深基坑支护中锚杆的预应力与摩阻力试验

深基坑支护中锚杆的预应力与摩阻力试验

王景春1,　徐日庆1,　侯卫红2

(1.浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江杭州310027;2.石家庄铁道学院土木

分院,河北石家庄050043)

摘　要:锚杆支护在国内深基坑开挖和支护中得到了广泛应用,但对其工作机理和计算方法的研究尚不够完善.以1个预应力锚杆支护的深基坑工程为实例,对工程锚杆进行了试验.通过试验,测试了锚固体在岩土中摩阻力的分布规律及其锚杆中的预应力变化,校验了锚杆的设计数据,为工程提供了设计依据.测试结果表明,锚固体与岩土体间的摩阻力沿锚杆长度不是均匀分布的,其分布规律与摩阻力水平有关,在孔口附近最大,从孔口沿锚杆长度逐渐衰减.锚杆的预应力随着时间变化,其变化与注浆量、锚杆的位置及其锁定荷载有关.锚杆杆体的受力变化对基坑开挖较为敏感,同时围护墙体的水平位移对其有一定的影响.关键词:锚杆;深基坑;试验;抗拔;摩阻力;预应力中图分类号:TU45

文献标识码:A

ExperimentalResearchonPrestressandFriction

ForceofAnchorsforDeepExcavation

WANGJing2chun1,　XURi2qing1,　HOUWei2hong2

(1.KeyLaboratoryofSoftSoilsandCeoenvironmentalEngineering,MinistryofEducation,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.DepartmentofCivilEngineering,ShijiazhuangRailwayInstitute,Shijiazhuang050043,China)

Abstract:TheretainingofanchorsiswidelyusedinChina,buttheprincipleandcalculatingmethodforsoilanchorarenotsoperfect.Inthispaper,theresearchesandtestonsoilanchorsiscarriedoutbasedonadeepexcavation.Thedistributionofthefrictionforceontheinterfacebetweensoilandmortarandthevariationofpretressinanchorsareobtainedthroughtest.Theresultshowsthedistributionofthefrictionforceisnotuniformandthestressattenuatesalongthelengthofanchor,whichisthemaximalintheorificeofholeandrelatedtotheleveloffrictionforce.Thepretressinanchorvariesintimeandiscorrelativetothegroutingamount,locationforitselfandlockingload.Thepulloutresistanceofanchorissensitivetotheexcavatingfordeepexcavation,andthedisplacementofretainingwallisinfluencedincertaindegreewhenapplyingprestressontheanchor.

Keywords:soilanchor;deepexcavation;sitetest;pulloutresistance;frictionforce;prestress

　　收稿日期:2006-05-02;　修订日期:2006-08-20.　　基金项目:国家自然科学基金项目(50678158).

　　作者简介:王景春(1968-),男,河北隆尧人,教授.主要从事岩土工程方面的教学与研究.

Email:wjc36295@163.com

　第5期王景春等:深基坑支护中锚杆的预应力与摩阻力试验589

　　锚杆排桩支护结构(或桩锚式支护结构)或锚杆支护地下连续墙支护结构是深基坑支护的常用结构,它适用于基坑周围施工宽度狭小、且邻近无深基础建筑物的工程[1].使用锚杆,可以充分发挥岩土体自身的稳定能力,且可代替内支撑,直接扩大作业空间.随着锚固技术的发展,锚杆在深基坑工程中的应用日益广泛,对锚固理论的研究也日益深入,主要集中在锚固荷载传递机理和加固效应两大内容上[224].但总的来说,对它的工作机理和计算方法研究尚不完善,对它实际受力情况也尚不十分了解[526].在基坑开挖过程中,锚杆的加入改变了围护结构的受力状态,约束了基坑边坡位移的发展,锚杆的受力又反映了基坑的稳定状态和锚杆支护的工作性能.锚杆的现场试验可以提供一种手段,使设计人员能够检验所作的设计和假设,验证解析解和数值模型[7].

