預應力錨索樁板墻支護多級高填方邊坡監(jiān)測研究與分析

朱彥鵬，魏真紅，楊校輝，朱喬紅

(1.蘭州理工大學甘肅省土木防災減災重點實驗室，蘭州 730050；2.蘭州理工大學西部土木工程防災減災教育部工程研究中心，蘭州 730050)

0 引 言

隨著山區(qū)城市用地的緊張和人們對住房的巨大需求，出現(xiàn)了越來越多的高填方邊坡，由此而來也出現(xiàn)了許多多級高填方邊坡支護結構[1-3]。但是邊坡土體與支護結構之間的作用機理非常復雜，相互影響較大，經(jīng)常由于支護方案選擇的不合理或者現(xiàn)場位移信息化監(jiān)測不夠使得高邊坡支護工程事故時有發(fā)生，嚴重危害人們的生命和財產(chǎn)安全。因此對多級高填方邊坡支護結構進行深入全面的系統(tǒng)性研究就顯得非常必要。

預應力錨索樁板墻中填土-樁-錨索-擋土板之間的相互協(xié)同工作原理非常復雜[4]，其研究過程也是一個系統(tǒng)工程。截止目前，國內外研究成果都比較少而且也不成熟。孫書偉[5]等對高路堤預應力錨索樁板墻支護結構的受力特性和力學行為進行了分析研究。李中國[6]對兩排錨索樁板墻進行了分析研究，總結了填土高度及錨索預應力對支護樁受力的影響。朱彥鵬[7]等對預應力錨索格構梁支護結構進行了健康監(jiān)測與分析，指出了支護初期，邊坡內部的應力和位移的變化情況，隨著支護結構的作用，邊坡內部土體內力進行重新分布和調整，二者變化趨于平穩(wěn)。孫書偉[5]、周勇[8]等對邊坡支護結構的內力及邊坡的變形情況進行了現(xiàn)場監(jiān)測，指出坡體的變形對支護結構內力影響非常顯著，而且支護結構的變形大部分屬于被動變形，結構產(chǎn)生變形的程度相較于支護結構內力的變化程度較低。李京榜[9]、朱彥鵬[10]對某二級高邊坡健康監(jiān)測研究與分析中指出了二級邊坡在支護結構的施工和運營階段的一些變化規(guī)律。富海鷹[11]通過對錨拉式樁板墻中的土壓力、樁身彎矩、錨索內力和沉降的變化特點進行了現(xiàn)場監(jiān)測和分析。但將預應力錨索樁板墻支護結構用于多級高填方邊坡工程的研究在研究報告中還不太常見。這就嚴重的制約了預應力錨索樁板墻支護結構加固多級高邊坡的發(fā)展。所以深入、系統(tǒng)的開展預應力錨索樁板墻支護結構加固多級高填方邊坡的研究對多級高填方邊坡支護結構的發(fā)展和完善具有非常重要的工程指導意義。

本文依托實際高填方邊坡支護工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測設備和遠程傳輸系統(tǒng)對該邊坡的變形情況和支護結構的內力變化情況進行實時監(jiān)測，然后對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析研究，總結出一些對多級高邊坡支護結構的施工和設計具有參考價值的結論和建議。

1 工程概況

1.1 工程地質情況

該邊坡施工場地位于蘭州市城關區(qū)，總長度約800 m，且地形復雜，坡度較陡，坡高最高處約為36 m，最低處約為21 m。邊坡在西北側較高，邊坡頂標高為1 582.76 m，邊坡標高為1 548.60 m；東南側稍低，坡頂標高為1 575.80 m，坡底標高為1 533.00 m。黃土埋深厚度為32.1～50.70 m，層面標高1 584.30～1 599.85 m。根據(jù)地質勘查情況工程場地內土層地質情況為：表層1～2 m為人工堆積的松散填土。2～30 m為馬蘭黃土，30 m以下為紫紅色紅砂巖。該項目為蘭州市城關區(qū)白道坪石溝不穩(wěn)定斜坡支護工程，為多級高填方邊坡，分三級支護，按設計坡率進行坡面清理，每級間有2 m的挖方平臺及平臺排水槽。第一級邊坡采用預應力樁板墻垂直支護，高12 m，第二級邊坡采用預應力錨索格構梁支護，坡率為1∶0.7。第三級邊坡采用預應力錨托板支護，坡率為1∶0.7，高12 m。錨索預應力設計值為250 kN，預應力錨托板承載力設計值170 kN。選取最典型的高填方區(qū)斷面布設監(jiān)測設備，該監(jiān)測為永久監(jiān)測，采用無線傳輸。支護前和樁板墻施工完成時現(xiàn)場情況如圖1、2所示，支護結構和典型工程地質剖面見圖3和圖4。

