區(qū)城市用地的緊張和人們對住房的巨大需求，出現(xiàn)了越來越多的高填方邊坡，由此而來也出現(xiàn)了許多多級高填方邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)[1-3]。但是邊坡土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的作用機(jī)理非常復(fù)雜，相互影響較大，經(jīng)常由于支護(hù)方案選擇的不合理或者現(xiàn)場位移信息化監(jiān)測不夠使得高邊坡支護(hù)工程事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重危害人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此對多級高填方邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入全面的系統(tǒng)性研究就顯得非常必要。

預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻中填土-樁-錨索-擋土板之間的相互協(xié)同工作原理非常復(fù)雜[4]，其研究過程也是一個(gè)系統(tǒng)工程。截止目前，國內(nèi)外研究成果都比較少而且也不成熟。孫書偉[5]等對高路堤預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性和力學(xué)行為進(jìn)行了分析研究。李中國[6]對兩排錨索樁板墻進(jìn)行了分析研究，總結(jié)了填土高度及錨索預(yù)應(yīng)力對支護(hù)樁受力的影響。朱彥鵬[7]等對預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了健康監(jiān)測與分析，指出了支護(hù)初期，邊坡內(nèi)部的應(yīng)力和位移的變化情況，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，邊坡內(nèi)部土體內(nèi)力進(jìn)行重新分布和調(diào)整，二者變化趨于平穩(wěn)。孫書偉[5]、周勇[8]等對邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及邊坡的變形情況進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，指出坡體的變形對支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響非常顯著，而且支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形大部分屬于被動變形，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的程度相較于支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化程度較低。李京榜[9]、朱彥鵬[10]對某二級高邊坡健康監(jiān)測研究與分析中指出了二級邊坡在支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工和運(yùn)營階段的一些變化規(guī)律。富海鷹[11]通過對錨拉式樁板墻中的土壓力、樁身彎矩、錨索內(nèi)力和沉降的變化特點(diǎn)進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測和分析。但將預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻支護(hù)結(jié)構(gòu)用于多級高填方邊坡工程的研究在研究報(bào)告中還不太常見。這就嚴(yán)重的制約了預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻支護(hù)結(jié)構(gòu)加固多級高邊坡的發(fā)展。所以深入、系統(tǒng)的開展預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻支護(hù)結(jié)構(gòu)加固多級高填方邊坡的研究對多級高填方邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展和完善具有非常重要的工程指導(dǎo)意義。

本文依托實(shí)際高填方邊坡支護(hù)工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備和遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)對該邊坡的變形情況和支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，然后對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，總結(jié)出一些對多級高邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工和設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值的結(jié)論和建議。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)情況

該邊坡施工場地位于蘭州市城關(guān)區(qū)，總長度約800 m，且地形復(fù)雜，坡度較陡，坡高最高處約為36 m，最低處約為21 m。邊坡在西北側(cè)較高，邊坡頂標(biāo)高為1 582.76 m，邊坡標(biāo)高為1 548.60 m；東南側(cè)稍低，坡頂標(biāo)高為1 575.80 m，坡底標(biāo)高為1 533.00 m。黃土埋深厚度為32.1～50.70 m，層面標(biāo)高1 584.30～1 599.85 m。根據(jù)地質(zhì)勘查情況工程場地內(nèi)土層地質(zhì)情況為：表層1～2 m為人工堆積的松散填土。2～30 m為馬蘭黃土，30 m以下為紫紅色紅砂巖。該項(xiàng)目為蘭州市城關(guān)區(qū)白道坪石溝不穩(wěn)定斜坡支護(hù)工程，為多級高填方邊坡，分三級支護(hù)，按設(shè)計(jì)坡率進(jìn)行坡面清理，每級間有2 m的挖方平臺及平臺排水槽。第一級邊坡采用預(yù)應(yīng)力樁板墻垂直支護(hù)，高12 m，第二級邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索格構(gòu)梁支護(hù)，坡率為1∶0.7。第三級邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨托板支護(hù)，坡率為1∶0.7，高12 m。錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值為250 kN，預(yù)應(yīng)力錨托板承載力設(shè)計(jì)值170 kN。選取最典型的高填方區(qū)斷面布設(shè)監(jiān)測設(shè)備，該監(jiān)測為永久監(jiān)測，采用無線傳輸。支護(hù)前和樁板墻施工完成時(shí)現(xiàn)場情況如圖1、2所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)和典型工程地質(zhì)剖面見圖3和圖4。

