淺談吉沙廠房后邊坡加固錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計

李 利 寧， 張 紅 梅， 孫 海 權(quán)

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 朝陽 100024)

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淺談吉沙廠房后邊坡加固錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計

李 利 寧， 張 紅 梅， 孫 海 權(quán)

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 朝陽 100024)

吉沙廠房后邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的計算和采用合理，均符合相關(guān)規(guī)范要求，經(jīng)與大朝山地下廠房預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計類比驗證，成果可靠，能夠保證錨索錨固力的正常發(fā)揮。自2010年9月對吉沙水電站廠房后邊坡進(jìn)行加固以來，所有廠房后邊坡監(jiān)測儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，變形很小，未出現(xiàn)任何邊坡穩(wěn)定問題，故對該邊坡采取錨索加固措施效果明顯。

錨索；張拉控制應(yīng)力；內(nèi)錨固長度；預(yù)應(yīng)力損失

1 設(shè)計概述

吉沙水電站廠區(qū)建筑物于2008年4月施工完畢，但吉沙廠房后邊坡施工期由于各種原因，下游側(cè)高程約2 620～2 650 m間自2004年后一直存在欠挖問題，設(shè)計邊坡1∶1.5，實際開挖邊坡1∶0.9～1∶1.2，影響廠房后邊坡的整體外觀形象。該欠挖部位屬碎石土覆蓋層，雖膠結(jié)較好，但若長時間侵蝕、風(fēng)化，存在穩(wěn)定安全隱患，而且經(jīng)計算分析，不能滿足永久安全穩(wěn)定要求，最終采用1 000 kN預(yù)應(yīng)力錨索對其進(jìn)行加固，加固總面積2 000余m2，共計錨索111根。

錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量主要取決于對張拉控制應(yīng)力、內(nèi)錨固長度、預(yù)應(yīng)力損失、張拉控制變形等關(guān)鍵參數(shù)的確定，現(xiàn)就這些關(guān)鍵參數(shù)的計算確定論述如下。

2 張拉控制應(yīng)力及錨索組成根數(shù)的確定

張拉控制應(yīng)力σcon取決于材料性能、結(jié)構(gòu)形式、抗腐蝕要求、施工水平和張拉方法等，并直接關(guān)系到錨索的鋼材用量、預(yù)應(yīng)力損失及最終錨索有效錨固力。根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(DL/T5057—1996)表8.1.2的規(guī)定，考慮一定安全余度，張拉控制應(yīng)力取0.6fptk。

所需鋼絞線根數(shù)為：

n=Pt/(0.6×fptk×公稱截面積)

式中n為鋼絞線根數(shù)；Pt為預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計噸位，1 000 kN；fptk為15.24 mm鋼絞線強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，1 860 MPa；經(jīng)計算，需7根鋼絞線。

3 內(nèi)錨固段長度的確定

內(nèi)錨固段長度由錨索與水泥漿結(jié)石體膠結(jié)粘著結(jié)合而不被拔出及水泥漿結(jié)石體與巖石孔壁粘著結(jié)合而不被拔出所需長度兩者共同決定。參見《水利水電工程地下建筑物設(shè)計手冊》中的有關(guān)公式，計算如下：

(1)按鋼絞線與水泥漿結(jié)石體粘結(jié)強(qiáng)度決定內(nèi)錨固段長度

L內(nèi)=P/(nsτ)

式中P為設(shè)計的張拉荷載；n為鋼絞線根數(shù)；s為鋼絞線折算周長；τ為鋼絞線與灌漿結(jié)石體的平均粘著應(yīng)力。參考大朝山水電站等類似工程，其永久性預(yù)應(yīng)力鋼絞線允許粘著應(yīng)力(MPa)取值(參見表1)。

