趙桐麗，魏少偉,張 學(xué)，鄭云浩

(1.中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京 100086；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所,北京 100081)

下穿鐵路錨索工程就是錨索從鐵路一側(cè)穿越路基，并且錨固在另一側(cè)穩(wěn)定地層的錨固工程。常用于鐵路既有高大擋護(hù)結(jié)構(gòu)病害加固。錨索工程的預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律一直是國(guó)內(nèi)外工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。BENMOKRANE等[1]通過對(duì)9束錨索5年的預(yù)應(yīng)力觀測(cè)，提出預(yù)應(yīng)力損失分為急劇下降、波動(dòng)變化和平緩變化3個(gè)階段。高大水等[2-4]重點(diǎn)分析了堅(jiān)硬花崗巖地層錨索的受力狀態(tài)、錨固效果及預(yù)應(yīng)力損失情況。張發(fā)明等[5]通過對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)分析，揭示了預(yù)應(yīng)力錨索長(zhǎng)期荷載的變化規(guī)律，并提出了預(yù)測(cè)模型。朱晗迓等[6-7]探討了錨索預(yù)應(yīng)力的鎖定損失、短期和長(zhǎng)期變化規(guī)律以及降雨對(duì)錨索有效預(yù)應(yīng)力的影響。阮波等[8]采用GM(1,1)模型，對(duì)預(yù)應(yīng)力損失過程進(jìn)行了趨勢(shì)性分析。葉海林等[9]通過模型試驗(yàn)得出不同地震作用下錨索的軸力和預(yù)應(yīng)力損失動(dòng)力響應(yīng)不同，錨索的預(yù)應(yīng)力損失最大達(dá)15.7%；隨著輸入地震波加速度峰值的增大，錨索預(yù)應(yīng)力損失呈先增大后減小的趨勢(shì)，達(dá)到臨界值后，不再發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失。李中國(guó)等[10]通過原位監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施工過程中填土和錨索是一個(gè)相互作用的過程，合理的張拉時(shí)機(jī)和鎖定荷載的確定是錨索樁板墻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

針對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力損失的研究已經(jīng)取得較多成果，但對(duì)行車荷載作用下下穿鐵路錨索工程預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律的研究目前尚不多見。本文以南寧—昆明鐵路K512+510—K512+732段右側(cè)衡重式擋墻加固工程為例，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究下穿鐵路錨索工程的預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律。

1 工點(diǎn)情況

南昆線K512+510—K512+732段右側(cè)路肩擋墻為衡重式漿砌片石擋墻，K512+679處為一箱涵。目前擋墻最大外露高度9.5 m，擋墻外側(cè)為雜填土、棄渣。擋墻外側(cè)為黃泥河，流向與線路走向一致。工點(diǎn)處基巖為二疊系深灰色泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r，節(jié)理發(fā)育，中等～微風(fēng)化。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，K512+507—K512+571段擋墻墻面多處開裂，其中K512+552附近變形開裂較嚴(yán)重，裂縫從片石中部貫穿，墻面出現(xiàn)多處出水點(diǎn)。對(duì)病害嚴(yán)重的K512+507—K512+571段右側(cè)路肩擋墻，采用4φ15.2預(yù)應(yīng)力錨索框架結(jié)構(gòu)加固。設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力為480 kN。設(shè)2～3排預(yù)應(yīng)力錨索，錨索排距3.5 m，列距2.5 m。最上面一排錨索距路肩頂面1.4 m。

2 試驗(yàn)方案

2.1 錨索測(cè)力計(jì)布置

1)在加固工程范圍外，距離K512+507—K512+571錨索加固段80～92 m的擋墻上，設(shè)5個(gè)錨索斷面，每個(gè)斷面布設(shè)1個(gè)錨點(diǎn)，水平間距3 m，1#～5#錨索距帽石頂?shù)木嚯x分別為1 m(長(zhǎng)28 m)，2 m(長(zhǎng)28 m)，3 m(長(zhǎng)28 m)，4 m(長(zhǎng)26 m)，5 m(長(zhǎng)26 m)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖1(a)。