文中以一个预应力锚杆支护的深基坑工程为实例,进行了锚杆的现场试验,测试结果有助于揭示锚杆支护的作用机理,较全面分析其工作性能,为设计与施工的改进提供指导和帮助.

　　基坑平面为不规则抹角长方形(160m×90

m),采用地下连续墙+预应力锚杆围护结构(见图1).地下连续墙厚0.7m,高18m,墙入基底9.0m.预应力锚杆长23m,位于地面下2.3m,间距0.80m.采用20°和15°相间隔的倾角,锚杆锚固段长18m,采用3根25的20MnSi钢.锚固土层为粉质粘土,天然容重为19.8kN/m3,固结快剪强度指标为c=15.4kPa,φ=19.2°2　锚杆的试验结果与分析2.1　锚杆的抗拔试验

通常认为锚杆的破坏形态有:

1)注浆体与岩土体间剪切破坏;2)锚杆杆体抗拉强度破坏;

3)锚杆杆体与注浆体界面破坏;

4)锚杆埋入稳定地层能够使地层呈锥体拔出.一般情况下第4种破坏不会发生,锚杆杆体的强度也很容易计算和控制,而对软岩和土层情况,锚杆的承载力通常不由杆体与注浆体间握裹力控制,而由注浆体与岩土体间极限剪切强度确定.

(CCES222根据《土层锚杆设计与施工规范》

90)[8],需对锚杆进行抗拔试验,以确定锚杆的施工质量,检验锚杆是否达到设计要求.根据场区的岩土情况,进行了2组6根锚杆的破坏性试验.试验锚杆分布在场区的不同位置.锚孔的直径130,使用425R普通硅酸盐水泥,水灰比为0.45,锚杆的自由段长5m且不注浆.典型锚杆的基本试验曲线(Q2S曲线)见图2.

1　工程概况与支护结构方案

　　某商厦由主楼和裙楼构成,其中48层的主楼为商业中心,为筒中筒结构;裙楼为8层的购物中心,框架结构,地下2层(局部3层),占地面积约为18000m2,基坑开挖深度为9m.该建筑地处闹市

区,四面临街,因而对基坑围护结构的要求较高.

该工程的地质状况如图1所示.其土层分布自上而下依次为Ⅰ层素填土、Ⅱ层粉质粘土、Ⅲ层粉质粘土与粉土、Ⅳ层细砂、Ⅴ层粉质粘土.整体来看场地的土层较均匀,基础采用箱基+桩基.该场地的地下水较丰富,地下水位在地面以下2.0m,水随季节变化有所升降,年变幅为0.5～1.0m.

图2　锚杆的Q2S曲线

Fig.2　TherepresentativeQ2Scurvesofanchor

　　根据现场拉拔试验,6根锚杆的承载力分别为

372、414、427、367、408和397kN,满足了锚杆在粉质粘土中工作荷载要求达到350kN的设计要求.2.2　锚杆杆体的受力变化规律

图1　地质剖面与围护结构简图

Fig.1　Sketchforgeologicalsectionandretainingstructure

研究锚杆杆体受力分布规律的试验,是通过在杆体的不同位置粘贴电阻应变片进行的.试验在对

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τ=(Ni-Ni-1)/πDΔl

将式(1)代入式(2)得

τ=(EgAg+EcAc)(εΔli-εi-1)/πD

(2)(3)

锚杆施加预应力并锁定后开始,共进行了3根锚杆的实测,应变片的贴片位置见图3.但在施工过程中

其中2根被损坏,所以测试结果仅列了1根锚杆的测试数据,试验结果见图4.

式中,Eg,Ec分别为钢筋和注浆体的弹性模量;Ag,

εAc分别为钢筋和注浆体的截面积;i为任一截面i

的应变值;Δl为两测点之间的距离;D为锚固体的直径,可用钻孔直径代替.

根据式(3)计算出摩阻力随时间的变化规律,绘于图5中.从图5可以看出:1)在任一时间内(一级荷载作用下),锚固体与岩土体间的剪应力沿锚杆长度分布是不均匀的,在孔口附近最大,从孔口沿锚杆长度逐渐衰减.