圖2 一級樁板墻施工完成圖

圖3 預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

圖4 典型位置工程地質(zhì)剖面圖

1.2 水文地質(zhì)條件

邊坡所在區(qū)域地處黃河北岸高階地，場地地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水。分布于白堊系砂巖頂面與第四系粉土、卵石底面之間。賦存于卵石、砂巖的孔隙裂隙中，無統(tǒng)一潛水面。本工程位于透水但不含水的粉土地區(qū)，只有在降雨比較集中的季節(jié)會有少量的水流在溝谷地形平緩或低洼處富集，且含水層厚度小，一般1～2 m左右。本工程在支護(hù)高度內(nèi)無地下水。

2 監(jiān)測設(shè)計(jì)

根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和實(shí)際的現(xiàn)場情況，將各類監(jiān)測儀器埋設(shè)于邊坡的主滑動面及其附近部分位置。結(jié)合該工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，確定好傳感器在支護(hù)結(jié)構(gòu)的布置位置。本次支護(hù)工程中監(jiān)測內(nèi)容如下(本次監(jiān)測儀器均采用長沙金碼的監(jiān)測儀器，具體型號分類列出)：

(1)采用(JMDL-3210A型)單點(diǎn)位移計(jì)測試支護(hù)樁在推力作用下的樁身位移，單點(diǎn)位移計(jì)布置在樁板墻頂部。

(2)采用鋼筋應(yīng)力計(jì)(JMZX-422A型)來監(jiān)測支護(hù)樁的受力情況，鋼筋應(yīng)力計(jì)對稱焊接在支護(hù)樁的擋土側(cè)和臨空側(cè)，具體的監(jiān)測位置和監(jiān)測儀器的布置見圖5。測試過程中鋼筋應(yīng)力傳感器布設(shè)在抗滑樁的主筋上，兩端與主筋焊接連接，為防止焊接時(shí)損壞監(jiān)測儀器，焊接時(shí)靠近儀器一側(cè)用濕抹布包裹，防止焊接過程中溫度過高而燒壞儀器，影響監(jiān)測效果。

圖5 鋼筋計(jì)布置圖

(3)錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測：在錨索錨具安裝過程中，將錨索測力計(jì)(JMZX-3104HAT型)置于錨具和錨墊板之間，監(jiān)測錨索張拉鎖定后預(yù)應(yīng)力損失情況及后期預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律。具體儀器安裝方法見圖6。

圖6 錨索計(jì)安裝詳圖

3 監(jiān)測分析

此次邊坡監(jiān)測試驗(yàn)建立一套遠(yuǎn)程無線自動化健康監(jiān)測系統(tǒng)，便于對邊坡運(yùn)營階段穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。經(jīng)過調(diào)試，該系統(tǒng)開始數(shù)據(jù)自動化監(jiān)測采集。

