王小勇 王勇華 張繼文

(機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710043)

0 引言

預應力錨固技術(shù)作為一種行之有效的巖土工程加固措施，已廣泛應用于邊坡加固、壩體加固、基坑工程以及隧道和地下硐室工程中[1]。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的進一步實施，錨固技術(shù)已廣泛應用于黃土地區(qū)高陡邊坡、深大基坑的加固治理中[2]。

對于預應力錨索的受力機理、應用等已有諸多研究成果[3-7]。在黃土層中預應力錨索的理論及應用研究，于遠祥、吳璋等人[2，8-9]通過現(xiàn)場實測及系統(tǒng)分析，得到黃土地層條件下錨固長度6～8 m最為合理，并推導了兩種錨固力計算公式。陳廣峰[10]通過模型試驗得到剪力按照桿長分布符合“黃金分割”原則。王振剛[11]以黃土地區(qū)基坑工程作為試驗場地，探討了錨索預應力的各個影響因素。吳守河[12]得到黃土地層錨索極限抗拔力達到約600 kN，并給出了黃土地層中預應力錨索P--s曲線擬合多項式。李金華[13]研究了不同預應力錨索荷載-位移曲線函數(shù)模型對黃土地層的適應性，并對錨索的彈塑性位移進行了分析。

本文基于黃土深基坑樁錨支護體系，從錨索基本試驗出發(fā)，通過試驗數(shù)據(jù)，分析了預應力錨索的荷載位移變化情況，得到相關(guān)擬合式。并對錨索極限黏結(jié)強度、剛度等設計參數(shù)與現(xiàn)行規(guī)范進行對比分析，完善了黃土地區(qū)深基坑預應力錨索的設計及應用。

1 試驗概況

1.1 工程概況

試驗場地選擇西安市西郊某建筑基坑，基坑開挖深度19.15 m，地下水位埋深約10 m，以排樁+預應力錨索支護體系為主，腰梁采用雙拼工字型鋼。

試驗錨索位于晚更新世(Qel3)馬蘭黃土和中更新世(Qal+pl2)離石黃土中，土體物理力學性狀指標見表1。

表1 土體物理力學性狀指標表

1.2 試驗材料

根據(jù)場地基坑開挖和支護結(jié)構(gòu)的施工情況，選擇基坑有代表性的3個位置，進行錨索試驗。由于本場地設計錨索和排樁是一樁一錨位置關(guān)系，所有試驗錨索均處于工程錨索位置，為保證基坑安全穩(wěn)定，每個位置3根試驗錨索與工程錨索間隔布置，試驗完成后，盡量將試驗錨索按照工程設計要求進行鎖定。

由于基坑進行了開放式管井降水，錨索成孔全部采用ZGYX430液壓潛孔鉆車，干作業(yè)螺旋成孔。試驗錨索按照工程設計要求，鉆孔直徑150 mm，桿體采用1×7φ15.2--1860級鋼絞線，根據(jù)承載力要求不同配置不同桿體束數(shù)，錨索水平傾角20°。采用P.C32.5R水泥，一次常壓注漿水灰比為0.5∶1，注漿采用孔底返漿形式，一次注漿完成4～12 h，采用壓力1.5～3.0 MPa進行二次高壓注漿。錨索其它設計參數(shù)見表2。

表2 試驗錨索基本參數(shù)

針對錨索桿體結(jié)構(gòu)的組裝，按設計要求，在現(xiàn)場平整地面上，將錨索導向帽、架線環(huán)、桿體材料和一、二次注漿管一次性組裝完成，成孔后立即置入孔內(nèi)。為便于張拉，錨頭張拉段預留了2 m桿體材料。

1.3 試驗方法及設備

錨索施工完成21 d后，采用YCW100B-200型穿心千斤頂進行張拉，百分表量測錨頭位移。為保證試驗準確性，并在錨頭安設振弦式錨索測力計同步復測張拉荷載(見圖1)。

圖1 錨索現(xiàn)場試驗

試驗嚴格按照規(guī)范[14]相關(guān)要求，采用分級多循環(huán)張拉，控制張拉荷載速率及每級荷載持荷時間，試驗由專人控制張拉，專人記錄錨頭位移和測力計讀數(shù)。

