合肥地区土层抗浮锚杆极限粘结强度取值估算

童 进， 祝冰青， 李 鹏

(1.安徽审计职业学院，安徽 合肥 230601；2.安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603; 3.安徽河畅建筑工程有限公司，安徽 合肥 234000)

抗浮锚杆承载力的发挥主要取决于锚固体与周边土层的极限粘结强度。目前,在抗浮锚杆的设计过程中,对于极限粘结强度取值多数参照相关规范,并结合现场锚杆试验确定。但是,膨胀土具有区域性,性质不一,按规范取值具有局限性,本文拟综合考虑合肥地区膨胀土物理力学性质、锚杆埋置于土层的深度以及地下水的影响,提出采用库伦强度理论估算极限粘结强度,以期用于本地区抗浮锚杆承载力设计。

1 极限粘结强度规范取值

依据《建筑基坑支护技术规程》可知,锚杆极限抗拔承载力应通过抗拔试验确定,也可按式(1)估算:

Rk=πd∑qsk,ili

(1)

表1 锚固体与黏性土极限粘结强度标准值(考虑注浆程序)

表2 锚固体与黏性土极限粘结强度标准值(不考虑注浆程序)

其中,Rk为锚杆极限抗拔承载力标准值,kN;d为锚杆的锚固体直径,m;li为锚杆的锚固段在第i层土中的长度,m;qsk,i为锚固体与第i土层的极限粘结强度标准值,kPa,根据工程经验结合规范表取值,其中关于锚固体与黏性土极限粘结强度标准值的取值部分如表1所列。

建筑边坡工程技术规范关于锚杆抗拔承载力的计算与上述规程类似,在关于锚固体与黏性土的极限粘结强度标准值取值部分,与规程略有差异,不考虑施工过程中的注浆程序,标准值的取值如表2所列。

建筑地基基础设计规范对锚固体与黏性土的极限粘结强度标准值取值作出规定,极限粘结强度应由当地锚杆拉拔试验结果统计分析得到。

由此可知,规范中对锚杆极限粘结强度标准值取值规定,在没有试验结果的情况下,多数采取的是依据工程现场经验结合规范参考值进行选取。

2 锚杆极限粘结强度取值分析

锚杆的破坏形态主要是锚固体与土体间剪切破坏，所以,在实际工程应用中,锚杆的极限粘结强度主要由锚固体与土体间极限剪切强度控制。

采用规范公式计算锚杆的抗拔承载力时,通常假定锚固体与土体间极限剪切强度呈均匀线性分布,极限粘结强度取一定值,如图1所示。这种假定不考虑锚杆的埋置深度、土层的物理性质以及地下水的影响,具有一定的局限性,按此公式计算锚杆的承载力需配合现场锚杆试验进行验证。

有关文献研究表明,混凝土与粘性土接触面剪切特性符合库伦强度理论,则对于锚固体与土体间破坏也应该满足库伦强度准则。因此,在缺少工程经验时,可考虑采用库伦公式去推算极限粘结强度取值。锚固体与土体间极限剪切强度呈梯形分布,如图2所示,极限粘结强度延深度变化的推算公式如式(2)。

qsk,i=kiPs,itanφi+Ci

(2)

其中,k为第i层土静止土压力系数;Ps,i为第i层土的先期固结压力，kPa;φi为第i层土的内摩擦角(°);Ci为第i层土的粘聚力，kPa。

图1 极限剪切强度呈均匀分布

图2 极限剪切强度呈梯形分布

3 合肥地区抗浮锚杆极限粘结强度取值

3.1 合肥地区膨胀土的物理性质

合肥地区广泛分布膨胀土,地层勘探揭露资料统计,膨胀黏土主要分布② 层,层厚10m～34m。根据各地区现场原位测试及室内岩土试验成果分析,统计得到各层地基岩土的物理力学性质指标如表3所列。

表3 土的物理性质指标

由表3知,合肥地区膨胀粘土的密度分布1.93～1.97 g/cm3,含水量23%～25%,粘聚力56.2～60.0 kPa,内摩擦角13.5°～15.2°,正常固结土,液性指数0.11～0.18,介于0～0.25之间,属硬塑状态粘土,自由膨胀率50%,在45%～65%之间,属膨胀土,具有弱膨胀潜势。

3.2 合肥地区抗浮锚杆极限粘结强度估算分析

合肥地区膨胀土层属于正常固结土,采用式(2)计算极限粘结强度,先期固结压力即为土的有效自重应力,计算采用式(3):

Ps,i=γizi

(3)

勘察显示,合肥地区地下水位埋深0.8m～3.5m,水位年变化幅度约2.0m。对于无地下水土层,计算先期固结压力,γi采用天然重度;地下水位以下,γi采用有效重度。对于计算深度zi的选取,考虑在开挖基坑后,底部土体原始应力得到释放,以及后续工程建成后,地下水位回升,建筑受到浮力作用,建议计算深度自基坑底部开始。

结合式(2)、(3)可知,采用库伦强度理论估算抗浮锚杆极限粘结强度,综合考虑土层物理力学性质、锚杆埋置于土层的深度以及地下水的影响,对于无锚杆试验资料的地区,可以考虑采用该方法去进行估算,同时可以结合锚杆试验去验证。

3.3 抗浮锚杆实际案例

锚杆施工按照设计要求,采用二次注浆技术,一次注浆材料采用 M30微膨胀水泥砂浆,注浆压力0.8MPa左右;二次注浆采用水灰比0.5的纯水泥浆,注浆压力2.0～3.0MPa,在一次注浆浆体初凝后进行。施工后养护28d,进行现场简易拉拔试验,如图4所示。利用现场拉拔试验结果,可以采用式(4)反算锚固体与膨胀土的极限粘结强度。

T=G+qskA

(4)

其中,T为锚杆的最大试验加载,kN,G为锚杆及锚固体的重量,kN,A为锚固体的侧面积。

现场锚杆试验结果,最大加载量达到380kN,利用式(4)反算极限粘结强度约66 kPa,未达到建筑基坑支护技术规程最小取值85kPa,二者差值19kPa,相差约22%,说明按规范对锚杆极限粘结强度取值,结果偏大,工程应用偏不安全。施工过程中,采取了地下水的降排措施,基坑处于无水状态,采用公式(2)、(3),带入项目所在地的土层物理力学参数计算得到极限粘结强度约61 kPa;项目建成后地下水位回升,按最不利情况,假定底板完全受水浮力作用考虑,此时对于土体的重度按有效重度10.14 kN/m3计算,极限粘结强度约59kPa。2种情况下,计算结果均略小于锚杆试验的结果,采用库伦强度理论估算极限粘结强度结果偏安全,可以用于工程实际。

图3 抗浮锚杆平面布置图

图4 抗浮锚杆现场拉拔试验图

4 结束语

结合具体工程实例,综合考虑合肥地区膨胀土物理力学性质、锚杆埋置于土层的深度以及地下水的影响,提出采用库伦强度理论估算极限粘结强度,计算极限粘结强度值略小于锚杆试验得到的数值,总体偏安全,工程实际中,可以考虑采用该方法去估算,结合锚杆试验验证。