趙 亮

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100043)

1 引言

錨索已有100多年的使用歷史，在20世紀(jì)30年代得到了大規(guī)模使用。1934年，阿爾及利亞Shelfa大壩使用預(yù)應(yīng)力錨索來控制巖石和土體的變形[1]。1964年我國在安徽首次成功用于加固水庫壩基[2]?；阱^索具有工藝簡單、施工速度快、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于邊坡工程[3-4]。近年來基坑工程深度不斷增加，預(yù)應(yīng)力錨索配合排樁、地連墻等構(gòu)件廣泛應(yīng)用于深基坑工程[5-7]。為了不形成地下障礙物，各種形式的可回收錨索被引入工程，以壓力型為主，回收采用熱熔、機(jī)械等方式。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果[8]，錨索長度達(dá)到一定數(shù)值后，錨索的錨固力并不會增加，即存在一個極限錨固長度，因此也有做成擴(kuò)大頭以提高承載力的案例[9-11]。

我國各地地層差異較大，因此依賴地層提供錨固力的錨索應(yīng)用會對試驗(yàn)測試特別重視，《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》和《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中均對錨索承載力應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定做了相關(guān)規(guī)定。黃明華[12]等通過理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)研究了地層中錨固位置對錨索受力的影響，并給出了錨固界面與錨索受力的非線性特征。于連山[13]在贛州西站通過劈裂注漿技術(shù)提高了錨索承載力，取得了較好效果。但是我國各地區(qū)地質(zhì)條件差異較大，應(yīng)針對每個地區(qū)專門進(jìn)行試驗(yàn)及分析。

2 工程條件

擬建工程位于合肥市濱湖新區(qū)，基坑面積約20 000 m2，深度22 m，周邊場地開闊，具備施工錨索條件。基坑開挖土層為人工填土、粘性土、粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖等，基坑開挖范圍內(nèi)未見地下水。

本工程錨索主要應(yīng)用地層為黏土層，因此，基本試驗(yàn)也在此地層進(jìn)行。根據(jù)地勘報(bào)告描述：黏土，褐黃、黃褐色，含氧化鐵，硬塑～堅(jiān)硬，具有膨脹性，切面光滑有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高，無搖振反應(yīng)。

本基坑采用樁錨支護(hù)，灌注樁直徑為1.0 m，間距1.6 m。主要剖面設(shè)置6道錨索，長度18～26 m不等。主要支護(hù)剖面如圖1所示。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面(單位：mm)

支護(hù)設(shè)計(jì)單位取錨索抗拔力10 kN/m，單根錨索抗拔力約200 kN，對比規(guī)范取值偏差較大。為了更好地確定錨索抗拔力，做到設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)合理，現(xiàn)場各方確定進(jìn)行錨索抗拔力試驗(yàn)。

3 抗拔試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選擇錨索主要穿越的粘性土層，在自然地面預(yù)先向下開挖4.5 m深度，滿足錨索之上覆土深度不小于4 m，以測得實(shí)際工作錨固力。試驗(yàn)坑位置位于基坑中部，不影響后期支護(hù)樁施工。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的錨索為普通拉力型，因此試驗(yàn)錨索也采用普通拉力型，長度選取與工程錨索長度相近，分為21 m和25 m兩種。其中3根錨索長度為21 m，其余3根錨索長度為25 m，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 錨索設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 錨索施工工藝

預(yù)應(yīng)力錨索成孔采用螺旋型錨桿鉆機(jī)，成孔直徑150 mm，深度超過設(shè)計(jì)深度0.5 m。成孔后下放鋼絞線，鋼絞線采用支架綁扎成籠，自由段刷黃油并用波紋管包扎。采用混凝土腰梁，高800 mm、寬800 mm，配置12根直徑20 mm的主筋，箍筋直徑8 mm，間距200 mm，澆筑 C30混凝土。錨索完成后照片見圖2。

