合肥濱湖地區深基坑錨索應用試驗研究

趙 亮

(中鐵建設集團有限公司 北京 100043)

1 引言

錨索已有100多年的使用歷史，在20世紀30年代得到了大規模使用。1934年，阿爾及利亞Shelfa大壩使用預應力錨索來控制巖石和土體的變形[1]。1964年我國在安徽首次成功用于加固水庫壩基[2]。基于錨索具有工藝簡單、施工速度快、費用低等優點，被廣泛應用于邊坡工程[3-4]。近年來基坑工程深度不斷增加，預應力錨索配合排樁、地連墻等構件廣泛應用于深基坑工程[5-7]。為了不形成地下障礙物，各種形式的可回收錨索被引入工程，以壓力型為主，回收采用熱熔、機械等方式。

根據相關文獻研究結果[8]，錨索長度達到一定數值后，錨索的錨固力并不會增加，即存在一個極限錨固長度，因此也有做成擴大頭以提高承載力的案例[9-11]。

我國各地地層差異較大，因此依賴地層提供錨固力的錨索應用會對試驗測試特別重視，《建筑基坑支護技術規程》和《建筑邊坡工程技術規范》中均對錨索承載力應通過現場試驗確定做了相關規定。黃明華[12]等通過理論分析和現場試驗研究了地層中錨固位置對錨索受力的影響，并給出了錨固界面與錨索受力的非線性特征。于連山[13]在贛州西站通過劈裂注漿技術提高了錨索承載力，取得了較好效果。但是我國各地區地質條件差異較大，應針對每個地區專門進行試驗及分析。

2 工程條件

擬建工程位于合肥市濱湖新區，基坑面積約20 000 m2，深度22 m，周邊場地開闊，具備施工錨索條件。基坑開挖土層為人工填土、粘性土、粉質黏土、強風化泥質砂巖等，基坑開挖范圍內未見地下水。

本工程錨索主要應用地層為黏土層，因此，基本試驗也在此地層進行。根據地勘報告描述：黏土，褐黃、黃褐色，含氧化鐵，硬塑～堅硬，具有膨脹性，切面光滑有光澤，干強度高，韌性高，無搖振反應。

本基坑采用樁錨支護，灌注樁直徑為1.0 m，間距1.6 m。主要剖面設置6道錨索，長度18～26 m不等。主要支護剖面如圖1所示。

圖1 支護結構剖面(單位：mm)

支護設計單位取錨索抗拔力10 kN/m，單根錨索抗拔力約200 kN，對比規范取值偏差較大。為了更好地確定錨索抗拔力，做到設計安全、經濟合理，現場各方確定進行錨索抗拔力試驗。

3 抗拔試驗

3.1 試驗方案

試驗選擇錨索主要穿越的粘性土層，在自然地面預先向下開挖4.5 m深度，滿足錨索之上覆土深度不小于4 m，以測得實際工作錨固力。試驗坑位置位于基坑中部，不影響后期支護樁施工。圖紙設計的錨索為普通拉力型，因此試驗錨索也采用普通拉力型，長度選取與工程錨索長度相近，分為21 m和25 m兩種。其中3根錨索長度為21 m，其余3根錨索長度為25 m，相關設計參數見表1。

表1 錨索設計參數

3.2 錨索施工工藝

預應力錨索成孔采用螺旋型錨桿鉆機，成孔直徑150 mm，深度超過設計深度0.5 m。成孔后下放鋼絞線，鋼絞線采用支架綁扎成籠，自由段刷黃油并用波紋管包扎。采用混凝土腰梁，高800 mm、寬800 mm，配置12根直徑20 mm的主筋，箍筋直徑8 mm，間距200 mm，澆筑 C30混凝土。錨索完成后照片見圖2。

圖2 錨索施工完成現場

3.3 張拉測試方案

本次試驗采用合肥市某廠生產的千斤頂，型號YGQ1000，校準方程y=0.016 19+0.052 374x，其中，x為千斤頂拉力(kN)；y為油表讀數(MPa)。該千斤頂可施加最大力(量程)為1 000 kN。測量錨索位移量采用游標卡尺，測量墻體位移采用電子千分表。

本次試驗采用循環加載法。待錨桿水泥漿強度達到設計強度、腰梁強度達到設計強度的75%后，開始預應力錨索試驗。安裝千斤頂與千分表需注意，千分表及千斤頂的軸線需與錨索方向對齊，減少因角度偏差所引起的誤差。安裝形式見圖3。

圖3 現場錨索試驗

1～3號錨索加載分級見表2，4～6號錨索加載分級見表3。分級荷載加載完成后，進行破壞張拉。

每加一級荷載，需在此荷載水平穩定一段時間。當錨頭位移增量不大于0.1 mm時，可施加下一級荷載；否則應延長觀測時間，并應每間隔30 min測讀錨頭位移1次，當連續兩次出現1 h內的錨頭位移增量小于0.1 mm時，可施加下一級荷載。

表2 1～3號錨索分級加載值及觀測時間

表3 4～6號錨索分級加載值及觀測時間

當錨索位移不斷增大且不收斂，并在規定時間也不滿足穩定判別指標，或者從第二級加載開始，每增加一級荷載，后一級增加的荷載出現的位移增量是該級荷載對比前一級荷載位移增量的5倍以上，錨固力位移曲線出現了拐點，或者錨索桿體破壞，出現上述三個條件之一，可終止試驗。