表1 預(yù)應(yīng)力鋼絞線允許粘著應(yīng)力取值表

本工程設(shè)計預(yù)應(yīng)力錨索采用鋼絞線，采用425R水泥，水泥漿結(jié)石體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為40 MPa，7天齡期強(qiáng)度為30 MPa，根據(jù)表1，偏于安全采用0.9，計算得內(nèi)錨固段長度必須大于3.78 m。

(2)按內(nèi)錨頭膠結(jié)材料與巖壁的粘結(jié)強(qiáng)度決定內(nèi)錨固段長度

L內(nèi)=P/(πDτa)

式中P為設(shè)計的張拉荷載；D為鉆孔直徑，130 mm；τa為灌漿體與巖體的平均粘著應(yīng)力；

內(nèi)錨頭膠結(jié)材料(水泥漿結(jié)石體)與周圍巖壁的粘結(jié)強(qiáng)度與鉆孔方法、巖石性質(zhì)、灌漿壓力、滲透性、抗剪強(qiáng)度、有無多次灌漿等有關(guān)。灌漿體與巖體的粘著應(yīng)力各處均不相同，目前國內(nèi)外都普遍采用平均結(jié)合應(yīng)力來計算內(nèi)錨固段長度，并留有余地。吉沙廠房后邊坡下伏主要巖性為板巖，經(jīng)分析確定，τa取0.42 MPa，計算得內(nèi)錨固段長度必須大于5.83 m。

綜合(1)和(2)，內(nèi)錨固段設(shè)計取6 m。

4 預(yù)應(yīng)力損失計算

預(yù)應(yīng)力錨索張拉時所建立的預(yù)應(yīng)力，會由于張拉工藝和材料特性等種種原因而降低，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失。主要包括錨具變形產(chǎn)生的應(yīng)力損失、錨固體型錨口的摩阻損失、鋼絞線松弛產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失以及地層及混凝土徐變損失等。只有合理計算了預(yù)應(yīng)力損失，才能合理的確定錨索的有效錨固力。

4.1 錨具變形產(chǎn)生的應(yīng)力損失σl1

錨具內(nèi)縮產(chǎn)生的應(yīng)力損失按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(DL/T5057-1996)8.1.7公式計算：

式中 a=6mm，按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(DL/T5057-1996)表8.1.7取值；Es為預(yù)應(yīng)力筋彈性模量；l為錨索的計算長度(按自由張拉段長度加上50%的內(nèi)錨固段長度計算)。

4.2OVM錨固體系錨口摩阻損失σl2

根據(jù)以往資料和大朝山、石泉等工程經(jīng)驗，取2.5%。

4.3 鋼絞線松弛產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失σl4

按美國標(biāo)準(zhǔn)ASTMA416-87a生產(chǎn)的高強(qiáng)度低松馳鋼絞線在70%初載時，應(yīng)力松馳為2.5%；在80%初載時，應(yīng)力松馳為3.5%。吉沙電站廠房后邊坡錨索按70%初載取值，即2.5%。

4.4 地層及混凝土徐變產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力松弛

對堅硬巖石產(chǎn)生的徐變是很小的，但對于土體就相對很大，根據(jù)工程經(jīng)驗，取6%。對混凝土的徐變，根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土的有關(guān)試驗資料粗略計算，并參考石泉等有關(guān)工程經(jīng)驗，取應(yīng)力損失為2%。

按上述方法計算各項預(yù)應(yīng)力損失后，預(yù)應(yīng)力總損失在16.5%～19.5%之間，對應(yīng)有效錨固力在805～835kN之間，設(shè)計取800kN。

5 錨索張拉控制變形計算

錨索張拉時，用壓力表讀數(shù)控制張拉力，簡便易行，但必須兼顧代表應(yīng)變量的伸長值，籍以檢查張拉作業(yè)情況是否正常。為避免發(fā)生質(zhì)量事故，錨索在每級張拉完畢及升級前均應(yīng)測其伸長值，如實測伸長值超過用張拉力計算伸長值上限的10%以上，說明錨固段(錨著點)可能產(chǎn)生滑移；若伸長值小于計算伸長值下限的5%，說明錨孔內(nèi)可能有異物卡死，使自由段減少所致；若伸長值在上下限之內(nèi)，則預(yù)應(yīng)力錨索合格。故錨索張拉變形必須予以控制，計算如下(見表2)：

