拉力分散型土層錨索工作機理與性狀

趙曉峰

（中國有色金屬工業西安勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710054）

0 引言

土層錨索在邊坡、基坑工程中得到了廣泛地應用。土層錨索錨固體長度存在一個臨界值，即當錨固段長度超過該值后，長度的增加對錨索極限承載力提高不起作用。也就是說，在實際工程中不能采用單純增加錨固段長度的方法來提高錨索極限抗拔承載力，這樣就限制了預應力土層錨索在深基坑支護中應用。特別對于深度大于20 m 的超深基坑，由于普通土層錨索提供的抗拔承載力有限、支點剛度有限，不得不選擇內支撐結構或沉井等其他造價更高、施工效率較低的施工方法。當然也可采用改善錨固段巖土體的工程性能、壓力灌漿、擴大錨固段直徑等方法來提高錨索的抗拔承載力，但提高的幅度也是很有限的。然而，采用拉力分散型型錨索，設計人員可根據結構體系所需要的拉力值靈活設計錨固體的長度。本文采用簡化理論計算及錨索原位拉拔試驗實測抗拔承載力的方法，闡述了土層錨索合理的錨固長度，并對拉力分散型土層錨索的工作機理與性狀進行了分析。

1 土層錨索的合理錨固長度

1.1 簡化理論計算

（1）張 潔等[1]，在假定錨桿與土層力的傳遞為理想彈塑性荷載傳遞模型，推導了錨桿臨界錨固長度的解析解。表達式為：

式中：E為錨固體綜合彈性模量；A為錨固體綜合面積；λ為錨桿側摩阻剛度系數，實際工程中可通過錨桿拉撥試驗P-S關系曲線反演得到，它綜合反映了多種因素對摩阻力的影響。

（2）龍 照等[2]，假定錨固體與土體之間剪應力呈倒三角形分布，并引入與抗拔樁類似的剪切位移模型，根據錨桿錨固體與周圍土體之間的位移協調原理，提出了一種錨桿臨界錨固長度的簡化計算方法。表達式為：

式中：r0為錨固體半徑；Eb為錨固體彈性模量；Es為土的壓縮模量；νs為土的泊松比；rm為錨桿的影響半徑，已有研究表明[3]，當rm＞20r0后，土體的剪應變已經很小，可以略去不計。

1.2 原位拉拔試驗方法

為了解預應力錨索抗拔承載力與錨固長度之間的關系，在西安市西郊某深基坑支護工程中進行了兩組共10處，錨索拉拔承載力的基本試驗。該工程場地地貌單元為皂河二級階地，工程基坑開挖深度21 m，自然地下水位埋深約地表下13 m，基坑工程進行了人工降水作業。第一組錨索位于基坑深度6 m處，位于自然地下水位以上的Q4可塑狀態的黃土狀土層中，共設置5個試驗錨索。試驗錨索的自由段均為5 m，錨固段長度分別為5、7、9、11、13 m。錨索成孔直徑150 mm，配4 根φ15.2-1860鋼絞線，錨孔灌注M25水泥漿，自由段采用每根套塑料波紋管隔離法。第二組錨索位于基坑深度12 m 處，位于天然水位以下，主要為Q3沖積成因的可塑狀態的粉質黏土層中，其他設計參數與第一組相同。各層土的物理力學指標值列于表1，錨索基本試驗數據見表2—表3，第一組及第二組錨索極限抗拔承載力-錨固段長度曲線圖見圖1—圖2。

表1 各層土的物理力學指標

表2 第一組錨索基本試驗結果

表3 第二組錨索基本試驗結果

如圖1所示，設錨固段長度為變量x，極限抗拔承載力為f（x），則第一組錨固段長度（x）與極限抗拔承載力f（x）關系回歸關系式為：

圖1 第一組錨索極限抗拔承載力-錨固段長度關系曲線

圖2 第二組錨索極限抗拔承載力-錨固段長度關系曲線

f″（x）＜0，曲線是凸的，令f′（x）=0，則求得x=12.60。即f（x）在x=12.60處取得極大值。因此根據擬合結果對于第一組數據，在錨固段長度為12.60 m 時，極限抗拔承載力f（x）取得極大值。f（12.6）=494.5。

同理，如圖2，第二組錨固段長度（x）與極限抗拔承載力f（x）關系回歸關系式為：

f″（x）＜0，曲線是凸的，令f′（x）=0，則求得x=13.26。即f（x）在x=13.26處取得極大值。因此根據擬合結果對于第一組數據，在錨固段長度為13.26 m 時，極限抗拔承載力f（x）取得極大值。f（13.26）=530.0。

按文獻[2]（龍 照等，2010）提出的錨桿臨界錨固長度的簡化計算方法：Lc=取錨固體半徑r0=0.075 m；錨固體彈性模量Eb=2.8×107kPa；第一組土的壓縮模量Es1=9000 kPa；第二組土的壓縮模量Es1=7000 kPa；土的泊松比νs=0.35；錨桿的影響半徑rm=20r0。求得第一組錨桿臨界錨固長度Lc1=20.62 m，第二組錨桿臨界錨固長度Lc1=23.38 m。兩組原位拉拔試驗結果得到的最大錨固段長度與公式所求錨桿臨界錨固長度的比值分別為0.611及0.567，約為試驗值的0.60倍。

