公路边坡锚固原位监测与分析

公路边坡锚固原位监测与分析

铜汤高速1108段（k1544.940k1552段）的高边坡位于紫岩隧道入口。这是一个倾斜的山坡。在边坡的加固保护中，共有162个预测的孔，其中三个为81个孔，一个孔的设计长度为20米，一个孔的固定段为10米。第二个斜坡有三个，八个孔，一个孔的设计长度为25米，八个孔的长度为10米。锚索采用高强度、低松驰预力6束1×7标准型-15.24-1860-Ⅱ-GB/T5224-1995钢绞线。设计孔径130mm,锚孔倾角25°(俯角),采用从孔底到孔口返浆式注浆,锚索自由段采用防护油及塑料管隔离,每束锚索设计施加张拉力为725kN。张拉为5级张拉,每级间膈5～10min,锚索最后锁定施加预应力为设计拉力的110%。为了准确的推断出边坡的变形情况,及时了解锚索在土层中的性状,对二级边坡81孔锚索中的9孔预应力锚索安装锚索测力计,进行施工和运行期锚固效果的监测。锚索测力计布置情况如图1所示。1jdmsj-202振有限层压痕研究1.1应变弦式传感器JDMSJ-202型振弦式锚索测力计由3部分组成:(1)承载感压体:是一个有中孔的环形体,直接感受锚索施加的压力并进行转换。(2)应变弦式传感器:是测力计的中枢,完成由压力到电信号的转换。(3)传输电缆:是外护套加厚的四芯屏蔽通讯电缆,用以实现测力计的遥测功能。基本原理是在承压筒体受到压力后,内腔的流体同时感生出相应压力并均匀的施加到应变弦式传感器的敏感膜板上,使之挠曲变形,频率随之发生变化,通过频率的变化量计算出受力情况。该锚索测力计采用中空结构,三弦测量以消除在张拉过程中产生的不均匀及偏心负荷的影响,具有长期稳定、灵敏度高、防水性能好、不受电缆长度影响。1.2锚索的安装及张拉监测仪器的安装质量,是能否获得可靠观测资料的关键。不少工点由于埋设方法不当,加上仪器本身的原因,致使采集不到准确数据。测力计的安装是伴随锚索施工进行的,它包括钻孔、编锚索钢绞线、穿索、内锚段注浆和张拉等工序都应严格要求,锚索测力计计安装在张拉端或锚固端,安装时钢铰线或锚索从测力计中心穿过,测力计处于钢垫座和工作锚之间,整个张拉过程采用油压表控制加载,分级张拉,拉力达到设计值时进行锁定。在分级张拉过程中应随时对锚索计进行现场监控,并从中间锚索开始向周围锚索逐步加载以免锚索计的偏心受力或过载。在安装过程中搬运时应小心轻放,切忌剧烈振动。锚索测力计安装示意图如图2所示。1.3锚索测力计参数测力计的拉力大小,由频率F和温度T的变化量计算,其△F与△T的计算公式如下:P=K△F+b△T+B式中P——被测锚索载荷值(kN);K——仪器标定系数(kN/F);F——锚索测力计三弦实时测量频率模数的平均值相对于基准模数的平均值的变化量;b——锚索测力计的温度修正系数(kN/℃);T——锚索测力计的温度实时测量值相对于基准值的变化量(℃);B——锚索测力计的计算修正值(kN)。F=(△F1+△F2+△F3)/3其中:ΔF1=F1I-F10;ΔF2=F2I-F20;ΔF3=F3I-F30F1I、F2I、F3I为三弦实时测量频率模数值,F10、F20、F30为基准模数值;频率模数与频率的换算公式:F=f2×10-3式中F——频率模数;f——频率。2监控结果分析2.1锚索测力计测试荷载在张拉过程中,可根据量测数据来判断锚索锚固力的大小,主要的3个量测数据是:锚索测力计测值、油压表测值、锚索钢绞线理论伸长量与实测伸长量的比值。其中锚索测力计测值的量测精度较高。通过对所测数据的分析及油压表测试荷载和与测力计测试荷载的关系可判别锚索在张拉过程中的张拉质量,从而对锚索的张拉过程进行指导。锚索测力计安装时观测成果如表1所示。由表1可知,油压表测试荷载和与测力计测试荷载大致称线性变化,随机抽取锚索测力计MS-3#(10052#)用最小二乘法进行回归分析:设回归方程为:y=a+bx其中a、b为回归系数,解方程可得:a=4.7495,b=1.0118;油压表测试荷载和与测力计测试荷载关系如图3所示。根据监测结果可知,测力计所测荷载和油压表荷载有一定的差异,这主要是由于测力计在室内标定时和现场锚索张拉时的受力情况不一致,但从锚索测力计和油压表的回归方程可看出,线性相关性较好,相关系数为0.9995,因此利用测力计的监测结果可以分析出锚索的实际受力情况。2.2预应力损失情况为了对锚索预应力的张拉和损失变化进行分析,对具有代表性的锚索测力计的预应力张拉以及锚固锁定后各时间段的预应力进行了监测。监测结果如表1、表2所示。