2)随着时间的延长,锚杆锚固体与土体之间的摩阻力是逐渐提高的.但是,锚杆的摩阻力在不同的位置其增长的峰值却不是同时出现的.在基坑开挖到底、底板打好后,此时的摩阻力基本趋于稳定.

单位:m

图3　电阻应变片布置图

Fig.3　Thelayoutofstraingauges　　随试验时间和开挖深度的增加,锚杆钢筋传力的位置和大小由图4可以一目了然.通过曲线显示,在基坑开挖深度不变的时间段里(即基坑不挖土),杆体不同位置处钢筋的受力变化比较均匀或者说没有突变(第7点破坏,没有反应);当基坑开挖时(基坑挖至3m时安装锚杆,图4中第45d进行土体开挖,挖至6m,第89d再次开挖直到基底,110d底板浇注完成),随着开挖深度增加,由图4可以明显地表现为曲线的陡升,这一现象说明杆体的受力变化对基坑的开挖比较敏感,其敏感性的大小与程度视一次的开挖深度而定.当然,另一个表现敏感性的因素,是一次开挖基坑的宽度,随着基坑开挖宽度的增大,杆体各部位的受力也在增加,但是增加的幅度不大.

图5　摩阻力随时间的变化规律

Fig.5　Variationoffrictionversustime

　　摩阻力在同一天的时间内,沿杆体锚固段的摩阻力分布规律见图6.图6中曲线1为较低摩阻力

时的前期分布,曲线2为摩阻力水平高时的后期分布.曲线1、2之间有1个转换过程,曲线的形状由凸形变为凹形,则在曲线1、2之间一定有1个直线分布,即摩阻力沿锚固长度逐渐递减的分布规律.但是,在锚固段末端的摩阻力水平并不趋于零,而是存在有一定数值大小的摩阻力.

图4　锚杆的应变随时间的变化曲线

Fig.4　Thecurvebetweenstrainofanchorandtime

2.3　摩阻力的计算与变化规律

锚杆在外荷载作用下,任一截面上的内力等于钢筋内力与注浆体内力之和,而两截面内力之差即为该区间注浆体与岩土间的剪切力,剪切力除以该区间注浆体表面积即为该区间的平均剪应力.锚杆任一截面的内力为

Ni=EgAεggi+EcAεcci=(EgAg+EcAc)εi区间平均剪应力

(1)

图6　沿锚固长度锚固体与土体之间的摩阻力分布

Fig.6Thedistributionoffrictionforcealonganchoringlength

　第5期王景春等:深基坑支护中锚杆的预应力与摩阻力试验

2.5　注浆对锚杆承载力的影响

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2.4　锚杆的预应力随时间的变化规律

锚杆的预应力采用GMS型锚索测力计进行测试,以检查锚杆的预应力变化,确认锚杆的长期工作性能.共进行了5根锚杆的预应力监测,预应力的变化见表1.典型的监测曲线见图7.为研究注浆对锚杆承载力的影响,本工程对其中2根锚杆进行了二次常压注浆与二次高压注浆的对比试验,其中一次注浆的压力均为0.9MPA,试验结果见表2.

表2　注浆方式对承载力的锚杆影响Tab.2　Effectofgroutingmodeonpullresistanceofanchor

注浆方式最大注浆压力/MPa

3.73.51.00.9

注浆量/Kg一次80090010001200

二次

50035010050

427408327282

承载力/kN

二次高压二次常压

　　比较二者的极限承载力,可以看出二次高压注

图7　锚杆预应力随时间的变化规律Fig.7　Variationofprestressinanchorsversustime

表1　锚杆中的预应力变化

Tab.1　Variationofprestressinanchors

锚

杆

y1y2y3y4y5

锁定荷载/kN

205210150201226

预应力损失/%

7.3(25d)10.5(25d)1.33(2d)7.0(24d)6.2(2d)