當錨索在試驗時出現了終止試驗的條件，應取終止加載的前一級荷載值；若試驗結束后仍未出現終止試驗的條件，取最大荷載值。

進行拉拔試驗的錨索，當極限承載力與其平均值的差不超過平均承載力的30%，可取平均值；當超過30%時，應增加錨索的數量進行加載試驗，分析原因，按照實際情況分析后確定錨索的極限抗拔承載力。

4 錨索試驗數據處理分析

4.1 21 m長度錨索數據處理分析

根據加載值及測得的位移，繪制曲線圖。1號錨索循環加載曲線見圖4。

圖4 1號錨索循環加載曲線

由圖4可知，當軸力達到400 kN之后，軸力增加但位移不再增加，這是因為在1號錨索加載時，錨索受到擠壓，在腰梁后形成密實的土體，可認為錨桿桿體破壞。

按照《建筑基坑支護技術規程》4.7.4計算公式，錨桿極限抗拔承載力標準值Rk為：

依據規范對qsk的規定，可計算土釘錨固體與土體極限粘結強度標準值qsk的大小。錨固段長度l為14 m，Rk取400 kN，直徑d取 0.15 m，計算得qsk=60.66 kPa。

根據加載值及測得的位移，繪制曲線圖。2號錨索循環加載曲線見圖5。

圖5 2號錨索循環加載曲線

由圖5可知，加載至300 kN，曲線比較平緩，判斷錨索并未達到破壞，因此可以認定2號錨索的極限抗拔承載力不小于300 kN。

圖6 3號錨索循環加載曲線

由圖6可知，加載至300 kN，曲線比較平緩，判斷錨索并未達到破壞，因此可以認定3號錨索的極限抗拔承載力不小于300 kN。

1號錨索試驗測得抗拔承載力為400 kN，計算得出錨固段注漿體與地層間的粘結強度標準值為60.66 kPa；2號、3號錨索計算得出錨固段注漿體與地層間的粘結強度標準值均為45.50 kPa。

對于1～3號錨索，極限荷載抗拔承載力分別為400 kN、300 kN、300 kN，平均值 333 kN，平均值的30%為100 kN。1～2號錨索與3號錨索的極限抗拔承載力均在規定范圍內，因此可確定基坑注漿錨索極限抗拔承載力為333 kN，可計算得出21 m長(錨固段長為14 m)錨索qsk=52.55 kPa。

4.2 25 m長度錨索數據處理分析

根據加載值及測得的位移，繪制錨索循環加載曲線，見圖7～圖9。

圖7 4號錨索循環加載曲線

由圖7可看出，加載到450 kN時，錨索并未呈現出塑性變形，因此可以確定錨索抗拔力不小于450 kN。

圖8 5號錨索循環加載曲線

由圖8可知，加載到設計荷載的140%即420 kN時，錨索并未呈現出塑性變形，因此可以確定錨索抗拔力不小于420 kN。

圖9 6號錨索循環加載曲線

由圖9可知，加載到534 kN時，錨索并未呈現出塑性變形，因此可以確定錨索抗拔力不小于534 kN。

根據公式計算4號～6號錨索qsk分別是53.08 kPa、49.54 kPa、62.99 kPa。

對長度為25 m的4號～6號錨索進行統計分析，抗拔承載力依次為450 kN、420 kN、534 kN，平均值468 kN，平均值30%為140 kN，極差均不超過30%，因此可取25 m長度(錨固段長度18 m)錨索的抗拔力為468 kN，可計算得出25 m長錨索qsk=55.20 kPa。

對比兩組試驗結果可知，本工程地層測得的qsk差距很小，這也印證了測試結果的準確性，可用于指導基坑設計。

5 工程應用

通過現場錨索基本試驗，長度為21 m(錨固段長度14 m)和長度為25 m(錨固段長度18 m)錨索的錨固體和土的界面摩阻力分別為52.55 kPa與55.20 kPa。而在工程設計中，考慮基坑深度比較大，出現破壞影響范圍比較廣，應用值做適當降低，以不超過45 kPa為原則進行設計，錨索設計參數見表4。

表4 工程錨索設計參數

工程依據設計參數施工，基坑開挖至既定深度時，最大樁頂水平位移為38 mm，出現在基坑長邊中部，符合常規樁錨支護基坑的變形規律，滿足規范規定的一級基坑安全要求。

現場按照1%的比例設置振弦式錨索軸力計，實測錨索軸力均未超過設計值，錨索軸力實測值在0.5～0.9倍設計值范圍，這與基坑設計的土壓力計算參數選擇有關，基坑設計有一定的安全儲備。

6 結論

基于錨索這一特定的受力構件過分依賴土體的特性確定自身承載能力的特點，在合肥濱湖地區通過現場錨索基本試驗測得工程地點的錨索抗拔力，實測值較原設計高出較多，依據試驗結果對設計進行優化，使得設計更加合理，在保證基坑安全的情況下，也取得了很好的經濟效益，可為該地區以后的錨索設計提供參考。