浅析观音阁水库碾压混凝土原位抗剪试验的实施方案

杨春旗

(辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003)

观音阁水库为大型碾压混凝土坝结构，为了使工程质量得到保障，建设方要求不仅对混凝土抗压性能做出检测，还要检测混凝土的抗剪性能。碾压混凝土层面结合的优劣性能直接影响碾压混凝土的质量，因此有必要现场进行碾压混凝土的原位抗剪试验。碾压混凝土原位抗剪试验是一项综合性较强的试验，操作步骤复杂。试验装置主要由竖向加载系统、剪切系统、锚杆反力系统组成。目前普遍应用在试验中的竖向荷载加载方法有压重法和锚杆法。

压重法需要不断的重复运输和吊装，存在安装时间长、安全性能低、稳定性差等缺点。锚杆法多由直径较小的钢筋或锚筋制成锚杆，打孔后往孔中注入一定量的锚固剂，再插入钢筋，并沿同一个方向旋转，使锚固剂很好地包裹杆体，形成握裹力，由于锚固剂需要一定的凝结时间，待强度达到要求时才可以使用，因此从锚杆埋设完毕到投入使用需时间较长，且锚固后的锚杆残留在锚固体中，不便回收，影响后续施工。由于碾压混凝土原位抗剪试验需在工程现场进行，环境多变，传统的压重法和锚杆法都有很大的局限性，实施困难。

1 实施方案

为突破传统方法的局限性，在观音阁水库碾压混凝土抗剪试验过程中采用一种碾压混凝土原位抗剪试验的锚固反力装置。本装置施工方便、破坏性小、锚固力强，拆卸方便，可反复使用，且节省试验材料，降低成本，缩短试验周期。此装置包括锚杆反力机构、竖向加载机构和剪切机构。

锚杆反力机构，包括第一膨胀锚杆、第二膨胀锚杆、第三膨胀锚杆、第四膨胀锚杆、第一次梁、第二次梁和主梁。

第一膨胀锚杆机构，包括螺杆、固定螺帽、上胀塞、瓣状套管、开口式箍环、下胀塞、第一支撑杆和活动螺帽。

螺杆的上下端分别有外螺纹，中间为无螺纹段。固定螺帽为普通六角螺母，该螺帽与螺杆焊接固定；上胀塞下端为圆锥形体，其中心为无螺纹孔；下胀塞为圆锥形体，其中心孔有内螺纹。瓣状套管由沿圆周方向分布的三个弧形瓣件对接构成，弧形瓣件两端对应瓣状套管轴线的夹角为120°。瓣状套管的上、下端分别与上胀塞和下胀塞接触，瓣状套管上端的三个弧形瓣件的内径与上胀塞的锥形体部分的外径相匹配，瓣状套管下端的三个弧形瓣件的内径与下胀塞外径相匹配，这样保证了上下锥形胀塞能够嵌入瓣状套管内部。瓣状套管外壁上有二道环形凹槽。二道环形凹槽内分别套装有开口式箍环，其作用是使瓣状套管在膨胀时箍紧，在收缩时放松，从而保证整个螺杆和第一膨胀锚杆机构胀缩自如，拆卸方便。

固定螺帽、上胀塞、瓣状套管和下胀塞由上至下依次套装在螺杆上。其中，固定螺帽固定在螺杆的上端有外螺纹段底部。上胀塞和瓣状套管位于螺杆的无螺纹段，上胀塞的锥形体插入瓣状套管的上端开口内。下胀塞旋设在螺杆的下端有外螺纹段，且下胀塞插入瓣状套管的下端开口内。

