拉力型錨索在黃土層中的荷載傳遞機理

王勇華, 王小勇, 張繼文

(機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司, 陜西 西安 710043)

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的進一步實施,在黃土地區(qū)相繼出現(xiàn)了大量的深大基坑、高陡邊坡.預應力錨索作為一種重要的巖土錨固支護技術,已在黃土地區(qū)被廣泛應用[1].預應力錨索能充分發(fā)揮巖土體的自承潛力,調(diào)節(jié)和提高巖土體的自身強度和自穩(wěn)能力,且施工快速、安全穩(wěn)定,對其推廣應用具有顯著的經(jīng)濟和社會效益[2].

對于拉力型預應力錨索的荷載傳遞及應用,已有諸多學者開展了相應的研究,并得到有益的結論[3-6].關于拉力型錨索在黃土地區(qū)的應用研究,于遠祥等[1,7-8]在前人理論研究成果基礎上,通過現(xiàn)場實測及系統(tǒng)分析,得知黃土地層條件下錨固長度在6～8 m最為合理,并推導了兩種錨固力計算公式.王振剛[9]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[10]研究得知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[11]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.

前人的研究成果已經(jīng)為黃土地區(qū)拉力型錨索的設計及施工提供了一定參考,但是,在孔隙發(fā)育、結構疏松的特殊性黃土地層,拉力型錨索的荷載傳遞變化機理及受荷服役情況是否與一般土層完全一致,工程錨索的設計參數(shù)如何合理選取,關于這方面的研究,目前并不統(tǒng)一.本次研究在前人研究成果的基礎上,進一步分析拉力型錨索在黃土地區(qū)的荷載傳遞機理,提出臨界錨固段長度計算公式.從工程現(xiàn)場出發(fā),對深基坑錨索進行基本試驗,對試驗數(shù)據(jù)進行一系列的對比、分析、擬合,驗證了理論分析的合理性,得到一些有益結論,完善并豐富了拉力型錨索在黃土地層中的設計理論及應用.

1 錨索荷載傳遞機理

預應力錨索結構存在3種介質(zhì)2個界面,即桿(索)體材料、注漿固結體、孔周巖土體和桿體與固結體黏結界面、固結體與巖土體黏結界面.黃土地層中,由于固結體的強度遠大于土體,拉力型錨索主要在固結體和巖土體黏結界面上發(fā)生破壞,或因土體的剪切破壞,故錨索錨固力由土體力學性質(zhì)控制[12].

1.1 彈性階段

拉力型錨索體系中,錨頭拉力P轉(zhuǎn)換為桿體軸力N,N通過桿體與固結體界面足夠的黏結強度將荷載傳至注漿固結體上,再通過固結體與土體界面將荷載以界面剪應力τ形式傳遞至孔周巖土體上.初期張拉荷載P較小,荷載以上述方式傳遞并平衡,整個錨索體系從介質(zhì)到界面可認為基本處于彈性階段.龍春安[6]根據(jù)荷載-位移互等定理,借助Kelvin彈性位移解,得到界面剪應力和軸力的解析表達式.

從圖1可以看出,界面剪應力在錨固段表現(xiàn)為單峰曲線分布模式,這與文獻[3]得到的高斯曲線模式及相應的現(xiàn)場試驗比較吻合.界面剪應力從錨固段起始位置迅速增大至峰值,然后向錨固段末端逐漸衰減.軸力在錨固段起始位置最大為張拉荷載,并在錨固段起始一定范圍內(nèi)迅速衰減,在錨固段后半段緩慢衰減.

從上述公式及曲線不難看出,在彈性階段,隨著張拉荷載的增大,拉力型錨索界面剪應力分布曲線形式不會發(fā)生改變,只是峰值剪應力隨之增大.同理,錨固段軸力分布形式亦是如此.

對式(1)取dτ/dz=0,并代入原式,即可得到彈性階段最大剪應力位置及峰值剪應力：

(3)

1.2 彈塑性階段

隨著張拉荷載的增大,峰值剪應力不斷增大,錨固段起始一定范圍內(nèi)軸力不斷增大,錨固段位移持續(xù)伸長.當峰值剪應力達到界面容許剪應力[τ],或者錨固段起始位置一定范圍固結體拉應變達到材料容許應變[ε]時,錨索彈性工作狀態(tài)被打破.此時錨固段起始一定范圍開始出現(xiàn)塑性區(qū),注漿固結體開始出現(xiàn)裂縫,并發(fā)生一定的體脹[6],在錨固段起始位置產(chǎn)生擠壓塑性區(qū),整個錨索進入彈塑性工作狀態(tài),錨固段發(fā)生應力重分布.主要表現(xiàn)形式為,彈性階段的峰值剪應力將向錨固段深處內(nèi)移,錨固段起始一定范圍內(nèi)固結體和土體界面開始發(fā)生錯動,界面由彈性階段的黏結應力轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄噪A段的摩擦力形式[13-14].此時界面剪應力分布曲線如圖3所示.

