黃土層中錨索預應力的影響因素分析

王振剛，陳文玲，李琦瑛

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077；2.長安大學地質工程與測繪學院，陜西西安710054）

黃土層中錨索預應力的影響因素分析

王振剛1，陳文玲2，李琦瑛1

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077；2.長安大學地質工程與測繪學院，陜西西安710054）

黃土層中影響錨索預應力的影響因素研究中，通過現(xiàn)場的具體試驗且較全面地分析計算各因素影響效果的研究資料較少。選取西安某黃土基坑為試驗場地，通過現(xiàn)場試驗并結合分析計算，探討了注漿體材料、注漿壓力、錨索孔徑大小、巖土體特性、補償張拉、大氣降水、鋼絞線松弛、錨具及夾片回彈這八個因素，對錨索預應力荷載大小的影響。試驗表明：注漿體材料、錨索孔徑大小與巖土體特性的內部因素及注漿壓力大小、補償張拉的外部因素是影響黃土層中錨索預應力荷載的主要因素；黃土層中錨索張拉鎖定后，預應力荷載損失較大，并且在張拉鎖定后一周內是預應力急劇減小階段。

黃土地層；錨索；預應力荷載；影響因素

預應力錨索加固技術由于其經(jīng)濟合理，安全可靠，對巖土體擾動小，施工快捷等優(yōu)點被廣泛應用于基坑支護、邊坡防治等加固工程中［1－3］。在完整硬質巖層中，錨索預應力大小主要取決于錨固介質對錨索的握裹力；而在軟巖、風化巖層中，則受注漿體與孔壁巖土體間的粘結力控制［1］。因此，黃土地層中錨索預應力大小主要受注漿體與孔壁土體間的粘結力大小的影響。關于錨固體與土層界面間的粘結強度的研究中，何思明等人研究得出注漿體與巖土體之間的粘結力大小與注漿材料強度存在一定關系［4］，郭漢與任愛武等人研究得出注漿體與巖土體間的粘結力大小取決于注漿體與孔壁土層接觸表面積及錨固段注漿體體積等［5－6］。

依據(jù)錨索預應力影響因素的特征，按照孔內與孔外分為內部因素與外部因素兩大類：注漿體材料、錨索孔徑大小、巖土體特性屬內部因素；注漿壓力、補償張拉、大氣降水、鋼絞線松弛、錨具及夾片回彈屬外部因素。

本文選定西安某正在施工的黃土層基坑作為試驗場地，通過現(xiàn)場試驗探討這些內、外部因素對錨索預應力荷載大小的影響，可為黃土層中錨索設計優(yōu)化提供一些指導。

1 試驗概況

1.1 試驗場地

試驗場地基坑深度為12 m，采用錨索加排樁的支護型式。排樁頂以下4m處設置一道25b槽鋼制作的腰梁，錨索位于排樁間并通過腰梁的支撐作用向排樁施加預應力。

試驗錨索位于黃土層（Q32eol），該黃土層呈黃褐色、可塑、含水率20%，孔隙發(fā)育，土質均勻，零星分布鈣質薄膜，偶見蝸牛殼。

1.2 試驗材料及設備

試驗錨索為拉力集中型錨索，試驗錨索自由段長度均為7m；采用MGJ－50型錨桿鉆機螺旋鉆成孔；孔徑均為φ130mm與φ150mm兩種孔徑類型；水泥均選用P·O42.5，砂子選用陜西渭河細砂；水泥漿水灰重量比為0.5∶1，水泥砂漿重量配合比為水∶水泥∶細砂＝0.5∶1∶1。

錨索張拉選用YDC－750穿心式千斤頂；選用抗拉強度標準值為1860 MPa、φ15.24 mm高強度低松弛鋼絞線制作錨索。在錨頭安裝HXL－300 kN型頻率應力計，用于鎖定錨索的預應力損失監(jiān)測，并采用振弦式頻率儀采集試驗數(shù)據(jù)。

1.3 試驗說明

為了獲得文中提到的錨索孔徑大小等六個因素對黃土層中錨索預應力荷載的影響，均采用相同的施工工藝，在注漿體強度齡期達到28 d時進行錨索張拉，錨索張拉均采用分級加荷張拉，張拉過程依據(jù)《筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ120－2012）相關條款的要求進行。預應力損失監(jiān)測周期為90 d，錨索鎖定后起前10 d內每天采集一次數(shù)據(jù)，10～20 d為每2 d采集一次數(shù)據(jù)，之后為每5 d采集一次數(shù)據(jù)。

