支挡结构中锚杆抗拔承载力分析.pdf

第 2 8 卷 第 4 期 2 00 3年 I 2月 中 南 公 路 工 程 Ce n t r a l S o u t h Hi g h wa y En g i n e e r i n g V 0 1 2 8 No 4 De c 2003 支 挡 结构 中锚 杆 抗 拔 承 载 力 分 析 赵 明 华 张 天 翔 邹 新 军 湖南 大 学 土 木工 程学 院 湖南 长 沙4 1 0 0 8 2 摘要 通过 对锚 杆抗拔 承载机 理 的深入 分析 综合 讨论 了锚杆 抗拔 承载 力 的设 计 计 算方 法 并 结 合工 程 实 例 对 锚杆 抗 拔试 验 及承 载力确 定方 法进 行 了探 讨 提 出了基 于锚 杆抗拔 试 验资料 的 Q s调整双 曲线 预测 模 型 获 得 了 一些有 益 结论 具 有 一定 的工程 参 考价值 关 键词 锚杆 抗拔 承载力 抗拔 试 验 调 整双 曲线预 测模 型 中图分 类号 U 4 1 7 1 文献 标 识码 A 文章编 号 1 0 0 2 1 2 0 5 2 0 0 3 0 4 0 0 0 4 O 4 Ana l y s i s o f An t i p u l l f o r c e f o r An c ho r e d Ba r s i n Re t a i n i ng St r u c t u r e s Z HAO Mi n g h u a Z HA NG T i a n x i a n g Z OU Xi n j u n C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g H u n a n U n i v e r s i t y C h a n g s h a Hu n a n 4 1 0 0 8 2 C h i n a A b s t r a c t T h r o u g h a n a n a l y s i s of ant i p u l l i n g m e c h ani s m t h e d e s i g n and c a l c u l a t i o n o f b e a r i n g c a p a c i t y o f an c h o r e d b a r i s d i s c u s s e d i n d e t a i l i n t h i s pa p e r Me t h o ds f o r an t i pu l l i n g t e s t an d be a rin g c a p a c i t y de t e r ru i n a t i o n o f anc h o r e d b a r a r e e x p l o r e d w i t h r e f e r e n c e of e n g i n e e ri n g p r o j e c t s B a s e d o n t h e Q v e rsu s s d a t a f r o m fi e l d t e s t s a n a d j u s t e d h y p e r b o l i c mo d e l i s p rop o s e d t o p r e d i c t t h e ant i p u l l f o r c e F i n all y s e v e r a l u s e f u l c o n c l u s i o n s a r e d r a wn t l c e r t a i n e n g i ne e rin g v a l u e s Ke y wo r d s J anc h o r e d b a r a n t i p u l l for c e ant i p u l l i n g t e s t a d j u s t e d h y p e r b o l i c p r e d i c t i o n mode l 随着我 国公 路建设 的迅速 发展 山区及 丘陵 地 带公路 的修筑 1 3益增 多 修筑 过程 中势 必经 常遇 到 挖方路堑 等边 坡支 挡 问题 若 防护 不利 在雨 水 冲 刷与侵蚀及路面 车辆 振 动等 因素 影 响下 边坡 易 出 现沉 陷 塌方 与滑坡等不 良危 害 为此 必须进行有 效 的 支 护 常 用 的 沟 缝 灌 浆 砌 护 面 墙 与 重 力 式 挡 墙等方法 只能用 于滑 坡推 力小 的低矮 边坡 对 高大 或土质较差 的边 坡其 只能 治标而 难 以治 本 故 需采 用 