由于整個錨索還處于相對穩(wěn)定工作狀態(tài),此時發(fā)生應力重分布后,由圖3可以看出,峰值剪應力后移后,錨索末端剪應力有很小的增長,錨固段起始位置有一定的摩擦作用.此時錨索承載力削弱很少,甚至由于錨固段前段的摩擦作用,承載力會有小范圍提高(圖3曲線包絡面積即為錨索承載力).在錨索張拉試驗中,此時表現(xiàn)為隨著張拉荷載的增大,錨頭位移增長速率較上一階段有一定提高,P-S曲線斜率較彈性階段開始減小.

隨著張拉荷載的進一步增大,峰值剪應力已達到界面容許剪應力[τ],無法繼續(xù)增大.錨固段起始位置一定范圍注漿固結體由于過大的軸力,裂縫加大并擴展,呈現(xiàn)圓餅狀拉開[15].固結體繼續(xù)體脹并和孔周土體一起形成擠壓楔狀堆積,使得塑性區(qū)不斷擴大,形成新的擠壓滑移面.如果拉拔荷載進一步加大,錨固段起始位置的塑性區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槠扑?固結體碎屑脫落,并產(chǎn)生滑動的趨勢,出現(xiàn)顯著的體脹,對孔周土體產(chǎn)生較大的側(cè)向壓力.拉拔荷載越大,則側(cè)向壓力就越大.當孔周土體不能承受這么大的徑向壓力時,孔周一定范圍土體就開裂破壞.宏觀上表現(xiàn)為錨索承載力無法增大,錨頭位移快速增長.但總體上,錨索末端界面剪應力增長很少,至極限破壞階段,錨頭位移不再收斂,錨索發(fā)生漸近性破壞.

1.3 臨界錨固段長度

徐至鈞[16]明確提出臨界錨固段長度屬于某種具體地層的特定屬性.當錨索突破彈性工作狀態(tài)后,隨著荷載增加,盡管峰值剪應力后移,但錨固段末端應力增長非常有限,同時,從圖3包絡的面積可知,錨索進入彈塑性工作狀態(tài)后,其承載力的提高是有限的.說明拉力型錨索存在臨界錨固段長度,超過此長度后,增加錨固段長度對錨索極限承載力的貢獻十分有限,且在工程中是不經(jīng)濟的.

在預應力錨索工程試驗中,張拉前一般取0.1P～0.2P進行預緊,以保證工程錨索桿體完全平直,各部位接觸緊密[17].對于式(2),假定錨固段軸力衰減至0.1P位置(N=0.1P)時,對應的錨固段長度為臨界錨固段長度Lc,即

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此時,在0.1P位置處界面剪應力為

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2 試驗研究

現(xiàn)場試驗選擇西安某深基坑,基坑深度19.15 m,地下水位埋深約10 m,主要采用排樁加預應力錨索支護體系.勘察鉆孔揭露,基坑開挖范圍內(nèi)地層主要以晚更新世(Q3)馬蘭黃土和中更新世(Q2)離石黃土為主.

2.1 試驗相關參數(shù)

試驗錨索相關參數(shù)及場地錨索錨固段主要穿越地層相關參數(shù)見表1、表2.

表1 地層參數(shù)Tab.1 Parameters of strata

表2 試驗錨索基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of tested anchor cables

2.2 試驗相關參數(shù)

錨索成孔采用ZGYX430液壓潛孔鉆車,干作業(yè)螺旋成孔,鉆孔過程中應注意錨索角度、位置,并做好相應的地層、地下水及鉆孔信息等施工記錄.在現(xiàn)場平整地面上,將錨索導向帽、架立環(huán)、桿體材料和一、二次注漿管一次性組裝完成,成孔后立即下放桿體.采用P·C32.5R水泥,注漿水灰比為0.5∶1,一次常壓注漿采用孔底返漿,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(圖4).

試驗嚴格按照文獻[18]中關于錨索基本試驗的相關要求,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).

最終,試驗錨索BC-*和DE-*在加載至第七循環(huán)試驗荷載649 kN時(預估破壞荷載的110%),錨頭位移基本穩(wěn)定.由于錨索已達到預估破壞荷載,且試驗錨索處于工程錨索位置,因此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 kN時(預估破壞荷載),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(648kN)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.這也說明在黃土地層條件下,拉力型錨索的破壞主要表現(xiàn)為注漿固結體和土體界面的脫粘,錨索隨之發(fā)生漸近破壞.