3.1 位移觀測結(jié)果

由于預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻屬于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所以與填土之間的內(nèi)摩擦力較大，簡而言之就是和填土之間的黏結(jié)性能比較好即二者在變形時(shí)協(xié)同工作性能良好，因此支護(hù)樁樁頂位移即反映了該位置處邊坡坡面位移。該試驗(yàn)采用(JMDL-3210A型)單點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測樁板墻的水平位移，該位移計(jì)主要由位移傳感器、拉桿及錨頭組成。錨頭錨固到穩(wěn)定土層(本工程為紅砂巖)，位移計(jì)本體錨固到支護(hù)樁頂部的冠梁表面。當(dāng)錨頭和位移計(jì)本體發(fā)生相對變化時(shí)，傳感器的螺管線圈與測桿之間發(fā)生相對位移，輸出信號，接收裝置獲取變化讀數(shù)。在位移計(jì)安裝過程中，一般設(shè)定5 cm作為測桿與線圈之間的相對位移作為位移計(jì)的變化初始值。1～6號位移計(jì)在樁頂沿長度方向布置。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，3號位置(圖7藍(lán)色曲線)位移從28 mm急劇減小為15 mm，主要是因?yàn)樵摃r(shí)期處于錨索初次張拉階段，固定在樁頂冠梁位置位移計(jì)本體在錨索張拉時(shí)錨固端向邊坡方向回縮變形，導(dǎo)致位移急劇減小。在張拉結(jié)束的一周內(nèi)，預(yù)應(yīng)力力損失較大，產(chǎn)生應(yīng)力松弛，使得位移快速增長； 在之后的70 d內(nèi)邊坡處于卸荷階段(圖7豎向紅線)，各位置處的位移緩慢增長；兩個(gè)月以后，各監(jiān)測點(diǎn)位移變化逐漸趨于平穩(wěn)，其位移變化速度介于-0.02～0.02 mm/d之間。84 d的時(shí)候5號樁位置出現(xiàn)較明顯的減小，是因?yàn)樯弦患夁吰碌氖┕C(jī)械設(shè)備撤出一級平臺。2號位置位移趨勢相同，但位移量較大，通過調(diào)現(xiàn)場調(diào)查分析了解到該位置是由于超填引起。但由于錨索的存在很好地控制了位移過大。

圖7 不同監(jiān)測點(diǎn)水平位移變化曲線圖

截止本文撰寫之日，1～5號位移計(jì)累計(jì)變化量分別為7、6、4、8、-2 mm；支護(hù)工程施工完成以后，邊坡的位移變化速率最大為0.02～0.03 mm/d范圍內(nèi)波動，但相對較平穩(wěn)。邊坡的最大位移小于10 mm，最大加速度也逐漸平穩(wěn)在0.025 mm/d2左右，邊坡趨于穩(wěn)定(見圖8)。

圖8 樁頂位移加速度變化曲線圖

該試驗(yàn)采用鋼筋計(jì)對支護(hù)樁樁身內(nèi)力變化進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見圖9和圖10。由數(shù)據(jù)顯示，各點(diǎn)鋼筋計(jì)應(yīng)力變化很好地顯示了樁身的受力情況。支護(hù)初期變化比平緩，但隨著后期填土高度的增加，土壓力的增大，支護(hù)樁擋土側(cè)鋼筋拉力也逐漸增長，而且隨著填土的增高，支護(hù)樁受拉側(cè)縱筋的受力也越加明顯(見圖9 G2)。監(jiān)測點(diǎn)G3正好位于反彎點(diǎn)位置，所以該點(diǎn)鋼筋既不受拉也不受壓，也不受填土高度的變化而變化。G1是嵌固段監(jiān)測點(diǎn)，從監(jiān)測曲線可以看出，地面以下樁身鋼筋均受壓，究其原因是因?yàn)橹ёo(hù)樁嵌固段臨空側(cè)和擋土側(cè)均有土壓力，區(qū)別于支護(hù)樁地面以上部分受填土壓力和錨索拉力影響較顯著。而且由于樁周所受負(fù)摩阻力，所以G1位置支護(hù)樁受壓，且變化較小。所以綜合G1點(diǎn)監(jiān)測曲線可知，樁自身重力和周圍土體對嵌固段的負(fù)摩阻力[12]和有關(guān)，與上部填土和錨索的影響較小。G4、G5監(jiān)測點(diǎn)位置處支護(hù)樁樁身鋼筋受拉，且隨著填土高度增加，受拉程度也變得越來越大，但由于G4、G5總體靠近支護(hù)樁樁頂位置，所以側(cè)向土壓力整體小于下部G2監(jiān)測點(diǎn)所受土壓力的影響，曲線的變化也沒有G2曲線那樣明顯。支護(hù)樁臨空側(cè)鋼筋應(yīng)力變化如圖10。整體也分受拉區(qū)，反彎點(diǎn)，受壓區(qū)，且各個(gè)部分的變化趨勢和擋土側(cè)相似，這兒不再贅述。總體而言臨空側(cè)的鋼筋所受鋼筋應(yīng)力小于擋土側(cè)，這表明樁身截面在受樁后填土壓力時(shí)，樁身截面的中性點(diǎn)并沒有嚴(yán)格經(jīng)過樁身截面形心位置。圖11為支護(hù)樁身截面所受彎矩分布曲線。樁身彎矩由鋼筋應(yīng)力值根據(jù)公式(1)進(jìn)行推算。