预应 力 锚 杆 及 锚 杆 抗 滑 桩 等 岩 土 锚 固 技 术 常 用 的 锚 杆 结 构 是 通 过 在 稳 定 岩 土 层 内 钻 孑 L 后 用 水泥浆或水泥砂浆将 钢筋或钢绞线等形成 的杆体 与 岩土层粘结一起 而形 成的拉结结构 根据是否施加 预 应 力 可 分 为 预 应 力 锚 杆 与 非 预 应 力 锚 杆 两 种 用锚杆加 固边坡 不仅能提供足够 的抗 滑力 且能提 高潜在滑移面上 的抗剪 强度 有效地 阻止坡 体滑移 远优于上述被动型支挡结构 但 如何确定 锚杆的抗 拔 承 载 力 仍 是 一 难 题 目前 多 依 赖 经 验 公 式 及 相 应 参数 进行 估算 导 致所 设计 的锚 杆挡墙 结 构或保 守 或偏 于不安全 为此 本 文拟综 合我 国 目前 各种设 计计算方法 并结合 工程 实例对 锚杆 抗拔 承载力 的 确 定 进 行 较 深入 的 探讨 以获 得 一 些 有 益 的结 论 1锚杆 抗 拔承 载 力 确定 方 法 1 1锚 杆 抗 拔 机 理 在保 证边坡 不发生 整体失 稳 的前提下 锚杆抗 拔承载力主要取决 于杆 体材 料强 度 杆 体 与砂浆 间 的握裹力及 锚 固体 与 岩土 层 间 的摩 阻 力 等三 个方 面 但其发挥机理 与大小 尚受土体类 型 施工方法 锚 固段型式 工 程特 性及 使用要 求 等 因素影响 如 常用的圆柱型 端 部扩 大 头型或 连续球 体型 等锚 固 体类型将使得锚杆抗拔承 载力存在较大 的差异 通 常 预应力 锚杆 受荷时 首先是 杆体将锚 头传递 而来 的荷载通过杆体与水泥砂 浆间的握裹力传 至水泥砂 浆 然后再通过砂 浆与 孔壁 间的摩 阻力 传到被 锚 固 地层 中 最终达 到改善 土体应 力状 态 与限制变 形 的 目的 而非预应 力 被动 型灌浆 锚杆 在 被锚 固土体 收 稿 13期 2 0 0 3 1 0 2 0 作者简 介 赵 明华 1 9 5 6 男 湖南 邵 阳县人 教授 博士生 导师 主要从 事桩基 础 边坡 及软 土地基 处理 研究 维普资讯 第 4期 赵 明华 等 支 挡结 构中锚 杆抗拔 承 载力分 析 5 发生位移后激发 锚 固体与孔 壁 间 的摩 阻力 形成对 土体的反作 用 力 限 制 土 体 变形 杆体 承 受拉 伸 荷 载 对 于非圆柱形锚固体 如端头扩大型 二次高压 灌浆型或连续球 体型 锚 固体 锥 固体还 受到被 动土 压 力 作 用 另外 锚 固体传递荷 载时 是 随荷载增大 由近至 远逐 步进行 且锚 固段 长度 上应力分布极不均匀 最 近端应力集 中严重 随着荷载 向远端传递 锚 固砂浆 体与周围岩土层界面发生粘脱 这种逐 步破坏 的粘 结作 用 将 大 大 降 低 岩 土 层 强 度 的 利 用 率 特 别 在 软 岩 与 土层 中 当锚 固长 度 增 大 至 一 定 长 度 8一1 0 m 后 锚杆抗拔 承载力增 量将很小或无任何增加 1 2抗 拔 承 栽 力 计 算 从 上 述 锚 杆 抗 拔 机 理 可 以 看 出 在 保 证 锚 头 装 置可靠 锚杆杆体有 足够 的截 面积 承受 拉力及锚 固 土体在最不利条件下仍能保持 整体稳定性等前提条 件下 锚杆抗拔承 载力 主要 取决 于砂 浆对杆 体的握 裹力及 锚固段周 围岩土层 对 锚 固体的摩 阻力 故可 从 这 两 方 面 探 讨 锚 杆 抗 拔 承 载 力 的计 算 I 2 I 按砂浆对锚杆杆 体的握裹力计算 根据锚杆锚 固段砂浆体对 杆体材 料的握裹力可 估 算 锚 杆 极 限 抗 拔 承 载 力 P 如下 PI 7 c d q I 式 中 n为杆 体材料 钢筋或钢 绞线等 的根数 d为 单根杆 材的直径 L 为锚 固段长度 为考虑杆体材 料数多 于 2根 时 的 界 面粘 结 强 度 降低 系 数 可 取 0 6 0 0 8 5 q 为砂 浆体与杆 体材料 问的握裹力 由 试 验 或 规 范 经 验 值 确 定 另外 由式 1 计算 所得的锚杆抗拔承载力 尚应 考虑杆体材料与砂浆粘结强 度工作条 件按 临时性锚 杆 与 永 久 性 锚 杆 分 别 予 以折 减 1 2 2按岩 土层对锚 固体的摩 阻力计算 锚 杆 锚 固 段 周 围 岩 土 层 摩 阻力 的 发挥 与 岩土 层 性 质 及 锚 固 段 形 式 有 关 由 此 产 生 的锚 杆 抗 拔 力 计 算方法 也相应 不 同 常 用 的圆柱 型锚杆 与端 部扩大 头型的锚杆 在不同土类 中的极 限抗拔力 P 可计算 如下 a 圆 柱型 锚 杆 粘 性 土 尸 2 7 c D q 2 非 粘 性 土 P 2 7 c D q tT t a