巖土預應力錨索應力損失監測與分析

0錨固工程中錨索的合理設計在公路、鐵路、水運等邊坡上的錨定固井中，通常使用鋼筋絞死后的鋼筋絞法來制作預測的錨定，如預緊形鋼筋梁。由于邊坡巖土體本身的復雜性,對于預應力錨固機理,錨固后邊坡的力學性狀及錨索預應力引起的體內應變等問題目前有不少文獻進行了關注并進行了研究和探討。這些錨固工程一旦封錨就成了典型的隱蔽工程,錨固的效果很難得知。錨固工程中錨索長期有效預應力是關系到錨固工程成敗的關鍵之一,預應力隨時間變化的規律一直是國內外巖土錨固工程界關注的焦點。重要的工點可采用錨索測力計對錨索的加載、運營期間的預應力變化情況進行監測,為補充預應力及工后評價等提供依據。一般情況下,由于受多個復雜因素的影響(比如現場錨索及錨墊板的安裝、錨具變形、夾片內縮、被加固巖土體的應力調整等),張拉應力值(張拉施工時油泵施加的壓力)、鎖定應力值、設計應力值(預應力趨于穩定時的期望值)之間并不一致,變化情況很復雜。加之巖土本身的復雜性,后期的預應力損失規律也比較復雜,不同的預應力損失情況對應不同的錨固體變形和穩定情況。因此有必要不斷積累實際工程數據,分析數據,總結經驗,以期為將來類似的工程提供有益參考。1錨索測力計的結構一般來說,測力計有差動電阻式和振弦式之分,差動電阻式儀器是由多個差動電阻式應變計并聯組成,當測力計受到載荷作用時產生彈性變形,引起應變計電阻和電阻比的變形,由電阻比和電阻變化計算出預應力錨索的拉力。本文依托工程采用的為振弦式錨索測力計。振弦式錨索測力計由高強度合金鋼制成,其中空承壓筒周邊上沿均勻布置有多個弦式傳感器,作用在承壓筒上的荷載可由固定在筒體上的弦式傳感器直接測出。采用多個傳感器可以減少或消除不均勻或偏心荷載的影響。為了確保傳感器的可靠固定,采用了點焊或其他技術將傳感器牢固焊接在筒體上。簡體內另外設置了熱敏溫度計用于測量錨索測力計及現場環境溫度。為了適應現場的惡劣條件,采用整體密封技術,從而可確保錨索測力計在2MPa水壓下正常工作。本文依托工程采用的為MSJ-201型振弦式錨索測力計,采用此型號中的150的規格,測量范圍0～1500kN,分辯率(%F.S)≤0.06,測溫范圍-25～60℃,溫度測量精度為±0.5℃,采用中空結構,3～6弦測量。其主要結構由3部分組成:(1)承載感壓體:是一個有中孔的環形體,直接感受錨索施加的壓力并進行轉換。(2)應變弦式傳感器:是測力計的中樞,完成由壓力到電信號的轉換。(3)傳輸電纜:是外護套加厚的四芯屏蔽通訊電纜,用以實現測力計的遙測功能。其基本原理是在承壓筒體受到壓力后,內腔的流體同時感生出相應壓力并均勻的施加到應變弦式傳感器的敏感膜板上,使之撓曲變形,頻率隨之發生變化,通過頻率的變化量計算出受力情況。2預應力錨索加固擋墻某高速公路設計標準為雙向4車道高速公路,路基寬度24.5m,設計時速80km/h。其中K66+580～K66+610段為半路半橋(圖2),左半幅為衡重式路肩墻,右半幅為3×30m預應力混凝土(后張)橋面連續T梁。左半幅衡重式路肩墻高約9m,墻頂水泥穩定碎石路面結構層攤鋪好了以后,經過大概1個月路面出現縱向裂縫,裂縫寬約0.5～1cm,隨著降雨、車輛荷載的作用,裂縫有進一步擴大的趨勢。經仔細研究,認定此工點屬于擋墻基礎下臥較深厚粉質粘土層,承載力不足導致引起擋墻的沉降及傾覆變形。變形的擋墻直接貼在T梁橋的蓋梁上(圖3、4),隱患較大。由于此工點屬于半填半挖地形,左側即是山體,綜合考慮緊張的工期、造價、施工難易程度等因素,同時確保右半幅橋的安全,采取預應力錨索加固擋墻的方案,同時在擋墻基礎和路面開裂的裂縫周圍采用劈裂注漿。