全長黏結巖石抗浮錨桿承載性能現場試驗

白曉宇，鄭 晨，張明義，王永洪，閆 楠

(1. 青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033；2. 青島大學 環境科學與工程學院，山東 青島 266071)

抗浮錨桿以地層適應能力強、錨固力高、造價低、工期短、受力合理等諸多優勢備受青睞，在建筑物地下室、地下停車場、污水處理池、地鐵與隧道、地下綜合管廊、儲油罐及港工、水工構筑物等土木工程多個領域得到了廣泛的應用[1-4]。尤其在堅硬的巖石地基中，施工大直徑抗浮樁非常困難，工效低，抗浮錨桿的優勢更加凸顯，具有顯著的經濟效益[5]。

抗浮錨桿作為抵抗地下水浮力的結構構件，受地下水位變化的影響較大，錨筋常選用螺紋鋼筋。調查發現，抗浮錨桿在實際工程的應用往往超前理論研究。近年來，國內外學者對抗浮錨桿的研究取得了較多成果。在試驗和測試方面，賈金青[6]、柳建國[7]、張明義[8]、白曉宇[9-10]等通過現場試驗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力應變分布規律及其長期抗拔承載力。在數值模擬方面，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力分布特征。在實際工程中，由于抗浮措施選用不當，導致地下車庫、地下室、地鐵道床上浮的事故屢見不鮮，主要是對抗浮錨桿的承載機制認識不足。此外，由于抗浮錨桿的基本試驗開展較少，人們對其承載力和變形很難確切把握；另一方面，中國目前尚無抗浮錨桿的國家及行業標準，加上巖石成因類型及分布較為廣泛，規范提供的設計參數分布范圍較大，參數選取非常困難；由于設計標準不確定，很多工程中抗浮錨桿設計很長，造成資源浪費。鑒于此，有必要系統開展巖石地層中全長黏結抗浮錨桿試驗，確定其合理錨固長度及其極限抗拔承載力，為巖石地基中抗浮錨桿的設計、施工與檢測提供參考，為編制抗浮錨桿的技術標準提供理論支持。

1 現場試驗方案及過程

1.1 試驗場地概況

試驗場地位于已開挖巖石基坑內，場區內為中風化花崗巖，巖體呈塊狀構造，節理裂隙發育，厚度約為3.5～16.7 m，地下水位埋深約為1.7～7.2 m。中風化花崗巖的力學指標,如表1所示。

表1 巖層力學指標Table 1 Mechanical index of rock layer

1.2 試驗設計

試驗共設置13根試驗錨桿，間距均為3.0 m，錨桿孔直徑為120 mm，孔深超過錨筋的黏結長度50 cm。桿體材料選用HRB400螺紋鋼筋，屈服強度標準值為400 MPa，彈性模量為200 GPa。錨固體材料選用M30商品水泥砂漿，錨桿的試驗參數如表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力分布規律，在錨筋SA4.5-01表面安裝了9個光纖光柵應變傳感器，傳感器通過兩端的支座焊接在錨筋上，地表附近傳感器間距較密，離地表較遠處傳感器布置的相對稀疏，光纖光柵應變傳感器的設置情況如圖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 抗浮錨桿試驗參數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 試驗過程

整平場地后，利用潛孔鉆機成孔，錨桿孔垂直向下，將裝有定位支架的錨筋送入錨桿孔內，當錨筋到達預定的標高后，開始灌注水泥砂漿，同時澆筑2組立方體試件用于測試錨固體的抗壓強度。錨固體的強度達到15 MPa或達到設計強度的75%后進行現場抗拔試驗，抗浮錨桿試驗裝置如圖2所示，與文獻[19]類似，只是將錨具直接焊接在錨筋外表面，錨具為厚度3 cm、邊長10 cm的方形鐵板，中央開直徑為3 cm的圓孔，抗浮錨桿的具體試驗流程,如圖3所示。

