黃土層中深基坑預(yù)應(yīng)力錨索試驗(yàn)研究

王小勇 王勇華 張繼文

(機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710043)

0 引言

預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)作為一種行之有效的巖土工程加固措施，已廣泛應(yīng)用于邊坡加固、壩體加固、基坑工程以及隧道和地下硐室工程中[1]。隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施，錨固技術(shù)已廣泛應(yīng)用于黃土地區(qū)高陡邊坡、深大基坑的加固治理中[2]。

對(duì)于預(yù)應(yīng)力錨索的受力機(jī)理、應(yīng)用等已有諸多研究成果[3-7]。在黃土層中預(yù)應(yīng)力錨索的理論及應(yīng)用研究，于遠(yuǎn)祥、吳璋等人[2，8-9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及系統(tǒng)分析，得到黃土地層條件下錨固長(zhǎng)度6～8 m最為合理，并推導(dǎo)了兩種錨固力計(jì)算公式。陳廣峰[10]通過(guò)模型試驗(yàn)得到剪力按照桿長(zhǎng)分布符合“黃金分割”原則。王振剛[11]以黃土地區(qū)基坑工程作為試驗(yàn)場(chǎng)地，探討了錨索預(yù)應(yīng)力的各個(gè)影響因素。吳守河[12]得到黃土地層錨索極限抗拔力達(dá)到約600 kN，并給出了黃土地層中預(yù)應(yīng)力錨索P--s曲線擬合多項(xiàng)式。李金華[13]研究了不同預(yù)應(yīng)力錨索荷載-位移曲線函數(shù)模型對(duì)黃土地層的適應(yīng)性，并對(duì)錨索的彈塑性位移進(jìn)行了分析。

本文基于黃土深基坑樁錨支護(hù)體系，從錨索基本試驗(yàn)出發(fā)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了預(yù)應(yīng)力錨索的荷載位移變化情況，得到相關(guān)擬合式。并對(duì)錨索極限黏結(jié)強(qiáng)度、剛度等設(shè)計(jì)參數(shù)與現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行對(duì)比分析，完善了黃土地區(qū)深基坑預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程概況

試驗(yàn)場(chǎng)地選擇西安市西郊某建筑基坑，基坑開(kāi)挖深度19.15 m，地下水位埋深約10 m，以排樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)體系為主，腰梁采用雙拼工字型鋼。

試驗(yàn)錨索位于晚更新世(Qel3)馬蘭黃土和中更新世(Qal+pl2)離石黃土中，土體物理力學(xué)性狀指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土體物理力學(xué)性狀指標(biāo)表

1.2 試驗(yàn)材料

根據(jù)場(chǎng)地基坑開(kāi)挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工情況，選擇基坑有代表性的3個(gè)位置，進(jìn)行錨索試驗(yàn)。由于本場(chǎng)地設(shè)計(jì)錨索和排樁是一樁一錨位置關(guān)系，所有試驗(yàn)錨索均處于工程錨索位置，為保證基坑安全穩(wěn)定，每個(gè)位置3根試驗(yàn)錨索與工程錨索間隔布置，試驗(yàn)完成后，盡量將試驗(yàn)錨索按照工程設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鎖定。

由于基坑進(jìn)行了開(kāi)放式管井降水，錨索成孔全部采用ZGYX430液壓潛孔鉆車(chē)，干作業(yè)螺旋成孔。試驗(yàn)錨索按照工程設(shè)計(jì)要求，鉆孔直徑150 mm，桿體采用1×7φ15.2--1860級(jí)鋼絞線，根據(jù)承載力要求不同配置不同桿體束數(shù)，錨索水平傾角20°。采用P.C32.5R水泥，一次常壓注漿水灰比為0.5∶1，注漿采用孔底返漿形式，一次注漿完成4～12 h，采用壓力1.5～3.0 MPa進(jìn)行二次高壓注漿。錨索其它設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)錨索基本參數(shù)

針對(duì)錨索桿體結(jié)構(gòu)的組裝，按設(shè)計(jì)要求，在現(xiàn)場(chǎng)平整地面上，將錨索導(dǎo)向帽、架線環(huán)、桿體材料和一、二次注漿管一次性組裝完成，成孔后立即置入孔內(nèi)。為便于張拉，錨頭張拉段預(yù)留了2 m桿體材料。

1.3 試驗(yàn)方法及設(shè)備

錨索施工完成21 d后，采用YCW100B-200型穿心千斤頂進(jìn)行張拉，百分表量測(cè)錨頭位移。為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，并在錨頭安設(shè)振弦式錨索測(cè)力計(jì)同步復(fù)測(cè)張拉荷載(見(jiàn)圖1)。

