岩土预应力锚索应力损失监测与分析

岩土预应力锚索应力损失监测与分析

0锚固工程中锚索的合理设计在公路、铁路、水运等边坡上的锚定固井中，通常使用钢筋绞死后的钢筋绞法来制作预测的锚定，如预紧形钢筋梁。由于边坡岩土体本身的复杂性,对于预应力锚固机理,锚固后边坡的力学性状及锚索预应力引起的体内应变等问题目前有不少文献进行了关注并进行了研究和探讨。这些锚固工程一旦封锚就成了典型的隐蔽工程,锚固的效果很难得知。锚固工程中锚索长期有效预应力是关系到锚固工程成败的关键之一,预应力随时间变化的规律一直是国内外岩土锚固工程界关注的焦点。重要的工点可采用锚索测力计对锚索的加载、运营期间的预应力变化情况进行监测,为补充预应力及工后评价等提供依据。一般情况下,由于受多个复杂因素的影响(比如现场锚索及锚垫板的安装、锚具变形、夹片内缩、被加固岩土体的应力调整等),张拉应力值(张拉施工时油泵施加的压力)、锁定应力值、设计应力值(预应力趋于稳定时的期望值)之间并不一致,变化情况很复杂。加之岩土本身的复杂性,后期的预应力损失规律也比较复杂,不同的预应力损失情况对应不同的锚固体变形和稳定情况。因此有必要不断积累实际工程数据,分析数据,总结经验,以期为将来类似的工程提供有益参考。1锚索测力计的结构一般来说,测力计有差动电阻式和振弦式之分,差动电阻式仪器是由多个差动电阻式应变计并联组成,当测力计受到载荷作用时产生弹性变形,引起应变计电阻和电阻比的变形,由电阻比和电阻变化计算出预应力锚索的拉力。本文依托工程采用的为振弦式锚索测力计。振弦式锚索测力计由高强度合金钢制成,其中空承压筒周边上沿均匀布置有多个弦式传感器,作用在承压筒上的荷载可由固定在筒体上的弦式传感器直接测出。采用多个传感器可以减少或消除不均匀或偏心荷载的影响。为了确保传感器的可靠固定,采用了点焊或其他技术将传感器牢固焊接在筒体上。简体内另外设置了热敏温度计用于测量锚索测力计及现场环境温度。为了适应现场的恶劣条件,采用整体密封技术,从而可确保锚索测力计在2MPa水压下正常工作。本文依托工程采用的为MSJ-201型振弦式锚索测力计,采用此型号中的150的规格,测量范围0～1500kN,分辩率(%F.S)≤0.06,测温范围-25～60℃,温度测量精度为±0.5℃,采用中空结构,3～6弦测量。其主要结构由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。其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。2预应力锚索加固挡墙某高速公路设计标准为双向4车道高速公路,路基宽度24.5m,设计时速80km/h。其中K66+580～K66+610段为半路半桥(图2),左半幅为衡重式路肩墙,右半幅为3×30m预应力混凝土(后张)桥面连续T梁。左半幅衡重式路肩墙高约9m,墙顶水泥稳定碎石路面结构层摊铺好了以后,经过大概1个月路面出现纵向裂缝,裂缝宽约0.5～1cm,随着降雨、车辆荷载的作用,裂缝有进一步扩大的趋势。经仔细研究,认定此工点属于挡墙基础下卧较深厚粉质粘土层,承载力不足导致引起挡墙的沉降及倾覆变形。变形的挡墙直接贴在T梁桥的盖梁上(图3、4),隐患较大。由于此工点属于半填半挖地形,左侧即是山体,综合考虑紧张的工期、造价、施工难易程度等因素,同时确保右半幅桥的安全,采取预应力锚索加固挡墙的方案,同时在挡墙基础和路面开裂的裂缝周围采用劈裂注浆。30m的挡墙采用10根预应力锚索加固,10根锚索当中选4根安装锚索测力计进行监测,4个测力计编号依次为MS1、MS2、MS3、MS4(图5)。