全长黏结岩石抗浮锚杆承载性能现场试验

白晓宇，郑 晨，张明义，王永洪，闫 楠

(1. 青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033；2. 青岛大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266071)

抗浮锚杆以地层适应能力强、锚固力高、造价低、工期短、受力合理等诸多优势备受青睐，在建筑物地下室、地下停车场、污水处理池、地铁与隧道、地下综合管廊、储油罐及港工、水工构筑物等土木工程多个领域得到了广泛的应用[1-4]。尤其在坚硬的岩石地基中，施工大直径抗浮桩非常困难，工效低，抗浮锚杆的优势更加凸显，具有显著的经济效益[5]。

抗浮锚杆作为抵抗地下水浮力的结构构件，受地下水位变化的影响较大，锚筋常选用螺纹钢筋。调查发现，抗浮锚杆在实际工程的应用往往超前理论研究。近年来，国内外学者对抗浮锚杆的研究取得了较多成果。在试验和测试方面，贾金青[6]、柳建国[7]、张明义[8]、白晓宇[9-10]等通过现场试验得到抗浮锚杆的极限抗拔承载力和荷载传递特性。在理论研究方面，陈棠茵[11]、龙照[12]、董天文[13]、白晓宇[14]等讨论了抗浮锚杆的应力应变分布规律及其长期抗拔承载力。在数值模拟方面，马占峰[15]、Kim[16]、贾科科[17]、赵天杨[18]等基于FLAC、ANSYS、ABAQUS等软件分析了抗浮锚杆的锚固性能及其锚固体和岩土体的应力分布特征。在实际工程中，由于抗浮措施选用不当，导致地下车库、地下室、地铁道床上浮的事故屡见不鲜，主要是对抗浮锚杆的承载机制认识不足。此外，由于抗浮锚杆的基本试验开展较少，人们对其承载力和变形很难确切把握；另一方面，中国目前尚无抗浮锚杆的国家及行业标准，加上岩石成因类型及分布较为广泛，规范提供的设计参数分布范围较大，参数选取非常困难；由于设计标准不确定，很多工程中抗浮锚杆设计很长，造成资源浪费。鉴于此，有必要系统开展岩石地层中全长黏结抗浮锚杆试验，确定其合理锚固长度及其极限抗拔承载力，为岩石地基中抗浮锚杆的设计、施工与检测提供参考，为编制抗浮锚杆的技术标准提供理论支持。

1 现场试验方案及过程

1.1 试验场地概况

试验场地位于已开挖岩石基坑内，场区内为中风化花岗岩，岩体呈块状构造，节理裂隙发育，厚度约为3.5～16.7 m，地下水位埋深约为1.7～7.2 m。中风化花岗岩的力学指标,如表1所示。

表1 岩层力学指标Table 1 Mechanical index of rock layer

1.2 试验设计

试验共设置13根试验锚杆，间距均为3.0 m，锚杆孔直径为120 mm，孔深超过锚筋的黏结长度50 cm。杆体材料选用HRB400螺纹钢筋，屈服强度标准值为400 MPa，弹性模量为200 GPa。锚固体材料选用M30商品水泥砂浆，锚杆的试验参数如表2所示。为确定锚筋沿锚固深度的荷载传递深度以及锚筋与锚固体之间的剪应力分布规律，在锚筋SA4.5-01表面安装了9个光纤光栅应变传感器，传感器通过两端的支座焊接在锚筋上，地表附近传感器间距较密，离地表较远处传感器布置的相对稀疏，光纤光栅应变传感器的设置情况如图1所示，1 000 mm为锚杆定位支架的间距，300 mm和600 mm分别为光纤光栅应变传感器的中心距离，500 mm为锚筋距锚杆孔底部的距离。

表2 抗浮锚杆试验参数Table 2 Experimental parameters of anti-floating anchor

图1 锚杆SA4.5-01传感器布置示意图(单位：mm)Fig.1 Arrangement of the sensors in anchor SA4.5-01 (unit : mm)

1.3 试验过程

整平场地后，利用潜孔钻机成孔，锚杆孔垂直向下，将装有定位支架的锚筋送入锚杆孔内，当锚筋到达预定的标高后，开始灌注水泥砂浆，同时浇筑2组立方体试件用于测试锚固体的抗压强度。锚固体的强度达到15 MPa或达到设计强度的75%后进行现场抗拔试验，抗浮锚杆试验装置如图2所示，与文献[19]类似，只是将锚具直接焊接在锚筋外表面，锚具为厚度3 cm、边长10 cm的方形铁板，中央开直径为3 cm的圆孔，抗浮锚杆的具体试验流程,如图3所示。

图2 锚杆拉拔装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the pullout device

试验为极限荷载下的拉拔试验，采用逐级单调加载，荷载的施加顺序为0→40→80→120→160 kN……，每级荷载稳压时间不少于15 min，直至锚杆发生破坏。荷载值由锚索测力计直接量测，锚固体顶面位移的测读、终止加载条件、锚杆的破坏标准以及极限抗拔承载力的确定均按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—2012)[20]执行。

