岩石边坡预应力锚索锚固力的试验研究

陶明星,曹国福,和再良

(上海勘测设计研究院,上海 200434)

1 前 言

预应力锚索作为一种主动受力结构,能够合理利用岩体的自身强度和自稳能力,调整岩体的应力状态,从而控制岩体变形,达到加固边坡的目的。预应力锚索具有强度高、自重轻、工期短、造价低及施工方便等优点,是一种高效的加固措施,在边坡加固工程中得到了广泛的应用。鉴于岩土工程本身的复杂性,目前使用预应力锚索进行边坡加固的设计方法、计算理论还不十分完善,且预应力锚索的加固效果受施工因素影响较大,存在很大的不确定性,因此有必要在施工过程中选择一定数量的锚索进行跟踪测试,以了解边坡加固效果,验证设计,指导施工。

本文结合云南弄另水电站厂房后边坡加固工程的安全监测工作,对部分预应力锚索进行试验研究,重点探讨在张拉、锁定及运行过程中锚固力的变化规律及影响因素,为类似工程积累经验。

2 工程概况及试验方法

2.1 工程概况

云南弄另水电站位于云南省德宏州的龙江干流上,电站装机容量 180MW,为大(2)型Ⅱ等工程。发电厂房后人工岩石边坡高约 116m,边坡开挖过程中使用锚杆和锚筋桩进行了支护,但随着厂房基坑开挖,边坡位移呈逐渐增大趋势,测斜数据显示边坡深层岩体有相互错动现象。根据观测数据及补充勘察资料分析,认为该边坡不满足稳定要求,存在深层滑动的可能,需要进行深层支护。

设计采用预应力锚索作为深层支护措施,在厂房后边坡布置预应力锚索 5排共 56根,锚索长度分35、45、50m三种,设计张拉力为 3000kN,超张拉荷载 3300kN。边坡开挖及锚索布置剖面见图1。

预应力锚索为压力分散型锚索,锚索所用的锚夹具、承载板等为柳州欧维姆机械股份有限公司生产的 OVM 15A-19系列产品,千斤顶、钢绞线等亦为该公司生产。每根锚索体由 19束 d15.2高强度、低松弛无粘结钢绞线组成。

图1 边坡开挖及锚索布置剖面示意(m)

厂房后边坡预应力锚索加固工程于 2007年 3月开始施工,至 2007年 6月底全部锚索张拉完成,历时约 4个月。锚索的施工顺序为:先依次施工高程 916.00m、919.00m、931.00m、945.00m4排锚索,最后施工高程 905.00m的 1排锚索。为了解边坡加固效果及边坡的长期稳定性,在 945.00m、931.00m、919.00m、905.00m高程的 4排锚中各选择 1根作长期观测,4根观测锚索的编号分别为DP1～ DP4。

2.2 地质条件

弄另电站厂房区处于一岩石斜坡上,坡顶高程1069.0m,地面自然坡度 35°～45°,斜坡上除发育两条极小冲沟外,无滑坡、崩塌等不良地质现象,在自然状态下较为稳定。厂房建基面高程 870.3m,厂房基坑开挖后,在厂房后将形成一高边坡。平硐揭示,边坡全～弱风化基岩中节理及软弱结构面较发育,其结构面组合具备楔形体滑移边界条件。边坡开挖后,坡体内应力重分布,平行于坡面的应力增大,可导致结构面贯通连续形成滑坡。因此需要结合边坡的抗滑稳定验算结果,采取锚固及支挡措施。

2.3 试验方法

试验采用在预应力锚索上安装测力计的方法进行,所用测力计为基康仪器(北京)有限公司生产的 BGK 4900振弦式锚索测力计。测力计为高强度的合金钢圆筒,沿筒边均匀布置 6个高精度弦式传感器,可以测量作用在锚索上的总荷载,通过每只传感器,还可以测量偏心荷载,筒内另外设置了热敏温度计用于测量测力计及现场环境温度。测力计综合精度为 ±0.5%F·S,年漂移小于或等于 0.5%F·S。安装时使测力计与锚索同轴,并保证测力计安装基面与锚孔垂直,在测力计下方放置钢垫板,使测力计均匀受力。锚索测力计的安装方法见图2。

图2 锚索测力计安装示意

安装前对每只锚索测力计都进行了现场率定。分别采用厂家给出的多项式法和直线公式法对锚固荷载进行计算,对比发现用多项式法计算的结果与率定荷载更为接近,因此在后期观测数据处理中均采用多项式法计算锚固荷载,并根据现场率定成果对部分厂家提供的多项式系数进行了修正。多项式法的计算公式为:

式中 F——锚固荷载,kN;

A、B、C——多项式系数 ;

R1——测力计频率模数平均值,H2z/1000;

K——温度率定系数,kN/℃;

T0——率定温度,℃;

T1——测试温度,℃。

3 试验成果及分析

3.1 试验成果

根据施工安排,4根观测锚索的施工顺序为DP3→DP2→DP1→DP4,张拉完成时间分别为 2007年 4月 26日、5月 24日 、6月 8日、6月 14日。

图3～6分别为锚索测力计 DP1～DP4安装完成 6个月内锚索锚固力随时间的变化曲线,图中时间年份均为 2007年,温度是测力计安装位置的测试温度。

图3 DP1锚固力变化曲线

图4 DP2锚固力变化曲线

图5 DP3锚固力变化曲线

图7是 DP1～DP3在施工完成后 30天内,锚固力随时间的变化曲线,图中时间轴上的点 A代表锁定时刻,对应的锚固力数值为锁定荷载。DP4的曲线与 DP3基本一致,图中未示出。

