史克友,吳小萍,2,3,王澤坤
(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長沙,410075;2.中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,湖南長沙,410075;3.倫敦大學(xué)學(xué)院交通研究中心,英國倫敦,WC1E 6BT)
在修建高速公路、鐵路過程中,需要對沿線開挖的邊坡進(jìn)行支護(hù),以提高開挖邊坡的穩(wěn)定性,從而保證道路的運(yùn)營安全[1-3]。邊坡的支護(hù)方法有很多種,常用的邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)有擋土墻[4-6]、抗滑樁[7-8]、預(yù)應(yīng)力錨桿[9]和預(yù)應(yīng)力錨索[10-11],其中,預(yù)應(yīng)力錨索具有強(qiáng)度可靠、施工簡便及經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn),在邊坡支護(hù)工程中得到廣泛應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力錨索可以充分發(fā)揮自身的強(qiáng)度,將巖體軟弱結(jié)構(gòu)面與穩(wěn)定巖層聯(lián)系在一起,從而改變邊坡巖體原有的應(yīng)力狀態(tài),提高邊坡的整體穩(wěn)定性。采用預(yù)應(yīng)力錨索對邊坡進(jìn)行加固時,錨索的有效預(yù)應(yīng)力是錨索發(fā)揮支護(hù)作用的前提和保證。但SUNG等[12-14]通過對邊坡錨索的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行長期監(jiān)測后發(fā)現(xiàn),錨索預(yù)應(yīng)力損失的現(xiàn)象在錨固工程中十分普遍。研究者建立了許多物理模型,通過理論分析對錨索預(yù)應(yīng)力損失的現(xiàn)象進(jìn)行了研究,如:陳拓等[15]在所建模型中考慮了卸荷因素;徐毅青等[16]在所建模型中考慮了錨索預(yù)應(yīng)力的初期及長期損失;李濤等[17]針對膨脹土層建立了錨索預(yù)應(yīng)力的流變損失模型。這些模型認(rèn)為錨索的長期預(yù)應(yīng)力損失主要與加固巖土體的蠕變有關(guān),受錨索張拉荷載的長期作用,巖土體發(fā)生蠕變變形從而引起錨索回彈收縮,進(jìn)而使錨索預(yù)應(yīng)力長期損失。這些模型忽略了框格梁在錨固邊坡中所起到的作用,錨索預(yù)應(yīng)力損失模型的建立是以假設(shè)巖體均勻受力為基礎(chǔ),而框格梁正是錨固邊坡中巖體均勻受力的保證,因此,在建立錨索預(yù)應(yīng)力損失的物理模型時不應(yīng)忽略框格梁所起到的作用。此外,由于錨索預(yù)應(yīng)力損失直接影響著邊坡的支護(hù)效果,在實(shí)際工程中,施工完成后大多采用2次張拉的方式對錨索的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行后期補(bǔ)償。錨索的2次張拉時機(jī)對其預(yù)應(yīng)力的補(bǔ)償效果有直接影響。明確錨索的預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償時機(jī),不僅可以保證錨索的預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償效果,同時便于現(xiàn)場人員的調(diào)度及施工的統(tǒng)籌安排。鑒于此,本文對錨固邊坡中框格梁所起的應(yīng)力擴(kuò)散作用進(jìn)行探討,并基于錨索、框格梁及巖體三者之間的相互作用關(guān)系,建立考慮框格梁作用的錨索預(yù)應(yīng)力損失模型;同時,利用所建模型對錨索的預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償時機(jī)進(jìn)行研究,以便為錨索加固邊坡的施工及錨索預(yù)應(yīng)力的后期補(bǔ)償提供依據(jù)。
錨固邊坡錨索張拉后,可視為在邊坡支護(hù)面上各錨索張拉處施加一個集中荷載,錨索在張拉后由錨具鎖定,由于錨具截面積小,錨索張拉處的應(yīng)力近似為集中應(yīng)力,若無框格梁作用,則集中應(yīng)力將直接作用在巖體表面,極易造成巖體破碎及開裂。在含有框格梁的錨固結(jié)構(gòu)中,錨索張拉后的集中應(yīng)力先作用在框格梁結(jié)構(gòu)上,然后通過框格梁傳遞至巖體表面。這里以有限差分軟件FLAC3D研究框格梁對錨索張拉后集中應(yīng)力擴(kuò)散范圍的影響。
這里主要研究框格梁對集中應(yīng)力擴(kuò)散范圍的影響,故對所建分析模型進(jìn)行簡化,僅以法向集中應(yīng)力的擴(kuò)散范圍作為研究對象。本文建立2個數(shù)值分析模型:一個是沒有框格梁作用的數(shù)值分析模型,4個集中荷載P直接作用于巖體表面,荷載P的作用范圍為圖1中紅色區(qū)域,作用面積為0.4 m×0.4 m(與框格梁截面積相同);另一個是含有框格梁的數(shù)值分析模型,4個集中荷載P直接作用于框格梁表面。模型尺寸如圖1所示,荷載P以依托工程鄭西(鄭州—西峽)高速EK1+650斷面深路塹邊坡)錨索張拉荷載為準(zhǔn),為400 kN/m。