圖2 一級樁板墻施工完成圖

圖3 預應力錨索樁板墻支護結構剖面圖

圖4 典型位置工程地質剖面圖

1.2 水文地質條件

邊坡所在區(qū)域地處黃河北岸高階地，場地地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水。分布于白堊系砂巖頂面與第四系粉土、卵石底面之間。賦存于卵石、砂巖的孔隙裂隙中，無統(tǒng)一潛水面。本工程位于透水但不含水的粉土地區(qū)，只有在降雨比較集中的季節(jié)會有少量的水流在溝谷地形平緩或低洼處富集，且含水層厚度小，一般1～2 m左右。本工程在支護高度內無地下水。

2 監(jiān)測設計

根據(jù)支護結構的設計原則和實際的現(xiàn)場情況，將各類監(jiān)測儀器埋設于邊坡的主滑動面及其附近部分位置。結合該工程的支護結構形式，確定好傳感器在支護結構的布置位置。本次支護工程中監(jiān)測內容如下(本次監(jiān)測儀器均采用長沙金碼的監(jiān)測儀器，具體型號分類列出)：

(1)采用(JMDL-3210A型)單點位移計測試支護樁在推力作用下的樁身位移，單點位移計布置在樁板墻頂部。

(2)采用鋼筋應力計(JMZX-422A型)來監(jiān)測支護樁的受力情況，鋼筋應力計對稱焊接在支護樁的擋土側和臨空側，具體的監(jiān)測位置和監(jiān)測儀器的布置見圖5。測試過程中鋼筋應力傳感器布設在抗滑樁的主筋上，兩端與主筋焊接連接，為防止焊接時損壞監(jiān)測儀器，焊接時靠近儀器一側用濕抹布包裹，防止焊接過程中溫度過高而燒壞儀器，影響監(jiān)測效果。

圖5 鋼筋計布置圖

(3)錨索預應力監(jiān)測：在錨索錨具安裝過程中，將錨索測力計(JMZX-3104HAT型)置于錨具和錨墊板之間，監(jiān)測錨索張拉鎖定后預應力損失情況及后期預應力變化規(guī)律。具體儀器安裝方法見圖6。

圖6 錨索計安裝詳圖

3 監(jiān)測分析

此次邊坡監(jiān)測試驗建立一套遠程無線自動化健康監(jiān)測系統(tǒng)，便于對邊坡運營階段穩(wěn)定性狀態(tài)進行實時監(jiān)測。經(jīng)過調試，該系統(tǒng)開始數(shù)據(jù)自動化監(jiān)測采集。

3.1 位移觀測結果

由于預應力錨索樁板墻屬于鋼筋混凝土結構所以與填土之間的內摩擦力較大，簡而言之就是和填土之間的黏結性能比較好即二者在變形時協(xié)同工作性能良好，因此支護樁樁頂位移即反映了該位置處邊坡坡面位移。該試驗采用(JMDL-3210A型)單點位移計監(jiān)測樁板墻的水平位移，該位移計主要由位移傳感器、拉桿及錨頭組成。錨頭錨固到穩(wěn)定土層(本工程為紅砂巖)，位移計本體錨固到支護樁頂部的冠梁表面。當錨頭和位移計本體發(fā)生相對變化時，傳感器的螺管線圈與測桿之間發(fā)生相對位移，輸出信號，接收裝置獲取變化讀數(shù)。在位移計安裝過程中，一般設定5 cm作為測桿與線圈之間的相對位移作為位移計的變化初始值。1～6號位移計在樁頂沿長度方向布置。根據(jù)監(jiān)測結果顯示，3號位置(圖7藍色曲線)位移從28 mm急劇減小為15 mm，主要是因為該時期處于錨索初次張拉階段，固定在樁頂冠梁位置位移計本體在錨索張拉時錨固端向邊坡方向回縮變形，導致位移急劇減小。在張拉結束的一周內，預應力力損失較大，產(chǎn)生應力松弛，使得位移快速增長； 在之后的70 d內邊坡處于卸荷階段(圖7豎向紅線)，各位置處的位移緩慢增長；兩個月以后，各監(jiān)測點位移變化逐漸趨于平穩(wěn)，其位移變化速度介于-0.02～0.02 mm/d之間。84 d的時候5號樁位置出現(xiàn)較明顯的減小，是因為上一級邊坡的施工機械設備撤出一級平臺。2號位置位移趨勢相同，但位移量較大，通過調現(xiàn)場調查分析了解到該位置是由于超填引起。但由于錨索的存在很好地控制了位移過大。

