泥巖地層抗浮錨桿試驗研究

羅云海 劉 君

(中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710054)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，城市用地日益緊張，迫使人類向地下空間發(fā)展，由此引起地下水的抗浮問題隨之而來。目前最常用的抗浮措施有壓重法、設(shè)置抗浮樁、設(shè)置抗浮錨桿和降排截水四種[1-2]，抗浮錨桿由于平面布設(shè)靈活、施工便捷、造價低廉、工期短、單點受力且能使結(jié)構(gòu)底板受力均勻等優(yōu)點，備受工程界的青睞，并且得到廣泛的應(yīng)用。

由于巖土類型復(fù)雜多樣，不同規(guī)范所推薦設(shè)計參數(shù)范圍較大，不利于初步設(shè)計時的選取，相當(dāng)一部分抗浮錨桿工程設(shè)計依據(jù)不明確，設(shè)計錨桿過長，造成不必要的浪費。國內(nèi)學(xué)者對土層抗浮錨桿和巖石抗浮錨桿的受力機(jī)理、荷載傳遞機(jī)制、有效錨固長度等方面進(jìn)行了研究[3-8]。泥巖作為軟巖具有其特殊的物理力學(xué)性質(zhì)：泥質(zhì)膠結(jié)，固結(jié)程度較弱，成巖作用差，成巖時間短，飽和單軸抗壓強(qiáng)度低等，且這種巖石是介于其他巖石和土層之間的過渡類型，屬于半成巖。對泥巖地層中抗浮錨桿的試驗研究國內(nèi)鮮有，本文依托于陜西安康地區(qū)某地下停車場泥巖地層中的抗浮錨桿工程進(jìn)行了試驗研究，包括錨桿的破壞性試驗，分析得出錨桿軸力分布規(guī)律、荷載傳遞機(jī)制、破壞形式、極限抗拔承載力、錨桿與泥巖間的極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，并確定了有效錨固長度。

1 工程概況及場地工程地質(zhì)條件

陜西安康地區(qū)某地下停車場，建筑面積約7700 m2，地下1層，框架結(jié)構(gòu)，獨立柱基，基礎(chǔ)埋深5.5 m。

場地地貌單元屬于河流一級階地，地層自上而下依次為人工填土、第四系全新沖洪積粉質(zhì)黏土、 卵石和古近系-新近系泥巖。地下水埋藏較淺，是賦存于第四系地層的潛水，設(shè)計抗浮水位高于基礎(chǔ)底面4.0 m，基底位于相對隔水的泥巖層中?？垢〈胧M采用全黏結(jié)抗浮錨桿，錨桿全長置于泥巖地層內(nèi)。該層泥巖為泥質(zhì)膠結(jié)，泥狀結(jié)構(gòu)，水平層理構(gòu)造，巖體較完整，夾有薄層的泥質(zhì)砂巖，局部裂隙中夾有方解石，具有可軟化性，暴露于空氣和遇水時極易崩解，鉆機(jī)成孔時所形成孔壁光滑，天然狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度平均值為4 MPa，屬極軟巖，在基底以下分布厚度較大。

2 抗浮錨桿現(xiàn)場試驗

在現(xiàn)場不同位置均勻布設(shè)6根試驗錨桿，其中3根錨桿長6.0 m，并從孔口以下0.5 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m位置的 桿 體 上 貼 電 阻應(yīng)變片；3根錨桿長8.0 m。錨桿直徑150 mm，配筋為2φ25的Ⅲ級螺紋鋼，采用M30砂漿進(jìn)行普通灌漿。

試驗采用電動油泵和穿心千斤頂加載系統(tǒng)，應(yīng)變測量采用便攜式應(yīng)變儀，錨頭位移觀測采用機(jī)械百分表。由于地下水位是季節(jié)性變化的，為更好地模擬錨桿的實際受力狀態(tài)，采用多循環(huán)加卸載法，根據(jù)工程經(jīng)驗最大試驗荷載預(yù)估值取450 kN，初始荷載取最大試驗荷載預(yù)估值的10%，共分6個循環(huán)，分別按預(yù)估最大試驗荷載的30%、50%、70%、80%、90%、100%進(jìn)行加荷。結(jié)果6根試驗錨桿均在最大試驗荷載90%即405 kN作用下達(dá)到破壞狀態(tài)，且位移不收斂，無法繼續(xù)維持荷載。加載方法和試驗終止條件嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)范執(zhí)行[9-11]。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 錨桿軸力分析

