三峡临时船闸及升船机高边坡锚杆应力状态分析

三峡临时船闸及升船机高边坡锚杆应力状态分析

1边坡锚固监测杆的选取三峡临时大门和升船机的高距离位于长江左岸。在项目中，挖掘形成高度为140m、局部高度为51m的边坡。现场表明,边坡岩体变形、破坏主要受结构面控制,工程中采用了系统锚杆加固边坡规模不大(100m3以内)的不稳定块体。系统锚杆是工程加固措施中十分重要的一种手段,为了解系统锚杆的工作状态,在边坡锚固过程中,在典型断面上选取了18支锚杆进行应力状态长期监测(见图1)。这些锚杆的数据全部完整有效(RC03、RC04GP03在1998年9月埋设,文中不进行相关分析),其中RC1、RC3、RC5和RC7GP04下游5m等高程处各布置一根锚杆RC2、RC4、RC6和RC8GP04。临时船闸边坡开挖在1995年年底基本结束,边坡锚固工作滞后比较严重,布置的8支监测锚杆在1996年10月后才开始安装。升船机承船箱段边坡开挖深度较大,1996年8月基本开挖到位,此后进行保护层开挖。一部分监测锚杆(5+083断面)在边坡开挖完工前进行了安装,它们捕捉到了边坡后续开挖期间引起的上部锚杆应力变化。2根锚杆应力系统锚杆全部为全长粘结型锚杆,其中的杆材为《25Ⅱ级螺纹钢,粘结材料为R7300#水泥砂浆,显然,这种锚杆受力是不均匀的。锚杆应力传感器布置在孔口1/3锚杆长度处,长约0.8m的传感器与岩体脱开。严格地讲,锚杆应力测值代表了锚杆应力传感器这一长度范围内的受力状态。表1给出了观测时间较长的16根锚杆的应力特征值,它显示各锚杆之间的特征值差异突出。升船机边坡中RC01GP03、RC02GP03、RC05GP03和RC08GP03等锚杆应力平均值为压应力,其余均为拉应力,其中以实施较晚、位于临时船闸边坡F23断层带内RC1～RC8GP04等8根锚杆受拉普遍。实测锚杆最大压应力可达-152.3MPa,最大拉应力为65.69MPa。图1和表1显示,监测锚杆对应的位置集中在每梯道坡的上、下各1m左右,对应的工程条件相似,但锚杆应力测值差异非常悬殊。事实上,各锚杆应力状态与锚杆所处具体位置的地质条件、工程及施工条件等密切相关,锚杆应力不可一概而论。16根锚杆的应力历时曲线总体上受三个方面因素影响,第一是边坡开挖卸荷,只有少数锚杆在一定时间内捕捉到了这一信息,并且表现形式也各不相同。第二是温度因素,温度的影响普遍存在,但与锚杆应力曲线可以是正相关关系,也可以表现为负相关。第三是岩体结构面时效变形,它主要出现在岩体存在时效变形的地段,一般是存在软弱结构面或结构面组合与边坡的关系有利于产生时效变形的地段。3表1中锚杆张力的测量类型与原因的分析3.1边坡锚杆锚杆受力影响在上述16支锚杆中,仅升船机边坡5+083断面上的RC01GP03、RC02GP03和5+133断面上的RC05GP03、RC06GP03等4支锚杆(见图1)埋设后下部边坡仍进行开挖施工,锚杆应力可以反映边坡后续开挖的影响,但应力测值的时序变化特征差异很大。表现为2支持续受压(图2(a)),1支前期持续受拉后期拉应力减少(图2(b)),1支与开挖无关而保持与温度变化趋势同步(图3)。边坡后续开挖时上部锚杆受力状态的不同表现形式与锚杆所处位置的具体地质条件、工程条件和施工方法等密切相关,下面将逐一分析。RC01GP03、RC02GP03所在梯道坡内以25°左右交角与坡面走向斜交的长大陡倾裂隙很发育,并存在一条风化严重的岩脉(图1(a))。根据孔口高程在坡面121m高程处的钻孔多点位移计(编号:M6GP3)观测资料,坡内10.5m以内浅层岩体向坡外的变形比在坡面大,浅层岩体与坡面岩体保持相对压缩的变形态势,这种变形使岩体内的锚杆也处于受压状态。