吳守河 ，李 忠

(1.蘭州市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730030；2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050)

0 引言

近年來，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施，高等級(jí)公路、鐵路等各類工程建設(shè)在西北黃土地區(qū)迅猛發(fā)展，由此產(chǎn)生大量的黃土高陡邊坡。預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)作為一種安全可靠、經(jīng)濟(jì)有效的巖土工程加固措施，已廣泛應(yīng)用于黃土邊坡加固、基坑工程，以及隧道及地下工程[1-3]。為更好地優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低工程造價(jià)，迫切要求研究黃土層中錨索的錨固力特征，為設(shè)計(jì)計(jì)算提供精確的理論基礎(chǔ)。

事實(shí)上，預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)是涉及注漿體、巖土層及錨索(桿)的多介質(zhì)、多界面相互作用的復(fù)雜力學(xué)系統(tǒng)。目前的研究成果大都基于物理模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真模擬手段來探討錨索荷載傳遞機(jī)制，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際存在較大出入，也易造成許多不必要的工程資源的浪費(fèi)甚至潛在危險(xiǎn)。工程實(shí)踐表明，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法來研究錨固工程，其結(jié)果較理論方法更符合工程實(shí)際，也更可靠。基于此，本文以蘭州南山路黃土高邊坡支護(hù)工程為背景，對(duì)黃土地層下的預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)，對(duì)于錨索設(shè)計(jì)錨固長度下的極限抗拔承載力和預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，確定錨索抗拔力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而做到更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高施工安全性，降低工程造價(jià)的目的。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

南山路民大隧道位于蘭州市城關(guān)區(qū)五泉山下，處于南山路中段，東起五泉人行天橋西側(cè)，西至規(guī)劃安定門鐵路立交東側(cè)。線路位置受地形地物的控制，大部分段落走行于蘭新鐵路南側(cè)與西北民族大學(xué)半路塹式圍墻間狹窄條形地帶。蘭新鐵路路塹通過該段落，民大隧道位于其路塹南側(cè)的陡坡中，上覆既有戰(zhàn)備公路。隧道所處位置地形復(fù)雜、地面建筑物多。隧道基坑開挖深度 3～14 m，土方開挖量大，由于場(chǎng)地限制，需在基坑開挖前進(jìn)行基坑邊坡加固處理。

1.2 地質(zhì)概況

該隧道段揭露地層為一套第四系全新統(tǒng)松散沖積物，巖性從上到下為：①素填土、②粉土、③圓礫、④粉質(zhì)粘土、⑤淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、⑥卵石層。該區(qū)處于青藏高原東北緣與黃土高坡的交匯部位，大地構(gòu)造屬祁連山褶皺系中祁連隆起東段河口凹陷東北部，次級(jí)構(gòu)造發(fā)育。該段②粉土具有中等-很嚴(yán)重的濕陷性，該場(chǎng)地為自重濕陷場(chǎng)地，地基的濕陷等級(jí)為 II-IV 級(jí)。最大濕陷深度為18.60 m。

1.3 隧道邊坡加固設(shè)計(jì)

隧道基坑開挖深度 3～14 m，土方開挖量大，由于場(chǎng)地限制，需在基坑開挖前進(jìn)行基坑加固處理。NzK10+775～NzK10+950 段隧道基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) G2 斷面圖見圖1所示。

如圖1所示，基坑邊坡采用了排樁預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)基坑深度不同設(shè)長度不同排樁加設(shè)單層或多層錨索。預(yù)應(yīng)力錨索采用國標(biāo)2×7Φ5 鋼絞線，公稱直徑 15.20 mm，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，錨索設(shè)計(jì)長度為 26 m，其自由段長6.0 m，錨固段長 20 m。

2 預(yù)應(yīng)力錨索抗拔現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了對(duì)南山路民大隧道邊坡預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)錨固長度下的極限抗拔承載力等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，特在工程現(xiàn)場(chǎng)選址進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索拉拔試驗(yàn)，以確定錨索抗拔力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而做到更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低工程造價(jià)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力錨索構(gòu)造見圖2所示，錨頭鋼墊板見圖3所示，錨頭反力裝置采用了 C30鋼板混凝土墊板，見圖4所示。

