鄧躍華

（中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)第二工程有限公司 天津 300162）

1 引言

高強(qiáng)鋼筋［1－3］通常是指屈服強(qiáng)度不小于400 MPa的普通熱軋、細(xì)晶粒和余熱處理鋼筋，與普通鋼筋相比具有強(qiáng)度高、綜合性能優(yōu)良、節(jié)約環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。其優(yōu)異的力學(xué)性能能夠有效降低工程中鋼筋用量、提高工程施工質(zhì)量。當(dāng)前，隨著工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，面對(duì)能源、資源不足，環(huán)境污染加重的形勢(shì)，高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)用與推廣，在節(jié)材方面可取得顯著成效，對(duì)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)具有重大意義［4－5］。

然而目前我國(guó)高強(qiáng)鋼筋只是成功應(yīng)用于建筑樓房、煤礦巷道、風(fēng)能基礎(chǔ)、重載公路、地鐵車站等領(lǐng)域，在工程建設(shè)等領(lǐng)域并未得到廣泛推廣，尤其是鐵路工程中還沒(méi)有應(yīng)用先例。因此，推廣高強(qiáng)鋼筋在鐵路工程中的應(yīng)用，為高強(qiáng)鋼筋在鐵路工程中的全面推廣提供理論技術(shù)支撐，研究高強(qiáng)錨桿在鐵路路基邊坡支護(hù)中的適用性十分必要［6］。

2 工程背景

新建成蘭鐵路CLZQ-4標(biāo)位于成都平原北部，沿線多為水田及旱地，灌溉溝渠縱橫交錯(cuò)。工程區(qū)域表覆第四系全新人工填筑土，下伏松軟土、粗圓礫土、卵石土。地層巖性主要以千枚巖、板巖為主，局部段落夾砂巖、灰?guī)r，零星分布花崗巖。受構(gòu)造影響，多表現(xiàn)出強(qiáng)烈的揉皺變形和擠壓破碎，軟巖和破碎巖巖性條件極差。

區(qū)域內(nèi)地下水類型主要有第四系松散層孔隙潛水、碎屑巖類裂隙孔隙水、基巖裂隙水。第四系松散層孔隙潛水主要分布于區(qū)內(nèi)河流兩岸第四系松散堆積層內(nèi)，賦存孔隙水，富水性較好。

路基高邊坡采用錨桿框架梁支護(hù)，JK0＋970～JK1＋030區(qū)段位于安縣貨場(chǎng)，基線右側(cè)挖方邊坡較高，最大高度為18 m，主要位于泥巖弱風(fēng)化層中，化學(xué)環(huán)境類型為化學(xué)侵蝕環(huán)境及氯鹽環(huán)境，地表水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件無(wú)侵蝕作用。該邊坡區(qū)域露出層主要是由粉質(zhì)黏土、灰?guī)r、泥巖風(fēng)化碎屑構(gòu)成，露出層厚度在2～3 m之間，露出層以下為6 m厚強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖和弱風(fēng)化泥巖。將JK0＋970～JK1＋030路基高邊坡錨桿框架梁支護(hù)段落作為對(duì)比試驗(yàn)段，該段邊坡地質(zhì)分布均勻，參數(shù)基本類似，試驗(yàn)的可比性能夠保證。

3 錨桿強(qiáng)度對(duì)比

JK0＋970～JK1＋030區(qū)段錨桿框架梁采用矩形布置，開挖后邊坡為一級(jí)邊坡和二級(jí)邊坡，一級(jí)邊坡高度為8 m，坡度為1∶1.25；二級(jí)邊坡高度為5.2 m，坡度為1∶1.25，一級(jí)邊坡與二級(jí)邊坡之間有一2 m寬平臺(tái)?？蚣芰夯炷翉?qiáng)度等級(jí)為C35，框架梁間距3.0 m。錨桿體一般垂直于坡面布置，錨桿布點(diǎn)位置位于每?jī)啥慰蚣芰航唤拥墓?jié)點(diǎn)上。錨桿注漿壓力為0.2～0.4 MPa，注漿材料選用水灰比0.45～0.5、灰砂比為1∶1的M35水泥砂漿。錨桿參數(shù)如表1所示。

表1 錨桿參數(shù)對(duì)比

4 試驗(yàn)方案

選取JK0＋970～JK1＋000為高強(qiáng)錨桿支護(hù)試驗(yàn)區(qū)間，采用熱處理高強(qiáng)螺紋鋼筋錨桿支護(hù)，錨桿總數(shù)約40根，直徑為22 mm，長(zhǎng)8 m／根。