SM1、SM2、SM3三根6.0 m長試驗錨桿裝有錨索計，采用測頻儀人工測讀不同深度下的頻率，并換算得應(yīng)變值ε，由公式(1)計算出桿體在不同深度的軸力值匯總于表1，并繪制軸力圖如圖1所示。

N=AEε

(1)

式中：A為錨桿桿體橫截面面積；E為錨桿鋼筋彈性模量。

表1 試驗錨桿不同荷載下軸力

圖1 試驗錨桿軸力隨深度變化曲線圖

分析圖1可知，3根抗浮錨桿軸力分布曲線基本相似。軸力從錨桿頂面向深部逐漸減小，荷載小于135 kN時，軸力主要分布在2.0 m深度范圍內(nèi)，錨桿下部不承受荷載；隨著荷載增加逐步向下移動，且增長幅度慢慢減小，在極限荷載360 kN作用下，軸力主要分布在3.0 m范圍內(nèi)，荷載最大傳遞深度至3.5 m。從而說明錨桿受拉時，桿體與砂漿之間的黏結(jié)應(yīng)力不均勻分布，隨荷載的增加逐步向下發(fā)揮作用。桿體與砂漿之間隨荷載增加，將發(fā)生相對移動趨勢或發(fā)生微量移動，使桿體上部的黏結(jié)力相對減小，這部分荷載將由下部黏結(jié)力來承擔(dān)。從測試結(jié)果分析，在極限荷載作用下，軸力傳遞深度最大至3.5 m處，表明錨桿試驗達(dá)破壞狀態(tài)時，不是從桿體與錨固體界面處破壞，該處所提供的承載力仍有富余，同時也表明錨桿錨固長度對桿體與注漿體之間黏結(jié)強(qiáng)度的破壞影響不大，增加錨固長度對提高錨桿承載力是有限的。

3.2 錨桿荷載-位移曲線分析

6根試驗錨桿在最大荷載405 kN作用下，均進(jìn)入破壞狀態(tài)，表現(xiàn)在位移不收斂，加荷后不能維持恒定荷載，錨桿破壞狀態(tài)及極限荷載作用下所對應(yīng)的位移量見表2，兩種錨固長度的錨桿基本試驗典型荷載-位移曲線見圖2、圖3。

表2 抗浮錨桿基本試驗結(jié)果

圖2 SM2錨桿荷載-位移曲線

圖3 SM4錨桿荷載-位移曲線

分析圖2、圖3可知，錨固長度為6.0 m、8.0 m長的兩種錨桿荷載-位移曲線相似，隨著荷載的增加，抗浮錨桿錨頭位移隨之增大。在0～225 kN初始加荷階段，錨頭位移基本為直線，斜率較緩，卸荷后位移基本能夠完全恢復(fù)，且曲線沒有出現(xiàn)回滯環(huán)，表明錨桿處于彈性變形階段；隨著荷載的不斷增加，錨桿變形進(jìn)入塑性變形階段，在225～360 kN加荷段內(nèi)，曲線斜率逐漸增大，卸荷后部分位移不能恢復(fù)，曲線出現(xiàn)回滯環(huán)，表明錨桿處于彈塑性變形階段。

3.3 錨桿極限抗拔承載力

6.0 m和8.0 m兩種錨固長度的6根錨桿基本試驗結(jié)果表明，在405 kN荷載作用下，錨頭位移不收斂，在持續(xù)維持此荷載狀態(tài)下錨固體明顯被拔出孔口，觀察錨頭部位桿體與水泥砂漿的接觸部位完好，水泥砂漿并無開裂和破碎現(xiàn)象，表明錨固體與泥巖層之間黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到極限值，發(fā)生相對位移，錨桿進(jìn)入破壞狀態(tài)，取破壞荷載的前一級荷載360 kN做為錨桿的極限抗拔載承力。

有效錨固長度6.0 m和8.0 m兩種不同長度錨桿基本試驗所測得的極限抗拔承載力均為360 kN，表明當(dāng)錨桿錨固長度超過一定值后，對錨桿抗拔承載力的提高極為有限，甚至可忽略不計，只是在相同的荷載作用下，錨桿越長變形量越大，反而不利用于抗浮作用。