30m的擋墻采用10根預應力錨索加固,10根錨索當中選4根安裝錨索測力計進行監測,4個測力計編號依次為MS1、MS2、MS3、MS4(圖5)。由于直接在當墻上錨固,擋墻采用C15片石混凝土澆注,本身抗剪強度有限,錨索張拉力不能過大,經過計算,每根預應力錨索采用3根?15.2mm低松弛鋼絞線(1860MPa),錨具用OVM15-3型(包括夾片、錨板、錨墊板、螺旋筋等成套產品),單根錨索本身控制張拉應力不超過580kN(按照控制張拉75%計算),本工點錨索設計張拉力400kN,超張拉10%。?s15.2mm低松馳鋼絞線,產品應滿足表1技術要求,本項目錨索錨固段(10m)和自由段的巖土體室內土工試驗參數如表2和表3所示。鋼絞線在安裝前,均應進行除銹處理。安裝時應套上定位支座,錨固段內采用收縮(擴張)定位環,間距75cm,自由段內設一般定位器,定位支座形式可根據現場修改,但應保證錨索鋼絞線在孔中居中,同時還應保證不影響灌漿和水泥漿固結。根據鉆孔深度及設計長度,用砂輪切割機切斷。每3根鋼絞線組成一束。預應力錨索灌漿設計采用一次注漿法,自由段套以塑料套管,錨固段灌漿應灌壓密實,不能出現空洞現象。預應力錨索采用M30號水泥漿,其水灰比視設備和現場試驗確定,水泥采用硅酸鹽膨脹水泥,注漿采用孔底注漿法,注漿壓力0.6～0.8MPa,砂漿灌注必須飽滿密實,注漿完畢,水泥漿凝固收縮后,孔口應進行補充注漿。孔內水泥漿達到設計強度的70%以上后,方可進行預應力錨索的張拉。3錨索錨固力監測振弦式錨索測力計安裝,是伴隨著預應力錨索張拉進行的,一般工序分為:孔位放樣一鉆孔一下錨索一錨固段灌漿一錨索測力計安裝一張拉,錨索測力計安裝如圖6所示,錨索測力計受張拉端錨具作用而同時受力。在張拉過程中可根據3個量測數據判斷錨索錨固力的大小,它們分別是錨索測力計測值、千斤頂油壓表讀數值、錨索鋼絞線理論伸長量與實測伸長量的比值,精度的高低排序一般為錨索測力計測值、千斤頂油壓表讀數值、錨索鋼絞線理論伸長量與實測伸長量的比值。通過及時分析和研究錨索測力計的測值與千斤頂油壓表讀數值的關系可判別錨索在張拉過程中的張拉質量,將這些測值與設計意圖進行對比,分析其中變化原因,可以對錨索的施工過程進行指導。4a、b回歸方程為驗證油壓表和測力計的相關關系,取MS3錨索測力計進行測試,分級張拉試驗,每級張拉暫時鎖定后5min再讀測力計數值,所得結果見表4。由表4可知,油壓表測試荷載與測力計測試荷載大致呈線性變化,用最小二乘法進行回歸分析:設回歸方程為Y=a+bx,其中a、b為回歸系數,求解可得:a=-29.934,b=1.0259;油壓表測試荷載和與測力計測試荷載關系如圖7所示。根據MS3錨索分級張拉測試結果可知,測力計所測荷載和油壓表荷載有一定的差異,原因可能如下:(1)測力計在室內標定時和現場錨索張拉時的受力情況不一致,現場受力情況比較復雜,比如可能偏心受壓;(2)千斤頂張拉可以看做是一個瞬間的動作,此瞬間動作完畢并且暫時鎖定以后,錨墊板本身的回縮變形、錨索回彈變形、巖體裂隙的調整變形等都會降低后續的測力計觀測值,這牽涉到瞬間預應力損失的問題,詳見后述。從錨索測力計和油壓表的回歸方程可看出,兩者線性相關性較好,相關系數為0.9969,因此利用測力計的監測結果可以分析錨索的實際受力狀況。5在錨索張拉過程中，以及在鎖后，應力變化立即損失5.1張拉初始張拉在多數情況下,測力計測值與張拉應力值差異較大,4個錨索監測點記錄了初始張拉達到設計要求(設計張拉力400kN,超張拉10%)的440kN,油壓表鎖定張拉力和鎖定后測力計讀數之間的關系。見表5。