1.4 試驗結(jié)果

試驗錨索BC--*和DE--*在加載至第七循環(huán)試驗荷載649 k N時(110%Nu)，錨頭位移基本穩(wěn)定，由于錨索已經(jīng)達到預估極限抗拔承載力標準值，且試驗錨索處于在工程錨索位置，為保證基坑工程安全穩(wěn)定，試驗中止加載，并對錨索按設計要求進行鎖定。

試驗錨索CD--*在加載至第六循環(huán)試驗荷載720 k N(Nu)時，錨頭位移不收斂，且本級荷載產(chǎn)生的單位荷載下的錨頭位移增量大于前一級荷載(648 k N)產(chǎn)生的單位荷載下錨頭位移增量的5倍，錨索發(fā)生破壞，試驗終止。

所有錨索在基本試驗過程中，除最大試驗荷載下錨索出現(xiàn)錨頭位移不收斂外，未出現(xiàn)其它破壞征兆。說明在試驗場地特定黃土地層中，預應力錨索的破壞主要表現(xiàn)為注漿固結(jié)體和土體界面的脫黏，錨索隨之發(fā)生漸近破壞。文獻[13]也提出在黃土地層中采用塑性位移作為錨索的破壞標準更符合實際。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 錨索極限承載力

根據(jù)試驗結(jié)果，BC--*和DE--*試驗錨索極限抗拔承載力Rk均為649 k N(見表3)。而CD--*試驗錨索極限抗拔承載力Rk僅為648 k N，試驗中表現(xiàn)出增加CD--*錨索的張拉荷載至720 k N，錨頭位移不收斂，當然，由于試驗荷載分級的影響，CD--*試驗錨索實際Rk可能介于648～720 k N之間?？傮w上表現(xiàn)出試驗錨索錨固段長度從15 m增加至18.5 m，錨索Rk提高很小甚至沒有提高。這與錨索施工工藝、地層非均勻性，現(xiàn)場試驗操作等有一定關(guān)聯(lián)。

另外，眾所周知，對于特定地層條件，錨索存在臨界錨固段長度[15]。超過臨界錨固段長度之后，錨索軸力、界面剪應力無法有效傳遞，增加錨固段長度對提高承載力貢獻很小。上述試驗結(jié)果反映出在特定黃土地層中，預應力錨索亦存在臨界錨固段長度，經(jīng)試驗數(shù)據(jù)初步分析，本場地黃土地層條件下，錨索臨界錨固段長度約為15 m。

2.2 界面剪應力的分析

按照規(guī)范[14]中推薦的錨桿極限粘結(jié)強度標準值qsk取值范圍，黃土屬于黏性土范疇，本次試驗錨索錨固段所在土層均為水下，黃土無濕陷性，IL=0.55，二次壓力注漿條件下，按照線性插入，qsk取值見表3。通過現(xiàn)場實測，BC--*和DE--*錨索極限狀態(tài)下，平均剪應力91.8 kPa，是規(guī)范推薦qsk的1.35倍;CD--*錨索極限狀態(tài)下，平均剪應力74.3 kPa，是規(guī)范推薦qsk的1.09倍。從以上數(shù)據(jù)可以看出，在黃土地區(qū)，當按照目前現(xiàn)行平均黏結(jié)強度理論進行預應力錨索初步設計時，在錨固段長度設置合理時，對應的極限黏結(jié)強度標準值qsk可以在規(guī)范[14]的基礎上進行適當提高，本文得到在黃土IL=0.5～0.6時，qsk提高系數(shù)可達1.35。之所以錨固段18.5 m時提高系數(shù)僅為1.09，這是由于本身錨固段18.5 m已超過了本黃土地層的臨界錨固段長度，錨索造成了錨固段后段一定范圍并未發(fā)揮作用，故表觀上拉低了平均黏結(jié)應力。規(guī)范[14]中也明確提出：當錨桿錨固段長度大于16 m時，應對極限黏結(jié)強度標準值qsk取值表中數(shù)值適當折減。

