土質邊坡預應力錨固段應力分布及監測分析

李 斌， 王 程, 鄧樹密

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川成都 610072)

土層預應力錨索在基坑、邊坡工程中有著廣泛的運用。預應力錨索因能充分發揮巖土的自承潛力，調節和提高巖土的自身強度和自穩能力，減輕支護結構的自重，節約工程材料，并能保證施工的安全與穩定[1-2]。但在在錨固體系內部應力 (鋼絞線和砂漿體應力)的監測方面，開展的研究還較少。基于以上因素考慮，通過對錨固體系的內部應力監測，進一步加深對錨固段應力分布的研究，提供一種快速合理的確定錨固段長度的有效手段，并對錨固體系內部應力的長期監測提供一種可靠有效的方法。本文采用現場監測方法對土層錨索進行抗拉拔試驗和監測試驗，探討拉力型預應力錨索的工作機理和性狀。

1 工程實例

成都軌道交通某線網定位為快線干線和機場線，該線某車站大里程接盾構始發區間，小里程端為明挖區間，主體結構為地下二層島式框架結構，采用明挖法施工，采用放坡+土釘墻進行支護，采用地面截排水+坑底積水明排進行降水。車站部分圍護結構采用放坡，放坡均采用錨桿支護，網噴坡面采用φ8@200 mm×200 mm鋼筋網、1∶0.3和1∶0.4噴射100 mm厚C20混凝土，1∶3段噴射120 mm厚C20混凝土，錨桿采用φ25 mm鋼筋，1∶0.3段水平、豎向間距2.5 m，1∶0.4段水平間距為2.5 m、豎向間距為2.5 m，呈網格布置。每級放坡第一道錨桿距離該坡頂平臺0.5 m，同時每級放坡最后一道錨桿距離該坡底不應超過1.0 m，不宜小于0.5 m，兩道錨桿間距不宜小于1.0 m，不應大于2.5 m。基坑開挖現狀見圖1，預應力錨索見圖2，試驗錨索設計參數、地層物理力學指標分別見表1、表2。

圖1 地鐵車站基坑

圖2 現場錨索

2 試驗測試方案

試驗錨索為集中拉力型，采用無粘結雙層保護，試驗錨索為集中拉力型，采用無粘結雙層保護，以提高錨索抗腐蝕能力。錨索張拉段長26 m，內錨固段長11 m，設計噸位為650 kN，超張拉10 %。

2.1 試驗研究內容

(1)張拉過程中內錨頭變位以及內錨固段荷載分布。

(2)錨索鎖定后初期預應力和段荷載分布調整變化規律。

(3)錨索鎖定后初期預應力與內錨固段荷載分布兩者之間的變化關系等。

表1 試驗錨索設計與施工參數

表2 場地錨索所在層土質物理力學指標

2.2 試驗方法

(1)通過鋼尺量測孔口鋼絞線伸長值反推內錨頭變位；內錨固段載荷分布通過內錨段鋼絞線上的應變計測量。

(2)預應力錨索鋼絞線應變的測量是試驗中的重點和難點，這是因為鋼絞線應變值大，從張拉完成后預應力筋一直處于較高的應力水平，應變計長期高應力狀態下的使用壽命尤為重要。

(3)應變計穿入巖體孔中，與混凝土砂漿澆筑在一起，測量環境惡劣，如果應變計的粘貼技術不可靠，防護措施不當，就會造成應變片斷裂、剝離、脫落，引線斷路、絕緣度降低等問題，使應變計失效。應重點解決應變計膠粘劑的選擇、粘貼技術、應變計的防護問題,提高預應力筋大應變測量的成功率。

(4)根據傳統拉力集中型錨索內錨段荷載分布非線性的特點[2-6]，將應變計布置在靠近內錨段起始段約4.5 m軸力變化大的范圍內，另外為了解內錨段的情況也設置了少量測點。內錨段應變計布置具體見圖3。

圖3 預應力錨索應變測點布置示意(單位：cm)

3 試驗結果及分析

3.1 錨索抗拔試驗結果

依據CECS 22:2005《巖土錨桿(索)技術規程》[3]和GB 50497-2009《建筑基坑工程監測技術規范》[4]相關要求對錨索承載力進行評定錨索抗拔試驗。試驗荷載和變形數據見表3。

本次檢測的2根錨桿在試驗加載到最大試驗荷載下所測得的彈性位移量，超過該荷載下桿體自由段長 度理論彈性伸長值的80 %，且小于桿體自由段長度與1/2錨固段長度之和的理論彈性伸長值；在最后一級荷載作用下1～10 min錨桿蠕變量都小于1.0 mm，故都滿足設計要求(圖4、圖5)。