第一支撑杆的下端中心孔内有内螺纹，螺杆的上端以外螺纹与第一支撑杆下端连接。

第二膨胀锚杆、第三膨胀锚杆和第四膨胀锚杆在结构上与第一膨胀锚杆相同。

第一膨胀锚杆和第二膨胀锚杆竖直设置，第一膨胀锚杆的第一支撑杆和第二膨胀锚杆的第二支撑杆的上端分别穿过第一次梁的两端并与活动螺帽连接。第二次梁与第一次梁平行设置。第三膨胀锚杆和第四膨胀锚杆竖直设置。第三膨胀锚杆的第三支撑杆和第四膨胀锚杆的第四支撑杆分别穿过第二次梁的两端并与活动螺帽连接。主梁横向设置，其两端分别与第一次梁和第二次梁垂直固定连接。

竖向加载机构包括横向滚轴排、竖向千斤顶和水平钢垫板。横向滚轴排抵顶在主梁的下端面上。横向滚轴排设置在竖向千斤顶上，竖向千斤顶设置在水平钢垫板上。

剪切机构包括第一垂直钢垫板、剪切向千斤顶、传力块和第二垂直钢垫板。第一垂直钢垫板和第二垂直钢垫板竖直设置，剪切向千斤顶抵顶在第一垂直钢垫板上，传力块左端抵顶在剪切向千斤顶的底座上，传力块右端抵顶在第二垂直钢垫板上。

膨胀锚杆示意图如图1所示，瓣状套管示意图如图2所示。

图1 膨胀锚杆示意图

图2 瓣状套管示意图

使用中，用钻机在试验构件上打好四个锚固孔，将四个膨胀锚杆分别插入四个锚固孔中，旋紧固定螺帽，螺杆跟着一起旋转，下胀塞随着螺纹逐渐旋紧，使得上下两个胀塞的锥形部分同时插入由三个弧形瓣件组合成的套管中，三个弧形瓣件随即向外张开，两个开口式箍环也随着三个弧形瓣件组合成的套管向外扩张，由于套管膨胀形成摩擦握裹力，达到锚固效果。

试验中通常用4个膨胀锚杆连接的4个支撑杆，4个膨胀锚杆通过上端螺杆分别与4个支撑杆相连接，其中二个支撑杆之间架设第一次梁，另外二个支撑杆间架设第二次梁，用活动螺帽固定次梁；在二个次梁的中间架设主梁，主梁下部依次安装横向滚轴排，竖向千斤顶，水平钢垫板。整个竖向加载机构所有部件需安装在同一轴线上，与预定剪切面相垂直。其次是安装剪切机构，安装顺序为垂直钢垫板，剪切向千斤顶，传力块，垂直钢垫板，剪切系统应严格定位，中心线要平行于预定剪切面。锚固反力装置安装完毕后即可缓慢施加荷载开展试验。具体实施方案如图3所示。

2 选用该方案的优势

(1)膨胀锚杆与传统锚杆相比，其原理是依靠锚杆膨胀产生的摩擦力达到锚固效果。本文中的膨胀锚杆，当旋紧固定螺帽时，受上下胀塞挤压作用，使三个弧形瓣件组成的套管外壁始终能保持与螺杆平行，产生的摩擦阻力更大更均匀，因此锚固力更强。通过拉拔试验，膨胀锚杆可提供大于10kN的锚固力。

(2)施工方便，破坏性小，由于锚固力更强，打孔无需像传统锚杆一样打得很深，埋设时也无需注入锚固剂，节省施工时间。

图3 抗剪试验实施方案示意图

(3)膨胀锚杆与支撑杆靠螺纹连接固定，支撑杆采用直径较粗的钢管代替传统的钢筋和锚筋，具有更好的稳定性和刚性。支撑杆与次梁，次梁与主梁之间也通过螺纹来连接和固定，整个反力系统更牢固、稳定，且方便拆卸，可以反复使用，节省试验材料，降低成本，提高工效。

3 结语

在观音阁水库建设中，选用该方案，将设备组装并布置到需试验的混凝土上，按照试验规范要求逐步操作，顺利完成了抗剪试验，试验过程和效果比较理想。采用这种新的方案完成碾压混凝土原位的抗剪试验比传统方案节约时间14d左右。

这种方案的不足在于当碾压混凝土强度较低时，需要将设备埋的较深才能保证试验顺利完成。

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