圖2 錨索施工完成現(xiàn)場

3.3 張拉測試方案

本次試驗(yàn)采用合肥市某廠生產(chǎn)的千斤頂，型號YGQ1000，校準(zhǔn)方程y=0.016 19+0.052 374x，其中，x為千斤頂拉力(kN)；y為油表讀數(shù)(MPa)。該千斤頂可施加最大力(量程)為1 000 kN。測量錨索位移量采用游標(biāo)卡尺，測量墻體位移采用電子千分表。

本次試驗(yàn)采用循環(huán)加載法。待錨桿水泥漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度、腰梁強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后，開始預(yù)應(yīng)力錨索試驗(yàn)。安裝千斤頂與千分表需注意，千分表及千斤頂?shù)妮S線需與錨索方向?qū)R，減少因角度偏差所引起的誤差。安裝形式見圖3。

圖3 現(xiàn)場錨索試驗(yàn)

1～3號錨索加載分級見表2，4～6號錨索加載分級見表3。分級荷載加載完成后，進(jìn)行破壞張拉。

每加一級荷載，需在此荷載水平穩(wěn)定一段時間。當(dāng)錨頭位移增量不大于0.1 mm時，可施加下一級荷載；否則應(yīng)延長觀測時間，并應(yīng)每間隔30 min測讀錨頭位移1次，當(dāng)連續(xù)兩次出現(xiàn)1 h內(nèi)的錨頭位移增量小于0.1 mm時，可施加下一級荷載。

表2 1～3號錨索分級加載值及觀測時間

表3 4～6號錨索分級加載值及觀測時間

當(dāng)錨索位移不斷增大且不收斂，并在規(guī)定時間也不滿足穩(wěn)定判別指標(biāo)，或者從第二級加載開始，每增加一級荷載，后一級增加的荷載出現(xiàn)的位移增量是該級荷載對比前一級荷載位移增量的5倍以上，錨固力位移曲線出現(xiàn)了拐點(diǎn)，或者錨索桿體破壞，出現(xiàn)上述三個條件之一，可終止試驗(yàn)。

當(dāng)錨索在試驗(yàn)時出現(xiàn)了終止試驗(yàn)的條件，應(yīng)取終止加載的前一級荷載值；若試驗(yàn)結(jié)束后仍未出現(xiàn)終止試驗(yàn)的條件，取最大荷載值。

進(jìn)行拉拔試驗(yàn)的錨索，當(dāng)極限承載力與其平均值的差不超過平均承載力的30%，可取平均值；當(dāng)超過30%時，應(yīng)增加錨索的數(shù)量進(jìn)行加載試驗(yàn)，分析原因，按照實(shí)際情況分析后確定錨索的極限抗拔承載力。

4 錨索試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析

4.1 21 m長度錨索數(shù)據(jù)處理分析

根據(jù)加載值及測得的位移，繪制曲線圖。1號錨索循環(huán)加載曲線見圖4。

圖4 1號錨索循環(huán)加載曲線

由圖4可知，當(dāng)軸力達(dá)到400 kN之后，軸力增加但位移不再增加，這是因?yàn)樵?號錨索加載時，錨索受到擠壓，在腰梁后形成密實(shí)的土體，可認(rèn)為錨桿桿體破壞。

按照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》4.7.4計(jì)算公式，錨桿極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值Rk為：

依據(jù)規(guī)范對qsk的規(guī)定，可計(jì)算土釘錨固體與土體極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qsk的大小。錨固段長度l為14 m，Rk取400 kN，直徑d取 0.15 m，計(jì)算得qsk=60.66 kPa。

根據(jù)加載值及測得的位移，繪制曲線圖。2號錨索循環(huán)加載曲線見圖5。

圖5 2號錨索循環(huán)加載曲線

由圖5可知，加載至300 kN，曲線比較平緩，判斷錨索并未達(dá)到破壞，因此可以認(rèn)定2號錨索的極限抗拔承載力不小于300 kN。

圖6 3號錨索循環(huán)加載曲線

由圖6可知，加載至300 kN，曲線比較平緩，判斷錨索并未達(dá)到破壞，因此可以認(rèn)定3號錨索的極限抗拔承載力不小于300 kN。

1號錨索試驗(yàn)測得抗拔承載力為400 kN，計(jì)算得出錨固段注漿體與地層間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為60.66 kPa；2號、3號錨索計(jì)算得出錨固段注漿體與地層間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值均為45.50 kPa。