表3 錨索試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

2.3 試驗的荷載 位移分析

圖2給出了試驗錨索BC--3在多循環(huán)荷載下的P--s曲線，從曲線可以看出，黃土地層預應力錨索經(jīng)過多級循環(huán)的張拉，其P--s曲線表現(xiàn)為與其他黏性土層錨索共有的滯回環(huán)。錨索每級荷載循環(huán)結(jié)束后，錨頭都有一定的塑性位移，隨著每級循環(huán)最大張拉荷載的不斷增加，曲線上每級循環(huán)結(jié)束后的塑性位移逐漸增大，表現(xiàn)為曲線上最小荷載時，對應各位移點間距逐漸增大，曲線滯回環(huán)逐步變大。同時，隨著每級最大張拉荷載的增大，由于塑性位移的逐漸變大，曲線最高點的增長速率逐漸變小，這也說明隨著荷載的增加，錨索受荷服役開始向彈塑性階段發(fā)展。錨索雖然持續(xù)有塑性位移增加，但從每級荷載卸載工況看，其卸荷彈性位移基本趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為曲線卸荷時斜率基本一致，說明試驗錨索中各級荷載作用下，其自由段及錨固段的彈性工作狀態(tài)是穩(wěn)定可靠的。

圖2 錨索基本試驗P--s關(guān)系曲線

由于土體自身的離散性，加之每根試驗錨索現(xiàn)場施工不可能做到完全精準統(tǒng)一，為了更好地反映黃土地層試驗錨索荷載--位移關(guān)系，這里將BC--*和DE--*共計6根試驗錨索的數(shù)據(jù)匯總，繪制得到錨索荷載--位移累計曲線及荷載P--彈性位移se--塑性位移sp曲線(見圖3、圖4)，并對曲線進行擬合。

圖3 試驗錨索P--s累計曲線

圖4 試驗錨索P--se--sp關(guān)系曲線

從圖3的曲線變化規(guī)律來看，隨著張拉荷載的增大，黃土地層中預應力錨索荷載-位移累計曲線基本服從二次函數(shù)曲線，本次試驗擬合式為：

圖3和式(1)反映出，錨索隨著荷載的增加，錨索工作狀態(tài)逐漸向彈塑性階段改變，導致錨頭位移增長速度越來越快，這與前人研究成果[10]是一致的。式(1)也可為黃土地區(qū)該類型錨索的荷載位移計算及現(xiàn)場試驗提供一定的理論支持。

相比較圖3，圖4更加直觀地反映了每級張拉荷載下錨索的工作狀態(tài)。隨著荷載的增加，錨索彈性位移基本服從線性增長，本試驗得到線性擬合式(2)，從數(shù)據(jù)的分布和式(2)可反映出，錨索的自由段及錨固段的彈性工作狀態(tài)是穩(wěn)定可靠的，這與規(guī)范[14]目前給出的錨拉式支擋結(jié)構(gòu)宜采用彈性支點法進行分析是協(xié)調(diào)一致的。隨著荷載的增加，錨索塑性位移增長較快，通過塑性位移試驗數(shù)據(jù)擬合可得到二次函數(shù)式(3)，錨索塑性位移隨荷載的快速增長，充分驗證了黃土地層中錨索錨固段工作狀態(tài)也是由彈性階段向彈塑性階段的轉(zhuǎn)移及錨固段發(fā)生的漸近性破壞[5]。式(2)、式(3)也可為黃土地區(qū)該類型錨索的彈塑性位移分析及現(xiàn)場試驗提供一定的理論支持。

2.4 錨索剛度的分析

規(guī)范[14]提出錨拉式支擋結(jié)構(gòu)的彈性支點剛度系數(shù)kR可按式(4)計算：

式中：s1、s2為P--s曲線上對應于荷載Ns、Nk的錨頭位移值;ba為擋土構(gòu)件計算寬度;s為錨索水平間距。本試驗錨索為一樁一錨，ba=s。

由于一般在錨索初步設計時，并不能準確獲知錨索在擬設計地層中的P--s曲線，故很難通過式(4)得到支點剛度系數(shù)。規(guī)范[14]亦給出在缺少試驗時，可通過式(5)計算錨索剛度系數(shù)kR：