显然,由于梯道坡顶处的临空和应力松弛,这种相对压缩变形没有坡脚一带突出,观测出的锚杆压应力值也以RC02GP03(坡脚处)比RC01GP03(坡顶处)大得多。由此可见,边坡锚杆并不一定都受拉,陡倾软弱结构面相对较大的变形可以导致其外侧锚杆受压。在边坡持续开挖阶段(1996年8月以前),图2(a)所示锚杆压应力持续增长速度很快,表现出与后续开挖强烈的对应关系,但基本不受保护层开挖的影响(开挖高程51～48m)。图1(b)所示的5+133坡段岩体呈典型的块状结构,坡眉2～3m范围内曾出现过块体松动导致马道封顶混凝土的开裂。位于梯道坡坡脚附近的监测锚杆RC06GP03主要受倾角不等、与坡面斜交的两组节理切割,节理规模一般都不大,其中缓倾节理延伸在几米以内。图2(b)所示的应力曲线总体上受拉,在1996年3月以前的大强度开挖阶段,锚杆拉应力增幅显然比后期(1996年9月到1997年元月和1997年9月到1998年元月)要大,但在1996年3月以后,开挖强度下降、锚杆距开挖面更远,锚杆应力不受开挖的影响。由此可见,边坡后续开挖对上部锚杆受力状态的影响方式和程度与边坡岩体结构、开挖强度等密切相关,长大陡倾结构面更容易导致开挖面上部岩体的变形和锚杆应力的变化。3.2锚杆受力与温度相关性分析16支锚杆应力测值或全部或在某一时段表现出与温度变化存在内在关系,但形式迥异。图2同时显示了锚杆应力与温度的负相关关系,除RC05GP03、RC7GP04外,其余14支测值均不同程度地呈这种关系。但另一方面,一些锚杆应力表现为与温度变化呈正相关关系(图3)。锚杆应力与温度呈正相关关系可以出现在如下两种情形:一是岩体破碎,温度变化时岩体变形不小于锚杆变形,锚杆变形不会受到周围介质的反向约束;二是锚杆灌浆饱和度不够或浆体质量较差,即便岩体随温度变形比锚杆小,但由于浆体方面的原因,岩体对锚杆起不到相对约束作用,锚杆可以随温度自由变形而呈正相关关系。图3代表了第二种情形,RC05GP03是第一支安装的测试锚杆,采取无灌浆管的孔内人工注浆,灌浆饱和度难以得到保证。反过来,锚杆应力测值与温度的负相关关系代表了岩体的温度变形小于锚杆且灌浆质量良好,岩体对锚杆的温度变形有约束作用。事实上,花岗岩的线胀系数约为1.0×10-5,比锚杆应力传感器的线胀系数(1.2×10-5)小。大多数锚杆应力与温度呈负相关关系,表明边坡开挖完成以后多数锚杆应力普遍受温度的影响。3.3锚杆应力时效特征时效变形对锚杆受力状态的影响是显而易见的,反过来,锚杆应力的相应变化特征可以帮助判断岩体时效变形特征。由于10-6量级的应变可以明显地反应在锚杆应力变化上,锚杆应力对变形非常敏感。岩体时效变形对锚杆应力的影响主要表现为锚杆应力受温度影响的同时,总体上表现出与时间呈一定关系的变化特征。在上述16支锚杆中,RC01GP03、RC06GP03、RC1GP04、RC3GP04、RC4GP04、RC5GP04、RC7GP04和RC8GP04等8支锚杆应力时效特征很明显(图4),另一些锚杆如RC11GP03、RC12GP03和RC6GP04也表现出了一定的时效特性。从图2(b)和图4可知,边坡开挖后2a的观测资料显示岩体时效变形依然存在,并明显地反映在锚杆应力上。图4所示的锚杆在边坡开挖完成1a后才开始获得应力观测数据,锚杆应力与边坡开挖之间没有直接关系。锚杆应力是否受时效变形的影响,主要取决于结构面的变形特性和实施的加固措施是否能有效地控制结构面的时效变形,在8支时效变形明显的锚杆中,有6支布置在升船机边坡F23断面(断层带宽10余米)附近,可见大规模软弱结构面对岩体时效变形的重要性。