2 拉力分散型土層工作機理

在錨固荷載傳遞機理方面有大量的成果。如文獻[2]在試驗和現場測試的基礎上采用擬合的方法給出錨固段剪應力的分布規律如：τz=τ0exp，（其中，d為錨體直徑，τ0為常數，z為沿錨固體方向長度，剪應力表現為指數衰減形式）。文獻[3-4]采用數值分析的方法探討了錨固段應力分布規律。文獻[5]利用無限體內部一點受集中力作用的位移解（即Kelvin問題的位移解）導出了拉力分散型錨固段受拉力作用的應力分布規律，同時得出在提供相同錨拉力條件下，拉力分散錨固型最大剪應力是拉力集中錨固型最大剪應的1/N倍，N為分散錨固段的段數（假定拉力分散型錨固段各段長度相等）。這樣在提供同樣錨拉力條件下，拉力分散錨固型最大剪應力遠遠小于拉力集中錨固型的最大剪應力，這就大降低了錨索錨固體與土層界面之間發生剪切破壞的可能性，保證了錨索能提供更大的錨固力。拉力分散錨固型與拉力集中型錨索結構及受力見圖3，由圖3可以看出拉力分散錨固型錨固段最大剪應力約為拉力集中錨固型錨固段最大剪應力的1/3倍（段數N=3），拉力分散錨固型每組鋼絞線的軸力與拉力集中錨固型每組鋼絞線的軸力大致相當；拉力集中錨固型錨固段尾部總軸力很小甚至為零，也即并未發揮作用，也就是說拉力集中錨固型如果單純靠增加錨固段長度的方法來提高錨索抗拔承載力是不行的；而拉力分散錨固型錨固段總軸力沿錨索長度分布很合理，能夠充分發揮錨索錨固段的作用，當增加錨固段的段數，就可以成倍的增加錨索的錨固力。

當然拉力分散型錨索受力與張拉工藝也有一定的關系。由于組成錨索各組鋼絞線自由段長度不同，其彈性變形大小也不相同，所以拉力分散型錨索分組張拉及整體張拉對各組鋼絞線受力影響較大，最好采用先分組張拉再進行整體張拉鎖定，或采用補償荷載整體張拉[6]的方法進行張拉，盡量使各組鋼絞線協同均勻受力。

圖3 拉力分散型錨固與拉力集中型錨索結構及受力簡圖

3 拉力分散型土層錨索的構造的改進

在實際工程設計中，特別是在土層預應力錨索設計中，往往對拉力分散型錨索的構造進行適當改進。改進方法如下：

（1）錨索各組自由段長度按照拉力分散型錨索要求設置，但對于各組錨固段鋼絞線均通配到孔底。這種改進主要考慮巖土工程的多因素、作用機理復雜、隱蔽工程質量風險大等原因，另外每米鋼絞線造價與錨固段尾部仍可提供一定的錨固力相比還是值得多余設置。另一方面，如果萬一錨固體前端由于受力大等原因錨固體與土體界面解耦失效條件下這部分鋼絞線也能起到儲備作用。改進后的土層拉力分散型錨索結構見圖4。

圖4 改進后的拉力分散錨固結構示意圖

（2）每組鋼絞線自由段與錨固段有效隔離，一般采用與鋼絞線相配套，同徑比鋼絞線直徑略大的一點的塑料波紋管進行隔離，自由段與錨固段接頭部位應采用環氧膠泥密封并用膠帶包裹牢固。作法見圖5。

（3）分組標識不同自由段的鋼絞線，在錨索張拉鎖定時，應采用先分組張拉再整體張拉鎖定。理論上，拉力分散型錨索分段數越多、受力越均勻，提供的錨固力越大，錨固段側阻力發揮越充分。但在實際工程中一般最多分3段，對土層錨索分段長度約為10 m。

圖5 自由段錨固段節點作法

4 結語

（1）在提供同樣錨拉力條件下，拉力分散錨固型最大剪應力遠遠小于拉力集中錨固型的最大剪應力，這就大降低了錨索錨固體與土層界面之間發生剪切破壞的可能性，保證了錨索能提供更大的錨固力。

（2）拉力分散型錨索受力與張拉工藝也有一定的關系。建議采用先分組張拉再進行整體張拉鎖定，或采用補償荷載整體張拉的方法進行張拉，盡量使各組鋼絞線協同均勻受力。

（3）實際工程設計中，土層錨索各組自由段長度按照拉力分散型錨索要求設置，但對于各組錨固段鋼絞線均通配到孔底。

（4）理論上，拉力分散型錨索分段數越多、受力越均勻，提供的錨固力越大，錨固段側阻力發揮越充分。但在實際工程中一般最多分3段，對土層錨索分段長度約為10 m。