錨孔注漿采用 425 級(jí)普通硅酸鹽水泥，其配合比為水泥：水 =1：0.42 的水泥凈漿，注漿壓力為0.5～2.0 MPa，采用孔底返漿至錨固段與自由段交界處，即自由段不注漿。試驗(yàn)進(jìn)行一組，即 3 根預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，現(xiàn)場(chǎng)完成預(yù)應(yīng)力錨索鉆孔、錨索制作安裝、注漿及張拉，其中預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)制作及張拉測(cè)試見圖5所示。

圖1 G2 基抗開挖支護(hù)斷面圖

圖2 預(yù)應(yīng)力錨索構(gòu)造詳圖

圖3 鋼墊板設(shè)計(jì)示意圖

圖4 混凝土墊板設(shè)計(jì)示意圖

圖5 預(yù)應(yīng)力錨索制作及張拉現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景

2.2 試驗(yàn)測(cè)試

預(yù)應(yīng)力錨索張拉設(shè)備采用穿心式液壓千斤頂YDC-100。試驗(yàn)加載采用逐級(jí)加載法，每級(jí)加依次為預(yù)估破壞荷載的 10%、20%、20%、20%、20%、10%，預(yù)估破壞荷載為 500 kN。在每級(jí)加荷等級(jí)觀測(cè)時(shí)間為 5 min，在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)前后兩次測(cè)讀變形，當(dāng)測(cè)讀錨頭移項(xiàng)目累計(jì)變位量不大于 0.1 mm時(shí)，方可施加一級(jí)荷載，否則應(yīng)延長觀測(cè)時(shí)間，直至錨頭位移增量在 2 h 內(nèi)小于 2 mm 時(shí)，方可施加下一級(jí)荷載。在拉拔過程中，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量錨索的伸長變形。現(xiàn)場(chǎng)錨索張拉加載見圖6所示。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)加載方案，逐級(jí)加載，直至加載100%。在加載過程中，每級(jí)加荷在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)前后兩次測(cè)讀錨頭變形，由于測(cè)讀錨頭位移本級(jí)增量均大于 0.1 mm，因此采用延長觀測(cè)時(shí)間，錨頭位移增量在 2 h 內(nèi)均小于 2 mm，分別記錄各級(jí)加載下錨索荷載位移變化數(shù)據(jù)，見表1～表3所列。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)預(yù)應(yīng)力錨索張拉實(shí)景

如表1～表3所列，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，1#、2#、3#錨索在各級(jí)荷載作用下錨頭位移逐級(jí)增量均未超過前一級(jí)位移 2 倍，按相關(guān)規(guī)范[12]附錄 X 土層錨桿試驗(yàn)要點(diǎn) (X.0.5 條錨桿終止試驗(yàn)條件第 1 款的規(guī)定：“后一級(jí)荷載產(chǎn)生的錨頭位移增量達(dá)到或超過前一級(jí)荷載產(chǎn)生位移增量的 2倍?！?，可判定各錨索均未破壞，由此可判定錨索抗拔承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

如上所述，按照原加載方案，100%加載后，除了各錨頭位移有明顯增大外，各錨索均未出現(xiàn)破壞。為測(cè)定各錨索現(xiàn)場(chǎng)極限抗拔力，再預(yù)加破壞荷載 20%進(jìn)行了破壞性超張拉試驗(yàn)，直至錨索出現(xiàn)破壞。加載中，1#錨索張拉至 598 kN時(shí)，第一單元鋼絞線在錨頭附近發(fā)生斷絲，鋼絞線達(dá)到破壞荷載；2#錨索張拉至 584 kN 時(shí)，第一單元鋼絞線錨頭附近發(fā)生斷絲；3#錨索張拉至 604 kN 時(shí)，第一單元鋼絞線同樣錨頭附近斷絲。各錨索的破壞均是由于鋼絞線斷絲引起，未出現(xiàn)錨固體拔出等其它形式破壞。