2)在加固工程范圍內(nèi)選取第4，5，6列錨索，每列垂向設(shè)置3排錨索，錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度從上而下分別為28,26,24 m，錨索水平與垂直間距均為3.0 m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖1(b)。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 試驗(yàn)測(cè)試過程

整個(gè)試驗(yàn)分3個(gè)階段監(jiān)測(cè)：

1)監(jiān)測(cè)瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失。監(jiān)測(cè)錨索鎖定前后的瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失。

2)監(jiān)測(cè)短期預(yù)應(yīng)力損失。在錨索張拉鎖定后的1～5 d監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力的變化過程，至少觀測(cè)2次/d以上。

3)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失。加載過程完成后，試驗(yàn)進(jìn)入長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)過程，按“開始觀測(cè)密度大，后期觀測(cè)密度小”的原則平均每月觀測(cè)1次，至少觀測(cè)1年，即觀測(cè)12次以上。遇暴雨或其他異常情況加大觀測(cè)密度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失

下穿鐵路錨索鎖定前后瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1、表2。表2中因下5#錨索在張拉過程中損壞，無(wú)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 單錨條件下錨索瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2 群錨條件下錨索瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測(cè)結(jié)果

從表1、表2可以看出：①單錨錨索的平均鎖定損失值為42.26 kN，變化范圍為37.9～46.7 kN，平均損失率為7.87%。②群錨錨索平均鎖定損失值僅有40.878 kN，變化范圍為39.1～43.8 kN，平均損失率為8.44%。③長(zhǎng)28 m錨索的預(yù)應(yīng)力損失值整體小于長(zhǎng)26 m錨索，其原因在于孔壁摩擦力的作用。錨索在張拉和鎖定回縮的過程中均會(huì)受到孔壁摩擦的影響。錨索越長(zhǎng)，其摩擦作用越明顯，從而導(dǎo)致了較長(zhǎng)的錨索鎖定回縮量略小于較短的錨索。

3.2 短期預(yù)應(yīng)力損失

圖2 錨索預(yù)應(yīng)力短期變化曲線

在錨索鎖定后5 d以內(nèi)，對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了實(shí)測(cè)，其變化曲線見圖2?？芍孩僭阪i定后的0～2 d，預(yù)應(yīng)力均有一定損失，但預(yù)應(yīng)力損失率均<1%。單錨長(zhǎng)度為28 m和26 m的錨索，預(yù)應(yīng)力在48 h內(nèi)的平均損失值分別為4.03，4.53 kN，損失率分別為0.72%，0.85%；群錨長(zhǎng)度為28，26，24 m的錨索，預(yù)應(yīng)力在48 h 內(nèi)的平均損失值分別為4.05，4.23，4.03 kN，損失率分別為0.83%，0.88%，0.83%。②在鎖定后的2～5 d，預(yù)應(yīng)力損失不具備一致性，有增大、減小的波動(dòng)，基本位于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值附近，表明短期預(yù)應(yīng)力損失基本完成。

總體而言，錨索預(yù)應(yīng)力的短期變化是一個(gè)非線性過程，錨索預(yù)應(yīng)力的短期損失率<1%。短期預(yù)應(yīng)力損失主要受錨具、坡體密實(shí)程度、孔道摩阻力、施加預(yù)應(yīng)力等因素的影響。對(duì)于堅(jiān)硬完整巖體，錨索預(yù)應(yīng)力短期變化歷時(shí)相對(duì)較短，造成的預(yù)應(yīng)力損失值較小；對(duì)于較為軟弱的巖體或結(jié)構(gòu)面十分發(fā)育的碎裂巖體，錨索預(yù)應(yīng)力短期變化歷時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，造成的預(yù)應(yīng)力損失值也相對(duì)較大。