n 3 式 中 D 为锚 固体直径 q 为锚 固体与周 围岩土体间 的粘结强度值 由试验确定或查表 为锚固体与周 围岩土间 的摩 擦角 为锚 固体 剪切 面上 的法 向应 力 与锚 固体上覆岩土层 自重及灌浆压力有关 可按 7 m h加 以估算 h 分 别为锚 固段上覆岩层 厚度 与加权平均重 度 为土压 力系数 一 般接 近于 或 略小 于 I 高压灌浆时则大于 I b 端 部扩大头型锚杆 粘 性 土 中 P 7 c D L c c 7 c D q 2 丁 c Dl l c u 二 c u 丁 c D 2 j 4 砂 性 土 中 尸2 7 c D q y 7 c D 2 q 5 式 中 分 别 为 锚 固 段 中 扩 大 段 与 非 扩 大 段 长 度 即 L L D 为扩大头直径 c 为土体不 排水抗 剪强度 为扩大头承载力 系数 与扩大 头大 小 埋深及摩擦角等 因素相关 可取 9 0 需要 指出的是 对于端部扩大头型锚杆 扩大头 段 因被 动 土 压 力产 生 的锚 固力 即式 4 与 式 5 的 中间项 建议在锚 固体有足够 的扩大头时 才予 以考 虑 否 则 可 作 为 安 全 储 备 上 述不 同方法所得 的锚杆抗拔 承载力 取其最 小者作 为锚 杆 极 限抗拔 力 计算 值 即 P T n i n P P 由于计 算 公 式 中 许 多 参 数 的 选 取 与 钻 孔 方 法 岩土 的渗透性 抗 剪强度 锚杆 索 上覆 岩土层 厚 灌浆压力与次数等多种因素有关 不能准确给定 故锚杆的实际抗拔承载力最好 由现场抗拔试验验证 2锚 杆抗 拔 承载 力试 验方 法 锚 杆 试 验 分 基 本 试 验 性 能 试 验 及 验 收 试 验 等 几种 通 常 对于地质条件复杂及新型锚杆等 应进 行基本试 验 以取得 必要 的设 计 参数并验证设 计 方 案 的 可行 性 而 验 收 试 验 旨在 复 核 锚 杆 能 否 达 到 设 计承 载力要 求 各种试验均须待砂浆体强度达设计 值的 9 0 后 方 可进行 不 同之处 在 于试验 数量 加 荷大小与分 级 测读时间等方面 至于加荷装 置与方 法除承 载能力等有区别外基本相 同 如 图 1所 示 实 际 测 定 锚 杆 抗 拔 承 载 力 可 按 图 示装 置按规 范要求分 级加载 获得锚 杆荷载一 位移 曲线 Q s 后 可 分 析 确 定 锚 杆 极 限 抗 拔 力 P 加 载时一般 采用分级循环加 卸法 即逐步加载至每级 维普资讯 6 中南公路工程 第 2 8卷 图 1 锚 杆 抗拔 试验 示 意 图 Fi g u r e 1 I l l u s t r a t i o n o f a n t i p u l l i n g t e s t 既定荷载后又逐 步卸 至初 始荷载 循环往复 加至最 大荷载 其 值不 应超 过杆 体材料 强 度标 准 值 的 0 9 倍 后 又卸至初 始荷 载 预应 力锚杆待卸荷并量测位 移后 应 再 加 荷 至 锁 定 荷 载 加 卸 荷 等 级 与 位 移 观 测 时 间 及 稳 定 标 准 等 可 按 相 应 规 范 取 用 若 加 荷 至 某级荷 载时出现 锚 固体从岩 土 体或 锚杆从 锚 固 体 中拔 出 锚 头总位移量超过设计 允许 值 该级 荷 载 下 的 锚 头 位 移 增 量 大 于 上 一 级 位 移 增 量 的 2倍 等情况 则 视锚杆 已破 坏 停 止加 载 并取 该级 荷载 前 一级 荷 载 为 锚 杆 极 限抗 拔 力 基 本 值 各 试 验 点 全 部完成后 由各锚 杆 的极 限抗拔 力基 本 值经概 率统 计后获得锚杆极 限承载力标 准值 也 可 利 用 抗 拔 试 验 验 证 设 计 参 数 如 可 采 用 增 加锚杆杆材数量 长度按设 计要求 或减小锚 固段长 度 取设计值 的 0 5倍左 右 的措 施 使得锚 固体与 周 围 岩土 层 间 首 先 发 生 破 坏 从 而 验 证 锚 固体 与 岩 土层 的 粘 结 强 度 值 需 要 指 出 的是 由 于 锚 杆 抗 拔 试 验 均 基 于 工 程 现场 且大 多情况下不 宜达至抗拔极 限状 态 为此 本 研 究 通 过 对 大 量 实 测 锚 杆 Q s曲 线 分 析 的 基 础 上 提 出采用调整 双 曲线模 型对 锚杆 抗拔极 限承载 力 P进行 预估 其 效果 良好 计算公式如下 P 6 5 十1 一十c S 8n 1 式 中 s为 锚 杆 总 位 移 m m s 为 最 后 第 二 级 荷 载 下的实测锚 杆位移 m m 口 b c为拟合参数 3工 程 应 用 实 例 某 边 坡 高 约 7 5 m 采 