圖1 錨索現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)嚴(yán)格按照規(guī)范[14]相關(guān)要求，采用分級(jí)多循環(huán)張拉，控制張拉荷載速率及每級(jí)荷載持荷時(shí)間，試驗(yàn)由專(zhuān)人控制張拉，專(zhuān)人記錄錨頭位移和測(cè)力計(jì)讀數(shù)。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)錨索BC--*和DE--*在加載至第七循環(huán)試驗(yàn)荷載649 k N時(shí)(110%Nu)，錨頭位移基本穩(wěn)定，由于錨索已經(jīng)達(dá)到預(yù)估極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值，且試驗(yàn)錨索處于在工程錨索位置，為保證基坑工程安全穩(wěn)定，試驗(yàn)中止加載，并對(duì)錨索按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鎖定。

試驗(yàn)錨索CD--*在加載至第六循環(huán)試驗(yàn)荷載720 k N(Nu)時(shí)，錨頭位移不收斂，且本級(jí)荷載產(chǎn)生的單位荷載下的錨頭位移增量大于前一級(jí)荷載(648 k N)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(yàn)終止。

所有錨索在基本試驗(yàn)過(guò)程中，除最大試驗(yàn)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。說(shuō)明在試驗(yàn)場(chǎng)地特定黃土地層中，預(yù)應(yīng)力錨索的破壞主要表現(xiàn)為注漿固結(jié)體和土體界面的脫黏，錨索隨之發(fā)生漸近破壞。文獻(xiàn)[13]也提出在黃土地層中采用塑性位移作為錨索的破壞標(biāo)準(zhǔn)更符合實(shí)際。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 錨索極限承載力

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，BC--*和DE--*試驗(yàn)錨索極限抗拔承載力Rk均為649 k N(見(jiàn)表3)。而CD--*試驗(yàn)錨索極限抗拔承載力Rk僅為648 k N，試驗(yàn)中表現(xiàn)出增加CD--*錨索的張拉荷載至720 k N，錨頭位移不收斂，當(dāng)然，由于試驗(yàn)荷載分級(jí)的影響，CD--*試驗(yàn)錨索實(shí)際Rk可能介于648～720 k N之間?？傮w上表現(xiàn)出試驗(yàn)錨索錨固段長(zhǎng)度從15 m增加至18.5 m，錨索Rk提高很小甚至沒(méi)有提高。這與錨索施工工藝、地層非均勻性，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)操作等有一定關(guān)聯(lián)。

另外，眾所周知，對(duì)于特定地層條件，錨索存在臨界錨固段長(zhǎng)度[15]。超過(guò)臨界錨固段長(zhǎng)度之后，錨索軸力、界面剪應(yīng)力無(wú)法有效傳遞，增加錨固段長(zhǎng)度對(duì)提高承載力貢獻(xiàn)很小。上述試驗(yàn)結(jié)果反映出在特定黃土地層中，預(yù)應(yīng)力錨索亦存在臨界錨固段長(zhǎng)度，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)初步分析，本場(chǎng)地黃土地層條件下，錨索臨界錨固段長(zhǎng)度約為15 m。

2.2 界面剪應(yīng)力的分析

按照規(guī)范[14]中推薦的錨桿極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qsk取值范圍，黃土屬于黏性土范疇，本次試驗(yàn)錨索錨固段所在土層均為水下，黃土無(wú)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(jiàn)表3。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，BC--*和DE--*錨索極限狀態(tài)下，平均剪應(yīng)力91.8 kPa，是規(guī)范推薦qsk的1.35倍;CD--*錨索極限狀態(tài)下，平均剪應(yīng)力74.3 kPa，是規(guī)范推薦qsk的1.09倍。從以上數(shù)據(jù)可以看出，在黃土地區(qū)，當(dāng)按照目前現(xiàn)行平均黏結(jié)強(qiáng)度理論進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索初步設(shè)計(jì)時(shí)，在錨固段長(zhǎng)度設(shè)置合理時(shí)，對(duì)應(yīng)的極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qsk可以在規(guī)范[14]的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)提高，本文得到在黃土IL=0.5～0.6時(shí)，qsk提高系數(shù)可達(dá)1.35。之所以錨固段18.5 m時(shí)提高系數(shù)僅為1.09，這是由于本身錨固段18.5 m已超過(guò)了本黃土地層的臨界錨固段長(zhǎng)度，錨索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(jié)應(yīng)力。規(guī)范[14]中也明確提出：當(dāng)錨桿錨固段長(zhǎng)度大于16 m時(shí)，應(yīng)對(duì)極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qsk取值表中數(shù)值適當(dāng)折減。