由此可見，工程現(xiàn)場(chǎng)的黃土地層能為設(shè)計(jì)錨索提供足夠的錨固力。根據(jù)工程設(shè)計(jì)中錨索施加預(yù)應(yīng)力 260 kN，而試驗(yàn)中錨索極限抗拔力達(dá)到平均約為 590 kN，可知該工程預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)安全系數(shù)大于 2.0。另外，由表1～表3知，各錨索加載至 100%時(shí)，錨頭累計(jì)總位移量約為 60 mm，加載至 50%時(shí)，即加載至預(yù)應(yīng)力張拉值時(shí)，各錨頭累計(jì)總位移量約為 20 mm，該值也同時(shí)滿足設(shè)計(jì)允許位移值（不大于 20 mm)的要求。

根據(jù)表1～表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別作出各級(jí)加載過程中錨索位移逐級(jí)增量及累計(jì)增量與荷載變化關(guān)系曲線，見圖7、圖8所示。

表1 1#錨索抗拔試驗(yàn)荷載位移記錄表

表2 2#錨索抗拔試驗(yàn)荷載位移記錄表

表3 3#錨索抗拔試驗(yàn)荷載位移記錄表

圖7 各錨索抗拔加載 Q-S 曲線圖

圖8 錨索加載 Q-S 曲線多項(xiàng)式擬合曲線圖

如圖7所示，隨著荷載的逐級(jí)增加，荷載與位移均呈非線性變化，荷載越大特性越明顯。各錨索曲線變化特征基本相近。將圖7所示各錨索的 Q-S曲線進(jìn)行采用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，如圖8所示，推得擬合多項(xiàng)式如式（1）所示：

式（1）中 S 為錨索錨頭位移，Q 為錨索加載量。該式可作為同類預(yù)應(yīng)力錨索位移計(jì)算的參考或經(jīng)驗(yàn)公式使用。

3 結(jié)論

通過此次濕陷性黃土層中預(yù)應(yīng)力錨索現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)研究，主要得出結(jié)論如下：

（1）3 個(gè)錨索抗拔試驗(yàn)地層均為混陷性黃土地層，通過逐級(jí)加載試驗(yàn)，錨索抗拔承載力滿足設(shè)計(jì)要求，且各錨索均未出現(xiàn)破壞。根據(jù)錨索設(shè)計(jì)參數(shù)，通過超張拉預(yù)估破壞荷載的 20%直至錨索破壞，得到濕陷性黃土地層錨索極限抗拔力達(dá)到約600 kN。根據(jù)工程設(shè)計(jì)中錨索施加預(yù)應(yīng)力 260 kN，而試驗(yàn)中錨索極限抗拔力平均約為 590 kN，可知實(shí)際工程中預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)安全系數(shù)大于 2.0?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，在混陷性黃土地層中使用預(yù)應(yīng)力錨索是可行的，且可以獲得較為可靠的錨固力。

（2）當(dāng)錨索 100%加載時(shí)，錨頭累計(jì)總位移量約為 60 mm，但錨索總體并未出現(xiàn)破壞。當(dāng)錨索加載至 50%達(dá)到施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，錨頭累計(jì)總位移量約為 20 mm，該值也同時(shí)滿足設(shè)計(jì)允許位移值。由此也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)中錨索預(yù)應(yīng)力張拉值的合理性。

（3）在加載試驗(yàn)過程中，隨著荷載的逐級(jí)增加，荷載與位移均呈非線性變化。通過曲線擬合，得到了混陷性黃土地層中預(yù)應(yīng)力錨索 Q-S 曲線擬合多項(xiàng)式，如文中式（1），該式可作為同類預(yù)應(yīng)力錨索位移計(jì)算參考或經(jīng)驗(yàn)公式使用。另外，對(duì)于濕陷性黃土地層中預(yù)應(yīng)力錨索諸多特性，在該項(xiàng)試驗(yàn)中還未得到揭示，在今后的工作中還需要通過更為復(fù)雜的試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

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