海河堤岸改造工程预应力锚杆的试验研究及承载力分析

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８．Ｎｏ．３　海河水利　・５３・　海河堤岸改造工程预应力锚杆的试验研究及承载力分析　陈维华，李胜军，朱芳清，李振　（天津市水利局，天津３０００７４）　摘要：为研究预应力锚杆对海河堤岸加固的承载能力，通过预应力锚杆的现场试验，获取了海河堤岸预应力锚杆的　极限承载力和拉拔蠕变试验数据；为了研究锚杆加固海河堤岸的长期承载能力，应用粘弹性力学理论建立土层锚杆　的蠕变力学模型，计算出了锚杆的长期承载力，其结果可用于指导海河堤岸改造工程预应力锚杆的设计和施工。　关键词：预应力锚杆；现场试验；承载力　中图分类号：ＴＶ８７１．２；ＴＶ１３１．６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—７３２８ｌ　２００８）０３—００５３—０３　１前言　锚杆用３根钢绞线即可满足强度要求。　天津海河堤岸改造工程是天津市的一项重点工　注浆体采用５２５　早强普通硅酸盐素水泥浆，浆　程。实施海河堤岸改造必然会对原有的建筑景观造　液比重为１．９８．水灰比为０．３８：１，为促使水泥浆尽早　成破环，如果采用传统的立式板桩明开挖后锚定结　凝固，在浆液中加早强剂等。一次注浆压力为０．３～　构，将大大增加海河两岸的拆迁工程量，许多生长了　０．６　ＭＰａ，待注入水泥浆液达到设计要求后结束注　几十年的树木将被破坏。还有可能威胁附近一些重　浆。待一次注入的浆体初凝后，利用提前下入孑Ｌ底的　要建筑物的安全，数不清的地下电缆、给水排水管　带花眼的二次注浆管进行二次注浆，注浆压力为４　道、煤气热力管道将要迁移。针对该工程的特点，采　ＭＰａ，待孑Ｌ内注入量超过４００　Ｌ后结束。注浆后用混　用土层锚杆技术将会避免大量的土方开挖及回填。　凝土对外锚头进行封闭保护，保护层不小于５　ｃｍ，　为了将土层锚杆作为永久性措施应用于堤岸改造工　然后把测力电缆引至观测平台上固定保护。　程，通过预应力锚杆的现场试验和粘弹性力学理论　经现场查勘。在规划建国桥至通南桥段左岸进　分析，对预应力锚杆在应用土层中的极限承载力和　行土层锚杆试验。根据地质勘查资料，将试验锚杆集　长期工作的承载力进行了分析，为锚杆的工程设计　中布置在ＨＺ１４号探孑Ｌ处，锚杆水平问距为２　ｍ，锚　和施工提供了理论依据。　头用锚具固定在岸边钢筋混凝土试验台上。　２锚杆承载力的现场试验研究　２．２试验结果　２．１试验锚杆设计　当注浆体达到设计强度后，即可进行张拉。本　目前常见的土层锚杆有３种基本类型：普通圆　次试验是在注浆后１５　ｄ进行张拉。采用６０　ｔ穿芯　柱型锚杆、扩大圆柱体式锚杆、端部或局部扩大头型　千斤顶加载。用液压表测读荷载．试验的反力装置　锚杆。根据海河两岸的地质构造和施工条件。采用普　采用现场浇筑的承压平台，承压平台的强度和刚度　通圆柱型锚杆和二次灌浆施工工艺进行试验。　经验算能满足试验要求，土层锚秆的位移用３只百　该项工程是永久性工程，根据目前有关规范［　］和　分表测读，试验工作严格按规程进　”。在正式张拉　资料规定，锚杆最小安全系数取２＿２。锚杆的设计轴　之前以０．１～０．２倍的设计轴向拉力进行预张拉．以　向拉力最小值为１６０　ｋＮ，极限承载力应大于３５２　使锚索各部位接触紧密、钢束完全平直，张拉加载　ｋＮ，直径为１５　ｃｍ，总长度为２６　ｍ，其中锚固段长度　不宜过快，采用循环逐级加载，每次都按照规程保　为２０　ｍ、锚杆自由段长为６．０　ｍ。　持一定的时问。　试验锚杆选用钢锚索型式．钢索选用强度为　在每级加荷等级观测时间内．锚固力测量不少　１　５７０　Ｎ／ｍｍ２，公称直径为１５．２４　ｍｍ钢绞线。每根　于３次。每分钟加荷不宜大于１０　ｋＮ。锚头位移量不　收稿日期：２００８一Ｏ２—１Ｏ　大于１　ｍｍ时，可施加下一级荷载，否则要延长观测　作者简介：陈维华（１９５４一），女，高级工程师．主要从事水利科研工作。　时间。在每级加荷等级观测期内，待锚头位移稳定　维普资讯 http://www.cqvip.com