圖7 不同監(jiān)測點水平位移變化曲線圖

截止本文撰寫之日，1～5號位移計累計變化量分別為7、6、4、8、-2 mm；支護工程施工完成以后，邊坡的位移變化速率最大為0.02～0.03 mm/d范圍內波動，但相對較平穩(wěn)。邊坡的最大位移小于10 mm，最大加速度也逐漸平穩(wěn)在0.025 mm/d2左右，邊坡趨于穩(wěn)定(見圖8)。

圖8 樁頂位移加速度變化曲線圖

該試驗采用鋼筋計對支護樁樁身內力變化進行監(jiān)測，監(jiān)測結果見圖9和圖10。由數(shù)據(jù)顯示，各點鋼筋計應力變化很好地顯示了樁身的受力情況。支護初期變化比平緩，但隨著后期填土高度的增加，土壓力的增大，支護樁擋土側鋼筋拉力也逐漸增長，而且隨著填土的增高，支護樁受拉側縱筋的受力也越加明顯(見圖9 G2)。監(jiān)測點G3正好位于反彎點位置，所以該點鋼筋既不受拉也不受壓，也不受填土高度的變化而變化。G1是嵌固段監(jiān)測點，從監(jiān)測曲線可以看出，地面以下樁身鋼筋均受壓，究其原因是因為支護樁嵌固段臨空側和擋土側均有土壓力，區(qū)別于支護樁地面以上部分受填土壓力和錨索拉力影響較顯著。而且由于樁周所受負摩阻力，所以G1位置支護樁受壓，且變化較小。所以綜合G1點監(jiān)測曲線可知，樁自身重力和周圍土體對嵌固段的負摩阻力[12]和有關，與上部填土和錨索的影響較小。G4、G5監(jiān)測點位置處支護樁樁身鋼筋受拉，且隨著填土高度增加，受拉程度也變得越來越大，但由于G4、G5總體靠近支護樁樁頂位置，所以側向土壓力整體小于下部G2監(jiān)測點所受土壓力的影響，曲線的變化也沒有G2曲線那樣明顯。支護樁臨空側鋼筋應力變化如圖10。整體也分受拉區(qū)，反彎點，受壓區(qū)，且各個部分的變化趨勢和擋土側相似，這兒不再贅述?？傮w而言臨空側的鋼筋所受鋼筋應力小于擋土側，這表明樁身截面在受樁后填土壓力時，樁身截面的中性點并沒有嚴格經(jīng)過樁身截面形心位置。圖11為支護樁身截面所受彎矩分布曲線。樁身彎矩由鋼筋應力值根據(jù)公式(1)進行推算。

圖9 擋土側鋼筋計應力變化曲線圖

圖10 臨空側鋼筋計應力變化曲線圖

圖11 支護樁樁身彎矩變化曲線

M=W(σ1-σ2)

(1)

式中：M為樁身彎矩；W為樁的彎曲截面系數(shù)，m2；σ1為擋土側壓力；σ2為臨空側土壓力。

由圖11可以看出，填筑初期50 d內，受樁后填土作用和錨索拉力等的影響，樁身彎矩明顯增大，50 d以后增加趨勢小幅放緩。隨著錨索和邊坡巖土體內部進行應力調整，當應力調整完成以后，錨索受力區(qū)域平衡，但固結沉降仍在進行，使得樁身彎矩顯著增大，由于錨索應力調整已經(jīng)完成，巖土體裂隙在應力調整過程中已經(jīng)完成重新排布，所以樁身應力這次增大趨勢雖然顯著，但持續(xù)時間較短，大概25 d左右。而后因為錨索應力松弛、錨墊板損壞和夾具造成預應力的損失，使得樁身彎矩出現(xiàn)了回彈，出現(xiàn)了小幅變小。而后逐漸趨于穩(wěn)定，形成穩(wěn)定的樁身彎矩曲線。

