黄土层中深基坑预应力锚索试验研究

黄土层中深基坑预应力锚索试验研究
王小勇;王勇华;张继文
【摘要】在深基坑预应力锚索现场试验基础上,通过实测数据分析,提出在特定黄土地层中,当锚索锚固段长度设置合理时,其锚固段极限黏结强度标准值可高于现行规范推荐值.从试验锚索的不同荷载位移曲线,显现出预应力锚索在黄土地层中和其他黏性土地层中基本一致的受荷服役工况和荷载传递变化情况,试验曲线直观清晰地反映了每级张拉荷载下锚索的工作状态,并通过试验数据得到了相关拟合式.最后从试验数据反算锚索刚度并与现行规范推荐计算公式进行比较,得到一些有益结论.研究成果可以为黄土地区深基坑预应力锚索的设计、施工等提供参考.
【期刊名称】《岩土工程技术》
【年(卷),期】2019(033)002
【总页数】5页(P121-124,封3)
【关键词】黄土地层;深基坑;预应力锚索;现场试验;黏结强度;刚度
【作者】王小勇;王勇华;张继文
【作者单位】机械工业勘察设计研究院有限公司,陕西西安710043;机械工业勘察设计研究院有限公司,陕西西安710043;机械工业勘察设计研究院有限公司,陕西西安710043
【正文语种】中文
【中图分类】TU942
0 引言
预应力锚固技术作为一种行之有效的岩土工程加固措施，已广泛应用于边坡加固、坝体加固、基坑工程以及隧道和地下硐室工程中[1]。

随着西部大开发战略的进一步实施，锚固技术已广泛应用于黄土地区高陡边坡、深大基坑的加固治理中[2]。

对于预应力锚索的受力机理、应用等已有诸多研究成果[3-7]。

在黄土层中预应力锚索的理论及应用研究，于远祥、吴璋等人[2，8-9]通过现场实测及系统分析，得到黄土地层条件下锚固长度6～8 m最为合理，并推导了两种锚固力计算公式。

陈广峰[10]通过模型试验得到剪力按照杆长分布符合“黄金分割”原则。

王振刚[11]以黄土地区基坑工程作为试验场地，探讨了锚索预应力的各个影响因素。

吴守河[12]得到黄土地层锚索极限抗拔力达到约600 kN，并给出了黄土地层中预应力锚索P--s曲线拟合多项式。

李金华[13]研究了不同预应力锚索荷载-位移曲线函数模型对黄土地层的适应性，并对锚索的弹塑性位移进行了分析。

本文基于黄土深基坑桩锚支护体系，从锚索基本试验出发，通过试验数据，分析了预应力锚索的荷载位移变化情况，得到相关拟合式。

并对锚索极限黏结强度、刚度等设计参数与现行规范进行对比分析，完善了黄土地区深基坑预应力锚索的设计及应用。

1 试验概况
1.1 工程概况
试验场地选择西安市西郊某建筑基坑，基坑开挖深度19.15 m，地下水位埋深约10 m，以排桩+预应力锚索支护体系为主，腰梁采用双拼工字型钢。

试验锚索位于晚更新世(Qel3)马兰黄土和中更新世(Qal+pl2)离石黄土中，土体物理力学性状指标见表1。

表1 土体物理力学性状指标表地层名称代号γ/(k N·m-3)γd /(k N·m-3)ω/%S r
/% e IP IL Es0.1--0.2/MPa Es0.2--0.3/MPa c cq /kPa φcq /(°)古土壤 Qel3 19.9 1.59 25.2 97.3 0.70 12.4 0.60 8.11 9.90 44.8 30.2粉质黏土 Qal+pl 2 19.9 1.61 23.7 20.2 0.68 12.2 0.55 8.05 10.68 49.5 31.1
1.2 试验材料
根据场地基坑开挖和支护结构的施工情况，选择基坑有代表性的3个位置，进行锚索试验。

由于本场地设计锚索和排桩是一桩一锚位置关系，所有试验锚索均处于工程锚索位置，为保证基坑安全稳定，每个位置3根试验锚索与工程锚索间隔布置，试验完成后，尽量将试验锚索按照工程设计要求进行锁定。

