全長(zhǎng)黏結(jié)巖石抗浮錨桿承載性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

白曉宇，鄭 晨，張明義，王永洪，閆 楠

(1. 青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2. 青島大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266071)

抗浮錨桿以地層適應(yīng)能力強(qiáng)、錨固力高、造價(jià)低、工期短、受力合理等諸多優(yōu)勢(shì)備受青睞，在建筑物地下室、地下停車(chē)場(chǎng)、污水處理池、地鐵與隧道、地下綜合管廊、儲(chǔ)油罐及港工、水工構(gòu)筑物等土木工程多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。尤其在堅(jiān)硬的巖石地基中，施工大直徑抗浮樁非常困難，工效低，抗浮錨桿的優(yōu)勢(shì)更加凸顯，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

抗浮錨桿作為抵抗地下水浮力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，受地下水位變化的影響較大，錨筋常選用螺紋鋼筋。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，抗浮錨桿在實(shí)際工程的應(yīng)用往往超前理論研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)抗浮錨桿的研究取得了較多成果。在試驗(yàn)和測(cè)試方面，賈金青[6]、柳建國(guó)[7]、張明義[8]、白曉宇[9-10]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到抗浮錨桿的極限抗拔承載力和荷載傳遞特性。在理論研究方面，陳棠茵[11]、龍照[12]、董天文[13]、白曉宇[14]等討論了抗浮錨桿的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律及其長(zhǎng)期抗拔承載力。在數(shù)值模擬方面，馬占峰[15]、Kim[16]、賈科科[17]、趙天楊[18]等基于FLAC、ANSYS、ABAQUS等軟件分析了抗浮錨桿的錨固性能及其錨固體和巖土體的應(yīng)力分布特征。在實(shí)際工程中，由于抗浮措施選用不當(dāng)，導(dǎo)致地下車(chē)庫(kù)、地下室、地鐵道床上浮的事故屢見(jiàn)不鮮，主要是對(duì)抗浮錨桿的承載機(jī)制認(rèn)識(shí)不足。此外，由于抗浮錨桿的基本試驗(yàn)開(kāi)展較少，人們對(duì)其承載力和變形很難確切把握；另一方面，中國(guó)目前尚無(wú)抗浮錨桿的國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，加上巖石成因類(lèi)型及分布較為廣泛，規(guī)范提供的設(shè)計(jì)參數(shù)分布范圍較大，參數(shù)選取非常困難；由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不確定，很多工程中抗浮錨桿設(shè)計(jì)很長(zhǎng)，造成資源浪費(fèi)。鑒于此，有必要系統(tǒng)開(kāi)展巖石地層中全長(zhǎng)黏結(jié)抗浮錨桿試驗(yàn)，確定其合理錨固長(zhǎng)度及其極限抗拔承載力，為巖石地基中抗浮錨桿的設(shè)計(jì)、施工與檢測(cè)提供參考，為編制抗浮錨桿的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供理論支持。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于已開(kāi)挖巖石基坑內(nèi)，場(chǎng)區(qū)內(nèi)為中風(fēng)化花崗巖，巖體呈塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，厚度約為3.5～16.7 m，地下水位埋深約為1.7～7.2 m。中風(fēng)化花崗巖的力學(xué)指標(biāo),如表1所示。

表1 巖層力學(xué)指標(biāo)Table 1 Mechanical index of rock layer

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置13根試驗(yàn)錨桿，間距均為3.0 m，錨桿孔直徑為120 mm，孔深超過(guò)錨筋的黏結(jié)長(zhǎng)度50 cm。桿體材料選用HRB400螺紋鋼筋，屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為400 MPa，彈性模量為200 GPa。錨固體材料選用M30商品水泥砂漿，錨桿的試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。為確定錨筋沿錨固深度的荷載傳遞深度以及錨筋與錨固體之間的剪應(yīng)力分布規(guī)律，在錨筋SA4.5-01表面安裝了9個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器，傳感器通過(guò)兩端的支座焊接在錨筋上，地表附近傳感器間距較密，離地表較遠(yuǎn)處傳感器布置的相對(duì)稀疏，光纖光柵應(yīng)變傳感器的設(shè)置情況如圖1所示，1 000 mm為錨桿定位支架的間距，300 mm和600 mm分別為光纖光柵應(yīng)變傳感器的中心距離，500 mm為錨筋距錨桿孔底部的距離。

表2 抗浮錨桿試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameters of anti-floating anchor

圖1 錨桿SA4.5-01傳感器布置示意圖(單位：mm)Fig.1 Arrangement of the sensors in anchor SA4.5-01 (unit : mm)