2 預應力的影響因素分析

在不同的試驗條件下，通過錨索預應力張拉現(xiàn)場試驗，所得的張拉荷載與錨頭位移間變化曲線如圖1所示。

2.1 注漿體材料

本次試驗過程注漿材料選用錨索施工中常用的水泥漿與水泥砂漿這兩種注漿體材料進行對比試驗。試驗錨索錨固段長度均為11 m、錨索體均采用3束φ15.24 mm制作，注漿施工均采用0.5 MPa壓力，孔徑為φ130 mm。

圖1 錨索張拉荷載與錨頭位移變化圖

兩種注漿體材料各試驗二組，均進行極限承載力拉拔試驗。如圖1所示水泥漿注漿孔錨索極限預應力為170 kN、水泥砂漿注漿孔錨索極限預應力為210 kN的錨索張拉荷載與錨頭位移變化圖。

由圖1看出，黃土層中當錨索張拉力達到錨索極限預應力后，繼續(xù)增大張拉力錨頭位移不收斂，錨索發(fā)生了破壞；并且水泥砂漿注漿孔錨索極限預應力的平均值是水泥漿注漿孔平均值的1.14倍。黃土層中孔隙發(fā)育，注漿體與黃土層孔壁小厚度范圍土體形成一層粘土水泥漿混合體，混合體膠結密實、膠結體強度越高，錨索張拉過程中注漿體與土層間粘結力強度就越高。當水泥漿液中添加細砂，形成的粘土水泥砂漿混合體將黃土孔隙充填密實且提高了與黃土體的膠結強度，進而增加了注漿體與孔壁之間的粘結力。因此，黃土層中為提高錨索預應力，選用水泥砂漿比選用水泥漿注漿材料效果更好。

2.2 注漿壓力

注漿壓力試驗中，采用相同施工工藝、相同的錨索體單元及相同配合比的水泥砂漿注漿材料，二次劈裂注漿采用水∶水泥配合比為1∶1，錨索孔經(jīng)均為φ130 mm。試驗錨索僅改變注漿壓力，常壓注漿與二次劈裂注漿壓力分別為0.5MPa、2MPa，二次劈裂注漿壓力下進行了兩組錨索極限拉拔試驗。二次劈裂注漿施工的錨索極限拉拔力為250 kN、260 kN，如圖1所示的極限承載力為260 kN的錨索張拉荷載與錨頭位移變化圖。

由圖1可看出，當錨索張拉力達到抗拔極限承載力260 kN時，繼續(xù)增大張拉力錨頭位移不收斂，錨索發(fā)生了破壞。通過與前“2.1注漿體材料”中獲得常壓注漿錨索極限預應力對比，二次劈裂注漿施工工藝所得的錨索極限預應力，在常壓注漿孔所得的承載力基礎上提高了近24%。

劈裂注漿壓力作用下，將注漿材料擴散到孔壁土層更遠的深度，將松散土體緊密地膠結在一起，水泥砂漿與土層形成的混合體更加密實飽滿，有效地改善了擴散范圍內土體的力學特性，擴大了注漿體與孔壁土體接觸的表面積及錨固段注漿體的作用范圍。劈裂注漿增大了孔內注漿體粘結力的作用范圍，對提高錨索極限預應力起到了積極的效應。因此，黃土層中二次劈裂注漿可有效提高錨索預應力荷載。

2.3 錨索孔孔徑

試驗孔選用φ130 mm、φ150 mm兩種孔徑，采用相同施工工藝，注漿材料選用水泥砂漿，常壓注漿施工。φ130 mm、φ150 mm孔錨索錨固段長度分別為11 m、8m。

通過錨索極限拉拔試驗后，所得φ150 mm孔徑試驗錨索極限拉拔力為240 kN，如圖1中所示的曲線圖。

由圖1可以看出，當錨索張拉力達到240 kN后繼續(xù)增大張拉荷載時，錨頭位移不收斂，因此試驗錨索極限預應力為240 kN。并且錨索孔徑由φ130 mm增大至φ150 mm時，錨索極限預應力由210 kN增大至240 kN。增大錨索孔孔徑即增大了注漿體與孔壁土體粘結表面積，提高了注漿體與孔壁土體之間的粘結力，進而提高了錨索預應力。

2.4 巖土體特性

由試驗場地勘察報告知，黃土層孔隙發(fā)育、可塑狀態(tài)、含水率20%、取土樣室內試驗后所得的壓縮系數(shù)a1－2均值為0.40 MPa－1，屬中等壓縮性土，濕陷等級為Ⅱ級中等濕陷性。

