富水砂加卵石雙地層條件下預(yù)應(yīng)力錨索錨固力試驗研究

富水砂加卵石雙地層條件下預(yù)應(yīng)力錨索錨固力試驗研究

0預(yù)應(yīng)力錨索在富水砂加金屬地層的應(yīng)用價值預(yù)測錨索是指將錨索固定在巖石體內(nèi)，通過拉伸加強巖石體的加固技術(shù)。因其具備能夠充分調(diào)節(jié)和提高巖土體的自身強度和自穩(wěn)能力、減輕支護結(jié)構(gòu)的自重、并能保證施工的安全與穩(wěn)定等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于基坑支護、邊坡防護以及礦井隧洞等工程中在工程應(yīng)用中，預(yù)應(yīng)力錨索所在的巖土層具有各不相同的物理和力學(xué)性質(zhì)，個案性極強，這給預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計造成了較大的挑戰(zhàn)。本文研究依托錨拉地連墻作為支護形式的基坑工程，該工程地層分布主要為富水砂加卵石雙地層。富水砂加卵石雙地層的主要特點是土體黏聚力低，滲透性較強，地下水可能會對鉆孔成孔以及注漿等錨索施工造成不利影響。因此，探究錨索在富水砂加卵石雙地層中的極限承載力、錨固段與砂卵石層間的粘結(jié)強度以及鉆孔注漿施工工效，對于錨索設(shè)計施工而言意義重大。對于特殊地層的錨索設(shè)計與施工，現(xiàn)場試驗可以提供比較準確的依據(jù)，但是試驗成本較高1界面力學(xué)模型對于錨索設(shè)計而言，錨索傳力機理一直是最重要的基礎(chǔ)和依據(jù)。錨索傳力機理是指錨索在巖土體中承受拉力時，力在錨固介質(zhì)內(nèi)的傳遞轉(zhuǎn)移規(guī)律，主要包括錨固段剪應(yīng)力分布及最終作用效果等。錨索傳力機理可以為錨固長度的選取、極限承載力的確定提供重要的理論依據(jù)。關(guān)于錨索傳力機理的相關(guān)研究，按研究方法可歸類為解析研究、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬等。其中，解析研究的方法及其對應(yīng)的成果主要包括彈性力學(xué)法與彈性模型彈性力學(xué)法主要是基于Mindlin問題的位移解和Kelvin問題的位移解進行簡化和推導(dǎo)，通常將錨固體與巖土體理想化為均質(zhì)的彈性體，因此就無法考慮巖土體的各向異性，而且漿體性質(zhì)、灌漿壓力、界面摩擦等諸多影響因素都無法考慮在內(nèi)。界面力學(xué)法是將錨索漿體巖土體看作一種復(fù)合材料，將三者之間的相互作用問題視為復(fù)合材料中的界面力學(xué)問題。采用求解復(fù)合材料界面力學(xué)的剪切滯模型進行分析求導(dǎo)，模型如圖1所示。顯然，這一模型與預(yù)應(yīng)力錨索比較吻合。剪切滯模型中的纖維可視為預(yù)應(yīng)力錨索中錨固段的鋼絞線，界面層可以模擬錨索中灌注的水泥漿，基體可以模擬巖土體。鋼絞線與纖維也都是受單向軸荷載，因此受力狀況也相同。由此可見，用剪切滯模型來分析預(yù)應(yīng)力錨索是完全可行的。需要提及的是，原模型中的基體、界面體被視為理想彈性體，與實際的巖土體與漿體的性質(zhì)有些偏差，需要結(jié)合不同的巖土體進行修正，具體的修正與推導(dǎo)過程可參見文獻荷載傳遞法的基本原理是將錨固體側(cè)面與其周圍巖土體界面的相互作用通過一端固定的微小切向彈簧來近似模擬，如圖2所示，切向彈簧的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系被稱為荷載傳遞函數(shù)。將錨固段作桿件處理，則微元段平衡條件為:其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為:聯(lián)立式(1)、(2)可得桿件滿足:式中:F為錨固體軸力;τ為錨固段周剪應(yīng)力;D為錨固體直徑;A為錨固體橫截面積;x為距錨固段末端距離;dx為微元段長度;u為x處對應(yīng)剪切位移;E為錨固體等效彈性模量。求解微分方程式(3)的關(guān)鍵在于確定剪切應(yīng)力τ與剪切位移u之間的本構(gòu)關(guān)系。