图3 锚杆试验流程Fig. 3 Anchor experimental process

2 试验结果分析与讨论

2.1 破坏现象与特征分析

表3 锚杆试验结果汇总Table 3 Summary of the anchor experimental results

图4 抗浮锚杆破坏形态Fig. 4 Failure modes of the anti-floating anchors

2.2 极限抗拔承载力分析

图5 荷载锚固体顶面位移关系曲线Fig. 5 Load-anchorage body head displacement curve

2.3 锚筋轴力沿深度传递特征分析

笔者前期的研究表明[27]，在试验时间较短的情况下，可忽略温度变化对锚筋应力变化的影响。通过光纤光栅应变传感器计算锚筋轴力与剪应力的原理与文献[28]相同。锚筋SA4.5-01轴力沿深度的变化规律如图6所示。随着荷载水平的增加，锚筋轴力传递深度逐渐加大，总体来看，轴力的传递深度在2.4 m以内。在地表附近，锚筋轴力及其随荷载的增幅均达到峰值，在1.2 m以内，锚筋轴力衰减较快。荷载水平越高，锚筋轴力自上而下衰减速率越快。随着锚固深度的增加，锚筋轴力的衰减速率逐渐减小。在2.5 m以下，锚筋轴力已衰减到较低的水平，从距锚固体顶面3.0 m开始，锚筋轴力几乎衰减为零。说明锚筋与锚固体之间的黏结力并不是在锚固深度范围内均匀分布，而是自上而下逐步发挥，但并非沿锚固深度完全发挥出来。因此，当锚筋的黏结长度达到某一定值后，仅靠增加黏结长度并不能提高抗浮锚杆的极限抗拔承载力，这与Kilic[29]和曾宪明[30]等研究结果一致。试验中，2组抗浮锚杆SA4.5和SA6.5均发生锚筋拔断现象，进一步说明黏结长度为4.5 m和6.5 m的抗浮锚杆，锚固长度足够，结合表3和图5可以确定，直径28 mm、锚固体为M30水泥砂浆、中风化花岗岩中抗浮锚杆的应力传递深度不超过3.0 m。考虑到岩土层的局部差异、抗浮锚杆施工工艺的不同和经济性，以及永久性锚杆足够的应力储备，试验条件下，建议在中风化花岗岩中，锚筋直径为28 mm、锚固体为M30水泥砂浆的全长黏结抗浮锚杆的合理锚固长度为3.5～4.0 m。

图6 锚筋轴力沿深度的分布规律Fig. 6 Distribution rule of the rod axial force alone depth

2.4 锚筋表面剪应力沿深度分布规律

锚筋SA4.5-01表面剪应力沿深度的分布规律如图7所示。锚筋剪应力沿深度呈先增大后减小的趋势，在锚固体顶面附近，剪应力具有数值大和分布集中的特点。在锚固体顶面处剪应力为零，在距锚固体顶面迅速增加到最大值，随后逐渐衰减，在距锚固体顶面3.3 m的位置减小到零。随着荷载水平的增加，剪应力的分布范围逐渐增大，剪应力峰值也随之增大，剪应力在0.45 m的位置达到最大值，在荷载水平为360 kN时，峰值剪应力约为2.7 MPa。

图7 锚筋剪应力沿深度的分布规律Fig. 7 Distribution rule of the rod shear stress alone depth

锚筋承受剪应力的大小与荷载水平成正比，荷载水平越高，剪应力越大，而且不同荷载水平下剪应力的分布规律基本一致。另外，Coates等[31]研究发现，除荷载水平外，Er/Ea(Er为岩土体弹性模量，Ea为锚筋弹性模量)是影响剪应力大小和分布规律的另一个主要因素，Er/Ea越小，锚固体顶面附近的剪应力分布越均匀，试验也说明了这一点。

2.5 锚筋锚固体界面黏结强度

τa=Tu/πdla,

(1)

图8 锚筋锚固体界面平均黏结强度柱状图Fig. 8 Histogram for the average bonding strength of the rod-anchorage body interface

(2)

式中，τ(x)为极限承载状态下锚筋上的应力分布函数。

2.6 锚固体岩土体界面黏结强度

锚固体与岩土体界面的平均黏结强度计算公式为

fa=Tu/πDLa，

(3)

式中：Tu为抗浮锚杆的极限抗拔承载力,kN；D为锚固体的直径,mm；La为锚固体与岩土体的锚固长度,m；f为锚固体与岩土体的平均黏结强度,MPa。

图9 锚固体岩土体界面平均黏结强度柱状图Fig. 9 Histogram for the average bonding strength of the anchorage body-surrounding rock interface

3 结 论

2)中风化花岗岩中，钻孔直径为120 mm、锚筋直径为28 mm、水泥砂浆强度等级为M30时，黏结长度为2.0 m的抗浮锚杆其极限抗拔承载力为240 kN，黏结长度为不小于3.0 m的抗浮锚杆其极限抗拔承载力不低于320 kN，单筋抗浮锚杆的承载力高、变形小，能够满足抗浮要求。建议以锚固体顶面位移10～20 mm范围内荷载的较小值来确定抗浮锚杆的极限抗拔承载力。

4)锚筋轴力沿深度并非均匀分布。随荷载水平的增加，锚筋轴力的传递深度逐渐增大；荷载水平越高，锚筋轴力自上而下衰减速率越快，锚筋在距锚固体顶面3.0 m以下范围内基本不受力。考虑到岩土层的局部差异、锚杆施工工艺的不同和经济性，以及永久性锚杆要有足够的应力储备，试验条件下，建议全长黏结抗浮锚杆的黏结长度设计值取3.5～4.0 m。

5)锚筋剪应力沿深度呈先增大后减小的趋势。随着荷载水平的增加，剪应力的分布范围逐渐增大，剪应力峰值也随之增大，剪应力在0.45 m的位置达到峰值，在荷载水平为360 kN时，峰值剪应力约为2.7 MPa。