圖9 擋土側(cè)鋼筋計(jì)應(yīng)力變化曲線圖

圖10 臨空側(cè)鋼筋計(jì)應(yīng)力變化曲線圖

圖11 支護(hù)樁樁身彎矩變化曲線

M=W(σ1-σ2)

(1)

式中：M為樁身彎矩；W為樁的彎曲截面系數(shù)，m2；σ1為擋土側(cè)壓力；σ2為臨空側(cè)土壓力。

由圖11可以看出，填筑初期50 d內(nèi)，受樁后填土作用和錨索拉力等的影響，樁身彎矩明顯增大，50 d以后增加趨勢小幅放緩。隨著錨索和邊坡巖土體內(nèi)部進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整，當(dāng)應(yīng)力調(diào)整完成以后，錨索受力區(qū)域平衡，但固結(jié)沉降仍在進(jìn)行，使得樁身彎矩顯著增大，由于錨索應(yīng)力調(diào)整已經(jīng)完成，巖土體裂隙在應(yīng)力調(diào)整過程中已經(jīng)完成重新排布，所以樁身應(yīng)力這次增大趨勢雖然顯著，但持續(xù)時(shí)間較短，大概25 d左右。而后因?yàn)殄^索應(yīng)力松弛、錨墊板損壞和夾具造成預(yù)應(yīng)力的損失，使得樁身彎矩出現(xiàn)了回彈，出現(xiàn)了小幅變小。而后逐漸趨于穩(wěn)定，形成穩(wěn)定的樁身彎矩曲線。

3.2 錨索預(yù)應(yīng)力的監(jiān)測分析

本次支護(hù)工程中，預(yù)應(yīng)力錨索錨的鎖定值為220～250 kN(不同剖面略有不同)，分兩級進(jìn)行張拉鎖定。錨索張拉應(yīng)在注漿體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的85%后進(jìn)行，即至少在注漿完成20 d以后進(jìn)行。錨索鎖定之后，混凝土樁板墻變形、填土的變形，注漿體強(qiáng)度、錨具、錨索的松弛等因素的共同影響，鎖定值會有一個(gè)明顯的減小過程(圖12中豎線a與b之間)；待逐漸穩(wěn)定后進(jìn)行二次張拉(圖12中豎線b與c之間)。在二次張拉之后，因?yàn)殄^索的持續(xù)預(yù)應(yīng)力的持續(xù)損失，會有小幅度的減小。但隨著加固完成后邊坡土體內(nèi)部應(yīng)力會有一個(gè)自行調(diào)整的過程，錨索的預(yù)應(yīng)力會出現(xiàn)小幅度升降波動，當(dāng)然邊坡頂部的施工活動也會有一定影響，但影響程度有限，最后整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)邊坡有滑動趨勢時(shí)，錨索的預(yù)應(yīng)力才會出現(xiàn)較大幅度的上升，這時(shí)就應(yīng)該增加觀測頻率，以便做出預(yù)警，及時(shí)查明變形原因。穩(wěn)定后錨索預(yù)應(yīng)力為230 kN左右，鎖定后超發(fā)揮率為15%，達(dá)到設(shè)計(jì)荷載的92%，因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力錨索受施工工人的技術(shù)水平、施工現(xiàn)場環(huán)境制約和制造工藝的優(yōu)劣，一般會留18%作為安全儲備，以保障高邊坡在后續(xù)使用工程中的安全。通過本次對預(yù)應(yīng)力錨索的現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)從預(yù)應(yīng)力的施加到最后鎖定成為預(yù)應(yīng)力的過程中，預(yù)應(yīng)力的變化大致經(jīng)歷了如下3個(gè)階段。

圖12 錨索預(yù)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

第一階段為施加的預(yù)應(yīng)力加速損失階段。該階段的持續(xù)時(shí)間一般為兩周，在這個(gè)階段內(nèi)預(yù)應(yīng)力的損失最大。究其原因，第一個(gè)原因是該邊坡為填方邊坡，壓實(shí)系數(shù)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)度較低。第二個(gè)原因是在該邊坡土體內(nèi)部存在孔洞，土體宏觀骨架會發(fā)生變化。第三個(gè)原因是鋼絞線的應(yīng)力松弛。同時(shí)從錨具的變化情況來看錨具的質(zhì)量和施工情況也是造成本次試驗(yàn)預(yù)應(yīng)力損失的一個(gè)重要因素。

