壓力分散型錨索基本試驗(yàn)研究

巖土工程中的錨固技術(shù)，能合理調(diào)用巖土的自身強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)體系，提高結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性，并有少占地、安全施工、縮短工期、降低造價(jià)的優(yōu)點(diǎn)[1]。壓力分散型錨索就是其中一種具有明顯優(yōu)勢(shì)的錨固技術(shù)，因而它在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍十分廣闊。

傳統(tǒng)的拉力型錨索的內(nèi)錨頭在受拉時(shí)將在某一段內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)內(nèi)錨頭在拔出時(shí)產(chǎn)生的剪脹會(huì)導(dǎo)致內(nèi)錨段砂漿體開裂破壞[2]。拉力型錨索結(jié)構(gòu)盡管施工容易，造價(jià)較低，但是其內(nèi)錨段由于受力不合理，上部漿體易開裂，特別是不能充分利用巖體的力學(xué)傳遞性能，因此錨固效果不理想。若采用壓力型或分散型的內(nèi)錨頭，則可以改善內(nèi)錨段的應(yīng)力狀態(tài)，提高內(nèi)錨段的可靠性，從而為減少內(nèi)錨段的長(zhǎng)度創(chuàng)造條件。

但是，目前壓力分散型錨索在軟弱土層中的試驗(yàn)研究少見報(bào)道，其承載力和適用性如何評(píng)價(jià)，能否通過二次劈裂注漿來提高其承載力均需要通過工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

壓力分散型錨索錨固機(jī)理

壓力型錨索由無粘結(jié)鋼絞線、錨固段砂漿體、承載板構(gòu)成，壓力分散型錨索由多個(gè)壓力型錨索單元組合而成，適用于錨索承載力要求較高或防腐等級(jí)要求較高的土體工程。這種錨索改善了受力特性，拉力通過鋼絞線傳遞到錨固段底部的承載板，由承載板將拉力轉(zhuǎn)化為錨固段的壓力，傳遞到砂漿體上，并將壓力傳遞到周邊土體上。

砂漿體和土體的受壓性能均大于受拉性能，因此，壓力型錨索的整體受力體系要優(yōu)于拉力型錨索。而壓力分散型更是將這種特點(diǎn)最大發(fā)揮，它能避免應(yīng)力集中于一個(gè)錨固段砂漿體上，由于應(yīng)力過大造成錨固段破壞。在總的拉力荷載不變的條件下，減小了每段錨固段的內(nèi)力，充分發(fā)揮和利用了巖土體的整體力學(xué)性能。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)錨索

試驗(yàn)錨索總長(zhǎng)34m，自由段14m，4單元錨固段20m，錨固段位于粉質(zhì)粘土層中，錨索內(nèi)配8束Φ12.7mm無粘結(jié)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，強(qiáng)度等級(jí)為1860MPa，錨索拉力設(shè)計(jì)值為405kN。

錨索采用二次劈裂注漿工藝，一次注漿采用水灰比為0.47，灰砂比為1.43的水泥砂漿。為提高早期強(qiáng)度，加JM-3減水劑，每立方摻加70kg。

一次注漿時(shí)，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)就地取材，為室內(nèi)砂漿試塊的壓縮試驗(yàn)制備試樣，砂漿試塊尺寸規(guī)格為70.7×70.7×212.1mm，其中3塊試塊只測(cè)定軸心抗壓強(qiáng)度，另3塊試塊測(cè)定彈性模量和軸心抗壓強(qiáng)度。所有試塊均按設(shè)計(jì)錨索一次注漿的配合比進(jìn)行配制，水∶水泥∶砂∶外加劑=450∶1000∶700∶14。試件制作后在20±5℃環(huán)境下停置一晝夜（24±2h），當(dāng)氣溫較低時(shí)，可適當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間，但不應(yīng)超過兩晝夜，然后對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)并拆模。試件拆模后，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28d。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件為：溫度20±3℃，相對(duì)濕度90%以上；養(yǎng)護(hù)期間，試件彼此間隔不少于10mm。在砂漿試塊按規(guī)定養(yǎng)護(hù)好之后，先將試塊擦拭干凈，測(cè)量尺寸，并檢查外觀。根據(jù)相關(guān)土工試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，獲取砂漿體軸向抗壓強(qiáng)度及彈性模量，為了進(jìn)行錨索的受力計(jì)算提供參數(shù)，本次試塊軸向抗壓強(qiáng)度均滿足要求，6個(gè)試塊平均值為37.71MPa。

二次劈裂注漿在一次注漿完成并養(yǎng)護(hù)24h后進(jìn)行，此時(shí)要求常壓注漿體試塊強(qiáng)度達(dá)到5.0MPa[3]。經(jīng)錨索體預(yù)留的二次注漿管進(jìn)行高壓注漿，劈裂壓力要求在3.5MPa～5MPa之間，注漿運(yùn)行壓力要求大于2.5MPa。本次試驗(yàn)錨索的二次劈裂注漿采用水灰比為0.47的純水泥漿，注漿壓力為3.9 MPa，終孔注漿壓力≥1.2 MPa。對(duì)一次注漿體形成劈裂，使錨固體直徑增大，增加徑向壓力。

培養(yǎng)基：PDA培養(yǎng)基：馬鈴薯200 g、葡萄糖20 g、瓊脂20 g、馬鈴薯去皮，切成塊煮沸30 min，然后紗布過濾，再加糖及瓊脂，融化后補(bǔ)足水至 1000 mL，121 ℃滅菌30 min，液體培養(yǎng)基不加瓊脂。

