浅论锚索测力计的监测应用

浅论锚索测力计的监测应用
在小湾电站左砂系统及料场高边坡支护施工中，大量采用了预应力锚索加固的方法。

由于高边坡地质条件复杂，岩体节理裂隙发育，表层风化严重，岩体整体强度和稳定性较差，因而预应力锚索的实际锚固效果对高边坡整体的稳定性十分重要，需要对其进行长期有效的监测。

由于水电工程恶劣的野外工程环境，对传统的锚索测力计的长期稳定性是个严峻的考验。

近些年来，振弦式传感器在锚索测力计中得到了广泛应用，其比传统的传感器具有更好的零点稳定性，更强的抗干扰能力，同时其信号输出是频率而不是电压，频率信号能够长距离传输而不会因为电缆电阻、接触电阻变化引起明显的衰减等优点。

本文结合南瑞NVMS型振弦式锚索测力计在工程中的实际应用，对其工作原理及安装埋设方法进行说明，并对监测锚索的应力变化规律和原因进行分析判断。

1.测量原理
NVMS型振弦式锚索测力计主要由承重筒、外钢套、敏感部件及激振拾振电磁线圈等组成，其敏感部件为振弦式应变计。

在测力钢筒上均匀布置着多支振弦式应变计，当荷载使承重筒产生轴向变形时，应变计与承重筒产生同步变形，变形引起应变计振弦的张弛，使振弦应力发生变化，从而改变振弦的振动频率。

电磁线圈激拨振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出引起承重筒变形的应变量，代入标定系数可得出所受物理量的变化量。

同时由锚索测力计中的热敏电阻可同步测出埋设点的温度值。

下图1所示为内含3个振弦式传感器的锚索测力计的示意图。

振弦式锚索测力计在使用时受到的是载荷和温度的双重作用，因此一般计算公式为：Pm=k×（F-F0）+b×（T-T0）+ B
2.测力计的室内检验
检验设备：相应吨位压力机一台（精度1%），钢弦频率指示仪，锚索测力计；标定环境：环境温度为20±2℃，环境相对湿度不大于80%。

将锚索测力计放在承压台上进行反复预压，每次都加荷到最大压力，预压三四次后，开始测量并记录测值。

当逐级加到额定荷载后，再逐级卸荷，共进行3
个循环的加卸荷实验，并逐级记录仪器测值。

根据记录数据计算仪器各技术参数，并与厂家自检参数进行比较，依次判断仪器是否正常。

3.测力计的安装、观测
安装、观测流程：根据设计要求订购合适量程的测力计→钻孔→锚索施工→仪器安装→锚索分级张拉施工→观测。

安装前应先进行张拉机具和测力计的联合率定，满足要求后进行锚索分级张拉，具体步骤如下：
1、先将测力计安装在锚垫板上，钢绞线从测力筒中心孔中穿过，测力计置于锚垫板和工作锚之间；
2、安装限位板、千斤顶和工具锚具，调节各部件同轴，偏斜应小于0.5°，偏心应不大于5mm；
3、加荷张拉前，准确测得初始值和环境温度，作为基准值；
4、开始小顶单根钢绞线预紧，并量取初始伸长值，预紧力一般为设计荷载的20%；
5、用千斤顶进行分级加荷张拉，张拉流程一般为25%→50%→75%→100%→105%。

每级稳压5min以便测值稳定，最后锁定时稳压30min，每级都要量取实际钢绞线伸长值并做比照。

6、张拉结束后，进行锚索锁定操作，对监测锚索连续观测一周，如观测荷载相对锁定值的损失率超过10%，应该进行补偿张拉。

4.监测数据分析
在小湾电站左岸孔雀沟料场边坡安装的监测锚索中抽取4套为例对预应力锚索的锚固荷载变化规律进行分析，其荷载随时间变化曲线见图2：大量的监测资料表明，锚索预应力的变化受许多因素的影响。