文中假設(shè)剪切應(yīng)力τ與剪切位移u為線性關(guān)系，即τ=λu，則式(3)的通解為:式中:k=槡4λ/ED結(jié)合邊界條件:可以得到:式中:T為錨索張拉力;l為錨固段長度。式(8)即為錨索荷載傳遞的雙曲函數(shù)解析結(jié)果。在該結(jié)果中，錨固段與巖土體間的粘結(jié)強度、灌漿壓力、界面摩擦性質(zhì)等諸多影響因素全都通過參數(shù)λ(或k)來體現(xiàn)，參數(shù)λ(或k)可以通過現(xiàn)場拉拔試驗的ps曲線反推，繼而為錨索設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。通過3種解析方法的對比可以發(fā)現(xiàn):解析的結(jié)果存在相同之處，都指出了錨固段剪應(yīng)力分布并非均勻，而是從錨固段始端處(或靠近始端處)存在應(yīng)力集中，即剪應(yīng)力峰值，然后剪應(yīng)力沿錨固段向末端處衰減。三者的不同之處在于彈性力學(xué)模型簡單明了，但是卻過于理想化，無法考慮復(fù)雜的影響因素;剪切滯模型求解過程與結(jié)果相對繁瑣，而且需要進行修正才能考慮巖土體與漿體的性質(zhì);荷載傳遞法通過調(diào)整剪切應(yīng)力與剪切位移本構(gòu)關(guān)系，即可綜合考慮粘結(jié)強度、灌漿壓力、界面摩擦性質(zhì)等諸多影響因素，而且可以反映彈性、彈塑性以及塑性破壞階段，因此適用性較好。2現(xiàn)場錨索拉提升測試2.1基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案本文依托工程位于湖北襄陽市，是襄陽東西軸線道路工程中的魚梁洲段。該段穿過漢江，采用隧道方案，設(shè)計起點接清河路，設(shè)置于大慶東路東側(cè)樊城段高架接地點，兩穿漢江和魚梁洲后，終點位于縱四路西側(cè)，向東連接橫七路，主路線長度為5.4km，如圖3所示。根據(jù)設(shè)計方案，擬建隧道全長5400m，其中樊城段敞開段180m，暗埋段134m，西汊沉管段351m，魚梁洲暗埋段3580m，東汊沉管段660m，東津段暗埋段長315m，敞開段長180m。此外，在魚梁洲近漢江西汊東岸處設(shè)置一座西干塢，基坑開挖深度13.4～25.5m;在漢江東汊西岸設(shè)置一座東干塢，基坑開挖深度約10.8～20.0m。東西汊干塢采用軸線干塢，根據(jù)初步設(shè)計方案，根據(jù)基坑不同深度采用錨拉地連墻和格型地連墻組合方式作為基坑支護結(jié)構(gòu)。為了提供設(shè)計優(yōu)化相關(guān)技術(shù)支撐和依據(jù)，選擇在東汊干塢塢尾西側(cè)進行現(xiàn)場錨索拉拔試驗。錨索試驗地點水位為地下1.5m處，地層參數(shù)詳見表1。2.2錨索、鉆機、注漿參數(shù)為探究錨固段長度對于富水砂加卵石雙地層錨索承載性能的影響以及探究錨固體與砂層和卵石層極限粘結(jié)強度合理取值，設(shè)置不同的錨固段和自由段長度形成參照，各組試驗錨索參數(shù)見表2。鉆孔孔口位置為深度為2m處，低于地下水位0.5m。錨索采用4×ue78815.2-7低松弛鋼絞線，鉆機選用BHD-180B型，鉆頭直徑133mm，鉆孔水平傾角為25°。試驗儀器采用電動油泵和液壓穿心式千斤頂系統(tǒng)加載。鉆孔采用“水壓成孔，套管跟進”工藝。采用二次注漿工藝，采用LHJ200攪拌機現(xiàn)場拌制水泥凈漿，水灰比為0.55，注漿采用BW-150型注漿機?，F(xiàn)場施工如圖4所示。3FLAC3.1界面接觸參數(shù)d在FLAC當(dāng)錨索漿體界面和漿體巖體界面之間產(chǎn)生相對位移u灌漿體巖土體界面上的最大剪應(yīng)力取決于灌漿體的剪切剛度k式中:G為漿體的剪切模量;t為漿體環(huán)的厚度;D為錨索的直徑(多束鋼絞線用等效直徑)。許多FLAC單位長度上，漿體巖土體界面上的剪應(yīng)力τ式中:Δu為漿體與巖土體界面間的相對位移。界面材料特性假定為理想彈塑性，采用莫爾庫侖準則作為屈服準則。