3.3 長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失

實(shí)測(cè)錨索預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)期變化曲線見圖3。可見，無(wú)論單錨還是群錨，自張拉開始，均經(jīng)歷錨索預(yù)應(yīng)力穩(wěn)步下降和基本穩(wěn)定2個(gè)階段。錨索預(yù)應(yīng)力穩(wěn)步下降階段一般在錨索鎖定后5～30 d，中間受天氣和降雨的影響，有所起伏。錨索預(yù)應(yīng)力基本穩(wěn)定階段一般在錨索鎖定后30～180 d，錨索預(yù)應(yīng)力相對(duì)平穩(wěn)，在穩(wěn)定值附近小幅波動(dòng)變化。

圖3 錨索預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)期變化曲線

單錨和群錨錨索預(yù)應(yīng)力穩(wěn)步下降階段預(yù)應(yīng)力損失值分別見表3和表4。

由表3、表4可見：該階段單錨錨索預(yù)應(yīng)力的損失值約為鎖定值的0.20%，平均損失值為1.0 kN。群錨錨索預(yù)應(yīng)力的損失值約為鎖定值的0.66%，平均損失值為3.2 kN。受群錨施工工藝的影響，群錨中不同位置錨索的預(yù)應(yīng)力損失相差較大。無(wú)論單錨還是群錨，在該階段預(yù)應(yīng)力變化不大，且達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間較短，這與本工點(diǎn)是相對(duì)堅(jiān)硬的石灰?guī)r地層有關(guān)。

表3 單錨錨索預(yù)應(yīng)力穩(wěn)步下降階段預(yù)應(yīng)力損失值

表4 群錨錨索預(yù)應(yīng)力穩(wěn)步下降階段預(yù)應(yīng)力損失值

總的來看：①單錨的長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失小于群錨，而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，錨索預(yù)應(yīng)力損失值占鎖定值的百分比變化幅度不大，有時(shí)甚至減小。②單錨與群錨錨索自鎖定后，預(yù)應(yīng)力達(dá)到基本穩(wěn)定的時(shí)間大約為30 d，預(yù)應(yīng)力總損失值(包括短期損失與長(zhǎng)期損失)約占鎖定值的1.5%。當(dāng)然，地質(zhì)條件不同，此結(jié)果有較大差異。根據(jù)之前研究，在相對(duì)較軟的巖質(zhì)地層中錨索的長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失值約占鎖定值的4%～6%，且預(yù)應(yīng)力損失歷時(shí)更長(zhǎng)，有的達(dá)半年以上。

4 結(jié)論

1)下穿鐵路錨索工程在中風(fēng)化石灰?guī)r地層錨固時(shí)，錨索預(yù)應(yīng)力損失分瞬時(shí)損失、短期損失與長(zhǎng)期損失3個(gè)階段。

2)瞬時(shí)損失階段單錨錨索的平均鎖定損失值為42.26 kN，變化范圍為37.92～46.72 kN，平均損失率7.87%。群錨錨索的平均鎖定損失值為40.878 kN，變化范圍為39.11～43.82 kN，平均損失率為8.44%。錨索鎖定前后的瞬時(shí)預(yù)應(yīng)力損失率均略<10%。

3) 短期損失階段在錨索鎖定后5 d以內(nèi)，0～2 d預(yù)應(yīng)力一致減小，損失率<1%；鎖定后2～5 d預(yù)應(yīng)力損失基本在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值附近上下波動(dòng)。

4)長(zhǎng)期損失階段無(wú)論單錨還是群錨均經(jīng)歷預(yù)應(yīng)力穩(wěn)步下降和基本穩(wěn)定2個(gè)階段。預(yù)應(yīng)力穩(wěn)步下降階段一般在錨索鎖定后5～30 d，該階段單錨錨索預(yù)應(yīng)力的損失值約為鎖定值的0.20%，平均損失值為1.0 kN；群錨錨索預(yù)應(yīng)力的損失值約為鎖定值的0.66%，平均損失值為3.2 kN。基本穩(wěn)定階段一般在錨索鎖定后30～180 d，錨索預(yù)應(yīng)力相對(duì)平穩(wěn)，基本在穩(wěn)定值附近小幅波動(dòng)變化。

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