拉力型锚索在黄土层中的荷载传递机理

王勇华, 王小勇, 张继文

(机械工业勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安 710043)

随着西部大开发战略的进一步实施,在黄土地区相继出现了大量的深大基坑、高陡边坡.预应力锚索作为一种重要的岩土锚固支护技术,已在黄土地区被广泛应用[1].预应力锚索能充分发挥岩土体的自承潜力,调节和提高岩土体的自身强度和自稳能力,且施工快速、安全稳定,对其推广应用具有显著的经济和社会效益[2].

对于拉力型预应力锚索的荷载传递及应用,已有诸多学者开展了相应的研究,并得到有益的结论[3-6].关于拉力型锚索在黄土地区的应用研究,于远祥等[1,7-8]在前人理论研究成果基础上,通过现场实测及系统分析,得知黄土地层条件下锚固长度在6～8 m最为合理,并推导了两种锚固力计算公式.王振刚[9]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[10]研究得知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[11]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.

前人的研究成果已经为黄土地区拉力型锚索的设计及施工提供了一定参考,但是,在孔隙发育、结构疏松的特殊性黄土地层,拉力型锚索的荷载传递变化机理及受荷服役情况是否与一般土层完全一致,工程锚索的设计参数如何合理选取,关于这方面的研究,目前并不统一.本次研究在前人研究成果的基础上,进一步分析拉力型锚索在黄土地区的荷载传递机理,提出临界锚固段长度计算公式.从工程现场出发,对深基坑锚索进行基本试验,对试验数据进行一系列的对比、分析、拟合,验证了理论分析的合理性,得到一些有益结论,完善并丰富了拉力型锚索在黄土地层中的设计理论及应用.

1 锚索荷载传递机理

预应力锚索结构存在3种介质2个界面,即杆(索)体材料、注浆固结体、孔周岩土体和杆体与固结体黏结界面、固结体与岩土体黏结界面.黄土地层中,由于固结体的强度远大于土体,拉力型锚索主要在固结体和岩土体黏结界面上发生破坏,或因土体的剪切破坏,故锚索锚固力由土体力学性质控制[12].

1.1 弹性阶段

拉力型锚索体系中,锚头拉力P转换为杆体轴力N,N通过杆体与固结体界面足够的黏结强度将荷载传至注浆固结体上,再通过固结体与土体界面将荷载以界面剪应力τ形式传递至孔周岩土体上.初期张拉荷载P较小,荷载以上述方式传递并平衡,整个锚索体系从介质到界面可认为基本处于弹性阶段.龙春安[6]根据荷载-位移互等定理,借助Kelvin弹性位移解,得到界面剪应力和轴力的解析表达式.

从图1可以看出,界面剪应力在锚固段表现为单峰曲线分布模式,这与文献[3]得到的高斯曲线模式及相应的现场试验比较吻合.界面剪应力从锚固段起始位置迅速增大至峰值,然后向锚固段末端逐渐衰减.轴力在锚固段起始位置最大为张拉荷载,并在锚固段起始一定范围内迅速衰减,在锚固段后半段缓慢衰减.

从上述公式及曲线不难看出,在弹性阶段,随着张拉荷载的增大,拉力型锚索界面剪应力分布曲线形式不会发生改变,只是峰值剪应力随之增大.同理,锚固段轴力分布形式亦是如此.

对式(1)取dτ/dz=0,并代入原式,即可得到弹性阶段最大剪应力位置及峰值剪应力：

(3)

1.2 弹塑性阶段

随着张拉荷载的增大,峰值剪应力不断增大,锚固段起始一定范围内轴力不断增大,锚固段位移持续伸长.当峰值剪应力达到界面容许剪应力[τ],或者锚固段起始位置一定范围固结体拉应变达到材料容许应变[ε]时,锚索弹性工作状态被打破.此时锚固段起始一定范围开始出现塑性区,注浆固结体开始出现裂缝,并发生一定的体胀[6],在锚固段起始位置产生挤压塑性区,整个锚索进入弹塑性工作状态,锚固段发生应力重分布.主要表现形式为,弹性阶段的峰值剪应力将向锚固段深处内移,锚固段起始一定范围内固结体和土体界面开始发生错动,界面由弹性阶段的黏结应力转变为弹塑性阶段的摩擦力形式[13-14].此时界面剪应力分布曲线如图3所示.