選取JK1＋000～JK1＋030為普通錨桿支護(hù)試驗(yàn)區(qū)段，采用普通螺紋鋼筋錨桿支護(hù)，錨桿總數(shù)約40根，直徑32 mm，長(zhǎng)8 m／根。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)段布設(shè)兩個(gè)測(cè)試斷面，每個(gè)測(cè)試斷面布設(shè)4根測(cè)力錨桿，每根錨桿布設(shè)3個(gè)鋼筋軸力測(cè)點(diǎn)，在測(cè)力錨桿附近位置布置邊坡位移測(cè)點(diǎn)。錨桿軸力采用鋼筋計(jì)進(jìn)行測(cè)試，邊坡位移采用全站儀測(cè)試。

（1）鋼筋計(jì)布設(shè)

鋼筋計(jì)安裝時(shí)，將每根8 m長(zhǎng)錨桿截?cái)喑?節(jié)，3個(gè)截?cái)帱c(diǎn)處采用與錨桿粗細(xì)相同的鋼筋計(jì)滿焊焊接牢固；焊接完成后檢查是否有缺陷，排除漏焊、半焊等焊接不合格區(qū)域，保證試驗(yàn)成功。

（2）邊坡位移監(jiān)測(cè)

每個(gè)試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中JK0＋985與JK0＋988為高強(qiáng)錨桿監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面埋設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)錨桿；JK1＋015與JK1＋018為普通錨桿監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面埋設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)錨桿。在一級(jí)邊坡與二級(jí)邊坡之間平臺(tái)處，22 mm高強(qiáng)錨桿與32 mm普通錨桿監(jiān)測(cè)斷面各埋設(shè)一個(gè)邊坡位移觀測(cè)樁。位移觀測(cè)樁采用混凝土樁，樁中心為φ14 mm鋼筋，刻畫十字線，外露5 mm，采用全站儀進(jìn)行觀測(cè)。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果及對(duì)比分析

錨桿與儀器埋設(shè)完成后，取第一時(shí)間采集的數(shù)據(jù)為初始值，初始幾天無(wú)特殊情況堅(jiān)持每天進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，后期數(shù)據(jù)采集頻率可適當(dāng)下降。本次錨桿軸力監(jiān)測(cè)期為100 d，位移監(jiān)測(cè)期為20 d。由于路基邊坡工程露天，無(wú)遮雨設(shè)施，數(shù)據(jù)采集時(shí)為保護(hù)儀器應(yīng)避免在雨天進(jìn)行［7－10］。

5.1 錨桿受力監(jiān)測(cè)分析

22 mm高強(qiáng)錨桿試驗(yàn)段8個(gè)監(jiān)測(cè)錨桿（MG1～MG8）的錨桿受力時(shí)程監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1～圖3所示，其中每根錨桿上設(shè)置3個(gè)受力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以里側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、中間監(jiān)測(cè)點(diǎn)、外側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。

圖1 高強(qiáng)錨桿里側(cè)軸力時(shí)程曲線

圖2 高強(qiáng)錨桿中間軸力時(shí)程曲線

圖3 高強(qiáng)錨桿外側(cè)軸力時(shí)程曲線

通過(guò)整理不同坡高處、不同埋深位置的軸力值，22 mm高強(qiáng)錨桿軸力空間分布如圖4所示。

圖4 高強(qiáng)錨桿軸力空間分布

32 mm普通錨桿試驗(yàn)段8個(gè)監(jiān)測(cè)錨桿（MP1～MP8）的錨桿受力時(shí)程監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5～圖7所示，其中每根錨桿上有3個(gè)受力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以里側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、中間監(jiān)測(cè)點(diǎn)、外側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。

圖5 普通錨桿內(nèi)側(cè)軸力時(shí)程曲線

圖6 普通錨桿中間軸力時(shí)程曲線

圖7 普通錨桿外側(cè)軸力時(shí)程曲線

通過(guò)整理不同坡高處、不同埋深位置的軸力值，32 mm普通錨桿軸力空間分布如圖8所示。

圖8 普通錨桿軸力空間分布

（1）22 mm高強(qiáng)錨桿與32 mm普通錨桿的軸力時(shí)程發(fā)展規(guī)律基本一致，同一錨桿上里側(cè)、中間、外側(cè)3點(diǎn)軸力發(fā)展大體上呈現(xiàn)出一致性，先小幅度增加，隨后呈現(xiàn)出短暫受壓狀態(tài)，然后緩慢向受拉趨勢(shì)發(fā)展。從錨桿不同埋深部位所受軸力時(shí)程發(fā)展曲線而言，越靠近里側(cè)，錨桿軸力發(fā)展越穩(wěn)定，受外界因素干擾程度越?。欢鈧?cè)部位所受軸力發(fā)展起伏較大，更容易受到外部因素干擾。按照趨勢(shì)而言，外側(cè)部位所受軸力總體最大，且相同部位采用22 mm高強(qiáng)錨桿的軸力發(fā)展穩(wěn)定程度要優(yōu)于32 mm普通錨桿。