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 臨界錨固段長度的分析

通過錨索基本試驗,得到其極限承載力,并將錨索錨固段相關地層信息及錨索基本參數(shù)代入式(3,4)中,可以得到試驗錨索理論剪應力及臨界錨固段長度,見表3.從表3可以看出,當錨索錨固段位于馬蘭黃土和離石黃土地層中,理論計算得到錨索峰值剪應力位置位于錨固段起始6.8 m處,其臨界錨固段長度Lc為14.5～14.9 m,不超過15 m.這區(qū)別于文獻[2,7]中得到黃土地層條件下錨固長度6～8 m最為合理的結論.從試驗錨索的極限承載力變化可以看出,錨索錨固段從15 m增長至18.5 m,錨索現(xiàn)場試驗得到其承載力幾乎沒有變化,說明錨索存在臨界錨固段長度.本地層條件下,理論計算的臨界錨固段長度Lc是合理且基本準確的.

3.2 界面剪應力的分析

按照文獻[18]中推薦的錨桿極限黏結強度標準值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,錨固段15 m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；錨固段18.5 m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.由于黃土本身土質(zhì)較均勻、孔隙發(fā)育、結構疏松等特殊性,從以上數(shù)據(jù)可以看出,在黃土地區(qū),當按照目前現(xiàn)行平均黏結強度理論進行拉力型錨索設計時,在錨固段長度設置合理時,對應的極限黏結強度標準值qsk可以在規(guī)范[18]的基礎上進行適當提高.本次得到在黃土IL=0.5～0.6,錨固段長度在臨界錨固長度附近時提高系數(shù)為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已經(jīng)超過了本黃土地層的臨界錨固段長度,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應力.規(guī)范[18]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Tab.3 Table of statistics of test data of anchor cables

3.3 試驗的荷載-位移分析

圖5為試驗錨索BC-3在多循環(huán)荷載下的P-S曲線.從曲線可以看出,黃土地層拉力型錨索經(jīng)過多級循環(huán)的張拉,其P-S曲線表現(xiàn)為與其他土層錨索共有的滯回環(huán).錨索每級荷載循環(huán)結束后,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.

由于土體自身的離散型,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-彈性位移Se-塑性位移Sp曲線(圖6、圖7),并對曲線進行擬合.

從圖6的曲線變化規(guī)律來看,隨著張拉荷載的增大,黃土地層中拉力型錨索荷載-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：

P=-0.092S2+14.40S+64.39

(6)

圖6和式(6)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,這與前面對拉力型錨索在黃土地層中的荷載傳遞機理分析是一致的.式(6)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6,圖7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.試驗得到線性擬合式(7),從數(shù)據(jù)的分布和式(7)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[18]目前給出的錨拉式支擋結構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(8).錨索塑性位移隨荷載的快速增長,充分驗證了錨索錨固段工作狀態(tài)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.式(7,8)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.

4 結論

通過理論推導和黃土基坑現(xiàn)場錨索基本試驗,分析拉力型預應力錨索在黃土地層中的荷載傳遞變化規(guī)律,探討錨索臨界錨固段長度及剪應力取值,主要結論如下.

1) 在前人研究基礎上,給出黃土地層中拉力型錨索的荷載傳遞單峰曲線.在彈性階段隨著荷載增加,峰值不斷增大,但其位置不變.隨著荷載繼續(xù)增大,錨索進入彈塑性工作階段,峰值剪應力向錨固段深處內(nèi)移;繼續(xù)增大荷載,峰值剪應力位置不再變化,錨固段前端形成塑性區(qū).至極限破壞階段,錨頭位移不再收斂,錨索發(fā)生漸近破壞.

2) 提出黃土地區(qū)特定地層條件下,拉力型錨索臨界錨固段長度的計算方法,分析各參數(shù)對臨界錨固段的影響因素,并在錨索現(xiàn)場試驗中得到驗證.

3) 通過現(xiàn)場試驗證明,黃土地層中當錨固段長度設置合理時,對應的極限黏結強度標準值qsk可以在規(guī)范[18]的基礎上進行適當提高.本次得到在黃土IL=0.5～0.6,錨固段長度在臨界錨固長度附近時提高系數(shù)為1.35.

4) 錨索在黃土地層條件下,通過干作業(yè)成孔等工藝后,固結體和土體黏結界面上實際最大黏結強度大于工程設計中選用的極限平均黏結強度,本次實測計算得到其增大系數(shù)可達1.35.

5) 通過試驗錨索的荷載-位移曲線,充分說明黃土地層中拉力型錨索的不同受荷服役工況和荷載傳遞機理.對試驗數(shù)據(jù)的擬合反映了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.

致謝：本文得到中國機械設備工程股份有限公司科技研發(fā)基金(CMEC-KJYF-2017-07)的資助,在此表示感謝.