圖1 數(shù)值分析模型Fig.1 Numerical analysis model
模型計算參數(shù)如表1所示。巖體參數(shù)以依托工程實(shí)際參數(shù)為準(zhǔn),模型計算時,巖體采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行模擬,結(jié)合依托工程中框格梁的設(shè)計資料,框格梁參數(shù)中密度(d)、體積模量(K)及剪切模量(G)以C25 混凝土參數(shù)為依據(jù)賦值,抗拉強(qiáng)度(fy)以HRB335 鋼筋抗拉強(qiáng)度為依據(jù)賦值,在框格梁滿足設(shè)計強(qiáng)度的情況下,可認(rèn)為其不會發(fā)生剪切破壞,因此,無需對框格梁的內(nèi)摩擦角(φ)和黏聚力(c)賦值。模型計算時,框格梁采用Elastic模型進(jìn)行模擬。模型計算前,固定模型底面所有方向節(jié)點(diǎn)的速度,固定模型前后面y方向節(jié)點(diǎn)的速度,固定模型左右面x方向節(jié)點(diǎn)的速度。
表1 數(shù)值分析模型參數(shù)Table 1 Parameters of numerical analysis model
圖2所示為法向荷載集中應(yīng)力作用下巖體表面(平面坐標(biāo)z=0)的應(yīng)力擴(kuò)散云圖。圖2中,σz為巖體表面的法向應(yīng)力,其拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)。從圖2可見:無框格梁作用時(圖2(a)),4個集中荷載P作用位置處有集中壓應(yīng)力產(chǎn)生,此外,在每2個集中荷載P之間還存在明顯的拉應(yīng)力區(qū),最大拉應(yīng)力約為4.4 kPa,可見無框格梁作用時,集中荷載作用點(diǎn)處巖體所受應(yīng)力比較集中,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖體表面其他區(qū)域的應(yīng)力;在較大集中應(yīng)力作用下,荷載作用點(diǎn)處巖體的變形量也比巖體表面其他區(qū)域的變形量大,從而在2個集中荷載P之間產(chǎn)生拉伸作用,這種拉伸作用對巖體穩(wěn)定極為不利,尤其對于巖性較差的風(fēng)化巖體而言,極易造成巖體表面開裂。從圖2(b)可見:有框格梁作用時,4個集中荷載P先作用在框格梁表面,然后由框格梁將應(yīng)力傳遞至巖體表面,在框格梁作用下,巖體表面受力相對均勻,這直接減少了表面巖體在較大集中應(yīng)力下被破壞的隱患。
圖2 巖體表面法向集中應(yīng)力擴(kuò)散云圖Fig.2 Nephogram of normal concentrated stress diffusion on surface of rock mass
另外,無框格梁作用時,巖體表面最大壓應(yīng)力約為482.2 kPa,最小壓應(yīng)力約為25.0 kPa,兩者比值高達(dá)19.29,巖體表面嚴(yán)重受力不均勻。在框格梁作用下,巖體表面不僅沒有產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)域,而且?guī)r體表面最大壓應(yīng)力僅約為7.9 kPa,壓應(yīng)力的最大值約為最小值的1.66 倍,巖體表面受力相對均勻。
在錨固邊坡中,各錨索的錨固荷載可視為邊坡支護(hù)面1 個集中荷載。通過上述數(shù)值分析可知,框格梁在錨固邊坡中起著十分重要的作用,框格梁是坡體表面均勻受力的保障。在實(shí)際工程中,后期錨索預(yù)應(yīng)力損失后各錨索的實(shí)際錨固荷載并不相同,這樣很容易造成坡體表面不均勻變形,框格梁不僅可以極大降低這種不均勻變形,而且可以增強(qiáng)錨固結(jié)構(gòu)的整體支護(hù)效果。因此,在錨固邊坡的受力分析中,不應(yīng)忽略框格梁的作用。
錨索的預(yù)應(yīng)力損失主要由錨索自身的材料特性及巖土體的力學(xué)性質(zhì)決定,因此,錨索預(yù)應(yīng)力損失的計算模型一般通過合理組合錨索和巖土體的計算模型建立[18-19]。耦合蠕變模型建立的前提是假設(shè)巖土體均勻受力[20-21],框格梁是巖體均勻受力的保障,在框格梁作用下,巖土體的實(shí)際受力情況更接近于假設(shè)條件,因此,錨索預(yù)應(yīng)力損失模型的建立不應(yīng)忽略框格梁的作用。
在實(shí)際工程中,服役狀態(tài)下錨固邊坡錨索主要以彈性變形為主,因此,可選用圖3中的胡克模型對錨索進(jìn)行模擬,該模型的本構(gòu)關(guān)系為
式中:εc為錨固范圍內(nèi)錨索體的應(yīng)變;σc為錨固范圍內(nèi)錨索體的應(yīng)力;Ec為錨固范圍內(nèi)錨索體的等效彈性模量。
