合肥滨湖地区深基坑锚索应用试验研究

赵 亮

(中铁建设集团有限公司 北京 100043)

1 引言

锚索已有100多年的使用历史，在20世纪30年代得到了大规模使用。1934年，阿尔及利亚Shelfa大坝使用预应力锚索来控制岩石和土体的变形[1]。1964年我国在安徽首次成功用于加固水库坝基[2]。基于锚索具有工艺简单、施工速度快、费用低等优点，被广泛应用于边坡工程[3-4]。近年来基坑工程深度不断增加，预应力锚索配合排桩、地连墙等构件广泛应用于深基坑工程[5-7]。为了不形成地下障碍物，各种形式的可回收锚索被引入工程，以压力型为主，回收采用热熔、机械等方式。

根据相关文献研究结果[8]，锚索长度达到一定数值后，锚索的锚固力并不会增加，即存在一个极限锚固长度，因此也有做成扩大头以提高承载力的案例[9-11]。

我国各地地层差异较大，因此依赖地层提供锚固力的锚索应用会对试验测试特别重视，《建筑基坑支护技术规程》和《建筑边坡工程技术规范》中均对锚索承载力应通过现场试验确定做了相关规定。黄明华[12]等通过理论分析和现场试验研究了地层中锚固位置对锚索受力的影响，并给出了锚固界面与锚索受力的非线性特征。于连山[13]在赣州西站通过劈裂注浆技术提高了锚索承载力，取得了较好效果。但是我国各地区地质条件差异较大，应针对每个地区专门进行试验及分析。

2 工程条件

拟建工程位于合肥市滨湖新区，基坑面积约20 000 m2，深度22 m，周边场地开阔，具备施工锚索条件。基坑开挖土层为人工填土、粘性土、粉质黏土、强风化泥质砂岩等，基坑开挖范围内未见地下水。

本工程锚索主要应用地层为黏土层，因此，基本试验也在此地层进行。根据地勘报告描述：黏土，褐黄、黄褐色，含氧化铁，硬塑～坚硬，具有膨胀性，切面光滑有光泽，干强度高，韧性高，无摇振反应。

本基坑采用桩锚支护，灌注桩直径为1.0 m，间距1.6 m。主要剖面设置6道锚索，长度18～26 m不等。主要支护剖面如图1所示。

图1 支护结构剖面(单位：mm)

支护设计单位取锚索抗拔力10 kN/m，单根锚索抗拔力约200 kN，对比规范取值偏差较大。为了更好地确定锚索抗拔力，做到设计安全、经济合理，现场各方确定进行锚索抗拔力试验。

3 抗拔试验

3.1 试验方案

试验选择锚索主要穿越的粘性土层，在自然地面预先向下开挖4.5 m深度，满足锚索之上覆土深度不小于4 m，以测得实际工作锚固力。试验坑位置位于基坑中部，不影响后期支护桩施工。图纸设计的锚索为普通拉力型，因此试验锚索也采用普通拉力型，长度选取与工程锚索长度相近，分为21 m和25 m两种。其中3根锚索长度为21 m，其余3根锚索长度为25 m，相关设计参数见表1。

表1 锚索设计参数

3.2 锚索施工工艺

预应力锚索成孔采用螺旋型锚杆钻机，成孔直径150 mm，深度超过设计深度0.5 m。成孔后下放钢绞线，钢绞线采用支架绑扎成笼，自由段刷黄油并用波纹管包扎。采用混凝土腰梁，高800 mm、宽800 mm，配置12根直径20 mm的主筋，箍筋直径8 mm，间距200 mm，浇筑 C30混凝土。锚索完成后照片见图2。

图2 锚索施工完成现场

3.3 张拉测试方案

本次试验采用合肥市某厂生产的千斤顶，型号YGQ1000，校准方程y=0.016 19+0.052 374x，其中，x为千斤顶拉力(kN)；y为油表读数(MPa)。该千斤顶可施加最大力(量程)为1 000 kN。测量锚索位移量采用游标卡尺，测量墙体位移采用电子千分表。

本次试验采用循环加载法。待锚杆水泥浆强度达到设计强度、腰梁强度达到设计强度的75%后，开始预应力锚索试验。安装千斤顶与千分表需注意，千分表及千斤顶的轴线需与锚索方向对齐，减少因角度偏差所引起的误差。安装形式见图3。

图3 现场锚索试验

1～3号锚索加载分级见表2，4～6号锚索加载分级见表3。分级荷载加载完成后，进行破坏张拉。

每加一级荷载，需在此荷载水平稳定一段时间。当锚头位移增量不大于0.1 mm时，可施加下一级荷载；否则应延长观测时间，并应每间隔30 min测读锚头位移1次，当连续两次出现1 h内的锚头位移增量小于0.1 mm时，可施加下一级荷载。

表2 1～3号锚索分级加载值及观测时间

表3 4～6号锚索分级加载值及观测时间

当锚索位移不断增大且不收敛，并在规定时间也不满足稳定判别指标，或者从第二级加载开始，每增加一级荷载，后一级增加的荷载出现的位移增量是该级荷载对比前一级荷载位移增量的5倍以上，锚固力位移曲线出现了拐点，或者锚索杆体破坏，出现上述三个条件之一，可终止试验。