由于直接在当墙上锚固,挡墙采用C15片石混凝土浇注,本身抗剪强度有限,锚索张拉力不能过大,经过计算,每根预应力锚索采用3根ϕ15.2mm低松弛钢绞线(1860MPa),锚具用OVM15-3型(包括夹片、锚板、锚垫板、螺旋筋等成套产品),单根锚索本身控制张拉应力不超过580kN(按照控制张拉75%计算),本工点锚索设计张拉力400kN,超张拉10%。ϕs15.2mm低松驰钢绞线,产品应满足表1技术要求,本项目锚索锚固段(10m)和自由段的岩土体室内土工试验参数如表2和表3所示。钢绞线在安装前,均应进行除锈处理。安装时应套上定位支座,锚固段内采用收缩(扩张)定位环,间距75cm,自由段内设一般定位器,定位支座形式可根据现场修改,但应保证锚索钢绞线在孔中居中,同时还应保证不影响灌浆和水泥浆固结。根据钻孔深度及设计长度,用砂轮切割机切断。每3根钢绞线组成一束。预应力锚索灌浆设计采用一次注浆法,自由段套以塑料套管,锚固段灌浆应灌压密实,不能出现空洞现象。预应力锚索采用M30号水泥浆,其水灰比视设备和现场试验确定,水泥采用硅酸盐膨胀水泥,注浆采用孔底注浆法,注浆压力0.6～0.8MPa,砂浆灌注必须饱满密实,注浆完毕,水泥浆凝固收缩后,孔口应进行补充注浆。孔内水泥浆达到设计强度的70%以上后,方可进行预应力锚索的张拉。3锚索锚固力监测振弦式锚索测力计安装,是伴随着预应力锚索张拉进行的,一般工序分为:孔位放样一钻孔一下锚索一锚固段灌浆一锚索测力计安装一张拉,锚索测力计安装如图6所示,锚索测力计受张拉端锚具作用而同时受力。在张拉过程中可根据3个量测数据判断锚索锚固力的大小,它们分别是锚索测力计测值、千斤顶油压表读数值、锚索钢绞线理论伸长量与实测伸长量的比值,精度的高低排序一般为锚索测力计测值、千斤顶油压表读数值、锚索钢绞线理论伸长量与实测伸长量的比值。通过及时分析和研究锚索测力计的测值与千斤顶油压表读数值的关系可判别锚索在张拉过程中的张拉质量,将这些测值与设计意图进行对比,分析其中变化原因,可以对锚索的施工过程进行指导。4a、b回归方程为验证油压表和测力计的相关关系,取MS3锚索测力计进行测试,分级张拉试验,每级张拉暂时锁定后5min再读测力计数值,所得结果见表4。由表4可知,油压表测试荷载与测力计测试荷载大致呈线性变化,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,求解可得:a=-29.934,b=1.0259;油压表测试荷载和与测力计测试荷载关系如图7所示。根据MS3锚索分级张拉测试结果可知,测力计所测荷载和油压表荷载有一定的差异,原因可能如下:(1)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,现场受力情况比较复杂,比如可能偏心受压;(2)千斤顶张拉可以看做是一个瞬间的动作,此瞬间动作完毕并且暂时锁定以后,锚垫板本身的回缩变形、锚索回弹变形、岩体裂隙的调整变形等都会降低后续的测力计观测值,这牵涉到瞬间预应力损失的问题,详见后述。从锚索测力计和油压表的回归方程可看出,两者线性相关性较好,相关系数为0.9969,因此利用测力计的监测结果可以分析锚索的实际受力状况。5在锚索张拉过程中，以及在锁后，应力变化立即损失5.1张拉初始张拉在多数情况下,测力计测值与张拉应力值差异较大,4个锚索监测点记录了初始张拉达到设计要求(设计张拉力400kN,超张拉10%)的440kN,油压表锁定张拉力和锁定后测力计读数之间的关系。见表5。