基于拉拔實驗的錨索可靠性分析

摘 "要：預應力錨索普遍應用于基坑支護工程中，而錨索施工質量的可靠性對于基坑工程安全有重要意義。因此，該文基于現場錨索拉拔實驗結果，分析與評價該錨索是否達到設計要求，同時利用MIDAS有限元軟件建立錨索在基坑開挖結束錨索軸向應力與位移變化特征的數值模型，綜合評價該基坑錨索的可靠性。

關鍵詞：基坑支護；錨索；拉拔實驗；數值模擬；可靠性

中圖分類號：TU457 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2023）20-0063-04

Abstract： Prestressed anchor cable is widely used in foundation pit support engineering， and the reliability of anchor cable construction quality is of great significance to the safety of foundation pit engineering. Therefore， based on the experimental results of on-site anchor cable drawing， this paper analyzes and evaluates whether the anchor cable meets the design requirements， and establishes the numerical model of the axial stress and displacement of anchor cable at the end of foundation pit excavation by using MIDAS finite element software to comprehensively evaluate the reliability of the anchor cable in the foundation pit.

Keywords： foundation pit support; anchor cable; pull-out test; numerical simulation; reliability

錨索能夠提供主動抗力，利用鋼絞線或鋼筋將載荷傳至深部土層，目前被廣泛運用于基坑支護，邊坡支護等工程中[1-3]。錨索的可靠性是保證工程安全的重要保障，而對錨索極限承載力的計算目前國內學者進行大量的實驗研究與理論計算[4-6]，在進行錨索可靠性檢測時常采用現場拉拔試驗[7-8]，其原理主要是采用破壞性實驗，繪制錨索在極限拉拔荷載條件下P-S曲線，來確定錨索極限承載力。但大部分拉拔實驗屬非破壞性實驗，拉拔荷載實際加載到大于設計承載力時停止實驗，并不能準確說明錨索的可靠性，忽略了錨索與注漿體的協同變形。因此，本文建立彈塑性理論數學模型，研究錨索在軸向應力作用下的位移變化規律，結合現場拉拔試驗結果，通過MIDAS軟件分析基坑開挖結束后錨索實際承受荷載，更加科學地評判錨索的可靠性。

1 "理論研究

1.1 "錨索自由段的彈性變形

錨索在軸向荷載作用下，其變形主要包括自由段的彈性變形u1和錨固體與錨固界面之間的剪切變形u2，因此總位移u為

u=u1+u2 。 （1）

由彈性理論可知，錨索自由段的理論伸長量u1為

u1＝ＰＬa/E1A1 ， " （2）

式中：Ｐ為軸向荷載，Ｌa為錨索自由段長度，E1為錨索鋼絞線的彈性模量，A1為錨索鋼絞線的橫截面積。

1.2 "錨固體與錨固界面的剪切變形

經研究錨索錨固體與錨固界面之間的剪應力與剪切變形的規律共分為2個階段，即錨固界面處在極限抗剪強度前的彈性變形和極限抗剪強度后的塑性變形，具體如圖1所示。

因此，當錨固體在軸向應力作用下處在彈性階段時，認為錨固體為理想的彈塑性體，直徑為D，彈性模量Er，錨固段長度為Lb，鋼絞線與注漿體協同變形。因此根據虎克定律，取錨固段的微單元體dz，建立錨固體微單元靜力平衡方程。

2 "現場拉拔試驗

2.1 "工程概況

本基坑工程安全等級為一級，為研究蘭州某棚戶區改造基坑支護項目錨索的錨固性能，檢驗錨索的抗拔力及施工質量是否達到設計標準，結合現場實際情況，隨機選取錨索MG-1、錨索MG-2、錨索MG-3作為本次實驗對象，錨索參數見表1。檢測錨桿錨固段均嵌固在卵石地層中，其軸向抗拔應力設計值NK為180 kN，極限抗拔應力設計值NKmax為350 kN。