由于整个锚索还处于相对稳定工作状态,此时发生应力重分布后,由图3可以看出,峰值剪应力后移后,锚索末端剪应力有很小的增长,锚固段起始位置有一定的摩擦作用.此时锚索承载力削弱很少,甚至由于锚固段前段的摩擦作用,承载力会有小范围提高(图3曲线包络面积即为锚索承载力).在锚索张拉试验中,此时表现为随着张拉荷载的增大,锚头位移增长速率较上一阶段有一定提高,P-S曲线斜率较弹性阶段开始减小.

随着张拉荷载的进一步增大,峰值剪应力已达到界面容许剪应力[τ],无法继续增大.锚固段起始位置一定范围注浆固结体由于过大的轴力,裂缝加大并扩展,呈现圆饼状拉开[15].固结体继续体胀并和孔周土体一起形成挤压楔状堆积,使得塑性区不断扩大,形成新的挤压滑移面.如果拉拔荷载进一步加大,锚固段起始位置的塑性区转变为破碎,固结体碎屑脱落,并产生滑动的趋势,出现显著的体胀,对孔周土体产生较大的侧向压力.拉拔荷载越大,则侧向压力就越大.当孔周土体不能承受这么大的径向压力时,孔周一定范围土体就开裂破坏.宏观上表现为锚索承载力无法增大,锚头位移快速增长.但总体上,锚索末端界面剪应力增长很少,至极限破坏阶段,锚头位移不再收敛,锚索发生渐近性破坏.

1.3 临界锚固段长度

徐至钧[16]明确提出临界锚固段长度属于某种具体地层的特定属性.当锚索突破弹性工作状态后,随着荷载增加,尽管峰值剪应力后移,但锚固段末端应力增长非常有限,同时,从图3包络的面积可知,锚索进入弹塑性工作状态后,其承载力的提高是有限的.说明拉力型锚索存在临界锚固段长度,超过此长度后,增加锚固段长度对锚索极限承载力的贡献十分有限,且在工程中是不经济的.

在预应力锚索工程试验中,张拉前一般取0.1P～0.2P进行预紧,以保证工程锚索杆体完全平直,各部位接触紧密[17].对于式(2),假定锚固段轴力衰减至0.1P位置(N=0.1P)时,对应的锚固段长度为临界锚固段长度Lc,即

(4)

此时,在0.1P位置处界面剪应力为

(5)

2 试验研究

现场试验选择西安某深基坑,基坑深度19.15 m,地下水位埋深约10 m,主要采用排桩加预应力锚索支护体系.勘察钻孔揭露,基坑开挖范围内地层主要以晚更新世(Q3)马兰黄土和中更新世(Q2)离石黄土为主.

2.1 试验相关参数

试验锚索相关参数及场地锚索锚固段主要穿越地层相关参数见表1、表2.

表1 地层参数Tab.1 Parameters of strata

表2 试验锚索基本参数Tab.2 Basic parameters of tested anchor cables

2.2 试验相关参数

锚索成孔采用ZGYX430液压潜孔钻车,干作业螺旋成孔,钻孔过程中应注意锚索角度、位置,并做好相应的地层、地下水及钻孔信息等施工记录.在现场平整地面上,将锚索导向帽、架立环、杆体材料和一、二次注浆管一次性组装完成,成孔后立即下放杆体.采用P·C32.5R水泥,注浆水灰比为0.5∶1,一次常压注浆采用孔底返浆,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(图4).

试验严格按照文献[18]中关于锚索基本试验的相关要求,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.

最终,试验锚索BC-*和DE-*在加载至第七循环试验荷载649 kN时(预估破坏荷载的110%),锚头位移基本稳定.由于锚索已达到预估破坏荷载,且试验锚索处于工程锚索位置,因此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 kN时(预估破坏荷载),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(648kN)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.这也说明在黄土地层条件下,拉力型锚索的破坏主要表现为注浆固结体和土体界面的脱粘,锚索随之发生渐近破坏.