一些锚杆的时效应力随受载循环(由温度、地下水的季节变化引起)呈单调变化,即在某个对应时刻,下一年度总比上一年度增大(或减小),如图2(b)所示,这已被人们所普遍认识。但是,另一些锚杆应力的时效变形并不是一开始就存在,而是出现在边坡锚固的一段时间以后(图4)。它涉及到长期反复荷载作用锚杆与边坡岩体联合工作机理问题,将结合下面的问题进一步论述。4基础薄弱变形条件对锚杆支护效果的影响临时船闸及升船机高边坡全长粘结型锚杆的时效应力是岩体时效变形引起的被动应力,同时,它说明了锚杆对岩体时效变形的限制作用。锚杆的这种限制作用如何,以及在长期、反复作用的温度及地下水荷载作用下能否长期有效,都是工程中普遍关心的问题。图5为临时船闸边坡5+086断面一深度为30m的钻孔多点位移计测点布置和观测成果,断层主滑带在5.1m孔深处。图5(b)表示了各测点相对于坡面的累积变形特征,主要是浅部岩体产生向临空面方向的松弛变形(测值为正)。多点位移计在1996年6月投入观测(边坡1995年底开挖到位),到1996年底该边坡锚固之前,岩体变形呈单调增加的变化趋势,尤其是浅部变形突出(主要是#1测点与坡面、与其他测点之间的相对变形)。1996年12月该坡段进行喷锚支护后,到1997年7月,各测点变形非常稳定,表明系统喷锚支护有效地控制了边坡浅部岩体的时效变形。但此后边坡浅部岩体变形开始逐渐增大,对比图4的应力曲线,锚杆拉应力也开始出现总体上的单调增长。上述边坡浅部岩体变形和锚杆应力变化特征如下:从控制岩体变形的角度讲,系统喷锚支护经历了一个很有效到效果减弱的过程。对锚杆而言,支护后一段时间,系统锚杆都发挥一定的作用,但由于位置不同的锚杆锚入变形岩体(尤其是结构面)的深度不同,对变形岩体的有效粘结长度存在差别,长期循环荷载的作用可以导致有效粘结长度不足的锚杆失去对变形体的锚固能力,系统支护控制变形的整体能力下降,断层附近有效粘结长度较长的锚杆应力增大,即图4所示的锚杆时效应力在锚固一段以后才开始出现的现象。研究表明,全长粘结型锚杆的工作机理可以概括为:岩体变形通过锚杆粘结材料传递给锚杆,导致锚杆受力并加固岩体。岩体变形不大时,锚杆及粘结材料内力平衡外荷;当岩体变形不断增大时,首先是粘结材料断裂,锚杆受力范围增大,继而出现某段范围内粘结材料与周围介质(一般是孔壁岩体)产生剪切破坏。进一步的试验研究表明,循环荷载的作用会使这一破坏深度不断增加,在不考虑地下水等弱化因素的影响时,最少可能在3次循环后,破坏深度才趋于稳定。它表明在时效变形明显的地段:①循环荷载作用下锚杆锚固状态发生调整时,会使一些锚杆的破坏长度达到锚杆有效锚固长度,导致锚固失效;②在考虑温度、地下水等按年度循环变化的因素后,锚杆可能在施加3a或更长后才开始处于稳定的工作状态。除RC8GP04受坡顶松动块体作用外,表1下半栏所示的临时船闸边坡锚杆都以位于上游(RC1、RC3、RC5和RC7GP04)的拉应力值要大一些,这显然与它们距F23断层较近、浅部岩体时效变形更突出有关。由此可见,在时效变形明显的地段,锚杆与岩体变形的相互作用可能要经历一个长达几年的相互调整过程后才趋于稳定,评价这种条件下的岩体稳定性和锚固效果不是短时间内可以完成的,必须有长期的数据资料作依据。5边坡岩体锚杆应力状态的特殊性根据以上论述,可以得出如下几点结论:(1)锚杆受力性质、大小差异十分悬殊,这与锚杆所在位置的具体地质条件密切相关。一般地,结构面性质、组合及其与边坡的相对关系对锚杆应力状态的影响非常突出。边坡后续开挖对上部已实施锚杆受力状态的影响程度和表现方式同样受锚杆所在位置的具体地质和施工条件控制,并因此可以造