拉力型錨索錨固力在錨固起始段一定長度范圍內較集中，并呈負指數(shù)函數(shù)型分布［7－8］。因此在預應力集中區(qū)段，錨索孔壁土體承受的由錨索張拉應力產(chǎn)生的土體側向壓力較大，在壓縮性較大的土層中，土體將發(fā)生較大的壓縮變形；并且黃土土層具有Ⅱ級中等濕陷性，注漿體灌入錨索孔內時，注漿體中的水份通過土體孔隙入滲到孔壁土體中，將破壞注漿體與孔壁土體結合形成膠結體的膠結強度，在側向壓力作用下必然加大土體的壓縮變形量；側向壓力繼續(xù)增大時，使錨索孔壁一定深度范圍內的土體由彈性變形逐漸轉變?yōu)樗苄宰冃危瑝嚎s變形量逐漸增大。

因此，黃土地層中孔壁土體的壓縮變形是影響錨索預應力荷載大小的一個重要因素。這在后文中關于預應力損失監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線中也可看出。

2.5 補償張拉

本次試驗還進行了隨時間推移錨索預應力變化的監(jiān)測工作，錨頭處鎖定預應力荷載為100 kN，如圖2所示。

圖2 錨索預應力損失監(jiān)測

從預應力損失監(jiān)測曲線圖2可以看出，黃土地層中錨索預應力損失量比巖石地層中偏大［6，9］。而且張拉鎖定當日預應力急劇減小值較大；在錨索張拉鎖定后的1周內，預應力出現(xiàn)了急劇減小，隨后錨索預應力呈現(xiàn)了波動調整變化直至預應力穩(wěn)定減小的特征；張拉鎖定后一周內，預應力由初始鎖定的100 kN減小至89.94 kN；至整個監(jiān)測周期末，預應力荷載減小至86.10 kN；張拉鎖定后一周內，預應力損失值占監(jiān)測周期中總的預應力損失值的72.4%，監(jiān)測周期內預應力損失量達到初始鎖定預應力荷載值的13.9%。

張拉鎖定后一周內，預應力急劇減小主要是由于孔壁土體的壓縮變形及錨具夾片楔緊收縮變形等主要因素影響；預應力的波動調整變化主要是受土層溫度變化及降水影響；預應力平穩(wěn)減小主要是受黃土層土體有彈性變形向塑性變形的轉變，進入蠕變變形階段的影響。

因此，錨索設計與施工中應強調在錨索張拉鎖定后一周內補償張拉的措施，可有效控制預應力的損失，這一時期也是預應力損失控制的關鍵時期。尤其是在一些基坑垮塌、滑坡支擋等臨時支護防治的搶險工程中，錨索張拉鎖定后及時進行補償張拉尤為重要。

2.6 地表水及降水

當?shù)乇硭敖邓霛B對錨索所在黃土層含水率引起較大變化時，黃土層會發(fā)生自重濕陷破壞，當這種破壞發(fā)生在注漿體周圍孔壁土體中，將破壞孔壁土體結構進而破壞了注漿體與孔壁土層間形成的膠結強度，膠結強度減小引起粘結力下降，錨索預應力也將隨之降低。當黃土層含水率變化較小時，對錨索預應力損失影響很小。預應力損失監(jiān)測過程中，2011年8月20日至2011年9月10期間，雖然經(jīng)歷了三次降水，每次降水總降雨量分別為65 mm、95 mm、81 mm，但是地表積水通過設置的排水溝槽及時排除。經(jīng)過對降水前后預應力荷載變化分析，錨索預應力荷載的減小還不足預應力總損失量的1%，大氣降水僅引起了預應力荷載的調整變化。

2.7 鋼絞線松弛

試驗過程中選用的鋼絞線彈性模量為 Ey＝195 GPa。錨索體由三束鋼絞線組成，截面積為 S＝420 mm2，其破斷荷載為1 860 MPa。鋼絞線在長期荷載作用下產(chǎn)生應力松弛，一般都采用1 000 h的松弛率，它與鋼絞線所受的應力水平有關。據(jù)有關資料［11－12］，70%破斷荷載時低松弛鋼絞線1 000 h應力損失為2.5%，在60%破斷荷載時為1%，在50%破斷荷載時可忽略不計。試驗錨索最大拉力為270 kN，為破斷荷載的34.6%（小于50%破斷荷載），鋼絞線松弛對預應力損失影響可忽略不計。

2.8 錨具夾片回彈

錨具、夾片引起的預應力損失可由以下公式計算［10］：

式中：ΔL為錨具、夾片的變形回縮值（可按照廠家提供資料取值）；L為錨索自由段長度；Ey為鋼絞線的彈性模量；A為鋼絞線的截面積。

試驗選用的鋼絞線采用3束制作，自由段長度為7m，錨索預應力鎖定值為120 kN時，錨具夾片回彈值為0.2 mm（廠家提供數(shù)值）。依據(jù)公式計算得錨具、夾片引起的錨索預應力損失約為2.34 kN，不足設計值的2%。因此，黃土層中錨索錨具、夾片回彈變形對預應力荷載影響很小。