由于基坑进行了开放式管井降水，锚索成孔全部采用ZGYX430液压潜孔钻车，干作业螺旋成孔。

试验锚索按照工程设计要求，钻孔直径150 mm，杆体采用
1×7φ15.2--1860级钢绞线，根据承载力要求不同配置不同杆体束数，锚索水平倾角20°。

采用P.C32.5R水泥，一次常压注浆水灰比为0.5∶1，注浆采用孔底返浆形式，一次注浆完成4～12 h，采用压力1.5～3.0 MPa进行二次高压注浆。

锚索其它设计参数见表2。

表2 试验锚索基本参数注：Nk为锚索轴向拉力标准值;Ns为锚索锁定值;Nu为预估锚索极限抗拔承载力标准值锚索编号l/m lf/m la/m Nk/kN Ns/kN Nu/k N BC--1 BC--2 BC--3 24 9 15 327 280 590 CD--1 CD--2 CD--3 25.5 7 18.5 400 340 720 DE--1 DE--2 DE--3 23 8 15 327 280 590
针对锚索杆体结构的组装，按设计要求，在现场平整地面上，将锚索导向帽、架线环、杆体材料和一、二次注浆管一次性组装完成，成孔后立即置入孔内。

为便于张拉，锚头张拉段预留了2 m杆体材料。

1.3 试验方法及设备
锚索施工完成21 d后，采用YCW100B-200型穿心千斤顶进行张拉，百分表量测锚头位移。

为保证试验准确性，并在锚头安设振弦式锚索测力计同步复测张拉荷载
(见图1)。

图1 锚索现场试验
试验严格按照规范[14]相关要求，采用分级多循环张拉，控制张拉荷载速率及每级荷载持荷时间，试验由专人控制张拉，专人记录锚头位移和测力计读数。

1.4 试验结果
试验锚索BC--*和DE--*在加载至第七循环试验荷载649 k N时(110%Nu)，锚头位移基本稳定，由于锚索已经达到预估极限抗拔承载力标准值，且试验锚索处于在工程锚索位置，为保证基坑工程安全稳定，试验中止加载，并对锚索按设计要求进行锁定。

试验锚索CD--*在加载至第六循环试验荷载720 k N(Nu)时，锚头位移不收敛，
且本级荷载产生的单位荷载下的锚头位移增量大于前一级荷载(648 k N)产生的单
位荷载下锚头位移增量的5倍，锚索发生破坏，试验终止。

所有锚索在基本试验过程中，除最大试验荷载下锚索出现锚头位移不收敛外，未出现其它破坏征兆。

说明在试验场地特定黄土地层中，预应力锚索的破坏主要表现为注浆固结体和土体界面的脱黏，锚索随之发生渐近破坏。

文献[13]也提出在黄土地层中采用塑性位移作为锚索的破坏标准更符合实际。

2 试验结果分析
2.1 锚索极限承载力
根据试验结果，BC--*和DE--*试验锚索极限抗拔承载力Rk均为649 k N(见表3)。

而CD--*试验锚索极限抗拔承载力Rk仅为648 k N，试验中表现出增加CD--*锚索的张拉荷载至720 k N，锚头位移不收敛，当然，由于试验荷载分级的影响，CD--*试验锚索实际Rk可能介于648～720 k N之间。

总体上表现出试验锚索锚
固段长度从15 m增加至18.5 m，锚索Rk提高很小甚至没有提高。

这与锚索施
工工艺、地层非均匀性，现场试验操作等有一定关联。

另外，众所周知，对于特定地层条件，锚索存在临界锚固段长度[15]。

超过临界锚固段长度之后，锚索轴力、界面剪应力无法有效传递，增加锚固段长度对提高承载力贡献很小。

上述试验结果反映出在特定黄土地层中，预应力锚索亦存在临界锚固段长度，经试验数据初步分析，本场地黄土地层条件下，锚索临界锚固段长度约为15 m。

2.2 界面剪应力的分析
按照规范[14]中推荐的锚杆极限粘结强度标准值qsk取值范围，黄土属于黏性土范畴，本次试验锚索锚固段所在土层均为水下，黄土无湿陷性，IL=0.55，二次压力注浆条件下，按照线性插入，qsk取值见表3。

