砂土地基中錨板抗拔性能室內模型試驗研究

石恒俊，桂美兵

(1.四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川成都610000；2.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽合肥230088)

懸索橋、斜拉橋的基礎主要承受上拔荷載，地下結構、高層建筑及風力發電等設施設計時，也需要考慮來自風力、波浪、水壓力等引起的豎向上拔荷載[1-3]。因此，對于上述結構物基礎的其抗拉拔能力的設計和計算十分重要。工程中通常采用錨固基礎來抵抗結構物承受的拉拔荷載，將來自外部的水平、豎向荷載傳遞到深層穩固的巖土體中[4]。錨固基礎的工作機理是通過埋置于土體內的錨固體系與其周圍土體之間的剪切摩擦以及土體重量為建筑物提供抗力[5-6]。錨板作為一種常見的錨固基礎形式，因其施工快捷、對環境影響較小等特點，在巖土邊坡支護、大跨度斜拉橋、碼頭抗拔設計、基坑支護等工程中被廣泛應用。

隨著錨板在巖土工程中的廣泛應用，對錨板的承載機理、設計理論、抗拔力計算等方面成為工程設計人員的研究熱點。因此，通過室內模型試驗探究錨板基礎變形破壞的演化過程，建立合理的抗拔力計算方法，可以指導錨板的工程應用，完善錨板的設計計算體系[7-8]。

對于錨板承載力計算，由于各種計算理論選擇不同破壞模式，導致錨板基礎極限抗拔承載力計算結果存在較大的差異。文獻[9-11]通過模型試驗研究了半錨的抗拔特性，指出：淺埋錨板在破壞時會形成在錨板發育并貫穿至土體表面的破壞面；深埋錨板在破壞時則表現為錨板附近土體的閉合式破壞模式，破壞面不會延伸至土體表面。當前，對錨板破壞機制的研究依然是水平錨固基礎的熱點問題。為此，本文結合模型試驗對錨板形狀、埋深、荷載條件等對錨板的抗拔性能進行研究，以期為工程設計提供參考和借鑒。

1 試驗方案

1.1 模型試驗設計

為開展砂土地基中的錨板承載性能試驗，考慮邊界效應，本次試驗在尺寸為2.0 m(L)×2.0 m(B)×2.55 m(H)的模型箱內開展，如圖1所示。豎向拉拔力通過由三腳架、鋼絞線以及定滑輪組成加載系統施加，加載方式為慢速持荷法。

(1)分級加載：根據預試驗得到的極限抗拔承載力情況確定每級荷載大小。

(2)位移觀測：每級荷載加載完畢后，每5 min、15 min、30 min、60 min通過位移傳感器記錄錨板的上拔位移量。此后，每隔30 min記錄一次數據，待本級荷載變形穩定后施加下一級荷載。

(3)試驗終止條件：錨板的上拔位移量為上級荷載的5倍或上拔位移量超過5 mm；在荷載—位移關系曲線出現驟降的拐點處；錨板周圍土體破壞導致錨板從土體中拔出。

圖1 模型試驗系統[12]

1.2 試驗材料

1.2.1 錨定系統

本次模型試驗的錨定系統由錨板、鋼絲桿、不銹鋼螺母、不銹鋼吊環螺母組成，如圖2所示。錨板均由304不銹鋼板材激光切割而成，厚8 mm，通過預埋的方式安裝。錨板材料的選擇保證了錨板在試驗過程中不會出現變形。錨板埋置深度可以通過調節錨板在鋼絲桿上的位置實現。

圖2 錨板實物[12]

1.2.2 試驗砂制備

為保證試驗過程中土體材料的穩定性，同時方便對試驗結果的分析，本次試驗采用篩分后的干砂，其顆粒級配曲線如圖3所示，物理力學參數如表1所示。

圖3 砂土顆粒級配曲線[12]

表1 砂土物理力學性質指標

1.3 試驗方案

為了研究錨板的形狀、錨板埋深及錨板傾角等因素對錨板抗拔承載特性的影響，試驗中分別選取了如圖4所示的3種類型的錨板，進行6種不同埋置深度(埋置深度：10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm)的模型試驗。為了研究錨板傾角對抗拔承載特性的影響，對圓形錨板和正方形錨板設置了5組傾角(錨板與豎直方向夾角θ分別為0°、30°、45°、60°、90°)，如圖5所示。

圖4 3種類型錨板

圖5 試驗布置及其示意

2 錨板抗拔性能分析

2.1 錨板埋深對抗拔承載特性的影響

為方便分析錨板埋置深度對抗拔承載力的影響，引入無量綱因子——錨板埋深率，其定義為：錨板埋深H與錨板直徑D或者錨板寬度B之間的比值。

圖6給出了圓形錨板在不同埋深率下的荷載—位移關系曲線。根據荷載—位移曲線的特征，可以將砂土中錨板在豎向拉拔荷載作用下的變形劃分為3個階段：

第1階段為線性變化段，在施加荷載初期，上拔位移隨著豎向荷載的增加線性增加，錨固體系逐漸發揮其抗拔能力，位移增長速率比較慢。

第2階段為過渡階段，錨板邊緣區域土體發生局部剪切，砂土出現顆粒位移錯動并不斷調整顆粒間位置，這一階段變形速率增大，深埋錨板基礎存在比較明顯的過渡階段，但淺埋基礎則沒有明顯的過渡段。