2.2 "試驗方法

試驗儀器主要采用50 t的數顯式拉拔儀，軸向拉拔荷載采取1.4 NK單循環方式逐級加載，參照JGT 120—2012《建筑基坑支護技術規程》，作為評判錨索是否達到設計要求的依據，評判錨索的可靠性。

2.3 "數據分析

MG-1的錨索錨頭位移與張拉荷載的關系曲線如圖3所示。經現場檢測，MG-1在峰值荷載252 kN作用下產生20.15 mm的軸向變形。帶入式（2），在峰值荷載作用下MG-1錨頭自由段理論伸長量為21.00 mm，預應力錨索進行非破壞拉拔實驗時規范要求錨鎖最大理論彈性伸長量為29.16 mm。則MG-1錨頭位移現場實測值符合要求，說明MG-1施工安全可靠。

MG-2的錨索錨頭位移與張拉荷載的關系曲線如圖4所示。經現場檢測，MG-2在峰值荷載252 kN作用下產生20.02 mm的軸向變形。帶入式（2），在峰值荷載作用下MG-2錨頭自由段理論伸長量為21.00 mm，預應力錨索進行非破壞拉拔實驗時規范要求錨鎖最大理論彈性伸長量為29.16 mm。則MG-2錨頭位移現場實測值符合要求，說明MG-2施工安全可靠。

MG-3的錨索錨頭位移與張拉荷載的關系曲線如圖5所示。經現場檢測，MG-3在峰值荷載252 kN作用下產生14.53 mm的軸向變形。帶入式（2），在峰值荷載作用下MG-3錨頭自由段理論伸長量為17.5 mm，錨索自由段長度與1/2錨固段之和的理論彈性伸長量的25.66 mm。MG-3錨頭位移現場實測值符合規范要求，說明MG-3施工安全可靠。

2.4 "有限元分析

本文第二節論述了錨桿在極限荷載作用下錨索錨頭彈塑性變形特征，其結果主要基于破壞性實驗進行計算。但在實際拉拔實驗中，大部分屬非破壞性實驗，當利用上述公式計算時并不能準確的反映錨索的極限剪切強度和殘余剪切強度，且在計算錨索錨固段塑性變形區域長度時過程過于繁瑣且誤差較大，因此，本文通過MIDAS軟件進行模擬，其過程相對簡單，并更加準確預測錨索的變形趨勢。自上而下錨索編號依次為MG1、MG2、MG3。各材料參數見表2，模型建立結果如圖6所示。

經模型分析可知，錨索在正常工作狀態下MG-1錨頭位置最大將產生206 kN的軸向應力，MG-2錨頭位置最大將產生192 kN的軸向應力，MG-3錨頭位置最大將產生234 kN的軸向應力，具體結果如圖7所示。

經模型分析可知，錨索在正常工作狀態MG-1錨索錨頭位置最大將產生19.7 mm的軸向位移，MG-2錨索錨頭位置最大將產生18.5 mm的軸向位移，MG-3錨索錨頭位置最大將產生19.9 mm的軸向位移，具體結果如圖8所示。

通過上述模擬分析可知，錨索在基坑開挖結束后，其軸向所承受的最大荷載均滿足設計要求，軸向產生的位移與現場實測結果相差較小，因此認為該基坑錨索能保證工程安全。

3 "結論

基坑樁錨支護措施中錨索能夠提供主動抗力，利用鋼絞線或鋼筋將載荷傳至深部土層，因此評價錨索的施工質量及可靠性對于基坑安全及穩定性具有重要意義。本文通過現場錨索拉拔試驗和數值模型綜合評價了錨索的可靠性，并得出以下結論。

現場隨機抽取3根錨索，在最大荷載作用下，其軸向變形符合相關規范要求，該錨索施工符合設計要求。

通過數值模型分析可知，錨索在基坑開挖結束后，其最大軸向應力小于拉拔實驗最大荷載，得出該錨索能夠提供安全的軸向承載力，保證基坑的安全與穩定。

參考文獻：

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