第二個(gè)階段為預(yù)應(yīng)力的平穩(wěn)上升階段。該階段預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)小幅波動，整體趨勢平緩上升，這種趨勢大概會持續(xù)3個(gè)月左右(豎線d位置)。主要是該階段錨索的錨固段與邊坡土體內(nèi)部的應(yīng)力會重新進(jìn)行分布，同時(shí)巖土體內(nèi)部的宏觀骨架自身也會進(jìn)行一定的調(diào)整，但總體而言，巖土體內(nèi)部逐漸調(diào)整完畢，錨索開始更好的受力，開始發(fā)揮支護(hù)效果。雖然上部人們的活動會使得錨索的受力出現(xiàn)了小范圍的波動變化，但整體趨勢放緩。

第三階段為預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定工作階段。這個(gè)階段錨索的錨固段與邊坡內(nèi)部的土體進(jìn)行各自的調(diào)整之后，已基本成型，趨于平衡，開始發(fā)揮效果，并達(dá)到相對平衡的狀態(tài)。該階段的預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)了緩慢增長趨勢(圖12中豎線d之后)，究其原因是受到周圍環(huán)境的影響(二級邊坡繼續(xù)施工)一級邊坡內(nèi)部受到較小的擾動，最主要的原因是填土內(nèi)部的工后沉降還在繼續(xù)，導(dǎo)致錨索錨固體周圍土體的圍壓增大，受力增強(qiáng)。當(dāng)然這也從側(cè)面說明了這種支護(hù)結(jié)構(gòu)用在高邊坡的加固中是比較好的。

4 結(jié) 語

(1)高填方邊坡支護(hù)工程中的自動化健康監(jiān)測系統(tǒng)不僅能在前期起到良好的預(yù)警作用，而且在后期的運(yùn)營階段中也非常重要。更重要的是可以為以后高邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的深入、系統(tǒng)的研究提供大量翔實(shí)的原始數(shù)據(jù)，為高邊坡加固的研究打下良好的基礎(chǔ)。

(2)邊坡坡面位移在監(jiān)測初期受錨索張拉影響較大，后期逐漸趨于平穩(wěn)；邊坡支護(hù)結(jié)束以后最大位移變化速率介于-0.02～0.02 mm/d之間，小于0.5 mm/d，監(jiān)測點(diǎn)最大累計(jì)變化最大為8 mm，最大加速度為0.025 mm/d2，該邊坡支護(hù)完成以后滑動趨勢不明顯，表明預(yù)應(yīng)力錨索在高填方支護(hù)結(jié)構(gòu)中作用效果顯著。

(3)通過對支護(hù)樁鋼筋計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知支護(hù)樁在預(yù)應(yīng)力錨索和邊坡土體推力的共同作用下存在受拉區(qū)、受壓區(qū)和既不受拉也不受壓的中性區(qū)。嵌固段因其受到負(fù)摩阻力的影響為純受壓區(qū)，在嵌固段上部受拉受壓具體表現(xiàn)在正負(fù)彎矩交替出現(xiàn)。填筑初期彎矩變化幅度較小，在錨索和邊坡土體之間應(yīng)力調(diào)整之后，樁身彎矩變化較明顯，但持續(xù)時(shí)間較短，之后趨于穩(wěn)定。

(4)通過對錨索的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)錨索的預(yù)應(yīng)力在初次張拉完成后的20 d內(nèi)預(yù)應(yīng)力存在一個(gè)明顯的增長期，之后大概一周之內(nèi)由于預(yù)應(yīng)松弛和錨索周圍土體應(yīng)力重分布，預(yù)應(yīng)力大約損失15%，經(jīng)過二次張拉以后，錨索預(yù)應(yīng)力雖有小幅波動，但整體開始穩(wěn)定。錨索工作階段整體可以分為3個(gè)，預(yù)應(yīng)力加速損失階段、預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定上升階段和預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定工作階段。