式中 Δl為變形量,mm；l為錨索計算長度，根據(jù)大朝山水電站等工程經(jīng)驗，錨索伸長值上限等于自由段長度加50%粘結(jié)段長度的理論彈性伸長值，下限等于80%自由段長度時的理論彈性伸長值。A為公稱截面積,mm2，為140 mm2；E為錨索彈性模量；P為設(shè)計張拉荷載(kN)，計算中考慮到實際張拉施工技術(shù)要求，張拉力按40%P、60%P、80%P、100%P分別考慮。

表2 錨索張拉控制變形計算表

6 設(shè)計可靠性分析

經(jīng)過與大朝山地下廠房預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計的類比(見表3)，在錨索設(shè)計噸位和粘結(jié)方式均相同的條件下，本次設(shè)計錨索結(jié)構(gòu)與大朝山地下廠房錨索結(jié)構(gòu)基本一致，主要區(qū)別是：(1)預(yù)應(yīng)力損失；(2)錨索張拉控制變形量。

分析其原因如下：

(1)預(yù)應(yīng)力損失差異的主要原因是在大朝山錨束計算時考慮了2%的錨索與孔道之間的摩擦力引起的預(yù)應(yīng)力損失，本工程錨索為直線，沒有此項，但本工程是在土坡上進(jìn)行錨固，所以地層徐變的損失較大，考慮了6%；

表3 本工程與大朝山地下廠房1 000 kN粘結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計對比表

(2)錨索張拉控制變形量的計算沒有本質(zhì)區(qū)別，采用相同的公式，差異的原因主要是錨索長度有差異；

(3)內(nèi)錨固段的長度差異主要是內(nèi)錨頭處的基巖條件不同，大朝山是基巖為微風(fēng)化玄武巖，與水泥漿結(jié)石體的粘結(jié)力較大，而本工程為弱風(fēng)化板巖，其間粘結(jié)力較小。

7 結(jié) 語

吉沙廠房后邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的計算和采用合理，均符合相關(guān)規(guī)范要求，經(jīng)與大朝山地下廠房預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計類比驗證，成果可靠，能夠保證錨索錨固力的正常發(fā)揮。

經(jīng)過實際施工驗證，自2010年9月對吉沙水電站廠房后邊坡進(jìn)行加固以來，所有廠房后邊坡監(jiān)測儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，變形很小，未出現(xiàn)任何邊坡穩(wěn)定問題，故對該邊坡采取錨索加固措施效果明顯，值得類似廠房后邊坡加固借鑒。

[1] 汪海濱，預(yù)應(yīng)力錨索荷載分布機(jī)理原位試驗研究，巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005.06；

[2] 劉躍輝，預(yù)應(yīng)力錨索框架在邊坡錨固工程中的應(yīng)用，山西建筑，2007.10；

[3] 李英勇，錨索預(yù)應(yīng)力變化影響因素及模型研究，巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008.06。

(責(zé)任編輯：卓政昌)

2016-11-04

U213.1+58；U455.7+1；S611

B

1001-2184(2016)06-0108-03

李利寧(1975-)，男，河北邯鄲人，華北水利水電大學(xué)水利水電工程建筑專業(yè)，設(shè)總，高級工程師，從事水利水電工程設(shè)計；

張紅梅(1966-)，女，湖北武漢人，天津大學(xué)水工結(jié)構(gòu)專業(yè)，專業(yè)總工程師，教授級高工，從事水利水電工程設(shè)計；

孫海權(quán)(1980-)，男，江蘇豐縣人，西安理工大學(xué)畢業(yè)，副設(shè)總，高級工程師，從事水利水電工程設(shè)計.