孫 濤，楊俊杰，安慶軍，吳 剛

（1.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266100；2.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100；3.青島市勘察測繪研究院，山東青島266032）

土層抗浮錨桿承載力關(guān)鍵影響因素現(xiàn)場試驗(yàn)研究＊

孫 濤1，2，3，楊俊杰1，2，安慶軍3，吳 剛3

（1.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266100；2.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100；3.青島市勘察測繪研究院，山東青島266032）

工程實(shí)踐及理論研究均表明，錨土界面特性和錨桿的幾何形狀是影響抗浮錨桿承載力的2個(gè)關(guān)鍵因素。采用不同的施工工藝進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)施工，得到了具有不同錨土界面特性和錨桿幾何形狀的抗浮錨桿。通過現(xiàn)場錨桿抗拔試驗(yàn)得到錨桿的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及極限抗拔承載力。研究結(jié)果表明，改善錨土界面特性和采用變截面的錨固體可顯著提高錨桿的抗拔承載力。同時(shí)，提出了1種經(jīng)濟(jì)高效的抗浮錨桿施工工法。

抗浮錨桿；承載力；界面特性；幾何形狀；現(xiàn)場試驗(yàn)

抗浮錨桿或抗浮樁作為1項(xiàng)經(jīng)濟(jì)、合理的抗浮措施在抗浮工程中被廣泛采用。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)抗浮錨桿（樁）展開了大量的研究工作。如賈金青等［1］和馬占鋒［2］結(jié)合工程實(shí)例分別對(duì)抗浮錨桿的設(shè)計(jì)問題、拉力型抗浮錨桿的位移和內(nèi)力進(jìn)行了研究；曾國機(jī)［3］深入探討了沿海軟土地區(qū)抗浮錨桿的受力機(jī)理。

位于土層中的抗浮錨桿（樁）主要通過錨桿（樁）的自重及其側(cè)阻力提供抗拔力。對(duì)于等截面錨桿（樁），側(cè)阻力即為側(cè)摩阻力；對(duì)于變截面錨桿（樁），側(cè)阻力包括側(cè)摩阻力和變截面帶來的端承力。

錨（樁）土界面特性是影響側(cè)摩阻力的關(guān)鍵因素。樁側(cè)后壓漿技術(shù)［4－5］即為改善錨桿（樁）土界面特性的典型研究成果之一。但是，目前實(shí)際工程中，泥漿護(hù)壁施工工藝仍被大量使用，影響了抗浮錨桿（樁）承載力的發(fā)揮。例如，青島某海水浴場土層抗浮錨桿工程中長達(dá)12 m的泥漿護(hù)壁工藝錨桿極限抗拔承載力僅為50～60 k N；某航站樓工程中的泥漿護(hù)壁工藝抗拔樁承載力約等于其自重。

變截面錨桿（樁）則是根據(jù)需要在錨桿（樁）身不同位置擴(kuò)大橫斷面，形成橫斷面沿錨桿（樁）長度方向變化的特型錨桿（樁）。變截面錨桿（樁）可通過較短的長度獲得較大的側(cè)阻力，可有效提高抗壓或抗拔承載力［6］。近年來發(fā)展起來的釘形樁［7］、擠擴(kuò)支盤樁［8－9］和高噴插芯組合樁［10］就是其典型代表。

孫濤等［6］提出的可變截面勁性水泥土樁工法，不僅解決了泥皮效應(yīng)問題，而且可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)變截面錨桿（樁）。該工法在青島某高層公寓抗浮錨桿工程中成功應(yīng)用并取得了良好效果。本文介紹了利用可變截面勁性水泥土樁工法進(jìn)行錨桿施工的情況，并實(shí)施了抗拔承載力試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果研究了錨土界面特性及變截面對(duì)抗拔承載力的影響。

1 抗浮錨桿現(xiàn)場試驗(yàn)

以下介紹在青島某高層公寓地下室抗浮工程施工現(xiàn)場進(jìn)行的錨桿抗拔承載力試驗(yàn)概況。

1.1 現(xiàn)場工程地質(zhì)條件

錨桿錨固在第9層（青島市標(biāo)準(zhǔn)層序）細(xì)粒土質(zhì)粗礫砂中。該層褐黃色，飽和，中密～密實(shí)，顆粒成份以長石、石英為主，級(jí)配良，顆粒磨圓度中等，呈次棱角狀，含有10%～20%細(xì)粒土，局部相變?yōu)榉奂?xì)砂。地基承載力特征值fak＝300 kPa，變形模量E0＝25.0 MPa，內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值Φk水上為37（°），水下為32（°），標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)平均值為31.2，重型動(dòng)力觸探擊數(shù)平均值為13.61。

1.2 變截面工藝性試驗(yàn)

圖1 從地基中開挖出來的錨桿Fig.1 Achor digging out of subgrade

為了驗(yàn)證新工法在該場地的變截面控制效果，在正式試驗(yàn)之前進(jìn)行了變截面工藝性試驗(yàn)。圖1為從地基中開挖出來的錨桿，中間部分直徑約為200 mm，上下2部分采用該工法進(jìn)行了變截面，錨桿直徑由200 mm擴(kuò)大到了300 mm以上，變截面控制效果良好。