3 結 論

（1）黃土地層中，錨索錨固力主要由錨索孔內注漿體與孔壁土間產(chǎn)生的粘結力提供。采用水泥砂漿注漿材料，常壓注漿與二次劈裂注漿所得的錨索極限預應力分別為210 kN、260 kN。

（2）注漿體材料、錨索孔徑、巖土體特性內部因素及注漿壓力、補償張拉的外部因素是影響錨索極限預應力荷載大小的主要因素；由于預應力極限荷載較小，鋼絞線松弛、錨具與夾片回彈等因素的影響可忽略不計。

（3）適當增大錨索孔徑、采用二次劈裂注漿施工工藝且同時減小錨固段長度，能顯著地提高黃土層中錨索極限預應力荷載。由文中2.3錨索孔孔徑分析，得知增加錨固段長度對提高錨索預應力荷載意義不大。

（4）黃土層中錨索預應力損失呈現(xiàn)明顯的階段特征：急劇減小階段、調整變化階段、穩(wěn)定減小階段；監(jiān)測周期內預應力損失荷載較大，張拉鎖定后的一周內是預應力急劇減小階段，該階段預應力損失值占監(jiān)測周期內總預應力損失值的80%左右。施工中宜選擇在此期間進行預應力的補償張拉工作，確保達到預應力設計中鎖定荷載的要求。

［1］ 程良奎，范景倫，韓 軍，等.巖土錨固［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［2］ 朱晗迓，尚岳全，陸錫銘，等.錨索預應力長期損失與坡體蠕變耦合分析［J］.巖土工程學報，2005，27（4）：464-467.

［3］ 陳發(fā)達.巖土工程中的預應力錨索設計［J］.路基工程，2005，（3）：36-39.

［4］ 何思明，王全才.預應力錨索作用機理研究中的幾個問題［J］.地下空間與工程學報，2006，2（1）：160-165.

［5］ 郭 漢，詹錦泉，徐素健.錨桿劈裂注漿試驗研究［J］.煤炭學報，1999，24（5）：470-476.

［6］ 任愛武，汪彥樞，王玉杰，等.拉力集中全長黏結型錨索長期耐久性研究［J］.巖石力學與工程學報，2011，30（3）：493-499.

［7］ 景 鋒，成傳歡，余美萬，等.錨索內錨段荷載分布與及其隨時間變化規(guī)律［J］.長江科學院院報，2011，28（5）：50-54.

［8］ 于遠洋，谷拴成，吳 璋，等.黃土地層中預應力錨索錨固力試驗與分析［J］.解放軍理工大學學報（自然科學版），2010，10（5）：522-527.

［9］ 陶明星，曹國福，和再良.巖石邊坡預應力錨索錨固力的試驗研究［J］.水電站設計，2010，26（1）：76-79.

［10］ 中華人民共和國交通部.JTG D62-2004.公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［11］ 韓 光，朱訓國，王大國.錨索預應力損失的影響因素分析及其補償措施［J］.遼寧工程技術大學學報，2008，27（2）：176-179.

［12］ 徐 俊，洪寶寧.邊坡錨索預應力監(jiān)控及其穩(wěn)定性分析［J］.水利與建筑工程學報，2013，11（3）：59-62.

Analysis of Affecting Factors on Anchor Cable’s Capacity in Loess Layer

WANG Zhen-gang1，CHENWen-ling2，LIQi-ying1
（1.Xi’an Research Institute Co.，Ltd.of China Coal Technology＆Engineering Group，Xi’an，Shaanxi710077，China；2.College of Geologic Engineering and Surveying-mapping，Chang’an University，Xi’an，Shaanxi 710054，China）

In the experiment and analysis，the influencing factors of the anchor cable’s capacity in loess layer have not been discussed fully.Here，selecting a loess foundation pit in Xi’an asa test site，some important factors as the grouting materials，grouting pressure，cable aperture size，characteristics of rock and soil，compensating tensioning，atmospheric precipitation，steel strand relaxation，anchorage and clip contraction Influencing the cable’s capacity in loess layer are discussed in detail through the theoretical analysis and calculation.The experiments show that the internal factors of the groutingmaterial，cable size and rock-soil characteristics aswell as the external factors of the grouting pressure and compensating tensioning aremain factors affecting the cable’s capacity in loess layer.The anchor cable’s capacity are lost more greatly when the anchor tensioning is locked down，especially within oneweek.

loess layer；anchor cable；anchor capacity；influencing factor

TU444

A

1672—1144（2014）01—0030—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.007

2013-08-10

2013-09-07

中煤科工集團西安研究院技術創(chuàng)新項目（2011XAYCX026）

王振剛（1980—），男，陜西府谷人，工程師，主要從事地質災害研究與防治方面的工作。