每個錨單元均允許沿軸向產(chǎn)生變形并發(fā)生屈服;若錨單元兩節(jié)點與網(wǎng)格節(jié)點重合，錨單元與實體單元聯(lián)結(jié)成整體，不產(chǎn)生相對位移;錨單元節(jié)點與網(wǎng)格節(jié)點不重合時，錨單元與實體元之間產(chǎn)生相對位移，其位移大小與界面模型參數(shù)有關(guān)。錨桿與巖體間的界面可以發(fā)生剪切屈服、產(chǎn)生滑動直至拉拔破壞。3.2模型結(jié)構(gòu)和模型設(shè)置為和現(xiàn)場試驗進行對比，主要參考錨索現(xiàn)場試驗取材與施工進行建模。根據(jù)錨索的長度28m與鉆孔傾角25°，建立20m×40m×20m的立方塊計算模型，土體采用8節(jié)點的六面體單元模擬，錨索使用cable單元按傾角25°布置在土層模型中，如圖7和圖8所示。模型共由16000個單元、18081個節(jié)點、28個結(jié)構(gòu)體組成。模型土層設(shè)置為摩爾庫倫材料，參照表1賦值。拉拔試驗中用鋼板樁支護開挖面，然后施加荷載，因此開挖面的橫向位移可以設(shè)為0，模型中固定開挖面y方向的位移。計算時對錨索始端的節(jié)點施加不同的集中力模擬拉拔試驗中的分級荷載。試驗地點水位為地下1.5m處，考慮到地下水的影響，模型中1.5m以下土體參數(shù)采用飽和重度，并添加相應(yīng)的孔隙水壓力。由于現(xiàn)場拉拔試驗過程較為短暫，模擬中并未考慮滲流問題。工程詳勘報告中建議錨固體與砂層和卵石層的極限粘結(jié)強度標準值分別取值為18和200kPa。錨索和漿體等cable單元參數(shù)賦值見表3。4分析與討論4.1錨固段長度與荷載對比現(xiàn)場試驗施工過程中，鉆孔成孔的平均工效為45min/孔，注漿工效為30min/孔，鉆孔和注漿比較順利。因此富水砂加卵石雙地層中的地下水對于鉆孔成孔以及注漿施工并未造成較大的不良影響。對現(xiàn)場試驗的數(shù)據(jù)進行誤差修正，錨索自由段初始端點用A端代表，試驗結(jié)果見表4與表5。由現(xiàn)場試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，錨索錨固段長度取12m時已經(jīng)可以達到500kN的抗拔力，富水砂加卵石雙地層可以提供比較牢靠的錨固力。將現(xiàn)場試驗與模擬試驗的結(jié)果進行整理與對比，兩者的錨索始端位移與荷載的關(guān)系曲線如圖9所示。通過對比位移荷載曲線可以發(fā)現(xiàn)，模擬試驗與現(xiàn)場試驗結(jié)果在一定程度上比較吻合，這說明現(xiàn)場拉拔試驗實施比較理想，可以將現(xiàn)場拉拔試驗中的錨索與土體系統(tǒng)視為FLAC模擬試驗中，cable單元中的漿體粘結(jié)力參考工程詳勘報告中的建議值進行取值，砂層與卵石層分別取值18kPa和200kPa，這說明工程詳勘報告中的建議值還是比較合理的。同級荷載下模擬試驗A端位移比現(xiàn)場試驗的A端位移稍微偏大一些，第二組模擬偏大程度更加明顯?？紤]到第2組較第1組而言多了位于砂層的10m長的錨固段，所以可以從錨固體與砂層間的極限粘結(jié)強度取值進行探究。4.2粘結(jié)強度取值第2組試驗中，錨固段有13m位于砂層中，9m位于卵石層中，現(xiàn)改變砂層的極限粘結(jié)強度取值(卵石層不變)，將模擬結(jié)果進行整理，如圖10所示。由圖10可以發(fā)現(xiàn)，相同荷載下的錨索位移隨著錨固體與砂層間極限粘結(jié)強度取值的增大而減小;當(dāng)錨固體與砂層的極限粘結(jié)強度取值在30kPa左右時，模擬位移結(jié)果更接近現(xiàn)場試驗結(jié)果。4.3從砂層到卵層第2組模擬中，錨固段砂層極限粘結(jié)強度取值為30kPa時比較接近現(xiàn)場拉拔試驗結(jié)果?，F(xiàn)將各級荷載下的模擬結(jié)果中的剪應(yīng)力分布進行整理，如圖11所示。圖11中錨固段0～13m位于砂層中，13～22m位于卵石層中。