1.3 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

基于變截面工藝性試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)了3組（每組3個(gè)平行樣）現(xiàn)場足尺錨桿基本試驗(yàn)，如表1所示。

A、B組錨桿配筋為2根Ⅲ級(jí)32鋼筋，C組錨桿配筋為3根Ⅲ級(jí)32鋼筋。試驗(yàn)錨桿縱橫間距大于2 000 mm，為變截面部位直徑的6倍以上，可以認(rèn)為能夠避免抗拔試驗(yàn)對(duì)相鄰錨桿的影響。注漿采用純水泥漿，水泥為普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度為42.5 MPa。

A組采用傳統(tǒng)泥漿護(hù)壁工藝，錨桿設(shè)計(jì)長度為5 000 mm；B、C組采用新工法，為更好地說明抗拔效果，錨桿設(shè)計(jì)長度較A組短1 000 mm，均為4 000 mm。與A組相比，B組的錨土界面特性得到改善，C組則在改善錨土界面特性的基礎(chǔ)上采用變截面施工工藝改變了錨固體的幾何形狀。

表1 現(xiàn)場試驗(yàn)方案Table 1 Anti－floating anchors design parameters of different construction technologies

錨桿施工是在基坑開挖及墊層施工結(jié)束后進(jìn)行的。圖2和圖3分別是A組和B、C組的錨桿施工場景。

圖2 A組錨桿施工實(shí)景Fig.2 Detail drawing of A group anchors

圖3 B、C組錨桿施工實(shí)景Fig.3 Detail drawing of B and C group anchors

1.4 試驗(yàn)實(shí)施

錨桿施工完成28 d后，進(jìn)行了現(xiàn)場抗拔試驗(yàn)。加載裝置使用2臺(tái)規(guī)格、型號(hào)完全相同的500 k N油壓千斤頂，采用天然地基提供支座反力。荷載測量采用量程為500 k N壓力傳感器，位移測量使用機(jī)械式百分表。傳力機(jī)構(gòu)由特制鋼橫梁制成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為JCQ－302靜力載荷測試儀。試驗(yàn)裝置如圖4所示，試驗(yàn)參照CECS22：2005［11］進(jìn)行，采用分級(jí)循環(huán)加荷。

圖4 錨桿抗拔試驗(yàn)裝置Fig.4 Test system of the anchor uplift test

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 錨土界面特性及變截面對(duì)荷載－位移的影響

試驗(yàn)得到的部分荷載－位移曲線如圖5，6，7所示。圖5和圖6分別為采用傳統(tǒng)泥漿護(hù)壁工藝和采用新工法改善了界面特性的等截面錨桿的抗拔試驗(yàn)結(jié)果。界面特性的改善對(duì)極限承載力的影響極其顯著，但是，在荷載水平較低時(shí)，對(duì)荷載－位移的影響并不顯著。圖7為在改善錨土界面特性的基礎(chǔ)上采用了變截面工藝施工的錨桿的荷載－位移曲線。由于變截面提高了側(cè)阻力，與上述2種情況（見圖5，6）相比不僅極限承載力大大提高，而且相同荷載對(duì)應(yīng)的位移顯著減小。即使在荷載水平較低的情況下，如第2個(gè)循環(huán)256 k N荷載對(duì)應(yīng)的位移只有1.46 mm，與A2、B2（見圖5，6）相比分別減小了34%、54%。為便于比較，圖8給出了A2、B2、C2的每個(gè)循環(huán)最大荷載與其位移的關(guān)系曲線。由圖8可以清楚地看出，荷載相同時(shí)，C2的位移遠(yuǎn)小于A2、B2。

圖5 錨桿A2荷載－位移曲線Fig.5 Load－disgracement graph of anchor A2

基于上述荷載－位移曲線，得到荷載與彈性位移及荷載與塑性位移的關(guān)系曲線如圖9所示。由圖9可知，單純改善界面特性對(duì)彈性位移和塑性位移的影響不顯著；但是，變截面的采用可以同時(shí)減小彈性位移和塑性位移。

圖6 錨桿B2荷載－位移曲線Fig.6 Load－disgracement graph of anchor B2

圖7 錨桿C2荷載－位移曲線Fig.7 Load－disgracement graph of anchor C2

圖8 錨桿A2、B2、C2荷載－位移曲線Fig.8 Load－displacement graph of anchor A2、B2、C2

圖9 錨桿A2、B2、C2荷載－彈塑性位移曲線Fig.9 Load－elastic and plastic displacement graph of anchor A2、B2、C2