5.2最大張拉損失測定的計算方法從表5的結果分析可以得出結論:測力計值都小于鎖定張拉應力值,MS1測力計值小于張拉應力值14.4kN,MS2測力計值小于張拉應力值11kN,MS3測力計值小于張拉應力值12.8kN,MS4測力計值小于張拉應力值16kN,損失率在2.5%～3.6%之間。因為此工點屬于擋墻加固,錨頭接觸面為較光滑平整的墻面,加固的土體主要是為半填半挖路基中部分鍥形填方體和基巖裂隙,因此瞬間預應力損失不大,如果瞬間預應力損失大,比如超過設計的超張拉值(本工點為10%)左右,則要考慮補充張拉,否則達不到設計的效果。預應力損失不大的,損失值在預計的超張拉值范圍內的(設計的超張拉值就是為了補償預應力損失值),可以不用補充張拉。5.3錨索錨索的錨索安裝誤差原因2瞬間預應力損失可能的原因:(1)現場安裝時錨墊板不夠平順;(2)錨索測力計的標定誤差;(3)加載裝置液壓傳導的誤差;(4)錨具變形;(5)錨索回彈;(6)夾片內縮。5.4慢的速度來鎖定因為瞬間預應力損失較明顯,施工過程中嘗試用慢錨(即用較慢的速度來鎖定)來減少瞬間預應力損失。經過現場試驗,鎖定速度(快錨和慢錨)對于瞬間預應力損失沒什么大的影響,說明改變錨固速度對于瞬間預應力損失沒有大的幫助。6錨索現場觀測對于4個錨索測力計,鎖定后80d內,每隔10d觀測一次,記錄錨索測力計應力讀數、現場溫度值、天氣情況、工點現場變形情況等。監測數據見表6。6.1損失率從表6可見所有安裝了錨索測力計的錨索錨固力最大損失率為7.91%,最小損失率為3.87%。通過超張拉10%(40kN),超張拉力用來抵消預應力損失,80d后實測錨固力達到設計錨固力(400kN)的101.3%～105.7%,達到了設計的預期。6.2錨固段主要成因如圖8所示,錨索鎖定后20d內錨固力損失較快,鎖定后20d錨固力平均損失15.7kN(以初始鎖定瞬間千斤頂油壓表讀數約440kN計算)。20d內損失速度較快的原因:(1)瞬間預應力損失占較大的比例,原因見前述;(2)錨固影響范圍內表層巖土體壓縮;(3)此工點錨索鉆孔過程中發現錨固段的山體基巖裂隙較發育,有的節理面已經貫通,這些基巖節理面本身的壓縮不可忽視。降雨特別是連續強降雨對巖土工程特別是邊坡工程的安全有較大的影響,本項目施工和監測期間也經歷了雨季。錨索鎖定后第40d觀測數據反而呈應力增加趨勢,現場記錄當天為雨天,并且此前已經連續下雨兩天,估計為巖土體較多的縫隙和節理面被雨水充填,并且經過車輛荷載不斷碾壓后,導致孔隙水壓力增大,土體鼓脹使位移增大導致錨索伸長量增大所致。錨索鎖定60d后錨索錨固力呈平緩小幅波動下降趨勢,基本可以認為趨于穩定。6.3異地時間為探求溫度對預應力錨索測力計的影響,每次監測特地選在不同的溫度進行,比如早上、中午、傍晚等。監測結果(圖8)表明,從工程應用角度來看,溫度對于錨索測力計的監測影響可以忽略不計。6.4應力損失的表現錨索的長效預應力損失原因:(1)巖土體本身的變形;(2)孔道摩擦應力損失(錨索與孔道壁之間產生的摩擦阻力而引起的應力損失);(3)預應力筋的松弛引起的應力損失;(4)混凝土的收縮、徐變引起的應力損失。預應力損失理論上通過計算可以得到,在施工過程中,通過使用錨索測力計可以真實有效檢驗預應力損失和進行預應力長期監測,儀器精度遠高于油泵張拉精度。7預應力損失的監測與分析(1)錨索鎖定過程中存在瞬間預應力損失,損失率在2.5%～3.6%。鎖定瞬間預應力損失跟錨墊板的安裝是否平順、機械瞬間松馳、錨索回彈、夾片內縮和千斤頂和測力計本身的誤差有關。這種瞬間損失可因各孔情況不同而不同,反映值也不同。(2)張拉鎖定的速度快慢對于瞬間預應力損失沒大的影響。(3)溫度對于錨索測力計的影響從工程應用角度來看可以忽略不計。(4)對于裂隙和節理較多的被錨固巖土體,雨