通过现场实测，BC--*和DE--*锚
索极限状态下，平均剪应力91.8 kPa，是规范推荐qsk的1.35倍;CD--*锚索极限状态下，平均剪应力74.3 kPa，是规范推荐qsk的1.09倍。

从以上数据可以看出，在黄土地区，当按照目前现行平均黏结强度理论进行预应力锚索初步设计时，在锚固段长度设置合理时，对应的极限黏结强度标准值qsk可以在规范[14]的基础上进行适当提高，本文得到在黄土IL=0.5～0.6时，qsk提高系数可达1.35。

之所以
锚固段18.5 m时提高系数仅为1.09，这是由于本身锚固段18.5 m已超过了本黄土地层的临界锚固段长度，锚索造成了锚固段后段一定范围并未发挥作用，故表观上拉低了平均黏结应力。

规范[14]中也明确提出：当锚杆锚固段长度大于16 m时，应对极限黏结强度标准值qsk取值表中数值适当折减。

表3 锚索试验数据统计表?
2.3 试验的荷载位移分析
图2给出了试验锚索BC--3在多循环荷载下的P--s曲线，从曲线可以看出，黄土地层预应力锚索经过多级循环的张拉，其P--s曲线表现为与其他黏性土层锚索共
有的滞回环。

锚索每级荷载循环结束后，锚头都有一定的塑性位移，随着每级循环最大张拉荷载的不断增加，曲线上每级循环结束后的塑性位移逐渐增大，表现为曲
线上最小荷载时，对应各位移点间距逐渐增大，曲线滞回环逐步变大。

同时，随着每级最大张拉荷载的增大，由于塑性位移的逐渐变大，曲线最高点的增长速率逐渐变小，这也说明随着荷载的增加，锚索受荷服役开始向弹塑性阶段发展。

锚索虽然持续有塑性位移增加，但从每级荷载卸载工况看，其卸荷弹性位移基本趋于稳定，表现为曲线卸荷时斜率基本一致，说明试验锚索中各级荷载作用下，其自由段及锚固段的弹性工作状态是稳定可靠的。

图2 锚索基本试验P--s关系曲线
由于土体自身的离散性，加之每根试验锚索现场施工不可能做到完全精准统一，为了更好地反映黄土地层试验锚索荷载--位移关系，这里将BC--*和DE--*共计6根试验锚索的数据汇总，绘制得到锚索荷载--位移累计曲线及荷载P--弹性位移se--塑性位移sp曲线(见图3、图4)，并对曲线进行拟合。

图3 试验锚索P--s累计曲线
图4 试验锚索P--se--sp关系曲线
从图3的曲线变化规律来看，随着张拉荷载的增大，黄土地层中预应力锚索荷载-位移累计曲线基本服从二次函数曲线，本次试验拟合式为：
图3和式(1)反映出，锚索随着荷载的增加，锚索工作状态逐渐向弹塑性阶段改变，导致锚头位移增长速度越来越快，这与前人研究成果[10]是一致的。

式(1)也可为
黄土地区该类型锚索的荷载位移计算及现场试验提供一定的理论支持。

相比较图3，图4更加直观地反映了每级张拉荷载下锚索的工作状态。

随着荷载的增加，锚索弹性位移基本服从线性增长，本试验得到线性拟合式(2)，从数据的分
布和式(2)可反映出，锚索的自由段及锚固段的弹性工作状态是稳定可靠的，这与
规范[14]目前给出的锚拉式支挡结构宜采用弹性支点法进行分析是协调一致的。

随着荷载的增加，锚索塑性位移增长较快，通过塑性位移试验数据拟合可得到二次函
数式(3)，锚索塑性位移随荷载的快速增长，充分验证了黄土地层中锚索锚固段工
作状态也是由弹性阶段向弹塑性阶段的转移及锚固段发生的渐近性破坏[5]。