3.2 錨索張拉時錨固段軸力分布分析

錨索采用全長有粘結拉力型結構，荷載傳遞路徑為：有粘結鋼絞線—水泥漿包裹體—巖體。本次兩根試驗錨索軸力曲線通過應變片實測應變，轉化為應力后乘以鋼絞線截面面積可計算得到，具體軸力分布曲線如圖6、圖7所示。

表3 試驗結果匯總

圖4 預應力錨索1-149-15#荷載-位移曲線

圖5 預應力錨索1-169-15#位移-時間曲線

圖6 預應力錨索1-149-15#軸力分布曲線

圖7 預應力錨索1-169-15#軸力分布曲線

從圖6、圖7可以看出，一方面預應力錨索錨固段在張拉過程中，當荷載較小時，錨索軸力主要分布在錨固段的前端。隨著荷載的繼續增大，軸力向錨固段的遠處傳遞，且錨固段軸力整體上表現出反“S”形曲線表現。同時，隨張拉荷載增加，各測試截面軸力均呈增大趨勢，靠近內錨起始段軸力較大，向內錨固段末端迅速衰減，軸力分布呈現嚴重的應力集中和非線性，整體分布形態為指數函數形式。其中內錨固段始端0～10 m范圍內應力高度集中，其后急劇衰減。內錨固段軸力在15 m處基本衰減至零，最大傳遞深度約15 m。荷載較小時，軸力曲線近似呈直線，并且錨固段末端一定范圍軸力幾乎為0，隨著荷載增大，軸力曲線的反“S”形狀逐漸表現出來，同時軸力在錨固段中間區域衰減較快，這說明此范圍內錨固段側摩阻力發揮較好。

3.3 錨索鎖定后初期錨固段軸力變化分析

錨索預應力損傷大小直接影響到錨固效果和邊坡安全。本次監測時間段內，給出錨固段內關鍵位置測點2 m，8 m，10 m和15 m處的軸力變化情況。錨索自鎖定到第4天，錨索錨固段軸力損傷較大，主要是由于鋼絞線松弛、外錨變形、內錨段和錨固巖體等綜合作用導致的，進而引起內錨段載荷變化，并相互作用。具體表現在各測點軸力變化大，整體呈下降趨勢。

從錨索鎖定第4天到第15天，錨索錨固段軸力相對變化較小。主要原因是錨固巖體和錨索內錨固段變形影響，并受環境溫度及大氣降水影響。具體表現在近內錨段起始端測點軸力變化大，持續時間長，且載荷分布明顯出現調整。該階段載荷分布變化規律說明，受巖體或錨固體蠕變和局部變形破壞影響，在個別錨固位置載荷進行了調整，但調整范圍較小，說明錨固情況較好。

圖8 錨索1-149-15#軸力隨時間變化曲線

圖9 錨索1-169-15#軸力隨時間變化曲線

4 結論

(1)預應力錨索在張拉期間，錨索軸力特征為當荷載較小時，錨索軸力主要分布在錨固段的前端。隨著荷載的繼續增大，軸力向錨固段的遠處傳遞，且錨固段軸力整體上表現出反“S”形曲線表現。同時，隨張拉荷載增加，軸力分布呈現嚴重的應力集中和非線性，整體分布形態為指數函數形式。

(2)錨索在內錨固段范圍內應力高度集中，內錨固段軸力末端處基本衰減至零。隨著荷載增大，軸力曲線的反“S”形狀逐漸表現出來，同時軸力在錨固段中間區域衰減較快，這說明此范圍內錨固段側摩阻力發揮較好。

(3)錨索在使用期間軸力變化分為兩個階段：第一階段，通常自鎖定到第4天，錨索錨固段軸力損傷較大，主要是由于鋼絞線松弛、外錨變形、內錨段和錨固巖體等綜合作用導致的，進而引起內錨段載荷變化，并相互作用，錨索各測點軸力變化大，整體呈下降趨勢。第二階段，錨索錨固段軸力相對變化較小。主要原因是錨固巖體和錨索內錨固段變形影響，并受環境溫度及大氣降水影響。

(4)采用應變測試技術對錨索錨固段鋼絞線的應力分布進行監測，精度高，受干擾小反映的數據真實可靠，應變測試技術可作為錨索基試驗等各種試驗中鋼絞線應力分布檢測的一種有效方法。