・５４・　陈维华，李胜军，朱芳清，等：海河堤岸改造工程预应力　分析　２００８年６月　后，记录测力计、应变计的读数和锚头位移量。　每根锚杆按上述规程加荷，直至锚杆位移速率　加大破坏。在张拉过程中以油泵压力表读数为准、伸　长值测量为辅，并通过测力计对其进行张拉吨位的　监控。　从张拉结果看，一次注浆锚杆当张拉到３３０ｋＮ　以后锚杆位移明显加大，张拉到３５０　ｋＮ时锚杆位　移不能收敛。、因此，一次注浆锚杆的极限承载力在　３３０　ｋＮ左右。一次注浆锚杆的Ｐ～Ｓ曲线见图１。　二次注浆锚杆张拉到４３０ｋＮ以后锚杆位移明　显加大，直至４８０ｋＮ附近位移不能收敛，因而其极　限承载力应在４３０ｋＮ附近。二次注浆锚杆的Ｐ～Ｓ曲　线见图２。　位移／ｍｍ　图１　一次注浆锚杆的ｐ　曲线　Ｚ　・叵　霹　位移／ｍｍ　图２二次注浆锚杆的ｐ　曲线　３锚杆长期承载力分析　３．１土层锚杆粘弹性本构模型　材料的蠕变是反映应力不变条件下应变随时间　增长的特性，混凝土、塑料、木材、粘土以及在高温下　工作的金属都具有明显的蠕变特性。在大量工程实　例中可以观察到，预应力锚杆也常常出现应力松弛　等现象。　上述蠕变现象是材料特性随时间增长而出现变　化的一种特性，称为材料的粘性。为了反映材料的这　些特性，常用弹簧元件、塑性元件和粘性元件分别表　示其弹性、塑性和粘性。单向应力状态的应力一应　变一时间关系可用模型来表示，这些模型由弹性元件　和粘性元件以不同方式组合而成，弹性元件（弹簧）　的本构关系为ｃｒ＝Ｅ。或下　＝Ｇ　；塑性元件、粘性元　件即阻尼器，也称之为粘壶，服从牛顿粘性定律，即　＝　８，Ｘｌ为粘性系数，ｅ＝ｄｅ／ｄｔ为应变率。　锚杆拉拔试验表明，土层灌浆锚杆的蠕变力　学模型可用Ｂｕｒｇｅｒｓ模型表达【　。Ｂｕｒｇｅｒｓ模型是　由一个Ｍａｘｗｅｌｌ模型和一个Ｋｅｌｖｉｎ模型串联成的　组合模型【扪，其基本思路是兼取Ｍａｘｗｅｌｌ模型和　Ｋｅｌｖｉｎ模型各自的长处并抑制各自的短处，以求　建立一个更能反映材料粘弹性行为的新模型。该　模型的组成见图３。　图３　Ｂｕｒｇｅｒｓ棱型　为了研究长期工作下土层锚杆的承载能力，文　献『４］以上述粘弹性力学理论为基础，建立了土层锚　杆的蠕变力学模型，通过对锚杆现场拉拔蠕变试验　数据的多项式回归分析，建立了回归方程与蠕变方　程间的间接联系，求解出了蠕变方程中的流变力学　参数，由此计算出了锚杆的长期承载力。锚杆蠕变力　学模型中各元件的力学参数可以表达为　：　Ｅｌ＝旦　ａｏ　３ｏ＇０　ｏ，３　㈩　一　叼２＝一婆　，＿５０／３　３．２海河堤岸改造工程预应力锚杆长期承载力估算　土层灌浆锚杆的蠕变力学模型可用Ｂｕｒｇｅｒｓ模　型表达。文献ｆ３１对模型的特性和所描述的物理意义　进行了详细论述，Ｂｕｒｇｅｒｓ模型中粘壶元件的粘滞系　数１１　反映了在恒应变状态下的应力松弛现象，　愈　小，松弛时间愈短，应力衰减愈快；反之，１１　愈大，松　弛时间愈长，应力衰减愈慢，若　∞，则无任何蠕　变变形发生。因此，在锚杆蠕变试验的基础上，通过　研究锚杆蠕变模型中的元件力学参数的变化规律，　来预测锚杆承载力的变化发展规律是可行的。根据　上述原理，我们采用Ｆ０ＲＴＲＡＮ语言编制了锚杆蠕　维普资讯 http://www.cqvip.com

