温度应力下边坡细石混凝土喷层开裂问题实测研究

王沐星，陈志坚

(河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)

喷锚支护在边坡加固及地下工程基坑支护中的应用十分广泛[1-3]，混凝土喷层开裂是十分普遍的、目前仍难以克服的难题，是影响喷锚支护工程耐久性的重要因素之一。很多学者针对这一问题做了许多研究，研究表明影响混凝土开裂的最主要因素是各种变形，这些变形可能是混凝土水化热产生的收缩变形[4-9]、环境温度变化产生的热胀冷缩[10-11]，也可能是荷载增大产生的变形。朱伯芳院士在20世纪90年代提出了非均质弹性徐变体两个基本定理及有限元徐变应力隐式解法，开辟了混凝土温度应力和温度控制的研究领域[12-14]。刘建友[15]对雅袭江锦屏一级水电站地下厂房的下游拱腰处混凝土喷层裂缝展开详细的调查，分析厂房下游拱腰处围岩变形破坏及混凝土喷层开裂剥落的原因并进行数值分析。发现裂缝形成原因是高地应力和偏压作用。李宇杰[16]以北京地铁某区间隧道为研究背景，在衬砌结构已经出现裂缝病害的情况下，使用混凝土弹塑损伤本构模型，通过模拟计算

研究隧道衬砌结构的受力、损伤和承载力状态，给出了衬砌结构主要承受周围土层对隧道结构产生的压应力，格栅钢筋主要承受拉应力的结论。目前对于喷射混凝土裂缝成因的研究集中于隧道以及地下洞室这两种工况下，对于边坡喷锚支护混凝土喷层开裂问题，目前仍少见公开研究报导。因此，本文依托连云港中云台山路堑岩质高边坡喷锚支护工程开展温度应力下边坡细石混凝土喷层开裂问题实测研究。

1 工程概况

中云台山路堑边坡坡面走向52.5°～232.5°，高速公路从一垭口处横穿中云台山山脉，路面标高15～17 m，路左侧山顶标高289.2 m、右侧山顶标高287.7 m，两侧路堑边坡总高度约270 m。其中，左边坡2010年6月开挖完成，人工坡高(即开挖深度)约200 m、总体坡度为42.4°，布置20级台阶，主体台阶坡度为55°、台面宽度为3 m(有3级台阶的宽度为10 m)。岩体发育的结构面主要有4组(图1)，由于边坡高陡，且存在结构面不利组合，为防止掉块产生的落石危害高速公路安全运营，坡面采取了喷锚支护，其中，锚杆为随机锚杆，长度为6 m和8 m，设计抗拔力为60 kN和70 kN，坡面钢筋网采用φ8 mm的圆钢，间距为20 cm×20 cm，混凝土喷层设计厚度10 cm，但由于岩石坚硬、完整性较好以及控制爆破问题，坡面超欠挖问题突出，混凝土喷层厚度差异较大。此外，坡面混凝土喷层顺坡向设置了间距约20 m的施工缝。边坡总体形态及传感器组成见图2。

图1 结构面倾向玫瑰花图Fig.1 Structural plane inclining to rose diagram

2 监测仪器及工作原理

本文根据连云港中云台山开挖深度约200 m的路堑岩质高边坡约10年的钢筋网监测数据，开展细石混凝土喷层开裂问题的分析。其中，坡面钢筋网应变计采用美国基康公司生产的GK4000型表面应变计(图3)，该传感器长150 mm，量程为3 000 με，灵敏度为0.4 με，精度为±0.5% F.S.，非线性<0.5%F.S.，工作温度-20 ℃～80 ℃，可同时观测坡面钢筋网的应变和温度，并根据钢筋的弹性模量，换算坡面钢筋网的应力。埋设方法采用锚固块直接焊接在钢筋上。

根据钢筋应变计的实测模数，按式(1)计算坡面钢筋的微应变：

图2 边坡形态及传感器布置图Fig.2 Slope shape and sensor layout

ε=(R1-R0)×0.391

(1)

式中，R0和R1分别为安装后的钢筋应变计的初始模数和实测模数(digit，即10-3×Hz2)。

根据上述计算得到的钢筋的微应变，按式(2)计算坡面钢筋网的轴力(kN，以拉为正)：

P=ε×E×S

(2)

式中，S为钢筋截面积，钢筋直径为8 mm；E为锚筋模量，取210 GPa。

图3 钢筋应变计示意图Fig.3 Schematic diagram of reinforcement strain gauge

图4 监测数据现场实测Fig.4 Monitoring data field measurement

3 监测数据分析

监测传感器安装埋设随边坡开挖及其喷锚支护施工同步进行，时间为2009年9月7日—2011年8月12日，各传感器安装埋设完成后，即开始数据自动采集。左边坡开挖和喷锚支护完成时间为2010年6月，高速公路于2011年6月23日通车，监测工作持续进行，本文以2018年10月9日—2019年10月9日的监测数据进行分析。