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錨索承受的拉力較小時，錨固段剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在錨固段始端(即砂層中)，然后向終端平穩(wěn)衰減，砂層與卵石層界面未發(fā)生應(yīng)力突變，錨固段前2/3段區(qū)域承受了絕大部分的剪應(yīng)力，錨固段后1/3段區(qū)域部分剪應(yīng)力分布幾乎為零。此時錨固力主要由砂層提供，卵石層尚未發(fā)揮顯著作用。當(dāng)錨索承受的拉力較大時，位于砂層中的錨固段發(fā)揮出最大側(cè)阻力，即剪應(yīng)力達到砂層所能提供的極限粘結(jié)強度;剪應(yīng)力在砂層與卵石層界面處發(fā)生突變，出現(xiàn)剪應(yīng)力峰值，且峰值隨著拉力增加逐漸接近最終達到卵石層的極限粘結(jié)強度;位于卵石層中的錨固段剪應(yīng)力由始端向終端衰減。此時砂層發(fā)揮出自身所能提供的最大錨固效果，但是因其極限粘結(jié)強度較小，所以錨固作用有限;卵石層極限粘結(jié)強度較大，發(fā)揮顯著錨固作用。此處若是用理論解析公式計算砂加卵石雙地層中錨索錨固段剪應(yīng)力分布顯然是不合適的。無論是彈性力學(xué)模型還是雙曲線模型，剪切滯都更加適用于錨固段處于單一地層中的情形，而且理論解析并未考慮剪應(yīng)力峰值隨拉力增加由錨固段前端向內(nèi)部轉(zhuǎn)移的動態(tài)過程。數(shù)值模擬可以考慮地層的復(fù)雜性以及漿體等較多影響因素，比理論解析方法適用性更強。4.4．荷載增大的位移第2組模擬中，當(dāng)砂層與卵石層粘結(jié)強度取值分別為30kPa和200kPa時，錨固段周圍巖土體隨著施加荷載增大的位移變化如圖12所示。通過圖12可以發(fā)現(xiàn)，隨著拉力的增大，錨固段周同一位置的土體位移逐漸增大，錨索所影響的土體范圍也在逐漸擴大，位移最值數(shù)值不斷上升，位置不斷轉(zhuǎn)移到更深處。這也揭示了錨索所承受的拉力通過鋼絞線和漿體的傳遞，最終作用效果表現(xiàn)為錨索和漿體的形變、錨固段周圍巖土體的形變和位移。4.5錨索設(shè)計優(yōu)化在現(xiàn)行的錨索設(shè)計規(guī)范中式中:R上文中的理論解析與模擬結(jié)果都反映了剪應(yīng)力非均勻分布的特點。而錨索設(shè)計規(guī)范中的計算公式未能考慮錨固段應(yīng)力集中的特點，會造成盲目增加錨固段長度來提高承載性能的思路偏差，造成錨固段過長浪費材料或者錨固段抗剪強度低于剪應(yīng)力峰值，從而形成安全隱患。通過現(xiàn)場試驗與模擬試驗的對比可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)LAC下面以本次錨索設(shè)計為例使用FLAC現(xiàn)提供優(yōu)化方案:錨索自由段長度取19m，錨固段長度取6m，傾角25°，此時錨固段全部位于卵石層中，錨固體與卵石層間粘結(jié)強度取200kPa。使用FLAC通過圖13可以發(fā)現(xiàn)，錨索設(shè)計經(jīng)優(yōu)化后依然可以滿足500kN的抗拔力。將各級荷載下的優(yōu)化錨索錨固段的剪應(yīng)力分布情況進行整理，結(jié)果如圖14所示。圖14中，錨固段0～6m位于卵石層中?？梢园l(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的錨索錨固段剪應(yīng)力分布呈現(xiàn)自錨固段始端向深處衰減的趨勢，其中并無應(yīng)力突變或應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著拉力的增大，錨固段前端逐漸屈服，達到極限粘結(jié)強度，荷載向內(nèi)部傳遞?？梢姡瑢τ谠摴こ瘫尘跋碌纳凹勇咽p地層而言，將錨固段置于粘結(jié)強度較大的卵石層中，能縮短錨索與錨固段長度，且能提供足夠的承載力，是相對科學(xué)合理的選擇。選取合理的錨固長度與錨固位置對于錨索設(shè)計來說是至關(guān)重要的一環(huán)，將FLAC5現(xiàn)場試驗與現(xiàn)場拉拔試驗對比對上述的研究內(nèi)容以及分析討論進行總結(jié)，可以得出以下結(jié)論:(1)在關(guān)于錨索傳力機理的理論解析方法中，彈性力學(xué)法、荷載傳遞法