3.2 锚固力的变化规律

从图3～6可以看出,4只测力计经历了夏、秋、冬三个季节,温度测值变化较大,但锚固力测值相对平稳,说明锚固力变化与测力计温度变化的关联度不大。原因是测力计安装在锚索外侧端头,其测试温度基本与气温相近,随气候变化较大,而锚索体的主要部分深埋在岩体中,相关观测资料显示本边坡深层岩体温度基本稳定,因此锚固力未表现出随外界温度的大幅波动。

图6 DP4锚固力变化曲线

图7 张拉完成 30天内锚固力变化曲线

结合图 3～7可以发现,在张拉、锁定及运行过程中,4根锚索锚固力变化趋势基本一致,锚固力的变化过程大致可分为 3个阶段:

(1)锁定时锚固力迅速下降阶段。本阶段随着千斤顶的卸载,锚索张拉力向工作夹片与钢绞线间的摩擦力及挤压力转化,锚夹具发生变形导致锚固力损失,同时锚索张拉端产生回缩。

(2)张拉完成 30天内缓慢下降阶段。本阶段锚固力损失的原因主要为岩体及锚索内部应力调整,产生岩体压缩、钢绞线应力松弛所致。

(3)张拉完成 30天以后的基本稳定阶段。岩体及锚索应力调整完成,重新达到平衡。

另外,4根锚索在锁定后锚固力测值变化基本平稳,未出现文献[3]中总结的“波动变化阶段”,原因是锚索施工时厂房施工爆破已完成,且锚索深埋于温度基本稳定的山体中,即基本不存在文献[3]中提及的引起锚固力波动变化的外界因素。

3.3 锚固力损失的统计分析

为考察预应力锚索锚固力在不同时段内的定量变化,对4根锚索施工完成后 180天内部分特征时间的锚固力及相应损失率进行了统计,统计结果见表1。

表1 锚固力及相应预应力损失率统计

从表1可见,锚索施工完成 180天后,锚固力平均总损失量占平均最大张拉荷载的 17.9%。锚固力在锁定时即前述的第(1)段损失较大,平均损失率约占 180天总损失率的 2/3。锚固力在锁定时的损失主要由锚夹具变形及夹片与钢绞线间发生滑移引起,可以通过超张拉来弥补;但超张拉是以提高锚索设计承载力为代价的,超张拉部分的承载力只在张拉锁定时起作用,如果超张拉值增大,则锚索的设计承载力也要相应加大,是不经济的,因而努力减少锁定损失才是更合理的途径。可见,选择优质的锚夹具及施工工艺对减少预应力损失至关重要。

在本工程预应力锚索施工过程中,当依次完成DP3、DP2、DP1的张拉锁定后,发现 3根锚索的锁定荷载依次减小而损失率依次增大,施工至 DP1时,锁定荷载已不能满足不低于设计值 90%的要求,补张拉效果亦不理想。经检查发现,由于连续进行了40多根锚索的施工作业,锚索施工机具未进行定期检验、率定和保养,产生了油泵出力不足、压力表读数偏差增大、张拉端回缩量偏大等不良现象。随后对千斤顶、压力表等进行了重新率定和保养,更换了油泵等,在施工 DP4时,锁定效果得到了明显改善。

4 边坡加固效果

图8 测点水平位移过程线

图9 测点垂直位移过程线

图8、9分别为 2006年 10月～2007年 6月厂房后边坡部分变形观测点 TR2、TR5、TR10的水平位移及垂直位移过程线。从图8、9的边坡变形观测数据可以看出,2007年 5月,随着厂房后边坡大部分预应力锚索张拉完成,边坡变形得到了有效控制,各观测点的水平、垂直位移曲线都呈收敛趋势。

锚索施工完成以后 6个月的锚固力测试表明,4根观测锚索的长期锚固力都小于设计值 3000kN,锚固力损失量较大,6个月总损失量约占最大张拉荷载的 18%;锚固力损失主要产生在锁定时及最初的一个月内,后期基本稳定,未出现大幅度降低或长期衰减不止的现象。边坡变形观测数据显示,2007年 6月以后,厂房后边坡已基本稳定,表明预应力锚索加固达到了预期效果。

5 结 语

(1)岩石边坡预应力锚索锚固力变化可分为3个阶段,即锁定时锚固力迅速下降阶段、张拉完成30天内缓慢下降阶段和张拉完成 30天以后的基本稳定阶段。

(2)岩石边坡预应力锚索预应力在锁定时损失较大,努力减少锁定时的预应力损失对控制锚索最大张拉荷载、降低承载力浪费、节约工程费用具有重要意义。

(3)预应力锚索的加固效果受施工因素影响较大,施工中应对施工机具进行定期检验和率定,严格控制施工质量。其对边坡的加固效果应结合边坡位移观测数据综合加以分析。

[1]中华人民共和国电力行业标准 .DL/T5176-2003《水电工程预应力锚固设计规范》[S].北京:中华人民共和国国家经济贸易委员会,2003.

[2]杜斌,李勇,孔思丽.预应力锚索抗滑桩中锚索预应力损失的试验研究[J].岩土工程界,2006,9(1):74-76.

[3]张发明,赵维炳,刘宁.预应力锚索锚固荷载的变化规律及预测模型[J].岩石力学与工程学报,2004,23(1):39-43.

[4]唐孟雄.基坑工程预应力锚索锚固力试验研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(6):1158-1163.

[5]申庆成,陈新,李国正,等.边坡危岩治理中对锚索预应力损失的试验研究[J].云南水力发电,2006,22(5):9-11.

[6]张发明,刘宁,陈祖煜,等.影响大吨位预应力长锚索锚固力损失的因素分析[J].岩土力学,2003,24(2):194-197.

[7]郑启强,饶法强 .压力分散型锚索在高边坡加固中的施工控制[J].四川建材,2007(4):188-190.