在應(yīng)力作用下,巖體具有瞬時應(yīng)力松弛和彈性變形的特點(diǎn),同時,在長期應(yīng)力作用下,巖體還具有黏彈塑性的特征,因此,可選用圖3中的廣義開爾文模型對巖體進(jìn)行模擬。廣義開爾文模型是在開爾文模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來,可以表征各個階段的巖體蠕變。該模型的本構(gòu)關(guān)系為
式中:σn為巖體的應(yīng)力;εn為巖體的應(yīng)變;σ′n為應(yīng)力的一階導(dǎo)數(shù);ε′n為應(yīng)變的一階導(dǎo)數(shù);ηK為巖體的黏滯系數(shù);EK為巖體的黏彈性模量;EH為巖體的瞬時彈性模量。
與巖體相比,框格梁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),具有很大的剛度,并且框格梁的橫截面高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖層的厚度,在應(yīng)力作用下可以不考慮框格梁的瞬時彈性應(yīng)變,因此,可選用圖3中的開爾文模型對框格梁進(jìn)行模擬。該模型的本構(gòu)關(guān)系為
圖3 各部分分析模型Fig.3 Analysis model of each part
式中:σL為框格梁的應(yīng)力;εL為框格梁的應(yīng)變;ε′L為應(yīng)變的一階導(dǎo)數(shù);ηL為框格梁的黏滯系數(shù);EL為框格梁的黏彈性模量。由于框格梁的橫截面高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖層的厚度,故EL可用框格梁的彈性模量替代。
錨索、框格梁及巖體之間的相互作用關(guān)系如圖4所示。在實(shí)際施工過程中,將錨索安裝于鉆孔內(nèi),然后通過向鉆孔內(nèi)注漿的方式將錨索結(jié)構(gòu)與巖體結(jié)合在一起,因此,可認(rèn)為錨索的回縮變形和巖體的蠕變變形是同步進(jìn)行的。由于錨索結(jié)構(gòu)和框格梁之間沒有漿液的黏結(jié)作用,可認(rèn)為錨索的回縮變形和框格梁的蠕變變形是相對獨(dú)立的。
結(jié)合圖4中錨索、框格梁及巖體之間的位置及三者之間的相互作用關(guān)系,建立如圖5所示的錨索預(yù)應(yīng)力損失模型。該模型是由Part 1和Part 2并聯(lián),然后與Part 3串聯(lián)建立而成。在所建模型中,Part 1為廣義開爾文模型,用來模擬巖體;Part 2為胡克模型,用來模擬錨索;Part 2為開爾文模型,用來模擬框格梁。
圖4 錨索框格梁支護(hù)邊坡示意圖Fig.4 Schematic diagram of slope supported by anchor cables and frame beam
由圖5所示錨索預(yù)應(yīng)力損失模型可知,錨索、框格梁及巖體之間的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)滿足以下方程:
式中:σ為預(yù)應(yīng)力損失模型的總應(yīng)力;ε為預(yù)應(yīng)力損失模型的總應(yīng)變;σL和εL分別為框格梁的應(yīng)力和應(yīng)變;σN和εN分別為巖體的應(yīng)力和應(yīng)變;σC和εC分別為錨索體的應(yīng)力和應(yīng)變。
對式(4)和式(5)進(jìn)行轉(zhuǎn)換可得:
將式(6)和式(7)代入式(3)并進(jìn)行換算,可求得所建預(yù)應(yīng)力損失計算模型的本構(gòu)方程:
在錨索預(yù)應(yīng)力損失的初始時刻(即t=0時),假設(shè)預(yù)應(yīng)力損失模型的初始應(yīng)力和初始應(yīng)變分別為σ0和ε0,可以將式(8)轉(zhuǎn)換成預(yù)應(yīng)力損失模型的應(yīng)力松弛方程:
對式(12)進(jìn)行微分求解得
當(dāng)開始在巖體上施加應(yīng)力時,可認(rèn)為巖體主要發(fā)生彈性變形,因此,所建模型的初始應(yīng)變?yōu)棣?=σ0/(EC+EH) +σ0/EL??紤]初始條件t=0時,σ=σ0,結(jié)合式(12)即可求出系數(shù)C1:
通過上述推導(dǎo)的公式,在初始應(yīng)變ε0已知的條件下即可對錨索預(yù)應(yīng)力的損失情況進(jìn)行計算分析。
本文結(jié)合依托工程(鄭西高速)的施工,分別對EK1+640和EK1+650這2個斷面的深路塹邊坡錨索預(yù)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測,并同時進(jìn)行相應(yīng)的現(xiàn)場蠕變試驗(yàn)。這里以EK1+640 斷面深路塹邊坡為代表,取其中2 根錨索(編號為A1 和A2)的預(yù)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果對模型進(jìn)行驗(yàn)證。表2所示為模型計算參數(shù)(其中,EC由工程所用鋼絞線的實(shí)際參數(shù)換算得到;EL為框格梁所用C25 混凝土的實(shí)際參數(shù);EH,EK和ηK為結(jié)合現(xiàn)場巖體的蠕變試驗(yàn)結(jié)果,通過參數(shù)反演得到)。
表2 模型計算參數(shù)Table 2 Model calculation parameters