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

整平場(chǎng)地后，利用潛孔鉆機(jī)成孔，錨桿孔垂直向下，將裝有定位支架的錨筋送入錨桿孔內(nèi)，當(dāng)錨筋到達(dá)預(yù)定的標(biāo)高后，開(kāi)始灌注水泥砂漿，同時(shí)澆筑2組立方體試件用于測(cè)試錨固體的抗壓強(qiáng)度。錨固體的強(qiáng)度達(dá)到15 MPa或達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)，抗浮錨桿試驗(yàn)裝置如圖2所示，與文獻(xiàn)[19]類(lèi)似，只是將錨具直接焊接在錨筋外表面，錨具為厚度3 cm、邊長(zhǎng)10 cm的方形鐵板，中央開(kāi)直徑為3 cm的圓孔，抗浮錨桿的具體試驗(yàn)流程,如圖3所示。

圖2 錨桿拉拔裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the pullout device

試驗(yàn)為極限荷載下的拉拔試驗(yàn)，采用逐級(jí)單調(diào)加載，荷載的施加順序?yàn)?→40→80→120→160 kN……，每級(jí)荷載穩(wěn)壓時(shí)間不少于15 min，直至錨桿發(fā)生破壞。荷載值由錨索測(cè)力計(jì)直接量測(cè)，錨固體頂面位移的測(cè)讀、終止加載條件、錨桿的破壞標(biāo)準(zhǔn)以及極限抗拔承載力的確定均按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120—2012)[20]執(zhí)行。

圖3 錨桿試驗(yàn)流程Fig. 3 Anchor experimental process

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 破壞現(xiàn)象與特征分析

表3 錨桿試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 3 Summary of the anchor experimental results

圖4 抗浮錨桿破壞形態(tài)Fig. 4 Failure modes of the anti-floating anchors

2.2 極限抗拔承載力分析

圖5 荷載錨固體頂面位移關(guān)系曲線(xiàn)Fig. 5 Load-anchorage body head displacement curve

2.3 錨筋軸力沿深度傳遞特征分析

筆者前期的研究表明[27]，在試驗(yàn)時(shí)間較短的情況下，可忽略溫度變化對(duì)錨筋應(yīng)力變化的影響。通過(guò)光纖光柵應(yīng)變傳感器計(jì)算錨筋軸力與剪應(yīng)力的原理與文獻(xiàn)[28]相同。錨筋SA4.5-01軸力沿深度的變化規(guī)律如圖6所示。隨著荷載水平的增加，錨筋軸力傳遞深度逐漸加大，總體來(lái)看，軸力的傳遞深度在2.4 m以?xún)?nèi)。在地表附近，錨筋軸力及其隨荷載的增幅均達(dá)到峰值，在1.2 m以?xún)?nèi)，錨筋軸力衰減較快。荷載水平越高，錨筋軸力自上而下衰減速率越快。隨著錨固深度的增加，錨筋軸力的衰減速率逐漸減小。在2.5 m以下，錨筋軸力已衰減到較低的水平，從距錨固體頂面3.0 m開(kāi)始，錨筋軸力幾乎衰減為零。說(shuō)明錨筋與錨固體之間的黏結(jié)力并不是在錨固深度范圍內(nèi)均勻分布，而是自上而下逐步發(fā)揮，但并非沿錨固深度完全發(fā)揮出來(lái)。因此，當(dāng)錨筋的黏結(jié)長(zhǎng)度達(dá)到某一定值后，僅靠增加黏結(jié)長(zhǎng)度并不能提高抗浮錨桿的極限抗拔承載力，這與Kilic[29]和曾憲明[30]等研究結(jié)果一致。試驗(yàn)中，2組抗浮錨桿SA4.5和SA6.5均發(fā)生錨筋拔斷現(xiàn)象，進(jìn)一步說(shuō)明黏結(jié)長(zhǎng)度為4.5 m和6.5 m的抗浮錨桿，錨固長(zhǎng)度足夠，結(jié)合表3和圖5可以確定，直徑28 mm、錨固體為M30水泥砂漿、中風(fēng)化花崗巖中抗浮錨桿的應(yīng)力傳遞深度不超過(guò)3.0 m。考慮到巖土層的局部差異、抗浮錨桿施工工藝的不同和經(jīng)濟(jì)性，以及永久性錨桿足夠的應(yīng)力儲(chǔ)備，試驗(yàn)條件下，建議在中風(fēng)化花崗巖中，錨筋直徑為28 mm、錨固體為M30水泥砂漿的全長(zhǎng)黏結(jié)抗浮錨桿的合理錨固長(zhǎng)度為3.5～4.0 m。