5.2最大张拉损失测定的计算方法从表5的结果分析可以得出结论:测力计值都小于锁定张拉应力值,MS1测力计值小于张拉应力值14.4kN,MS2测力计值小于张拉应力值11kN,MS3测力计值小于张拉应力值12.8kN,MS4测力计值小于张拉应力值16kN,损失率在2.5%～3.6%之间。因为此工点属于挡墙加固,锚头接触面为较光滑平整的墙面,加固的土体主要是为半填半挖路基中部分锲形填方体和基岩裂隙,因此瞬间预应力损失不大,如果瞬间预应力损失大,比如超过设计的超张拉值(本工点为10%)左右,则要考虑补充张拉,否则达不到设计的效果。预应力损失不大的,损失值在预计的超张拉值范围内的(设计的超张拉值就是为了补偿预应力损失值),可以不用补充张拉。5.3锚索锚索的锚索安装误差原因2瞬间预应力损失可能的原因:(1)现场安装时锚垫板不够平顺;(2)锚索测力计的标定误差;(3)加载装置液压传导的误差;(4)锚具变形;(5)锚索回弹;(6)夹片内缩。5.4慢的速度来锁定因为瞬间预应力损失较明显,施工过程中尝试用慢锚(即用较慢的速度来锁定)来减少瞬间预应力损失。经过现场试验,锁定速度(快锚和慢锚)对于瞬间预应力损失没什么大的影响,说明改变锚固速度对于瞬间预应力损失没有大的帮助。6锚索现场观测对于4个锚索测力计,锁定后80d内,每隔10d观测一次,记录锚索测力计应力读数、现场温度值、天气情况、工点现场变形情况等。监测数据见表6。6.1损失率从表6可见所有安装了锚索测力计的锚索锚固力最大损失率为7.91%,最小损失率为3.87%。通过超张拉10%(40kN),超张拉力用来抵消预应力损失,80d后实测锚固力达到设计锚固力(400kN)的101.3%～105.7%,达到了设计的预期。6.2锚固段主要成因如图8所示,锚索锁定后20d内锚固力损失较快,锁定后20d锚固力平均损失15.7kN(以初始锁定瞬间千斤顶油压表读数约440kN计算)。20d内损失速度较快的原因:(1)瞬间预应力损失占较大的比例,原因见前述;(2)锚固影响范围内表层岩土体压缩;(3)此工点锚索钻孔过程中发现锚固段的山体基岩裂隙较发育,有的节理面已经贯通,这些基岩节理面本身的压缩不可忽视。降雨特别是连续强降雨对岩土工程特别是边坡工程的安全有较大的影响,本项目施工和监测期间也经历了雨季。锚索锁定后第40d观测数据反而呈应力增加趋势,现场记录当天为雨天,并且此前已经连续下雨两天,估计为岩土体较多的缝隙和节理面被雨水充填,并且经过车辆荷载不断碾压后,导致孔隙水压力增大,土体鼓胀使位移增大导致锚索伸长量增大所致。锚索锁定60d后锚索锚固力呈平缓小幅波动下降趋势,基本可以认为趋于稳定。6.3异地时间为探求温度对预应力锚索测力计的影响,每次监测特地选在不同的温度进行,比如早上、中午、傍晚等。监测结果(图8)表明,从工程应用角度来看,温度对于锚索测力计的监测影响可以忽略不计。6.4应力损失的表现锚索的长效预应力损失原因:(1)岩土体本身的变形;(2)孔道摩擦应力损失(锚索与孔道壁之间产生的摩擦阻力而引起的应力损失);(3)预应力筋的松弛引起的应力损失;(4)混凝土的收缩、徐变引起的应力损失。预应力损失理论上通过计算可以得到,在施工过程中,通过使用锚索测力计可以真实有效检验预应力损失和进行预应力长期监测,仪器精度远高于油泵张拉精度。7预应力损失的监测与分析(1)锚索锁定过程中存在瞬间预应力损失,损失率在2.5%～3.6%。锁定瞬间预应力损失跟锚垫板的安装是否平顺、机械瞬间松驰、锚索回弹、夹片内缩和千斤顶和测力计本身的误差有关。这种瞬间损失可因各孔情况不同而不同,反映值也不同。(2)张拉锁定的速度快慢对于瞬间预应力损失没大的影响。(3)温度对于锚索测力计的影响从工程应用角度来看可以忽略不计。(4)对于裂隙和节理较多的被锚固岩土体,雨