基底垫层打好,预应力增长/%

39.018.618.259.760.6

注浆量

/kg15001150600900950

二次高压注浆量/kg

450750300300600

浆的极限承载力平均可以提高1.4倍,二次常压注浆甚至达不到设计工作荷载,可见注浆方式对锚村的承载力的影响不可忽视.究其原因,常压(0.5～1.0MPa)注浆主要是充填钻孔掏空或天然沉积溶空,这时基本上没有多大的阻力.二次高压(3.0～5.0MPa)注浆,是在一次充填完成的基础上进行的,一次注浆形成的注浆体已有一定的强度.高压对原水泥浆进行了沿锚杆杆体不同位置的劈裂,这样浆液在土中沿部分土层的层理界面对土体进行挤压、扩散,形成层状、板块状和脉动状分布,构成土体的骨架.随着注浆的连续进行,注浆压力增大,土层的吃浆量、吃浆速度逐渐减小,层面裂隙不断填满,土层被压密,土颗粒被移动、重新排列、水气排出,这样起到加固土体的作用,从而提高锚杆的承载力.

2.6　锚杆对墙顶水平位移的影响

　　从表1和图7可以看出:对锚杆施加的预应力

越高,其在开挖前的预应力损失也越大;在土体开挖到基底后,预应力的增长幅度则不能确定.预应力在后期基坑开挖过程中的增长,主要和基坑的开挖方式、开挖速度有关.同时还和锚杆的位置有关,如Y4和Y5两根锚杆分别位于基坑两长边的墙体近中间位置,故基坑开挖到底后,其受力肯定较其余3根位于两短边墙体的锚杆不同.在相同的预应力水平下,后期的预应力增长幅度前者要比后者大许多.

此外,锚杆的注浆量对锚杆的预应力也有影响.锚杆的注浆量越大,其预应力损失则稍偏高,但第二次高压注浆量越多,锚杆的预应力损失却稍偏低.究其原因,第一次注浆后,初步形成了锚杆的锚固体,对周围的土体进行一次挤压和向土中扩散浆液,加固了土体,使土体的固结度提高;二次高压注浆后,进一步向土体中扩散浆液,使土体、锚固体更加密实.由此不难看出,二次高压注浆量越大,地层的固结越高,反映到锚杆上则预应力损失较小.

为反映工程信息,及时采取工程措施,在该基坑施工时进行了现场监测,图8为锚杆所在连续墙墙顶位移随时间的变化曲线.

图8　连续墙墙顶水平位移随时间的变化

Fig.8　Displacementondiaphragmtopversustime

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有一定的影响,锚杆杆体的受力变化对基坑的开挖比较敏感.

2)锚固体与土体间摩阻力沿锚杆长度的分布是不均匀的,在孔口附近最大,沿锚杆长度从孔口向孔底衰减.根据本试验的情况说明,随着时间的延长,锚杆锚固体与土体之间的摩阻力是逐渐提高的,但是锚杆的摩阻力在不同位置时,其增长的峰值却不是同时出现的.所以摩阻力的分布规律与摩阻力水平有关.3)锚杆预应力随时间的变化有损失,对本工程来说,其损失程度在6%～10%之间.锚杆内的预应力变化与锚杆的位置、注浆量和锁定荷载有关,锚杆内的预应力对基坑的开挖非常敏感.

从图8中可以看出:

1)施加锚杆前位移-时间的变化速率比施加锚杆后位移-时间的变化速率大.

2)锚杆张拉完毕后(第41d),由于预应力的作用,可以将连续墙回拉2～4mm.

3)在基坑开挖到设计深度,底板浇注完成后,连续墙的位移会较为稳定、近于不变,且连续墙的位移对基坑突然的开挖较为敏感.这与锚杆在同一时间内的受力变化相似.

3　结　语

　　1)对于本工程来说,锚杆的设计是合理的,达到了设计的承载力.锚杆对地下连续墙的水平位移参考文献:

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(责任编辑:彭守敏)