對于1～3號錨索，極限荷載抗拔承載力分別為400 kN、300 kN、300 kN，平均值 333 kN，平均值的30%為100 kN。1～2號錨索與3號錨索的極限抗拔承載力均在規(guī)定范圍內(nèi)，因此可確定基坑注漿錨索極限抗拔承載力為333 kN，可計(jì)算得出21 m長(錨固段長為14 m)錨索qsk=52.55 kPa。

4.2 25 m長度錨索數(shù)據(jù)處理分析

根據(jù)加載值及測得的位移，繪制錨索循環(huán)加載曲線，見圖7～圖9。

圖7 4號錨索循環(huán)加載曲線

由圖7可看出，加載到450 kN時，錨索并未呈現(xiàn)出塑性變形，因此可以確定錨索抗拔力不小于450 kN。

圖8 5號錨索循環(huán)加載曲線

由圖8可知，加載到設(shè)計(jì)荷載的140%即420 kN時，錨索并未呈現(xiàn)出塑性變形，因此可以確定錨索抗拔力不小于420 kN。

圖9 6號錨索循環(huán)加載曲線

由圖9可知，加載到534 kN時，錨索并未呈現(xiàn)出塑性變形，因此可以確定錨索抗拔力不小于534 kN。

根據(jù)公式計(jì)算4號～6號錨索qsk分別是53.08 kPa、49.54 kPa、62.99 kPa。

對長度為25 m的4號～6號錨索進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，抗拔承載力依次為450 kN、420 kN、534 kN，平均值468 kN，平均值30%為140 kN，極差均不超過30%，因此可取25 m長度(錨固段長度18 m)錨索的抗拔力為468 kN，可計(jì)算得出25 m長錨索qsk=55.20 kPa。

對比兩組試驗(yàn)結(jié)果可知，本工程地層測得的qsk差距很小，這也印證了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，可用于指導(dǎo)基坑設(shè)計(jì)。

5 工程應(yīng)用

通過現(xiàn)場錨索基本試驗(yàn)，長度為21 m(錨固段長度14 m)和長度為25 m(錨固段長度18 m)錨索的錨固體和土的界面摩阻力分別為52.55 kPa與55.20 kPa。而在工程設(shè)計(jì)中，考慮基坑深度比較大，出現(xiàn)破壞影響范圍比較廣，應(yīng)用值做適當(dāng)降低，以不超過45 kPa為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，錨索設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

表4 工程錨索設(shè)計(jì)參數(shù)

工程依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)施工，基坑開挖至既定深度時，最大樁頂水平位移為38 mm，出現(xiàn)在基坑長邊中部，符合常規(guī)樁錨支護(hù)基坑的變形規(guī)律，滿足規(guī)范規(guī)定的一級基坑安全要求。

現(xiàn)場按照1%的比例設(shè)置振弦式錨索軸力計(jì)，實(shí)測錨索軸力均未超過設(shè)計(jì)值，錨索軸力實(shí)測值在0.5～0.9倍設(shè)計(jì)值范圍，這與基坑設(shè)計(jì)的土壓力計(jì)算參數(shù)選擇有關(guān)，基坑設(shè)計(jì)有一定的安全儲備。

6 結(jié)論

基于錨索這一特定的受力構(gòu)件過分依賴土體的特性確定自身承載能力的特點(diǎn)，在合肥濱湖地區(qū)通過現(xiàn)場錨索基本試驗(yàn)測得工程地點(diǎn)的錨索抗拔力，實(shí)測值較原設(shè)計(jì)高出較多，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，使得設(shè)計(jì)更加合理，在保證基坑安全的情況下，也取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，可為該地區(qū)以后的錨索設(shè)計(jì)提供參考。