在134平台的坡面上布置坡面钢筋网轴力监测点2个；104平台的坡面上布置坡面钢筋网轴力监测点1个；84平台的坡面上布置坡面钢筋网轴力监测点3个；64平台的坡面上布置坡面钢筋网轴力监测点3个，选取具有代表性的一个监测点进行分析；54平台的坡面上布置坡面钢筋网轴力监测点1个；44平台的坡面上安装埋设坡面钢筋网轴力监测点2个。监测结果见表1，图5和图6。

由图5、图6可知，坡面钢筋网轴力的变化主要受气温变化、降雨入渗产生的地温变化影响。通常情况下，坡面钢筋网轴力也与温度呈现负相关。与锚杆轴力监测点不同的是，坡面钢筋网轴力监测点位于坡面细石混凝土喷层内，受日照辐射影响强烈，监测点位置的温度不仅呈季节性变化，日变幅也较大。相应的，坡面钢筋网轴力也呈现季节性变化和日变化，而且一个降雨过程也会产生显著变化。由于坡面细石混凝土喷层能够起到约束边坡岩体变形的作用，而温度变化也会引起边坡岩体的胀缩变形。故对于岩体变形大的区域(如路堑边坡南侧84～124 m高程平台之间的欠稳定三角体)，坡面钢筋网轴力则与温度呈现正相关，如图6所示。

此外，坡面钢筋网轴力在较大程度上受2018年10月—2019年6月断续性降水和2019年6月上旬—8月下旬的丰水期降水入渗诱发的路堑边坡整体应力松弛调整的影响。受这些因素的综合影响，本年度坡面钢筋网轴力均有不同幅度的变化，且呈现拉压变换现象，变化量在-8.0 kN～+8.0 kN以内。目前所有测点的防护网拉力均呈现平稳状态。

表1 各测点监测期内钢筋网轴力变化Tab.1 Changes of axial force of steel mesh at each monitoring point during the monitoring period

图5 各平台坡面钢筋网轴力变化时程曲线Fig.5 Time-history curve of axial force variation of steel mesh on slope surface of each platform

图6 84平台坡面钢筋网轴力与温度变化时程曲线Fig.6 Time-history curves of axial force and temperature change of steel mesh on 84 platform slope

仅从数值大小看(表1)，坡面钢筋网轴力在8 kN以内变化。但较之锚杆轴力，坡面钢筋网钢筋的截面积更小，φ6 mm钢筋实测1 kN轴力对应的拉应力为35 MPa、φ8 mm钢筋实测1 kN轴力对应拉应力为20 MPa 。由此可见，坡面钢筋网拉应力普遍较大。坡面钢筋网钢筋受力较大的原因为：坡面细石混凝土喷层具有约束边坡岩体变形、防止局部失稳的作用，现场调查表明，与坡面近平行的NE向裂隙的产状为32°/NW、SE∠74°～90°，该组裂隙控制了边坡结构类型，使左边坡呈现纵向坡结构，由于该组裂隙近直立，倾向在NW向和SE向之间变化，当裂隙倾向NW时，左边坡结构类型为陡倾顺向坡；当裂隙倾向SE时，左边坡结构类型为陡倾反向坡，倾倒变形问题突出。故在边坡的不同部位，其变形存在较大的、质的差异，有些部位的边坡岩体向坡内位移，而相邻的另一些部位则表现为向坡外临空方向的位移。显然，这些部位的坡面钢筋网“绷得很紧”，故钢筋受拉问题突出。对于边坡岩体向坡内产生水平位移的部位其周边边坡岩体向坡外临空方向位移，坡面细石混凝土喷层存在被揭起的作用，这是坡面细石混凝土出现鼓起破坏的主要原因之一。根据应变协调原则，φ8 mm钢筋轴力超过1.2 kN时，细石混凝土的拉应力即达35 MPa，超过其抗拉强度，这是坡面细石混凝土出现老化开裂的重要原因之一。

4 结论

1)根据现场调查结果，与坡面近平行的NE向裂隙近直立，倾向在NW向和SE向之间变化，从而导致在边坡的不同部位、不同高程，其变形存在较大的、质的差异，有些部位的边坡岩体向坡内位移，而相邻的另一些部位则表现为向坡外临空方向的位移，导致附近混凝土喷层开裂问题严重。

2)实测结果表明坡面钢筋网轴力在8 kN以内。根据应变协调原则，φ8 mm钢筋轴力超过1.2 kN时，细石混凝土的拉应力即达35 MPa，超过其抗拉强度，细石混凝土存在顺坡向拉裂问题(水平向因顺坡向伸缩缝而减缓)。

3)对于边坡岩体水平位移方向突变的部位，细石混凝土喷层存在顺坡向受压和鼓起问题(水平向因顺坡向伸缩缝而减缓)，这是坡面细石混凝土出现鼓起破坏的主要原因之一。通过分析混凝土喷层开裂影响下会导致降雨入渗增加，边坡南部地下水位的起伏变化将有可能导致边坡失稳，故应继续加强对混凝土喷层裂缝的监测。