表3 錨索試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2.3 試驗(yàn)的荷載 位移分析

圖2給出了試驗(yàn)錨索BC--3在多循環(huán)荷載下的P--s曲線，從曲線可以看出，黃土地層預(yù)應(yīng)力錨索經(jīng)過(guò)多級(jí)循環(huán)的張拉，其P--s曲線表現(xiàn)為與其他黏性土層錨索共有的滯回環(huán)。錨索每級(jí)荷載循環(huán)結(jié)束后，錨頭都有一定的塑性位移，隨著每級(jí)循環(huán)最大張拉荷載的不斷增加，曲線上每級(jí)循環(huán)結(jié)束后的塑性位移逐漸增大，表現(xiàn)為曲線上最小荷載時(shí)，對(duì)應(yīng)各位移點(diǎn)間距逐漸增大，曲線滯回環(huán)逐步變大。同時(shí)，隨著每級(jí)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(diǎn)的增長(zhǎng)速率逐漸變小，這也說(shuō)明隨著荷載的增加，錨索受荷服役開(kāi)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(jí)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(shí)斜率基本一致，說(shuō)明試驗(yàn)錨索中各級(jí)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。

圖2 錨索基本試驗(yàn)P--s關(guān)系曲線

由于土體自身的離散性，加之每根試驗(yàn)錨索現(xiàn)場(chǎng)施工不可能做到完全精準(zhǔn)統(tǒng)一，為了更好地反映黃土地層試驗(yàn)錨索荷載--位移關(guān)系，這里將BC--*和DE--*共計(jì)6根試驗(yàn)錨索的數(shù)據(jù)匯總，繪制得到錨索荷載--位移累計(jì)曲線及荷載P--彈性位移se--塑性位移sp曲線(見(jiàn)圖3、圖4)，并對(duì)曲線進(jìn)行擬合。

圖3 試驗(yàn)錨索P--s累計(jì)曲線

圖4 試驗(yàn)錨索P--se--sp關(guān)系曲線

從圖3的曲線變化規(guī)律來(lái)看，隨著張拉荷載的增大，黃土地層中預(yù)應(yīng)力錨索荷載-位移累計(jì)曲線基本服從二次函數(shù)曲線，本次試驗(yàn)擬合式為：

圖3和式(1)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(dǎo)致錨頭位移增長(zhǎng)速度越來(lái)越快，這與前人研究成果[10]是一致的。式(1)也可為黃土地區(qū)該類(lèi)型錨索的荷載位移計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供一定的理論支持。

相比較圖3，圖4更加直觀地反映了每級(jí)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(zhǎng)，本試驗(yàn)得到線性擬合式(2)，從數(shù)據(jù)的分布和式(2)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[14]目前給出的錨拉式支擋結(jié)構(gòu)宜采用彈性支點(diǎn)法進(jìn)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(zhǎng)較快，通過(guò)塑性位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可得到二次函數(shù)式(3)，錨索塑性位移隨荷載的快速增長(zhǎng)，充分驗(yàn)證了黃土地層中錨索錨固段工作狀態(tài)也是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[5]。式(2)、式(3)也可為黃土地區(qū)該類(lèi)型錨索的彈塑性位移分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供一定的理論支持。

2.4 錨索剛度的分析

規(guī)范[14]提出錨拉式支擋結(jié)構(gòu)的彈性支點(diǎn)剛度系數(shù)kR可按式(4)計(jì)算：

式中：s1、s2為P--s曲線上對(duì)應(yīng)于荷載Ns、Nk的錨頭位移值;ba為擋土構(gòu)件計(jì)算寬度;s為錨索水平間距。本試驗(yàn)錨索為一樁一錨，ba=s。

由于一般在錨索初步設(shè)計(jì)時(shí)，并不能準(zhǔn)確獲知錨索在擬設(shè)計(jì)地層中的P--s曲線，故很難通過(guò)式(4)得到支點(diǎn)剛度系數(shù)。規(guī)范[14]亦給出在缺少試驗(yàn)時(shí)，可通過(guò)式(5)計(jì)算錨索剛度系數(shù)kR：