本文模型是在已有模型的基礎(chǔ)上增添框格梁單元建立的,為了進(jìn)一步對模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,除現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果外,另外還與廣義開爾文模型、GK-H模型[22]的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析,對比結(jié)果如圖6所示。從圖6可見:各錨索在張拉完成后其預(yù)應(yīng)力均會有不同程度的損失,在監(jiān)測初期,錨索預(yù)應(yīng)力損失速率最快,同時預(yù)應(yīng)力損失占比也最大;在監(jiān)測后期,錨索預(yù)應(yīng)力的變化逐漸趨于緩慢。由于受邊坡開挖等施工擾動的影響,在實(shí)際工程中,邊坡錨索的預(yù)應(yīng)力會出現(xiàn)波動變化。從圖6中的模型計算曲線(新建模型、廣義開爾文模型、GK-H 模型的計算曲線)可知,鑒于理論分析中無法考慮施工擾動帶來的影響,因此模型計算結(jié)果無法體現(xiàn)錨索預(yù)應(yīng)力的波動變化現(xiàn)象。
圖6 模型驗(yàn)證Fig.6 Model validation
本文新建模型的計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的變化趨勢幾乎一致。由于廣義開爾文模型僅考慮了巖體的蠕變作用,而GK-H模型僅考慮了錨索和巖體的耦合作用(圖5中Part 1 和Part 2 部分),這2個模型都未考慮框格梁在錨固結(jié)構(gòu)中的作用,造成廣義開爾文模型及GK-H模型的計算結(jié)果比現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果偏低。經(jīng)綜合比較,考慮框格梁的作用后,新建模型的精度更高,不僅可以對錨索預(yù)應(yīng)力的損失進(jìn)行計算,而且可以對錨索預(yù)應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定的時間進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。
在邊坡錨固工程中,錨索張拉完成后預(yù)應(yīng)力均會出現(xiàn)不同程度的損失,施工完成一段時間后對錨索進(jìn)行2次張拉可以有效彌補(bǔ)由巖體蠕變引起的預(yù)應(yīng)力損失,錨索的2次張拉時間直接影響著錨索的預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償效果,因此,對錨索預(yù)應(yīng)力的補(bǔ)償時間進(jìn)行研究具有十分重要的工程意義。
根據(jù)前面分析,在初始應(yīng)變ε0已知條件下即可利用式(13)對錨索的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行計算。當(dāng)施工完成后經(jīng)過時間t時對錨索進(jìn)行2 次張拉,圖5中所建模型的初始條件(初始應(yīng)變)已發(fā)生改變,變化后的初始應(yīng)變?yōu)椋?/p>
式中:ε′0為時間t時對應(yīng)的初始應(yīng)變;σt為時間t時損失模型的總應(yīng)力;為2 次張拉后損失模型的總應(yīng)力;T為錨索預(yù)定2次張拉后的荷載;AC為錨索體的等效截面積。
同樣以鄭西高速EK1+640 斷面深路塹邊坡四根錨索(編號A1~A4)為背景進(jìn)行分析。由圖6可知各錨索預(yù)應(yīng)力趨于穩(wěn)定的時間約為30 d,因此,可分別取施工完成后t為5,10,20 和30 d 為時間節(jié)點(diǎn)對錨索進(jìn)行2次張拉計算,探討各時間節(jié)點(diǎn)下各錨索的預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償效果。
圖7所示為不同補(bǔ)償時機(jī)時錨索A1~A4 的預(yù)應(yīng)力變化曲線。從圖7可以看到:雖然進(jìn)行2次張拉后各錨索仍然伴隨有預(yù)應(yīng)力損失現(xiàn)象,但各錨索的預(yù)應(yīng)力損失量均小于原損失量,且2次張拉時間越晚,各錨索的預(yù)應(yīng)力損失量越小。其原因是錨索的長期損失與錨固體各部分的蠕變有關(guān),錨索作用時間越長,錨固體各部分的蠕變量越小,因此,2次張拉時間越晚,各錨索的預(yù)應(yīng)力損失程度也越小。
圖7 不同補(bǔ)償時機(jī)時各錨索預(yù)應(yīng)力變化曲線Fig.7 Variation curves of prestress force of each anchor cable at different compensation time