式(2)、式(3)也可为黄土地区该类型锚索的弹塑性位移分析及现场试验提供一定的理论支持。

2.4 锚索刚度的分析
规范[14]提出锚拉式支挡结构的弹性支点刚度系数kR可按式(4)计算：
式中：s1、s2为P--s曲线上对应于荷载Ns、Nk的锚头位移值;ba为挡土构件计算宽度;s为锚索水平间距。

本试验锚索为一桩一锚，ba=s。

由于一般在锚索初步设计时，并不能准确获知锚索在拟设计地层中的P--s曲线，
故很难通过式(4)得到支点刚度系数。

规范[14]亦给出在缺少试验时，可通过式(5)
计算锚索刚度系数kR：
式中：Es为锚杆杆体弹性模量，kPa;Ec为锚杆的复合弹性模量，kPa;Em为固结
体弹性模量，kPa;Ap为杆体截面面积，m2;A为固结体截面面积，m2;l为锚索长度，m;lf为锚索自由段长度，m。

将试验数据按照式(4)、式(5)计算得到刚度结果见表4。

在锚索设计的初期阶段，
一般设计人员无法获得锚索的P--s曲线，只能按照式(5)进行锚索刚度计算，规范推荐公式(式5)其实是假定剪应力沿锚固段服从线性分布，且末端剪应力为0，这
本身就是不尽完善合理的[16]。

表4 锚索刚度计算表 kN/m?
从表4可知，在黄土地区，锚索实际刚度与规范推荐的公式的计算结果并不一致。

总体表现为通过P--s曲线实测得到刚度大于按照规范推荐公式计算得到的刚度值。

BC--*和DE--*锚索实测刚度均值是规范推荐公式计算刚度的1.25～1.40倍。

虽然CD--*锚索实测刚度均值是规范推荐公式计算刚度的1.05倍，比较接近，但是由
于本身CD--*锚索锚固段设计的不合理性，笔者认为这个数据参考性并不强。

从
上述理论分析及实测看，在锚索的设计中，应慎重采用式(5)进行刚度计算使用，
在黄土地区类似地层中，当采用式(5)进行刚度计算时，可参考本试验结果进行一
定的刚度修正。

3 结论
通过黄土地区深基坑现场锚索设计、制作和试验，从实测数据出发，分析比较了锚索的设计参数取值和荷载变化规律，得到以下结论：
(1)在黄土地层中，锚索的破坏是土层和注浆固结体的脱黏，这与一般黏性土规律
一致。

当锚索锚固段超过一定长度后，增加锚固段长度对锚索的承载力贡献较小。

本文试验得到锚索锚固段超过15 m后，承载力几乎不变，初步分析本场地黄土地层条件下，锚索临界锚固段长度约为15 m。

(2)目前现行规范对于锚索的设计均采用平均黏结强度理论，极限黏结强度标准值qsk的取用十分重要。

根据试验结果，在特定黄土地区进行锚索设计时，其极限黏结强度标准值qsk可以在规范[14]的基础上进行适当提高，本文得到在黄土
IL=0.5～0.6时，当锚固段设置合理时，qsk提高系数可达1.35。

(3)通过试验锚索的多循环荷载下的P--s关系曲线、P--s累计曲线和P--se--sp关系曲线，反映出预应力锚索在黄土地层与一般黏性土层中的荷载位移关系基本一致，说明锚索在黄土地区中是适用的。

通过对试验数据的拟合，直观清晰地反映了每级张拉荷载下锚索的工作状态，锚索弹性位移的线性增长也协调了现行规范的设计理论。

试验成果为本地区同类型锚索的设计及现场试验提供了一定的理论支持。

(4)现行规范对于锚索刚度系数的推荐计算公式是采用了一定的假设条件，本文分
析了其公式是不尽完善合理的。

通过实测数据反算，得到试验锚索实际刚度是大于
推荐计算公式结果，增大系数为1.25～1.40。

在黄土地区预应力锚索的设计时，
应慎重采用推荐公式进行刚度计算，或者在黄土地区类似地层中，计算后可参考本试验结果进行一定的刚度修正，以使其更符合工程实际。

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