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

試驗為極限荷載下的拉拔試驗，采用逐級單調加載，荷載的施加順序為0→40→80→120→160 kN……，每級荷載穩壓時間不少于15 min，直至錨桿發生破壞。荷載值由錨索測力計直接量測，錨固體頂面位移的測讀、終止加載條件、錨桿的破壞標準以及極限抗拔承載力的確定均按《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120—2012)[20]執行。

圖3 錨桿試驗流程Fig. 3 Anchor experimental process

2 試驗結果分析與討論

2.1 破壞現象與特征分析

表3 錨桿試驗結果匯總Table 3 Summary of the anchor experimental results

圖4 抗浮錨桿破壞形態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系曲線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]，在試驗時間較短的情況下，可忽略溫度變化對錨筋應力變化的影響。通過光纖光柵應變傳感器計算錨筋軸力與剪應力的原理與文獻[28]相同。錨筋SA4.5-01軸力沿深度的變化規律如圖6所示。隨著荷載水平的增加，錨筋軸力傳遞深度逐漸加大，總體來看，軸力的傳遞深度在2.4 m以內。在地表附近，錨筋軸力及其隨荷載的增幅均達到峰值，在1.2 m以內，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開始，錨筋軸力幾乎衰減為零。說明錨筋與錨固體之間的黏結力并不是在錨固深度范圍內均勻分布，而是自上而下逐步發揮，但并非沿錨固深度完全發揮出來。因此，當錨筋的黏結長度達到某一定值后，僅靠增加黏結長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]等研究結果一致。試驗中，2組抗浮錨桿SA4.5和SA6.5均發生錨筋拔斷現象，進一步說明黏結長度為4.5 m和6.5 m的抗浮錨桿，錨固長度足夠，結合表3和圖5可以確定，直徑28 mm、錨固體為M30水泥砂漿、中風化花崗巖中抗浮錨桿的應力傳遞深度不超過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濟性，以及永久性錨桿足夠的應力儲備，試驗條件下，建議在中風化花崗巖中，錨筋直徑為28 mm、錨固體為M30水泥砂漿的全長黏結抗浮錨桿的合理錨固長度為3.5～4.0 m。

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

2.4 錨筋表面剪應力沿深度分布規律

錨筋SA4.5-01表面剪應力沿深度的分布規律如圖7所示。錨筋剪應力沿深度呈先增大后減小的趨勢，在錨固體頂面附近，剪應力具有數值大和分布集中的特點。在錨固體頂面處剪應力為零，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，剪應力的分布范圍逐漸增大，剪應力峰值也隨之增大，剪應力在0.45 m的位置達到最大值，在荷載水平為360 kN時，峰值剪應力約為2.7 MPa。

圖7 錨筋剪應力沿深度的分布規律Fig. 7 Distribution rule of the rod shear stress alone depth

錨筋承受剪應力的大小與荷載水平成正比，荷載水平越高，剪應力越大，而且不同荷載水平下剪應力的分布規律基本一致。另外，Coates等[31]研究發現，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)是影響剪應力大小和分布規律的另一個主要因素，Er/Ea越小，錨固體頂面附近的剪應力分布越均勻，試驗也說明了這一點。

2.5 錨筋錨固體界面黏結強度

τa=Tu/πdla,

(1)

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

(2)

式中，τ(x)為極限承載狀態下錨筋上的應力分布函數。

2.6 錨固體巖土體界面黏結強度

錨固體與巖土體界面的平均黏結強度計算公式為

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度,m；f為錨固體與巖土體的平均黏結強度,MPa。

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

3 結 論

2)中風化花崗巖中，鉆孔直徑為120 mm、錨筋直徑為28 mm、水泥砂漿強度等級為M30時，黏結長度為2.0 m的抗浮錨桿其極限抗拔承載力為240 kN，黏結長度為不小于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，能夠滿足抗浮要求。建議以錨固體頂面位移10～20 mm范圍內荷載的較小值來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以下范圍內基本不受力。考慮到巖土層的局部差異、錨桿施工工藝的不同和經濟性，以及永久性錨桿要有足夠的應力儲備，試驗條件下，建議全長黏結抗浮錨桿的黏結長度設計值取3.5～4.0 m。

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