對單個錨索進(jìn)行單獨(dú)分析可以發(fā)現(xiàn)(以錨索A1為例),以5,10,20 和30 d 為時間節(jié)點(diǎn)對錨索A1進(jìn)行2 次張拉后,其預(yù)應(yīng)力趨于穩(wěn)定時分別為27.76,28.50,29.18 和29.41 MPa,相鄰兩者之間的差值分別為0.74,0.68和0.23 MPa??梢姡m然從理論上講,2 次張拉時間越晚,錨索2 次張拉后的預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定值越大,但施工完成10 d 和30 d 后對錨索A1 進(jìn)行2 次張拉,其預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定值相差并不是很大,因此,在施工完成20 d 的各個時間點(diǎn)對錨索進(jìn)行2 次張拉均可達(dá)到有效的預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償效果。
在多錨支護(hù)邊坡中,各錨索預(yù)應(yīng)力的損失量不盡相同,對不同損失量的各錨索進(jìn)行2 次張拉時,其預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償效果也會有所區(qū)別。這里引入預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償比(即2 次張拉后錨索預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定值與其原預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定值之比),表3所示為不同張拉時機(jī)時各錨索預(yù)應(yīng)力的穩(wěn)定值。以t=30 d時的結(jié)果為例進(jìn)行分析,錨索A1~A4 的原預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定值分別為25.550,25.750,25.160 和25.130 MPa,預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定值越小表示錨索預(yù)應(yīng)力的損失量越大。當(dāng)t=30 d 時,對錨索A1~A4 進(jìn)行2 次張拉,錨索A1~A4 的預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定值分別為29.410,29.480,29.440和29.430 MPa,預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償比分別為1.151,1.144,1.170 和1.171,表明對預(yù)應(yīng)力損失量不同的錨索進(jìn)行2次張拉時,錨索原損失量越大,其預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償比也越大,預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償效果越好。
表3 不同補(bǔ)償時機(jī)時各錨索預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定值Table 3 Stable value of prestress force of each anchor cable at different compensation time
1)在法向集中荷載作用下,若無框格梁結(jié)構(gòu),則荷載直接作用于巖體表面,巖體表面不僅會出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力區(qū),且壓應(yīng)力的最大值約為最小值的19.3 倍,巖體表面嚴(yán)重受力不均勻;而當(dāng)有框格梁結(jié)構(gòu)時,巖體表面不僅沒有拉應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生,且壓應(yīng)力的最大值僅為最小值的1.66 倍??梢姡蚋窳菏清^固邊坡巖體均勻受力的保障,在錨固邊坡的受力分析中,不應(yīng)忽略框格梁的作用。
2)鑒于錨索、框格梁及巖體之間的相互作用關(guān)系,建立了錨索預(yù)應(yīng)力損失模型,并驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性。
3)從理論上講,2 次張拉時間越晚,錨索2 次張拉后的預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定值越大,但在施工完成20 d后的各個時間點(diǎn)對錨索進(jìn)行2次張拉,其預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定值相差并不大,可認(rèn)為在施工完成20 d 后對錨索進(jìn)行2次張拉均可達(dá)到理想的預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償效果。
4)在多錨支護(hù)邊坡中,各錨索的預(yù)應(yīng)力損失情況并不一樣,錨索的2次張拉效果也不相同。錨索的原預(yù)應(yīng)力損失量越大。2次張拉時,其預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償效果越明顯。