式中：Es為錨桿桿體彈性模量，kPa;Ec為錨桿的復(fù)合彈性模量，kPa;Em為固結(jié)體彈性模量，kPa;Ap為桿體截面面積，m2;A為固結(jié)體截面面積，m2;l為錨索長(zhǎng)度，m;lf為錨索自由段長(zhǎng)度，m。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照式(4)、式(5)計(jì)算得到剛度結(jié)果見(jiàn)表4。在錨索設(shè)計(jì)的初期階段，一般設(shè)計(jì)人員無(wú)法獲得錨索的P--s曲線，只能按照式(5)進(jìn)行錨索剛度計(jì)算，規(guī)范推薦公式(式5)其實(shí)是假定剪應(yīng)力沿錨固段服從線性分布，且末端剪應(yīng)力為0，這本身就是不盡完善合理的[16]。

表4 錨索剛度計(jì)算表 kN/m

從表4可知，在黃土地區(qū)，錨索實(shí)際剛度與規(guī)范推薦的公式的計(jì)算結(jié)果并不一致。總體表現(xiàn)為通過(guò)P--s曲線實(shí)測(cè)得到剛度大于按照規(guī)范推薦公式計(jì)算得到的剛度值。BC--*和DE--*錨索實(shí)測(cè)剛度均值是規(guī)范推薦公式計(jì)算剛度的1.25～1.40倍。雖然CD--*錨索實(shí)測(cè)剛度均值是規(guī)范推薦公式計(jì)算剛度的1.05倍，比較接近，但是由于本身CD--*錨索錨固段設(shè)計(jì)的不合理性，筆者認(rèn)為這個(gè)數(shù)據(jù)參考性并不強(qiáng)。從上述理論分析及實(shí)測(cè)看，在錨索的設(shè)計(jì)中，應(yīng)慎重采用式(5)進(jìn)行剛度計(jì)算使用，在黃土地區(qū)類(lèi)似地層中，當(dāng)采用式(5)進(jìn)行剛度計(jì)算時(shí)，可參考本試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一定的剛度修正。

3 結(jié)論

通過(guò)黃土地區(qū)深基坑現(xiàn)場(chǎng)錨索設(shè)計(jì)、制作和試驗(yàn)，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，分析比較了錨索的設(shè)計(jì)參數(shù)取值和荷載變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)在黃土地層中，錨索的破壞是土層和注漿固結(jié)體的脫黏，這與一般黏性土規(guī)律一致。當(dāng)錨索錨固段超過(guò)一定長(zhǎng)度后，增加錨固段長(zhǎng)度對(duì)錨索的承載力貢獻(xiàn)較小。本文試驗(yàn)得到錨索錨固段超過(guò)15 m后，承載力幾乎不變，初步分析本場(chǎng)地黃土地層條件下，錨索臨界錨固段長(zhǎng)度約為15 m。

(2)目前現(xiàn)行規(guī)范對(duì)于錨索的設(shè)計(jì)均采用平均黏結(jié)強(qiáng)度理論，極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qsk的取用十分重要。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在特定黃土地區(qū)進(jìn)行錨索設(shè)計(jì)時(shí)，其極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qsk可以在規(guī)范[14]的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)提高，本文得到在黃土IL=0.5～0.6時(shí)，當(dāng)錨固段設(shè)置合理時(shí)，qsk提高系數(shù)可達(dá)1.35。

(3)通過(guò)試驗(yàn)錨索的多循環(huán)荷載下的P--s關(guān)系曲線、P--s累計(jì)曲線和P--se--sp關(guān)系曲線，反映出預(yù)應(yīng)力錨索在黃土地層與一般黏性土層中的荷載位移關(guān)系基本一致，說(shuō)明錨索在黃土地區(qū)中是適用的。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，直觀清晰地反映了每級(jí)張拉荷載下錨索的工作狀態(tài)，錨索彈性位移的線性增長(zhǎng)也協(xié)調(diào)了現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)理論。試驗(yàn)成果為本地區(qū)同類(lèi)型錨索的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供了一定的理論支持。

(4)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)于錨索剛度系數(shù)的推薦計(jì)算公式是采用了一定的假設(shè)條件，本文分析了其公式是不盡完善合理的。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反算，得到試驗(yàn)錨索實(shí)際剛度是大于推薦計(jì)算公式結(jié)果，增大系數(shù)為1.25～1.40。在黃土地區(qū)預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)慎重采用推薦公式進(jìn)行剛度計(jì)算，或者在黃土地區(qū)類(lèi)似地層中，計(jì)算后可參考本試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一定的剛度修正，以使其更符合工程實(shí)際。