２０ｏ８．Ｎｏ．３　海河水利　・５５・　变试验数据处理与回归分析的计算机程序，应用该　４结论　程序对锚杆蠕变方程和式（１）中的各力学参数进行　结合锚杆的现场试验和数值计算技术，对预应　了求解。　力锚杆在应用土层中的承载能力进行了分析。得出　图４为一次注浆锚杆拉拔蠕变试验的时间位移　以下几点体会及建议：　曲线．经过对上述试验数据进行回归分析，求出了不　（１）现场试验中的土层锚杆的张拉锁定均达到　同恒拉力下模型的力学参数。当拉拔力为２９５ｋＮ时　设计要求的荷载。从锚杆上的钢筋计的测试数据分　１１１＝１．４１ｘ１０Ｍ（ｋＮ・ｍｉｎ・ｍｍ　），从Ｂｕｒｇｅｒｓ模型中１１１　析．锚杆实际承受的最大张拉力同设计提出的张拉　的意义可知。相当于该元件不起作用，说明在该荷载　荷载较为接近。土层锚杆的极限抗拔力与施工工艺　下锚杆依然稳定。当拉拔力为３３８ｋＮ时１１　＝１８４．７　具有非常密切的关系。二次注浆锚杆与一次注浆锚　（ｋＮ・ｍｉｎ・１１１１１１　），１１　已经很小，说明在该荷载作用下　杆相比能够显著提高锚杆的承载能力。　锚杆应力已经衰减。因此估计一次注浆锚杆长期工　（２）土层灌浆锚杆的蠕变力学模型可用Ｂｕｒｇｅｒｓ　作可以提供３００　ｋＮ左右的承载力。由于采用了二次　模型表达，在锚杆蠕变试验的基础上，通过研究锚杆　灌浆技术。试验表明二次灌浆将锚杆的承载力提高　蠕变模型中的元件力学参数的变化规律，来预测锚　了３０％以上。因此本工程设计的普通圆柱型锚杆采　杆承载力的变化发展规律是可行的。通过锚杆长期　用二次灌浆技术后，能够提供大于３５０ｋＮ的长期拉　工作承载力的理论分析。本项目设计的普通圆柱型　拔力。也就是说锚杆长期运行。其安全系数可以达到　锚杆采用二次灌浆技术后。能够提供大于３５０ｋＮ的　２．２，满足规范的要求。　长期拉拔力。其安全系数可以达到２．２。满足规范的　；　要求　｝　参考文献：　｝　｝　［１］ＣＥＣＳ　２２：９０．土层锚杆设计与施工规范［Ｓ］．　滁　［２］许宏发，卢红标，钱七虎．土层灌浆描杆的蠕变损伤特性　研究阴．岩土工程学报，２００２，２４（１）：６１—６３．　［３］卓家寿．非线性固体力学基础［Ｍ］．北京：中国水利水电出　版社．１９９６．　［４］陈维华，李胜军，朱芳清．预应力锚杆加固宁车沽防潮闸　时间／ｍｉｎ　基础的长期承载力分析阴．中国农村水利水电，２００７，２７　图４一次注浆锚杆拉拔试验的时间位移曲线　（４）：９７－１０２．　（上接第４１页）工程批复概算投资中建设及施工场　作中，要充分考虑地方差异性影响。如房屋拆迁补偿　地征用费中砖混房屋补偿标准为４５８元／ｍ２。该工程　单价、土地征用单价以及地方等因素。为工程不　地处天津市西青区，北闸左岸连接路民房拆迁的单　调整概算打下坚实的基础。　价受天津市地方拆迁单价标准影响较大。为保证工　５结论　程的顺利实施，经多次与地方协商、村民协调．　经过分析，进洪闸除险加固工程原批准概算是　最终比照地方房屋拆迁标准１　５００元／ｍ２完成了民　比较合理的。在建设期间，建设单位严格管理投资，　房拆迁工作　。另外，在进洪闸工程永久性双电源恢复　克服了原材料价格上涨、地区性差异等不利因素的　工程中，根据天津市《关于天津市公建项目１０千伏　影响，有效地控制了工程投资。同时。建筑材料价格　供电工程建设费收费标准的通知》规定，收取了电力　和建设场地征用费标准增长快、幅度大。给工程投资　增容建设费。　管理带来很大压力，在今后类似水闸除险加固工程　在水闸除险加固工程的初步设计概算及审核工　概算编制中应给予充分考虑。