从所测数据整理结果看到:2.2.1MS-1#(10050#)、MS-3#(10052#)两锚索的预应力前三级张拉过程中,发现MS-3#的预应力和张拉吨位荷载最大相差为6.3%,测试结果较接近。而MS-1#在前三级张拉过程中仅达到设计张拉吨位的70%～83%,直到后两级张拉才逐渐接近设计值,但还是未能达到。分析其原因可能是由于坡体节理、裂隙发育,导致该处岩体压缩变形较大以及钢绞线蠕变等因素的影响。根据所测的结果,施工单位及时作了相应的处理措施。2.2.2预应力损失分析:分级张拉过程中的预应力损失较小,监测结果表明最大损失只有1～1.5%,分析可能是锚索钻孔较平直,锚索所受的摩阻力较小;锁定过程中的损失因锚索长度和各孔情况不同而不同,反映值也不同。这种损失分析主要是张拉机械瞬间松驰和锚索回弹引起,监测发现各锚索锁定损失在46～137.0kN之间;锚索锁定后10d内预应力下降较大,主要原因是:夹片回缩、岩土体压缩变形等。其应力损失最小为1.3%,最大为8.6%,平均4.45%,满足规范要求。2.2.3在同一传感器所测数据中,弦与弦之间的数据有的差别较大。原因可能在于锚索张拉时,由于传感器的安装位置未能正对锚索钢绞线的抽出,不可避免的导致传感器偏心受压,故而使得传感器各弦之间测得的数据相差较大。当然,所锚岩层分布的不均性而导致的力学性质上的差异也可能会给所测数据带来一定的差别。2.2.4监测过程中发现,预应力易受到外界因素的影响。因测力计安装在岩体外部,受气温影响较明显,但从监测结果来看,温度对预应力的影响不大,外界气温及降雨频繁地变化,易导致锚固力频繁地波动,MS-6#(10055#)安装后20d锚固力和温度与时间的关系曲线如图4所示。3高边坡锚固中法的应用3.1预应力锚索的锁定损失该边坡防护所采用的预应力锚索的设计吨位为750kN,超张拉吨位为825kN,从测力计的监测情况看,最初安装的MS-1#、MS-3#的锁定损失较大,普遍超过10%,锚固力不够,致使锚索无法正常施工,影响了该边坡的防护进度。为此,采用改变锁定方式的方法以减少锁定损失,但在进行了快速锁定和慢速锁定两种锁定方式后,对监测结果对比后发现这两种锁定方式下的锁定损失几乎相同,可以说明锁定损失与锁定方式几乎无关。因此,根据施工单位建议,采用了慢速锁定方式。在改变锁定方式不能减小锁定损失的情况下,为了确保预应力锚索的施工质量,对MS-2#、MS-6#(10055#)、MS-9#(10059#)采用提高超张拉吨位的方法,测力计的监测结果表明,MS-2#(10051#)锁定损失有所减小,MS-6#(10055#)、MS-9#(10059#)锁定损失几乎相同。据此可以判定,利用提高超张拉吨位的措施满足了设计锚固力,解决了锁定损失过大这一问题。3.2锚固力损失率分析因预应力锚固工程属隐蔽工程,影响锚固效果的因素较多,设计时很难做到情况完全清楚,所以对预应力锚固工程,开展原位监测非常重要。实践证明,锚索测力计在边坡监测中也起着重要的作用,以MS-9#(10059#)测力计为例,测力计的监测结果如表2所示。根据监测成果可知,在MS-9#(10059#)测力计安装10d后,测力计的荷载呈现出明显的下降趋势,即锚固力损失率不断增大,分析可能由于边坡内的断层、裂隙受到压缩变形等原因导致锚索预应力松驰,而边坡并未发生变形;而在2006年5月24日的一次强降雨过后,MS-9#(10059#)测力计的锚固力呈现出明显的上升趋势,即锚固力损失率不断减小,变化过程曲线如图5所示。分析可能是该锚索安装在块体区,块体区断层较多,裂隙发育。2006年3月,在该块体区附近曾发生过垮塌,加上大量雨水的侵入导致结构面润滑,使岩土体的抗剪强度降低,岩层中含水量增大,孔隙水压力也随之增大,当这种静水压力传递给岩体,进而推挤锚垫板时,所测传感器的压力便随之增大,这也是暴雨季节边坡容易坍塌的原因之一。当孔隙水随时间而排出时,锚索上的预应力也随之变小。总之,通过观测锚固力损失值的变化,能准确地判断出边坡的变形情况,为高边坡的变形监测发挥了一定的作用。4监测结果分析在边坡锚索加固工程中,安装JDMSJ-202型振弦式锚索测力计的锚索,在张拉、锁定时的荷载均满足设计要求。现存锚固力多数达到设计锚固力的90%以上,且各锚固力曲线均呈收敛状态,说明该岩质边坡锚固效果较好,整治后目前处于稳定状态。监测过程中对引起预应力变化及损失的因素进行了总结,归纳起来主要有:(1)张拉过程的预应力损失:分析主要由预应力锚索和张拉千斤顶的摩阻力大小决定。如果钻孔平直,锚索安装后不与孔