其中，有的因素反映在锚索张拉、锁定阶段，在该阶段结束后，其作用基本消失；有的因素却对长期荷载的变化起重要的作用。

我们对这些因素逐一进行说明分析。

1、钢绞线的松弛
由于预应力锚索长期处于受荷状态，将会因为钢绞线的松弛而导致预应力的损失。

2、岩体的变形
影响主要表现为3个方面：（1）岩体是一个流变体，在外力作用下会发生蠕变现象，从而导致锚索预应力的下降；（2）施工期间边坡岩体的开挖爆破，形成了临空面，引起岩体内部地应力释放，岩体向临空面方向发生变形导致荷载增长；（3）岩体的结构和完整性是制约岩体变形的主要因素，施加预应力初期，岩体的压缩变形显著，预应力减小明显。

3、降雨入渗对预应力的影响
影响集中反映在岩体裂隙较为发育、渗透系数较大的工程部位。

裂隙被渗水充填后产生湿胀，钢绞线拉伸，从而导致锚固力增加。

随着裂隙水的流失，增加的锚固预应力也会逐渐消散。

4、温度变化对预应力的影响
温度的变化主要是使钢绞线发生变形，从而导致预应力变化，影响程度较小，可以不予考虑。

5、群锚效应
当监测锚索周围的其他施工锚索进行张拉时，监测锚索锚固预应力会有一定程度的减小。

这是因为周围锚索张拉时，表层岩体压缩导致钢绞线收缩，进而造成预应力损失。

通过分析监测资料我们可以发现，锚索预应力变化具有一定的阶段性，自张拉初期开始，一般都要经历预应力快速下降、波动变化和稳定变化3个阶段。

1、预应力快速下降阶段
该阶段经历的时间较短，主要是受锚具、岩体压缩、施加锚固力等因素的影响。

对于完整岩体，该阶段历时较短，一般为一周，预应力的损失也较小；如果是软弱破碎的岩体，则历时较长，造成的预應力损失也相对较大。

2、预应力值波动变化阶段
在该阶段主要受施工爆破、降雨等因素影响，预应力时增时减，呈现一定的频繁波动现象。

3、预应力稳定变化阶段
这个阶段锚索预应力逐渐趋于平缓变化状态。

对于坚硬完整的岩体，变形模量较大，岩体向临空方向的变形逐渐减弱，以致达到新的应力平衡状态，所以锚索的预应力逐渐平缓减小；对于软弱破碎的岩体，由于岩体向临空面方向的流变现象显著，变形模量又较小，使得预应力值变化略呈增长趋势。

上文举例的4套锚索充分反应了这3个阶段的变化趋势。

5.结语
通过振弦式锚索测力计在小湾电站左岸高边坡锚索监测中的实际应用效果可以得出以下结论：
1、振弦式锚索测力计在检验、安装、张拉、运行观测各个工序均能满足设计要求，性能优异，长期稳定性好且具有很好的性能价格比，具有在同类工程中进一步推广的实用性价值。

2、锚固预应力具有明显的阶段性变化特征，如果发现有异常情况发生，应结合现场地质条件、开挖爆破范围强度、降雨渗水等因素综合分析判断，以便及时排除险情，保障工程建设、生产安全。

3、通过对监测锚索长期的观测情况来看，小湾电站左岸砂石系统及料场边坡大部分岩体锚固效果良好，随着边坡爆破开挖作业的减少以及支护工作进度的跟进，边坡逐渐稳定，锚索锚固预应力也逐步进入到了平稳变化的阶段。

参考文献
[1] 汤平、李端有、李亦明.三峡船闸岩质边坡预应力锚固监测及机理研究[J].长江科学院院报，2005.12；
[2] 张发明、赵维炳、刘宁、陈祖熠.预应力锚索锚固荷载的变化规律及预测模型[J].岩土力学与工程学报，2004.1；
[3] 邵明林、孙奇.预应力张拉问题的探讨[J].黑河科技，1997.1。