3.2 錨索預應力的監(jiān)測分析

本次支護工程中，預應力錨索錨的鎖定值為220～250 kN(不同剖面略有不同)，分兩級進行張拉鎖定。錨索張拉應在注漿體強度達到設計值的85%后進行，即至少在注漿完成20 d以后進行。錨索鎖定之后，混凝土樁板墻變形、填土的變形，注漿體強度、錨具、錨索的松弛等因素的共同影響，鎖定值會有一個明顯的減小過程(圖12中豎線a與b之間)；待逐漸穩(wěn)定后進行二次張拉(圖12中豎線b與c之間)。在二次張拉之后，因為錨索的持續(xù)預應力的持續(xù)損失，會有小幅度的減小。但隨著加固完成后邊坡土體內部應力會有一個自行調整的過程，錨索的預應力會出現(xiàn)小幅度升降波動，當然邊坡頂部的施工活動也會有一定影響，但影響程度有限，最后整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當邊坡有滑動趨勢時，錨索的預應力才會出現(xiàn)較大幅度的上升，這時就應該增加觀測頻率，以便做出預警，及時查明變形原因。穩(wěn)定后錨索預應力為230 kN左右，鎖定后超發(fā)揮率為15%，達到設計荷載的92%，因為預應力錨索受施工工人的技術水平、施工現(xiàn)場環(huán)境制約和制造工藝的優(yōu)劣，一般會留18%作為安全儲備，以保障高邊坡在后續(xù)使用工程中的安全。通過本次對預應力錨索的現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)從預應力的施加到最后鎖定成為預應力的過程中，預應力的變化大致經(jīng)歷了如下3個階段。

圖12 錨索預應力隨時間變化曲線

第一階段為施加的預應力加速損失階段。該階段的持續(xù)時間一般為兩周，在這個階段內預應力的損失最大。究其原因，第一個原因是該邊坡為填方邊坡，壓實系數(shù)沒有達到設計要求，強度較低。第二個原因是在該邊坡土體內部存在孔洞，土體宏觀骨架會發(fā)生變化。第三個原因是鋼絞線的應力松弛。同時從錨具的變化情況來看錨具的質量和施工情況也是造成本次試驗預應力損失的一個重要因素。

第二個階段為預應力的平穩(wěn)上升階段。該階段預應力出現(xiàn)小幅波動，整體趨勢平緩上升，這種趨勢大概會持續(xù)3個月左右(豎線d位置)。主要是該階段錨索的錨固段與邊坡土體內部的應力會重新進行分布，同時巖土體內部的宏觀骨架自身也會進行一定的調整，但總體而言，巖土體內部逐漸調整完畢，錨索開始更好的受力，開始發(fā)揮支護效果。雖然上部人們的活動會使得錨索的受力出現(xiàn)了小范圍的波動變化，但整體趨勢放緩。

第三階段為預應力穩(wěn)定工作階段。這個階段錨索的錨固段與邊坡內部的土體進行各自的調整之后，已基本成型，趨于平衡，開始發(fā)揮效果，并達到相對平衡的狀態(tài)。該階段的預應力出現(xiàn)了緩慢增長趨勢(圖12中豎線d之后)，究其原因是受到周圍環(huán)境的影響(二級邊坡繼續(xù)施工)一級邊坡內部受到較小的擾動，最主要的原因是填土內部的工后沉降還在繼續(xù)，導致錨索錨固體周圍土體的圍壓增大，受力增強。當然這也從側面說明了這種支護結構用在高邊坡的加固中是比較好的。

4 結 語

(1)高填方邊坡支護工程中的自動化健康監(jiān)測系統(tǒng)不僅能在前期起到良好的預警作用，而且在后期的運營階段中也非常重要。更重要的是可以為以后高邊坡支護結構的深入、系統(tǒng)的研究提供大量翔實的原始數(shù)據(jù)，為高邊坡加固的研究打下良好的基礎。

(2)邊坡坡面位移在監(jiān)測初期受錨索張拉影響較大，后期逐漸趨于平穩(wěn)；邊坡支護結束以后最大位移變化速率介于-0.02～0.02 mm/d之間，小于0.5 mm/d，監(jiān)測點最大累計變化最大為8 mm，最大加速度為0.025 mm/d2，該邊坡支護完成以后滑動趨勢不明顯，表明預應力錨索在高填方支護結構中作用效果顯著。

(3)通過對支護樁鋼筋計監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析可知支護樁在預應力錨索和邊坡土體推力的共同作用下存在受拉區(qū)、受壓區(qū)和既不受拉也不受壓的中性區(qū)。嵌固段因其受到負摩阻力的影響為純受壓區(qū)，在嵌固段上部受拉受壓具體表現(xiàn)在正負彎矩交替出現(xiàn)。填筑初期彎矩變化幅度較小，在錨索和邊坡土體之間應力調整之后，樁身彎矩變化較明顯，但持續(xù)時間較短，之后趨于穩(wěn)定。

(4)通過對錨索的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)錨索的預應力在初次張拉完成后的20 d內預應力存在一個明顯的增長期，之后大概一周之內由于預應松弛和錨索周圍土體應力重分布，預應力大約損失15%，經(jīng)過二次張拉以后，錨索預應力雖有小幅波動，但整體開始穩(wěn)定。錨索工作階段整體可以分為3個，預應力加速損失階段、預應力穩(wěn)定上升階段和預應力穩(wěn)定工作階段。