合肥地區土層抗浮錨桿極限粘結強度取值估算

童 進， 祝冰青， 李 鵬

(1.安徽審計職業學院，安徽 合肥 230601；2.安徽水利水電職業技術學院，安徽 合肥 231603; 3.安徽河暢建筑工程有限公司，安徽 合肥 234000)

抗浮錨桿承載力的發揮主要取決于錨固體與周邊土層的極限粘結強度。目前,在抗浮錨桿的設計過程中,對于極限粘結強度取值多數參照相關規范,并結合現場錨桿試驗確定。但是,膨脹土具有區域性,性質不一,按規范取值具有局限性,本文擬綜合考慮合肥地區膨脹土物理力學性質、錨桿埋置于土層的深度以及地下水的影響,提出采用庫倫強度理論估算極限粘結強度,以期用于本地區抗浮錨桿承載力設計。

1 極限粘結強度規范取值

依據《建筑基坑支護技術規程》可知,錨桿極限抗拔承載力應通過抗拔試驗確定,也可按式(1)估算:

Rk=πd∑qsk,ili

(1)

表1 錨固體與黏性土極限粘結強度標準值(考慮注漿程序)

表2 錨固體與黏性土極限粘結強度標準值(不考慮注漿程序)

其中,Rk為錨桿極限抗拔承載力標準值,kN;d為錨桿的錨固體直徑,m;li為錨桿的錨固段在第i層土中的長度,m;qsk,i為錨固體與第i土層的極限粘結強度標準值,kPa,根據工程經驗結合規范表取值,其中關于錨固體與黏性土極限粘結強度標準值的取值部分如表1所列。

建筑邊坡工程技術規范關于錨桿抗拔承載力的計算與上述規程類似,在關于錨固體與黏性土的極限粘結強度標準值取值部分,與規程略有差異,不考慮施工過程中的注漿程序,標準值的取值如表2所列。

建筑地基基礎設計規范對錨固體與黏性土的極限粘結強度標準值取值作出規定,極限粘結強度應由當地錨桿拉拔試驗結果統計分析得到。

由此可知,規范中對錨桿極限粘結強度標準值取值規定,在沒有試驗結果的情況下,多數采取的是依據工程現場經驗結合規范參考值進行選取。

2 錨桿極限粘結強度取值分析

錨桿的破壞形態主要是錨固體與土體間剪切破壞，所以,在實際工程應用中,錨桿的極限粘結強度主要由錨固體與土體間極限剪切強度控制。

采用規范公式計算錨桿的抗拔承載力時,通常假定錨固體與土體間極限剪切強度呈均勻線性分布,極限粘結強度取一定值,如圖1所示。這種假定不考慮錨桿的埋置深度、土層的物理性質以及地下水的影響,具有一定的局限性,按此公式計算錨桿的承載力需配合現場錨桿試驗進行驗證。

有關文獻研究表明,混凝土與粘性土接觸面剪切特性符合庫倫強度理論,則對于錨固體與土體間破壞也應該滿足庫倫強度準則。因此,在缺少工程經驗時,可考慮采用庫倫公式去推算極限粘結強度取值。錨固體與土體間極限剪切強度呈梯形分布,如圖2所示,極限粘結強度延深度變化的推算公式如式(2)。

qsk,i=kiPs,itanφi+Ci

(2)

其中,k為第i層土靜止土壓力系數;Ps,i為第i層土的先期固結壓力，kPa;φi為第i層土的內摩擦角(°);Ci為第i層土的粘聚力，kPa。

圖1 極限剪切強度呈均勻分布

圖2 極限剪切強度呈梯形分布

3 合肥地區抗浮錨桿極限粘結強度取值

3.1 合肥地區膨脹土的物理性質

合肥地區廣泛分布膨脹土,地層勘探揭露資料統計,膨脹黏土主要分布② 層,層厚10m～34m。根據各地區現場原位測試及室內巖土試驗成果分析,統計得到各層地基巖土的物理力學性質指標如表3所列。

表3 土的物理性質指標

由表3知,合肥地區膨脹粘土的密度分布1.93～1.97 g/cm3,含水量23%～25%,粘聚力56.2～60.0 kPa,內摩擦角13.5°～15.2°,正常固結土,液性指數0.11～0.18,介于0～0.25之間,屬硬塑狀態粘土,自由膨脹率50%,在45%～65%之間,屬膨脹土,具有弱膨脹潛勢。

3.2 合肥地區抗浮錨桿極限粘結強度估算分析

合肥地區膨脹土層屬于正常固結土,采用式(2)計算極限粘結強度,先期固結壓力即為土的有效自重應力,計算采用式(3):

Ps,i=γizi

(3)

勘察顯示,合肥地區地下水位埋深0.8m～3.5m,水位年變化幅度約2.0m。對于無地下水土層,計算先期固結壓力,γi采用天然重度;地下水位以下,γi采用有效重度。對于計算深度zi的選取,考慮在開挖基坑后,底部土體原始應力得到釋放,以及后續工程建成后,地下水位回升,建筑受到浮力作用,建議計算深度自基坑底部開始。

結合式(2)、(3)可知,采用庫倫強度理論估算抗浮錨桿極限粘結強度,綜合考慮土層物理力學性質、錨桿埋置于土層的深度以及地下水的影響,對于無錨桿試驗資料的地區,可以考慮采用該方法去進行估算,同時可以結合錨桿試驗去驗證。

3.3 抗浮錨桿實際案例

錨桿施工按照設計要求,采用二次注漿技術,一次注漿材料采用 M30微膨脹水泥砂漿,注漿壓力0.8MPa左右;二次注漿采用水灰比0.5的純水泥漿,注漿壓力2.0～3.0MPa,在一次注漿漿體初凝后進行。施工后養護28d,進行現場簡易拉拔試驗,如圖4所示。利用現場拉拔試驗結果,可以采用式(4)反算錨固體與膨脹土的極限粘結強度。

T=G+qskA

(4)

其中,T為錨桿的最大試驗加載,kN,G為錨桿及錨固體的重量,kN,A為錨固體的側面積。

現場錨桿試驗結果,最大加載量達到380kN,利用式(4)反算極限粘結強度約66 kPa,未達到建筑基坑支護技術規程最小取值85kPa,二者差值19kPa,相差約22%,說明按規范對錨桿極限粘結強度取值,結果偏大,工程應用偏不安全。施工過程中,采取了地下水的降排措施,基坑處于無水狀態,采用公式(2)、(3),帶入項目所在地的土層物理力學參數計算得到極限粘結強度約61 kPa;項目建成后地下水位回升,按最不利情況,假定底板完全受水浮力作用考慮,此時對于土體的重度按有效重度10.14 kN/m3計算,極限粘結強度約59kPa。2種情況下,計算結果均略小于錨桿試驗的結果,采用庫倫強度理論估算極限粘結強度結果偏安全,可以用于工程實際。

圖3 抗浮錨桿平面布置圖

圖4 抗浮錨桿現場拉拔試驗圖

4 結束語

結合具體工程實例,綜合考慮合肥地區膨脹土物理力學性質、錨桿埋置于土層的深度以及地下水的影響,提出采用庫倫強度理論估算極限粘結強度,計算極限粘結強度值略小于錨桿試驗得到的數值,總體偏安全,工程實際中,可以考慮采用該方法去估算,結合錨桿試驗驗證。