試驗(yàn)流程

試驗(yàn)錨索參考巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程CECS22：2005[4]（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)程”）中等荷載張拉方式進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)基本流程為預(yù)張拉、等荷載張拉和整體循環(huán)張拉。按安全系數(shù)2.0考慮，本次試驗(yàn)最大荷載取800kN，小于桿體極限承載力的0.8倍。等荷載張拉按800kN進(jìn)行鋼絞線彈性伸長(zhǎng)差消除，組合張拉荷載P組取300kN。

（1）預(yù)張拉

在錨索正式張拉之前，先取0.1倍～0.2倍最大試驗(yàn)荷載對(duì)錨索預(yù)張拉1次～2次，使錨索鋼絞線平直，各部位接觸緊密，有利于緩解張拉過程中各鋼絞線的受力不均勻性。

（2）等荷載張拉

等合作張拉是為了消除整體張拉時(shí)單元錨索在相同荷載作用下因自由段長(zhǎng)度不等引起的彈性伸長(zhǎng)差。

每個(gè)單元錨索承受的荷載Pn，由式（1）計(jì)算：

式中： Pd—錨索的最大試驗(yàn)荷載（N）；n—單元錨索的數(shù)量（個(gè)）。

式中： Li—每個(gè)單元錨索鋼絞線的長(zhǎng)度（mm）

Es—鋼絞線的彈性模量（N/mm2）；

As—每個(gè)單元錨索鋼絞線的截面積（mm2）。

各單元錨索的預(yù)加荷載Pi，由式（3）計(jì)算：

在選定最大試驗(yàn)荷載后，按式（3）計(jì)算各級(jí)單元錨索的補(bǔ)償荷載P2、P3、P4進(jìn)行補(bǔ)償張拉。以4級(jí)壓力分散型錨索為例，將張拉工具錨夾片安裝在第一單元錨索的鋼絞線上，張拉至荷載P2；在張拉工具錨夾片扔安裝在第一單元錨索鋼絞線的基礎(chǔ)上，張拉至荷載P3；在張拉工具錨夾片扔安裝在第一、第二單元錨索鋼絞線的基礎(chǔ)上，將張拉工具錨夾片安裝在第三單元錨索的鋼絞線上，繼續(xù)張拉至荷載P4；在張拉工具錨夾片扔安裝在第一、二、三單元錨索鋼絞線的基礎(chǔ)上，將張拉工具錨夾片安裝在第四單元錨索的鋼絞線上，繼續(xù)張拉至整體循環(huán)張拉的初始荷載P組。根據(jù)上述公式計(jì)算得到的P2、P3、P4分別為29.4kN、93.3kN、198.8kN。

（3）整體張拉

在消除彈性伸長(zhǎng)差后，根據(jù)設(shè)計(jì)荷載對(duì)錨索進(jìn)行整體張拉。為保證錨索的性能最大發(fā)揮，提高錨索的承載力，采用逐級(jí)加載的方式。

試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)選取具有代表性的錨索2根，1#和2#錨索極限承載力均達(dá)到800kN。2根錨索的荷載—位移曲線（Q-S）詳見圖1，2根錨索的荷載—彈性位移（Q-Se）、塑性位移曲線（Q-Sp）詳見圖2。

為極限探索錨索的極限承載力上限，在試驗(yàn)荷載達(dá)到800kN后，繼續(xù)增加試驗(yàn)荷載，1#、2#錨索的破壞荷載均為1000kN。1#錨索發(fā)生類似脆性的破壞，2#錨索在最后一次加載時(shí)，當(dāng)荷載超出屈服荷載之后，隨著荷載的增大曲線呈下凹型，明顯的表現(xiàn)出位移增大的現(xiàn)象，持荷能力緩慢增長(zhǎng)，破壞時(shí)的錨頭位移分別為134.03mm、140.88mm，按規(guī)程[3]確定錨索的極限承載力取破壞前一級(jí)荷載均為900kN，安全系數(shù)2.2，滿足規(guī)范中作為永久錨索錨固體最小抗拔安全系數(shù)2.0的要求。

二次注漿的錨索錨頭位移隨著荷載的增加而增大，在彈性階段內(nèi)彈性位移與荷載基本呈線性關(guān)系，主要位移為彈性位移，塑性位移相對(duì)占比較小。

2根二次劈裂注漿錨索的平均粘結(jié)強(qiáng)度分別為71.6kPa，均比巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程CECS 22:2005表7.5.1-2的推薦值大。

圖1 試驗(yàn)錨索荷載-位移曲線

圖2 錨固力-彈、塑性位移曲線

結(jié)論

（1）通過現(xiàn)場(chǎng)基本試驗(yàn)得出，該工程二次注漿壓力分散型錨索的極限抗拔力不低于800kN，能夠滿足工程安全需求。

（2）通過本次試驗(yàn)張拉過程，壓力分散型錨索位移可控，滿足規(guī)范要求，驗(yàn)證了本工程錨索設(shè)計(jì)參數(shù)與施工工藝的合理性。

（3）通過二次劈裂注漿工藝，能夠提高錨固段土層的平均粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高錨索的承載力，提高工程的安全儲(chǔ)備。

[1] 程良奎等．巖土工程中的錨固技術(shù)．北京：地震出版社，1992．

[2] 燕立群,田在軍,田裕甲等．壓力分散型錨索與拉力型錨索的比較-再論新型錨索結(jié)構(gòu)系列及工程應(yīng)用．見：巖土錨固技術(shù)與西部開發(fā)．北京：人民交通出版社，2002：19-26．

[3] 梁振寧,葉觀寶,高彥斌等．軟土地區(qū)壓力分散型錨索二次劈裂注漿錨固效果研究[J]．勘察科學(xué)技術(shù)，2011，1：1-4．

[4] CECS 22：2005，巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程[S]．