圖6 錨筋軸力沿深度的分布規(guī)律Fig. 6 Distribution rule of the rod axial force alone depth

2.4 錨筋表面剪應(yīng)力沿深度分布規(guī)律

錨筋SA4.5-01表面剪應(yīng)力沿深度的分布規(guī)律如圖7所示。錨筋剪應(yīng)力沿深度呈先增大后減小的趨勢(shì)，在錨固體頂面附近，剪應(yīng)力具有數(shù)值大和分布集中的特點(diǎn)。在錨固體頂面處剪應(yīng)力為零，在距錨固體頂面迅速增加到最大值，隨后逐漸衰減，在距錨固體頂面3.3 m的位置減小到零。隨著荷載水平的增加，剪應(yīng)力的分布范圍逐漸增大，剪應(yīng)力峰值也隨之增大，剪應(yīng)力在0.45 m的位置達(dá)到最大值，在荷載水平為360 kN時(shí)，峰值剪應(yīng)力約為2.7 MPa。

圖7 錨筋剪應(yīng)力沿深度的分布規(guī)律Fig. 7 Distribution rule of the rod shear stress alone depth

錨筋承受剪應(yīng)力的大小與荷載水平成正比，荷載水平越高，剪應(yīng)力越大，而且不同荷載水平下剪應(yīng)力的分布規(guī)律基本一致。另外，Coates等[31]研究發(fā)現(xiàn)，除荷載水平外，Er/Ea(Er為巖土體彈性模量，Ea為錨筋彈性模量)是影響剪應(yīng)力大小和分布規(guī)律的另一個(gè)主要因素，Er/Ea越小，錨固體頂面附近的剪應(yīng)力分布越均勻，試驗(yàn)也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

2.5 錨筋錨固體界面黏結(jié)強(qiáng)度

τa=Tu/πdla,

(1)

圖8 錨筋錨固體界面平均黏結(jié)強(qiáng)度柱狀圖Fig. 8 Histogram for the average bonding strength of the rod-anchorage body interface

(2)

式中，τ(x)為極限承載狀態(tài)下錨筋上的應(yīng)力分布函數(shù)。

2.6 錨固體巖土體界面黏結(jié)強(qiáng)度

錨固體與巖土體界面的平均黏結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式為

fa=Tu/πDLa，

(3)

式中：Tu為抗浮錨桿的極限抗拔承載力,kN；D為錨固體的直徑,mm；La為錨固體與巖土體的錨固長(zhǎng)度,m；f為錨固體與巖土體的平均黏結(jié)強(qiáng)度,MPa。

圖9 錨固體巖土體界面平均黏結(jié)強(qiáng)度柱狀圖Fig. 9 Histogram for the average bonding strength of the anchorage body-surrounding rock interface

3 結(jié) 論

2)中風(fēng)化花崗巖中，鉆孔直徑為120 mm、錨筋直徑為28 mm、水泥砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M30時(shí)，黏結(jié)長(zhǎng)度為2.0 m的抗浮錨桿其極限抗拔承載力為240 kN，黏結(jié)長(zhǎng)度為不小于3.0 m的抗浮錨桿其極限抗拔承載力不低于320 kN，單筋抗浮錨桿的承載力高、變形小，能夠滿(mǎn)足抗浮要求。建議以錨固體頂面位移10～20 mm范圍內(nèi)荷載的較小值來(lái)確定抗浮錨桿的極限抗拔承載力。

4)錨筋軸力沿深度并非均勻分布。隨荷載水平的增加，錨筋軸力的傳遞深度逐漸增大；荷載水平越高，錨筋軸力自上而下衰減速率越快，錨筋在距錨固體頂面3.0 m以下范圍內(nèi)基本不受力?？紤]到巖土層的局部差異、錨桿施工工藝的不同和經(jīng)濟(jì)性，以及永久性錨桿要有足夠的應(yīng)力儲(chǔ)備，試驗(yàn)條件下，建議全長(zhǎng)黏結(jié)抗浮錨桿的黏結(jié)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值取3.5～4.0 m。

5)錨筋剪應(yīng)力沿深度呈先增大后減小的趨勢(shì)。隨著荷載水平的增加，剪應(yīng)力的分布范圍逐漸增大，剪應(yīng)力峰值也隨之增大，剪應(yīng)力在0.45 m的位置達(dá)到峰值，在荷載水平為360 kN時(shí)，峰值剪應(yīng)力約為2.7 MPa。