根據(jù)上述基本試驗結(jié)果，得出不同錨固長度的錨桿所提供的極限抗拔承載力卻相同，結(jié)合前人的研究成果[12-14]分析認(rèn)為：錨桿受力時，沿錨固端全長的黏結(jié)應(yīng)力分布是很不均勻的，存在一個峰值，特別當(dāng)采用較長的錨固段時，錨桿受荷初期，黏結(jié)應(yīng)力峰值出現(xiàn)在臨近自由錨頭錨固段前端，而在錨固段下端的相當(dāng)長度上，不出現(xiàn)黏結(jié)應(yīng)力。隨著荷載增大，黏結(jié)應(yīng)力峰值則向錨固段根部轉(zhuǎn)移，使其前端的黏結(jié)應(yīng)力顯著下降，當(dāng)荷載進(jìn)一步增大，黏結(jié)應(yīng)力峰值傳遞到接近錨固端根部，則錨固端前部較長的范圍內(nèi)，黏結(jié)應(yīng)力值進(jìn)一步下降，甚至趨近于零，表明有效發(fā)揮錨固作用的黏結(jié)應(yīng)力分布長度是有一定限度的。

3.4 錨固體與泥巖層間極限黏結(jié)強(qiáng)度

注漿錨桿的承載力主要由三個方面因素決定，錨桿鋼筋的強(qiáng)度、錨桿鋼筋與注漿體之間的錨固力以及注漿體與巖土體之間的錨固力，同時，錨桿的破壞也是來自于上述三種破壞形式。由于鋼材是均質(zhì)材料，性能較好，且設(shè)計時有一定的安全系數(shù)，一般不會發(fā)生破壞；鋼筋桿體與注漿體之間的黏結(jié)強(qiáng)度較大也不容易發(fā)生破壞。對于土層錨桿及軟巖錨桿，大量的工程實例表明，錨桿最容易破壞的位置是砂漿與巖土體之間，這里會產(chǎn)生較大的變形，導(dǎo)致錨桿失效。上述錨桿軸力分布規(guī)律及荷載位移曲線均表明，泥巖地層中抗浮錨桿的破壞位于注漿體與巖土體之間。

基于工程經(jīng)驗和《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》[10]中巖石錨桿錨固長度對黏結(jié)強(qiáng)度影響系數(shù)的取值ψ的建議值，兩方面綜合考慮，該試驗研究選取了錨固長度分別為6.0 m和8.0 m錨桿進(jìn)行破壞試驗，同時采用錨固長度為6.0 m的錨桿按照公式(2)計算得錨桿錨固體與泥巖層間的極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fmg=127 kPa。

N=fmg·π·D·La·ψ

(2)

式中：N——錨桿軸向極限抗拔承載力，kN，計算時根據(jù)試驗結(jié)果取360 kN；

fmg——錨固段注漿體與地層間極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

La——錨固段長度，m，計算時取6.0 m；

D——錨桿錨固體直徑，m，計算時取值0.15 m；

ψ——錨固段長度對極限黏結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)，計算時按規(guī)范取1。

根據(jù)錨固長度為8.0 m錨桿的試驗結(jié)果及錨固體與泥巖層間的極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fmg=127 kPa，計算得長度為8.0 m的錨桿其錨固長度對黏結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)ψ=0.75。

4 結(jié)論

通過對陜西安康地區(qū)泥巖地層抗浮錨桿的試驗研究，得出以下結(jié)論：

(1)泥巖地層抗浮錨桿的軸力分布是不均勻的，主要分布在3.0 m范圍內(nèi)，從錨桿頂面向深部逐漸減小，在極限荷載作用下，軸力傳遞深度最大至3.5 m。在極限破狀態(tài)下，破壞形式不位于桿體與錨固體界面處，而該處所提供的承載力仍有富余。錨桿錨固長度對黏結(jié)破壞強(qiáng)度的影響不大，增加錨固長度對提高錨桿承載力是有限的。

(2)泥巖地層錨桿受力時，沿錨固端全長的黏結(jié)應(yīng)力分是很不均勻的，存在峰值。隨著荷載增大，黏結(jié)應(yīng)力峰值向錨固段根部轉(zhuǎn)移，其前方的黏結(jié)應(yīng)力則顯著下降，當(dāng)荷載進(jìn)一步增大，黏結(jié)應(yīng)力峰值傳遞到接近錨固端底部，則錨固端前部較長的范圍內(nèi)，黏結(jié)應(yīng)力值進(jìn)一步下降，甚至趨近于零，其有效發(fā)揮錨固作用的黏結(jié)應(yīng)力分布長度是有一定限度的。

(3)對于類似泥巖地層，采用抗浮錨桿直徑為150 mm時錨固長度建議取6.0 m，極限抗拔承載力取360 kN；錨固體與泥巖層間的極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取fmg=127 kPa；采用錨固長度為8.0 m的錨桿時錨固長度對黏結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)建議取ψ=0.75。