当锚索在试验时出现了终止试验的条件，应取终止加载的前一级荷载值；若试验结束后仍未出现终止试验的条件，取最大荷载值。

进行拉拔试验的锚索，当极限承载力与其平均值的差不超过平均承载力的30%，可取平均值；当超过30%时，应增加锚索的数量进行加载试验，分析原因，按照实际情况分析后确定锚索的极限抗拔承载力。

4 锚索试验数据处理分析

4.1 21 m长度锚索数据处理分析

根据加载值及测得的位移，绘制曲线图。1号锚索循环加载曲线见图4。

图4 1号锚索循环加载曲线

由图4可知，当轴力达到400 kN之后，轴力增加但位移不再增加，这是因为在1号锚索加载时，锚索受到挤压，在腰梁后形成密实的土体，可认为锚杆杆体破坏。

按照《建筑基坑支护技术规程》4.7.4计算公式，锚杆极限抗拔承载力标准值Rk为：

依据规范对qsk的规定，可计算土钉锚固体与土体极限粘结强度标准值qsk的大小。锚固段长度l为14 m，Rk取400 kN，直径d取 0.15 m，计算得qsk=60.66 kPa。

根据加载值及测得的位移，绘制曲线图。2号锚索循环加载曲线见图5。

图5 2号锚索循环加载曲线

由图5可知，加载至300 kN，曲线比较平缓，判断锚索并未达到破坏，因此可以认定2号锚索的极限抗拔承载力不小于300 kN。

图6 3号锚索循环加载曲线

由图6可知，加载至300 kN，曲线比较平缓，判断锚索并未达到破坏，因此可以认定3号锚索的极限抗拔承载力不小于300 kN。

1号锚索试验测得抗拔承载力为400 kN，计算得出锚固段注浆体与地层间的粘结强度标准值为60.66 kPa；2号、3号锚索计算得出锚固段注浆体与地层间的粘结强度标准值均为45.50 kPa。

对于1～3号锚索，极限荷载抗拔承载力分别为400 kN、300 kN、300 kN，平均值 333 kN，平均值的30%为100 kN。1～2号锚索与3号锚索的极限抗拔承载力均在规定范围内，因此可确定基坑注浆锚索极限抗拔承载力为333 kN，可计算得出21 m长(锚固段长为14 m)锚索qsk=52.55 kPa。

4.2 25 m长度锚索数据处理分析

根据加载值及测得的位移，绘制锚索循环加载曲线，见图7～图9。

图7 4号锚索循环加载曲线

由图7可看出，加载到450 kN时，锚索并未呈现出塑性变形，因此可以确定锚索抗拔力不小于450 kN。

图8 5号锚索循环加载曲线

由图8可知，加载到设计荷载的140%即420 kN时，锚索并未呈现出塑性变形，因此可以确定锚索抗拔力不小于420 kN。

图9 6号锚索循环加载曲线

由图9可知，加载到534 kN时，锚索并未呈现出塑性变形，因此可以确定锚索抗拔力不小于534 kN。

根据公式计算4号～6号锚索qsk分别是53.08 kPa、49.54 kPa、62.99 kPa。

对长度为25 m的4号～6号锚索进行统计分析，抗拔承载力依次为450 kN、420 kN、534 kN，平均值468 kN，平均值30%为140 kN，极差均不超过30%，因此可取25 m长度(锚固段长度18 m)锚索的抗拔力为468 kN，可计算得出25 m长锚索qsk=55.20 kPa。

对比两组试验结果可知，本工程地层测得的qsk差距很小，这也印证了测试结果的准确性，可用于指导基坑设计。

5 工程应用

通过现场锚索基本试验，长度为21 m(锚固段长度14 m)和长度为25 m(锚固段长度18 m)锚索的锚固体和土的界面摩阻力分别为52.55 kPa与55.20 kPa。而在工程设计中，考虑基坑深度比较大，出现破坏影响范围比较广，应用值做适当降低，以不超过45 kPa为原则进行设计，锚索设计参数见表4。

表4 工程锚索设计参数

工程依据设计参数施工，基坑开挖至既定深度时，最大桩顶水平位移为38 mm，出现在基坑长边中部，符合常规桩锚支护基坑的变形规律，满足规范规定的一级基坑安全要求。

现场按照1%的比例设置振弦式锚索轴力计，实测锚索轴力均未超过设计值，锚索轴力实测值在0.5～0.9倍设计值范围，这与基坑设计的土压力计算参数选择有关，基坑设计有一定的安全储备。

6 结论

基于锚索这一特定的受力构件过分依赖土体的特性确定自身承载能力的特点，在合肥滨湖地区通过现场锚索基本试验测得工程地点的锚索抗拔力，实测值较原设计高出较多，依据试验结果对设计进行优化，使得设计更加合理，在保证基坑安全的情况下，也取得了很好的经济效益，可为该地区以后的锚索设计提供参考。