（2）從同一根錨桿不同部位軸力空間分布大小來(lái)看，22 mm高強(qiáng)錨桿與32 mm普通錨桿的空間分布規(guī)律基本一致，呈現(xiàn)出“外大內(nèi)小”的分布特點(diǎn)，外側(cè)部位所受軸力要大于內(nèi)側(cè)部位，且越靠近坡腳位置越明顯。

（3）從監(jiān)測(cè)斷面不同高度錨桿軸力分布來(lái)看，同一斷面處錨桿軸力分布呈現(xiàn)出“上大下小”的特點(diǎn)，高處的錨桿所受軸力整體上要小于低處錨桿，坡腳位置處錨桿所受軸力要大于其他部位。

（4）對(duì)比軸力大小，采用22 mm高強(qiáng)錨桿所受最大軸力為5.74 kN，所受軸力監(jiān)測(cè)平均值為2.36 kN；而采用32 mm普通錨桿所受最大軸力為6.68 kN，為高強(qiáng)錨桿的1.16倍，所受軸力監(jiān)測(cè)平均值為2.91 kN，為高強(qiáng)錨桿的1.23倍。對(duì)比可見，采用22 mm高強(qiáng)錨桿各點(diǎn)所受軸力普遍小于32 mm普通錨桿。

（5）錨桿軸力發(fā)展受降水影響較大，如監(jiān)測(cè)后第13天出現(xiàn)大規(guī)模降水，錨桿軸力明顯出現(xiàn)增大，因此，邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮降水因素。

5.2 邊坡位移監(jiān)測(cè)分析

采用全站儀對(duì)監(jiān)測(cè)斷面處埋設(shè)的邊坡位移觀測(cè)樁進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)［11］，整理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9、圖10所示。

圖9 邊坡水平位移發(fā)展曲線

圖10 邊坡豎直位移發(fā)展曲線

（1）采用22 mm高強(qiáng)錨桿與采用32 mm普通錨桿邊坡支護(hù)斷面邊坡位移發(fā)展趨勢(shì)基本一致，早期邊坡位移發(fā)展迅速，一周后邊坡位移發(fā)展趨緩。同邊坡錨桿受力類似，邊坡位移也受降水影響，降水期間邊坡位移增幅加大，因此邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)要充分考慮降水因素的不利影響。

（2）22 mm高強(qiáng)錨桿支護(hù)斷面邊坡水平位移達(dá)到16.4 mm，豎直位移為10.9 mm；32 mm普通錨桿支護(hù)斷面邊坡水平位移達(dá)18.3 mm，豎直位移為13.1 mm，同一支護(hù)斷面邊坡水平位移要大于豎直位移。

（3）采用22 mm高強(qiáng)錨桿支護(hù)斷面邊坡水平位移為32 mm普通錨桿支護(hù)斷面的89.6%，采用22 mm高強(qiáng)錨桿支護(hù)斷面邊坡豎直位移為32 mm普通錨桿支護(hù)斷面的83.2%，可見采用22 mm高強(qiáng)錨桿支護(hù)斷面邊坡位移要小于32 mm普通錨桿支護(hù)斷面，采用22 mm高強(qiáng)錨桿具有較好的控制邊坡位移能力。

6 結(jié)論

22 mm高強(qiáng)錨桿和32 mm普通錨桿支護(hù)下邊坡安全系數(shù)、邊坡位移、塑型區(qū)分布、錨桿受力分布特點(diǎn)基本一致。22 mm高強(qiáng)錨桿的安全系數(shù)、受力均要略優(yōu)于32 mm普通錨桿，采用22 mm高強(qiáng)錨桿軸力發(fā)展穩(wěn)定程度略好于32 mm普通錨桿，各位置單根錨桿相同部位的軸力也普遍小于32 mm普通錨桿。采用22 mm高強(qiáng)錨桿支護(hù)斷面邊坡位移要小于32 mm支護(hù)斷面，采用22 mm高強(qiáng)錨桿顯示出較好的控制邊坡位移能力。就邊坡穩(wěn)定性分析而言，22 mm高強(qiáng)錨桿可以替代32 mm普通錨桿。

與32 mm普通錨桿相比，22 mm高強(qiáng)錨桿每根鋼材耗費(fèi)節(jié)約53%，直接費(fèi)用節(jié)約46%。路基邊坡錨桿采用高強(qiáng)鋼筋相對(duì)于普通鋼筋結(jié)構(gòu)輕便，便于安裝與運(yùn)輸，能夠節(jié)約運(yùn)輸成本，且有利于提高施工效率、加快施工進(jìn)度、降低施工難度、提高施工安全性，具有可觀的間接經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)際工程中可用22 mm高強(qiáng)錨桿代替32 mm普通錨桿，從而提高工程質(zhì)量及工程安全性、降低用鋼量，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效的效果，同時(shí)提高我國(guó)鐵路工程綠色施工水平［12］。