第3階段為急劇變化段，隨著荷載繼續增加，土體的位移量急劇增加，微小的荷載增量會引起較大的上拔變形，土體發生整體剪切變形，伴隨著砂土表面的隆起，土體中的破裂面從錨板邊緣延伸至表面。

圖6 圓形錨板荷載—位移曲線[12]

對于淺埋錨板(如埋深率H/D=1時)，其荷載—位移曲線呈漸進式破壞規律，不存在明顯的過渡階段。其原因是錨板埋深淺，上覆砂土重量小，砂土在低應力條件下未能有效發揮其摩擦強度和咬合強度，這一特征與文獻[11]的結論相吻合。

圖7 極限荷載—位移曲線[12]

隨著錨板埋深率的增加，砂土顆粒有更大的位置調整空間，顆粒在翻滾、錯位、調整后可以形成新的穩定結構以抵抗外部荷載，其極限抗拔承載力及相應的上拔位移逐漸增大，錨固體系的破壞模式由脆性破壞逐漸過渡為延性破壞，這一特征在荷載—位移曲線上表現為過渡階段的存在，如圖7所示。其原因是深埋較之淺埋條件。

2.2 錨板傾角對抗拔性能的影響

在斜拉橋、懸索橋的錨固基礎設計時，拉拔荷載可以分解為豎向、水平向2個分力。為研究錨板在傾斜上拔荷載作用下的承載性能，模型試驗中調整了錨板的安裝的角度，如圖5所示。表2列出了圓形錨板在6組埋深、5組傾角下的承載力試驗結果。

表2 室內試驗圓錨不同傾角下極限抗拔承載力 單位：N

結合試驗數據，圖8給出了錨板抗拔承載力與傾斜角度、埋深率的關系曲線。整體看來，隨著傾斜角度的增大，錨板的抗拔承載力呈現降低的趨勢，但這一規律隨著埋深的增大有所減弱。豎直錨板較之水平錨板的承載力高，其原因是水平錨板在錨固體系范圍內土體的壓力水平由錨板向上呈線性降低的規律，而豎直錨板在錨固體系范圍內的土壓力較為穩定，且處于高應力水平。

圖8 極限荷載—錨板傾角關系曲線[12]

2.3 錨定板形狀對抗拔性能的影響

為對比分析錨板形狀對對抗拔承載力的影響，圖9給出了方形錨板在6組埋深率下的荷載—位移關系曲線，其整體規律與圖6中的圓形錨板較為相似。

圖9 方形錨板荷載—位移曲線[12]

試驗中，圓形錨板的直徑和方形錨板的邊長相等，但其面積是方形錨板的1.57倍，因此圓形錨板的承載整體高于方形錨板。實驗結果顯示，在埋深相同的條件下，圓形錨板的極限抗拔承載力較之方形錨板分別提高了33.3%、20%、25%、27.3%、23.3%、26.3%。可見錨板形狀對于抗拔承載力的影響隨著埋深增加逐步降低(表3)。

表3 圓形錨板與方形錨板的極限抗拔承載力對比

為分析不同錨板的抗拔承載特征，圖10給出了3種錨板在埋深30 cm和60 cm時的荷載—位移關系曲線。分析可知，在相同埋深條件下，隨著錨板的面積的增大，其抗拔能力越高。這是由于更大面積的錨板可以調動更大范圍體積的土體形成錨固體系以發揮土體的強度。例如，試驗中矩形錨板的面積是方形錨板的2倍，但是矩形錨板的極限抗拔承載力是方形錨板極限抗拔承載力的2倍多。

此外，不同錨板的荷載—位移關系曲線其斜率也表現出較大差異。矩形錨板的荷載—位移曲線斜率最大，方形錨板的荷載—位移曲線斜率最小，這說明錨板形狀、面積對錨板的破壞模式存在影響，且在錨板達到極限荷載之后這一影響更為顯著。

圖10 不同形狀錨板荷載—位移曲線[12]

3 結論

本文開展了砂土中的錨板抗拔承載特性的室內模型試驗，分析了錨板埋深、形狀及傾角等因素對其承載特性和極限抗拔承載力的影響，主要結論：

(1)錨板在上拔荷載作用下，其荷載—變形曲線分為3個階段：第1階段為線性段，此時土體的變形速率很慢；第2階段為過渡階段，土體中出現局部屈服區，顆粒錯動并形成新的穩定結構；第3階段為急劇變化段，土體變形速率驟增，錨板周圍土體發生整體剪切破壞，錨板失穩。

(2)錨板的埋深率對錨板抗拔承載力的影響顯著，隨著埋置深度的增加，錨板的極限抗拔承載力增加，錨板達到極限荷載時對應的上拔位移也隨之增加。

(3)錨板形式對其承載性能和極限抗拔承載力有較明顯的影響，矩形錨板的承載力表現出更高的抗拔能力。