边坡防护结构应力监测技术研究

边坡防护结构应力监测技术研究

詹伟

浙江省交通运输科学研究院浙江杭州311305

摘要：基于对边坡防护结构应力监测原理分析，开展监测设备安装和监测系统组建，实现对边坡防护结构应力的实时监测。根据监测数据分析判断边坡施工过程中处于稳定状态。

关键词：应力；监测；边坡；防护

浙江省某山区高速公路路线穿越低山丘陵、河流冲洪积平原、沟谷等多种地貌类型，地势起伏较大，深挖高填路基较多。据统计，全线共有路堑高边坡42处，其中开挖高度超过30m的高边坡就有20处。高边坡的安全稳定成为该项目建设的重中之重。而边坡支护结构的工作应力是影响防护结构安全的重要因素。因此，有必要开展支护结构应力监测，为评估边坡稳定性和安全防护有效性提供参考依据。

1监测原理

本项目开展的支护结构应力监测主要是针对边坡锚索应力开展监测。锚索的工作应力是影响锚固结构安全的重要因素。锚索的工作应力过高，可能使锚索突然断裂；反之，锚索工作应力衰减过大，则起不到主动加固岩土体的作用。

目前国内外对锚索的工作应力进行检测主要采用以下三种方法：（1）施工时预埋力传感器进行长期监测，主要是针对一些重点监测的永久预应力锚索项目。（2）基于反拉法原理的检测方法，通过液压千斤顶对锚索施加拉力直到达到要求为止，同时在反拉过程中记录反拉力及锚索产生的位移，通过对反拉力及位移的变化的监视来终止反拉，并从记录的反拉力和位移进行分析，以求解出锚索的有效预应力。该方法对锚索的工作状态影响很小。（3）应力波反射法等无损检测方法。当杆件顶部受瞬态力激振后，引起杆件顶部质点振动，并以应力波的形式向杆件底传播。由于反射波携带杆件体内的信息，利用反射波内所含的信息，就可以对杆件的质量进行分析，同时通过一定的试验，找出反射波所含信息与锚索有效预应力之间的关系，于是可以通过这种动测方法检测出有效预应力。

本项目监测采用弹性波锚头激振方法实测预应力张力，主要的技术方法如下：（1）选择典型锚索埋设压力环进行长期预应力监测，并对无损检测技术提供验证。（2）采用锚头激振技术对预应力锚索的工作应力进行无损检测，对边坡预应力锚索工作应力的整体情况进行评估。

2监测设备安装

本项目选择某高速公路LPO2合同段220路堑工点第五级边坡预应力锚索进行监测，该级边坡共布置预应力锚索4排23列，共计92根。考虑到测力计布置的合理性和数据的可对比性，在第二排选择4根预应力锚索布置锚索测力计进行监测，以监测该边坡锚索预应力损失情况和变化过程，为锚固工程安全评估提供依据。

目前国内外最常用的应力监测仪器是振弦式锚索测力计。本项目通过对国内外多种振弦式锚索测力计的选型比较，考虑测试精度、野外工作条件和长期监测等一系列因素后，采用了BSIL-L2型四弦式锚索测力计。该测力计本身为高强度的合金钢圆筒，内置4只高精度钢弦式传感器。传感器可以测量作用在锚索测力计上的总荷载，同时通过测读每只传感器，还可以测量不均匀或偏心荷载。BSIL-L2型四弦式锚索测力计采用全防水密封结构设计，可以在露天或野外工作。其工作原理为：被测载荷作用在锚索测力计上，将引起弹性圆筒的变形并传递给振弦，转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振钢弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至振弦式读数仪上，即可测读出频率值。根据事先标定的荷载-频率关系，反算出作用在锚索测力计上的载荷值。

测力计安装时，除应符合相关规范外，还应特别注意要保证锚索计安装基面与钻孔方向保持垂直。应检查锚垫板与锚束张拉孔的中心轴线是否相互垂直，允许的垂直偏差范围是±1.5°。任何超过该偏差范围的安装将会导致锚索测力计在锚束张拉过程中在垫板上产生滑移、测值偏小或测值失真。锚索测力计应该尽量对中，以避免过大的偏心荷载。此外，锚具生产厂家提供的锚垫板上的限位槽及工作锚板的表面大多很粗糙，如果直接安装测力计，通常会产生点荷载或者偏心荷载的现象，其结果将会导致测力计产生误差。因此，现场安装时，务必在测力计两个承压面均设置承载垫板，以保证平整结合以便荷载均匀传递。

3实时监测系统

预应力锚索在施工完成后，需要进行预应力锚索的长期跟踪监测，以确认锚索的工作情况，必要时可以根据预应力锚索的监测结果进行二次张拉，保证锚索对边坡的锚固效果。我国规范规定，在预应力锚索设计过程中就应编制监测方案，监测锚索预应力大小、锚固结构变形和锚索的腐蚀情况，永久型锚索的监测数量为总数的5%～10%，监测时间不宜小于一年。

为了实现监测工作的实时性，在测力计安装完成后，组建了边坡防护结构应力实时监测系统。该系统由计算机、BSIL-MICRO-MCU分布式网络测量单元、智能式仪器（可独立作为网络节点的仪器）等部分组成，通过相应配套的软件可完成对监测项目的自动测量、数据处理、图表制作、异常测值报警等工作。图1为监测系统框图。

图1监测系统组成框图

监测系统各模块与数据采集仪之间通过电缆连接组成一套完成的预应力监测系统，为了方便野外长期监测，整套监测系统安装了太阳能供电系统，保证了系统的长期稳定监测。

4监测数据分析

根据实时监测数据分析，当锚索预应力锁定后，随着时间的推移，由于钢绞线的松弛、变形、混凝土垫板和岩体的压缩，会带来荷载的损失，荷载损失率大约为10%～20%。预应力锚索的锚固效果取决于预应力引起的附加应力，而预应力锚索受到诸多因素的影响后，必然产生预应力损失，对锚索锚固效果产生影响。结合边坡稳定性分析计算结果，边坡处于稳定状态，说明边坡锚索预应力设计时，已考虑了足够的安全冗余，在长期预应力损失达到20%左右时，仍能保证边坡的稳定性。

5结语

基于对边坡防护结构应力监测原理分析，开展监测设备安装和监测系统组建，实现对边坡防护结构应力的实时监测。根据监测数据分析判断边坡施工过程中处于稳定状态。

参考文献

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