式中：Es為錨桿桿體彈性模量，kPa;Ec為錨桿的復合彈性模量，kPa;Em為固結(jié)體彈性模量，kPa;Ap為桿體截面面積，m2;A為固結(jié)體截面面積，m2;l為錨索長度，m;lf為錨索自由段長度，m。

將試驗數(shù)據(jù)按照式(4)、式(5)計算得到剛度結(jié)果見表4。在錨索設計的初期階段，一般設計人員無法獲得錨索的P--s曲線，只能按照式(5)進行錨索剛度計算，規(guī)范推薦公式(式5)其實是假定剪應力沿錨固段服從線性分布，且末端剪應力為0，這本身就是不盡完善合理的[16]。

表4 錨索剛度計算表 kN/m

從表4可知，在黃土地區(qū)，錨索實際剛度與規(guī)范推薦的公式的計算結(jié)果并不一致。總體表現(xiàn)為通過P--s曲線實測得到剛度大于按照規(guī)范推薦公式計算得到的剛度值。BC--*和DE--*錨索實測剛度均值是規(guī)范推薦公式計算剛度的1.25～1.40倍。雖然CD--*錨索實測剛度均值是規(guī)范推薦公式計算剛度的1.05倍，比較接近，但是由于本身CD--*錨索錨固段設計的不合理性，筆者認為這個數(shù)據(jù)參考性并不強。從上述理論分析及實測看，在錨索的設計中，應慎重采用式(5)進行剛度計算使用，在黃土地區(qū)類似地層中，當采用式(5)進行剛度計算時，可參考本試驗結(jié)果進行一定的剛度修正。

3 結(jié)論

通過黃土地區(qū)深基坑現(xiàn)場錨索設計、制作和試驗，從實測數(shù)據(jù)出發(fā)，分析比較了錨索的設計參數(shù)取值和荷載變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)在黃土地層中，錨索的破壞是土層和注漿固結(jié)體的脫黏，這與一般黏性土規(guī)律一致。當錨索錨固段超過一定長度后，增加錨固段長度對錨索的承載力貢獻較小。本文試驗得到錨索錨固段超過15 m后，承載力幾乎不變，初步分析本場地黃土地層條件下，錨索臨界錨固段長度約為15 m。

(2)目前現(xiàn)行規(guī)范對于錨索的設計均采用平均黏結(jié)強度理論，極限黏結(jié)強度標準值qsk的取用十分重要。根據(jù)試驗結(jié)果，在特定黃土地區(qū)進行錨索設計時，其極限黏結(jié)強度標準值qsk可以在規(guī)范[14]的基礎上進行適當提高，本文得到在黃土IL=0.5～0.6時，當錨固段設置合理時，qsk提高系數(shù)可達1.35。

(3)通過試驗錨索的多循環(huán)荷載下的P--s關(guān)系曲線、P--s累計曲線和P--se--sp關(guān)系曲線，反映出預應力錨索在黃土地層與一般黏性土層中的荷載位移關(guān)系基本一致，說明錨索在黃土地區(qū)中是適用的。通過對試驗數(shù)據(jù)的擬合，直觀清晰地反映了每級張拉荷載下錨索的工作狀態(tài)，錨索彈性位移的線性增長也協(xié)調(diào)了現(xiàn)行規(guī)范的設計理論。試驗成果為本地區(qū)同類型錨索的設計及現(xiàn)場試驗提供了一定的理論支持。

(4)現(xiàn)行規(guī)范對于錨索剛度系數(shù)的推薦計算公式是采用了一定的假設條件，本文分析了其公式是不盡完善合理的。通過實測數(shù)據(jù)反算，得到試驗錨索實際剛度是大于推薦計算公式結(jié)果，增大系數(shù)為1.25～1.40。在黃土地區(qū)預應力錨索的設計時，應慎重采用推薦公式進行剛度計算，或者在黃土地區(qū)類似地層中，計算后可參考本試驗結(jié)果進行一定的剛度修正，以使其更符合工程實際。