3 试验数据分析

3.1 临界锚固段长度的分析

通过锚索基本试验,得到其极限承载力,并将锚索锚固段相关地层信息及锚索基本参数代入式(3,4)中,可以得到试验锚索理论剪应力及临界锚固段长度,见表3.从表3可以看出,当锚索锚固段位于马兰黄土和离石黄土地层中,理论计算得到锚索峰值剪应力位置位于锚固段起始6.8 m处,其临界锚固段长度Lc为14.5～14.9 m,不超过15 m.这区别于文献[2,7]中得到黄土地层条件下锚固长度6～8 m最为合理的结论.从试验锚索的极限承载力变化可以看出,锚索锚固段从15 m增长至18.5 m,锚索现场试验得到其承载力几乎没有变化,说明锚索存在临界锚固段长度.本地层条件下,理论计算的临界锚固段长度Lc是合理且基本准确的.

3.2 界面剪应力的分析

按照文献[18]中推荐的锚杆极限黏结强度标准值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,锚固段15 m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；锚固段18.5 m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.由于黄土本身土质较均匀、孔隙发育、结构疏松等特殊性,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拉力型锚索设计时,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[18]的基础上进行适当提高.本次得到在黄土IL=0.5～0.6,锚固段长度在临界锚固长度附近时提高系数为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已经超过了本黄土地层的临界锚固段长度,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[18]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Tab.3 Table of statistics of test data of anchor cables

3.3 试验的荷载-位移分析

图5为试验锚索BC-3在多循环荷载下的P-S曲线.从曲线可以看出,黄土地层拉力型锚索经过多级循环的张拉,其P-S曲线表现为与其他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.

由于土体自身的离散型,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-弹性位移Se-塑性位移Sp曲线(图6、图7),并对曲线进行拟合.

从图6的曲线变化规律来看,随着张拉荷载的增大,黄土地层中拉力型锚索荷载-位移累计曲线基本服从二次函数曲线.本次试验拟合式为：

P=-0.092S2+14.40S+64.39

(6)

图6和式(6)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,这与前面对拉力型锚索在黄土地层中的荷载传递机理分析是一致的.式(6)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6,图7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.试验得到线性拟合式(7),从数据的分布和式(7)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[18]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(8).锚索塑性位移随荷载的快速增长,充分验证了锚索锚固段工作状态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.式(7,8)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.

4 结论

通过理论推导和黄土基坑现场锚索基本试验,分析拉力型预应力锚索在黄土地层中的荷载传递变化规律,探讨锚索临界锚固段长度及剪应力取值,主要结论如下.

1) 在前人研究基础上,给出黄土地层中拉力型锚索的荷载传递单峰曲线.在弹性阶段随着荷载增加,峰值不断增大,但其位置不变.随着荷载继续增大,锚索进入弹塑性工作阶段,峰值剪应力向锚固段深处内移;继续增大荷载,峰值剪应力位置不再变化,锚固段前端形成塑性区.至极限破坏阶段,锚头位移不再收敛,锚索发生渐近破坏.

2) 提出黄土地区特定地层条件下,拉力型锚索临界锚固段长度的计算方法,分析各参数对临界锚固段的影响因素,并在锚索现场试验中得到验证.

3) 通过现场试验证明,黄土地层中当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[18]的基础上进行适当提高.本次得到在黄土IL=0.5～0.6,锚固段长度在临界锚固长度附近时提高系数为1.35.

4) 锚索在黄土地层条件下,通过干作业成孔等工艺后,固结体和土体黏结界面上实际最大黏结强度大于工程设计中选用的极限平均黏结强度,本次实测计算得到其增大系数可达1.35.

5) 通过试验锚索的荷载-位移曲线,充分说明黄土地层中拉力型锚索的不同受荷服役工况和荷载传递机理.对试验数据的拟合反映了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.

致谢：本文得到中国机械设备工程股份有限公司科技研发基金(CMEC-KJYF-2017-07)的资助,在此表示感谢.