2.2 錨土界面特性及變截面對(duì)抗拔承載力的影響

基于試驗(yàn)得到的荷載－位移曲線（見圖5、6、7）及巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程CECS22：2005所提供的破壞判別標(biāo)準(zhǔn)，得到抗拔承載力極限值及其黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值等試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中，黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為錨桿的單位側(cè)表面積的抗拔承載力極限值，在一定程度上反映了單位承載力的成本。由表2可知，改善錨土界面特性和采用變截面工藝改變幾何形狀均可顯著提高錨桿的抗拔承載力。這是因?yàn)楦纳棋^土界面特性提高了錨桿的側(cè)摩阻力；采用變截面工藝增加了端承力。改善錨土界面特性和采用變截面工藝后，錨桿黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別提高至傳統(tǒng)泥漿護(hù)壁工藝的2.5倍和4倍（折算值），而實(shí)際單位造價(jià)僅分別增加約20%和30%，預(yù)計(jì)總造價(jià)降低50%以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。此外，采用可變截面勁性水泥土樁工法進(jìn)行施工，施工效率可提高至傳統(tǒng)泥漿護(hù)壁工藝的10～20倍。

表2 抗浮錨桿基本試驗(yàn)成果表Table 2 Basic－test results of anti－floating anchors

3 結(jié)論

利用可變截面勁性水泥土樁工法進(jìn)行現(xiàn)場錨桿施工，并實(shí)施了抗拔承載力試驗(yàn)。得到如下結(jié)論：

（1）錨土界面特性的改善對(duì)極限承載力的影響極其顯著，但是，在荷載水平較低時(shí)，對(duì)荷載－位移的影響并不明顯。

（2）采用變截面工藝大大提高了側(cè)阻力，與傳統(tǒng)泥漿護(hù)壁工藝和單純改善錨土界面特性工藝相比，不僅有效提高了極限承載力，而且相同荷載對(duì)應(yīng)的位移顯著減小。

（3）在荷載水平較低時(shí)，單純改善界面特性對(duì)彈性位移和塑性位移的影響不顯著；但是，即使在荷載水平較低時(shí)，變截面的采用也可以同時(shí)減小彈性位移和塑性位移。

（4）改善錨土界面特性和采用變截面工藝均可顯著提高錨桿的黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。與傳統(tǒng)泥漿護(hù)壁工藝相比，改善錨土界面特性后錨桿黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值提高至3倍以上，采用變截面工藝后提高至3.5倍以上（折算值），而實(shí)際單位造價(jià)僅分別增加約20%和30%，預(yù)計(jì)總造價(jià)降低50%以上。采用可變截面勁性水泥土樁工法及其施工設(shè)備進(jìn)行施工，施工效率可提高至傳統(tǒng)泥漿護(hù)壁工藝的10～20倍。

［1］ 賈金青，宋二祥.濱海大型地下工程抗浮錨桿的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24（6）：769－771.

［2］ 馬占鋒.拉力型抗浮錨桿的現(xiàn)場測試與數(shù)值分析［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2008.

［3］ 曾國機(jī).土層抗浮錨桿受力機(jī)理研究分析［D］.重慶：重慶大學(xué)，2004.

［4］ 劉金礪，祝經(jīng)成.泥漿護(hù)壁灌注樁后注漿技術(shù)及其應(yīng)用［J］.建筑科學(xué)，1996（2）：13－18.

［5］ 周水，鄭俊杰.樁側(cè)后壓漿技術(shù)成功處理軟土的工程實(shí)踐［J］.巖土力學(xué)，2002：99－102.

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［7］ 劉松玉，朱志鐸，席培勝，等.釘形攪拌樁與常規(guī)攪拌樁加固軟土地基的對(duì)比研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009（7）：1059－1068.

［8］ 張忠苗，辛公鋒，夏唐代，等.軟土地基灌注樁、擠擴(kuò)支盤樁和注漿樁應(yīng)用效果分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2004（5）：709－711.

［9］ 錢德玲.擠擴(kuò)支盤樁的荷載傳遞規(guī)律及FEM模擬研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2002（3）：371－375.

［10］ 鄭浩，劉漢龍，雷玉華，等.高噴插芯組合樁水平承載特性大尺寸模型試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2011（1）：217－223.

［11］ 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS 22：2005巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2005.

Study on Key Factors to Affect the Bearing Capacity of Soil Anti－Floating Anchors by Field Tests

SUN Tao1，2，3，YANG Jun－Jie1，2，AN Qing－Jun3，WU Gang3
（1.The Key Laboratory of Marine Environment and Ecology，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；3.Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao 266032，China）

Engineering practice and theoretical studies show that anchor－soil interface characteristics and geometric shapes are two key factors to affect the bearing capacity of soil anti－floating anchors.Carrying out the field tests construction with different construction technology，we can get anti－floating anchors with different characteristics and Geometric shapes.By the on－site pullout test of anchors，the data about the relationship of the stress－strain and the ultimate pullout capacity are got.The results showed that improving the anchor－soil interface properties and the use of variable cross－section technology could also significantly enhance the pullout capacity of anchors.At the same time，an economic－effective construction method about anti－floating anchors was proposed.

anti－floating anchor；bearing capacity；interface characteristics；geometric shapes；field tests

TU411.93

A

1672－5174（2011）11－018－05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50779062）資助

2011－03－07；

2011－04－18

孫 濤（1972－），男，博士生。E－mail：sunystao＠qq.com

責(zé)任編輯 龐 旻