用 锚 杆 支 护 场 地 内 的 岩 土层 分布与相应力 学性 质参数 如 图 2所示 其 中杂 填土厚度不 均 靠近边坡外 侧近 5 m 为此 顶部锚 杆布置稍 密 且 锚杆 全长 粘结 锚 固体采 用 圆柱 形 直径 D 1 3 0 m m 杆体材 料采用 级螺纹钢 d 2 8 m m 砂浆强度 等级 为 M3 0 五排锚杆倾角均为 1 5 长 度 为 7 0 1 0 0 m 委 V 粤 主 卵 石 4 0 O 2 0 O k N m3 图 2某 边 坡 锚 杆 支 护 示 意 图 Fi g u r e 2 I l l u s t r at i o n o f 8 s o pe r e t a i n e d a nc h o r e d b a r s 为 检 验锚 杆 是 否 能 达 到 设 计 承 载 力 要 求 对 锚 杆进行验 收性 抗拔 试验 现 以第三 排锚杆为 例 其 设 计 承 载 力 为 7 0 k N 由抗 拔 试 验 获 得 的 荷 载 一 位 移 曲线 Q s如 图 3所 示 从 图 中可 看 出 加 荷 过 程 中 锚头位移稳定情况 良好 达最 大加荷值 1 0 5 k N 后 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 昌 2 5 暑 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 Qf kN 0 l 0 20 30 40 50 60 7 0 80 90 l O0 Il O 图 3锚 杆抗 拔试 验 时的 Q s曲线 F i g u r e 3 Q v e r s u s 5 i n a n t i p u l l i n g t e s t s o f a n c h o r e d b a r 维普资讯 第 4期 赵 明华 等 支挡 结构 中锚 杆抗 拔承 载力 分析 7 也 未 出 现破 坏 征 兆 故 可 认 为 其极 限抗 拔 力 P 1 0 5 k N 采 用 调 整 双 曲 线 法 进 行 预 测 后 获 得 抗 拔 承 载力 预 测 值 P预 估 3 0 1 k N 拟 合 相 关 指 数 R 达 0 9 9 9 6 其余参数分别为 0 0 0 0 3 3 b 一0 0 3 1 l c 0 0 41 3 而 理 论 计 算 表 明 考 虑 地 面 超 载 q 5 k P a 按 梯 形 土压力分布模式求得锚杆所受荷载为 5 5 0 k N 根 据 相关规范表格查表后取锚 固体 与土体平均粘结强 度值 q 4 o k P a 稳 定分 析 结果 为 边坡 稳 定 安全 系数为 1 5 l 潜 在滑移面贯穿锚杆 锚 固段长约 6 8 5 m 如 图 2所 示 按 公 式 1 可得 锚 杆 极 限 抗 拔 力计算值为 P l l 1 8 k N 该经 验计算值 大于试验 最大加载值 而小于调整双 曲线预测值 这说 明锚杆 能满足设 计要求 并偏于安 全 4结 语 相 比 传 统 的 公 路 边 坡 支 挡 技 术 锚 杆 支 护 是 一 种 全 新 的支 挡 技 术 其 不 仅 结 构 简 单 圬 工 少 且 受 力合理 可靠 但锚 杆技术 的设计 理论 落后于 工程 实践 本文结合工程实例对锚杆抗拔 承载力进行 了 试验研究 结果 表明 现有 理论 计算 方法 尚不 完善 所用的经验参数也与实测值不符 为此 应进一步 重视锚杆 的试验与理论研究工作 确保工程安全 参考文献 1 程 良奎 范景 伦 韩军 许 建平 岩土 锚 固 M 北 京 中国 建 筑 工业 出版社 2 0 0 3 2 J T J 0 1 3 9 5 公 路路基 设计规 范 s 3 GB 5 X 8 6 2 0 0 1 锚 杆喷射混 凝土 支护技术规 范 s 4 建 筑边坡 工程技 术规 范 s 5 C E C S 2 2 9 0 土 层锚杆设 计与施工 规 范 s 6 杨 航 宇 颜志 平 朱赞 凌 罗 志聪 公路 边坡 防 护与治 理 M 北 京 人 民交通 出版社 2 0 O 2 7 Mi t s c h M P a n d S P C l e m e n c e T h e U p l i f t C a p a c i t y o f H e l i x A n c h o r s i n S a n d C J P r o c e e d i n g s U p l i f t B e h a v i o r o f A n c h o r F o u n d a t i o n s i n S o i l A S CE 1 9 8 5 P P 2