红层地区基坑锚杆抗拔承载力及计算参数时变特性_刘晓明.pdf

第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 红层地区基坑锚杆抗拔承载力及计算参数时变特性刘晓明，刘舒，杨康（湖南大学土木工程学院，长沙 ）摘要：针对锚杆在服役过程中承载力可能下降的问题，对红层地区某基坑工程开展多批次锚杆拉拔试验，得到了红层软岩锚杆的荷载位移曲线（曲线），揭示了红层软岩基坑锚杆抗拔承载力随时间衰减的特征。首先基于锚固体岩土界面的三折线本构模型，推导出锚杆端部（锚头）的荷载位移关系式；然后基于现场试验数据，采用鲸鱼优化算法进行计算参数反演，得到关系式的计算参数值及其随时间的变化特性。结果表明：红层软岩基坑锚杆抗拔承载力随时间衰减，且承载力衰减幅度随着时间的增长并不收敛，荷载位移关系式的计算参数也随时间变化：服役年后，锚固界面极限强度降低了 ，侧摩阻力传递系数降低了 ，极限荷载下锚固体的脱黏段长度降低了 ，而极限剪切位移增加了 ；与服役近年相比，锚杆抗拔承载力与计算参数随时间的变化没有稳定趋势，因此对基坑支护结构延长使用年限应谨慎对待。关键词：红层软岩；基坑锚杆；抗拔承载力；参数反演；时变特性中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：（），：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）第一作者：刘晓明（），男，教授，主要研究方向为特殊性岩土、地下空间开发与利用，预应力锚杆是支护工程中的常用构件，但在服役过程中锚杆的抗拔承载力会受外界环境影响发生衰减，从而导致支护结构安全性降低，威胁人民生命财产安全。红层在我国分布广泛，因红层软岩多具有崩解性，红层地区的地质灾害比一般地区发生更为频繁，因此红层软岩是备受关注的特殊性岩土之一。学者对于红层地区的锚杆开展了一些研究：赵明华等通过红层锚杆的拉拔试验和红层软岩的耐崩解试验，研究了红层软岩的崩解性与锚杆力学性质之间的影响规律；张玉芳针对铁路红层边坡的病害问题，分析了不同锚固方案的防护效果，并得出最优锚杆设置方案；温永凯等通过室内试验探究了红土的土体干密度和含水率对锚杆锚固体红土界面剪切特性的影响。因锚杆完工后多会封锚，无法再进行拉拔试验，而锚杆抗拔承载力时效性研究需要对同型锚杆进行多批次试验，故已有的锚杆承载力时效性研究多通过室内试验和数值仿真试验开展，鲜见基于现场试验对红层软岩锚杆抗拔承载力衰减特性进行研究的成果。某红层地区基坑设计年限为年，受非技术因素影响停工，次试图复工，每次复工前都进行了锚杆抗拔试验，测试锚杆抗拔承载力是否满足设计要求，由此得到了组时间跨度为年的批次锚杆抗拔试验资料，展示了红层软岩锚杆年内的时效变第期刘晓明，等：红层地区基坑锚杆抗拔承载力及计算参数时变特性化特征。本文首先介绍该工程及其锚杆抗拔试验的基本情况，然后基于锚固体岩土界面的三折线本构模型导出考虑锚固端移动的锚杆端部抗拔荷载位移隐函数关系式，采用鲸鱼优化算法反演出关系模型的计算参数值并进行时效性分析，揭示红层软岩锚杆变形关系计算参数的时变特性，为红层地区基坑支护结构的设计计算和安全性评估提供参考。工程介绍 工程概况某基坑支护项目位于湖南省某市中心，场地东侧为市政道路，西侧和北侧均为居民建筑群，建筑群以北为湘江，南侧为城市主干道。拟建项目为商业中心，地下为层半，其中半层地下室为车库，基础形式为筏板基础，持力层为红色强中风化泥质粉砂岩（属 红 层 软 岩）。拟 建 场 地 地 坪 标 高 为 ，基坑底标高为 ，基坑深度为 ，基坑支护长度约为 。支护结构为桩锚支护，安全等级为一级，依照地表高程，分别设置层预应力锚索，典型支护结构剖面如图 所示，其中第排锚索的主要锚固地层为强风化泥质粉砂岩。图典型支护结构剖面 该基坑采用分层开挖、分层打设锚索的施工方式，于 年月开挖至基坑底标高，并完成所有锚索抗拔力检测，结果显示均达到设计要求。因非技术因素影响，该工程在施作部分地下结构后停工，停工的同时，一直维持基坑内排水。年月提出复工申请，因即将超出设计寿命，进行了次锚索抗拔试验，以评估支护结构安全性。但抗拔试验完成后未能复工，此后施工方退场，停止排水维护，基坑被水浸泡。年 月再次提出复工申请，基坑抽水后，又进行了次抗拔承载力试验。经安全评估，加固后复工，加固采用钢斜撑的方式。锚杆施工完成到加固前的各期现场卫星图像如图（）图（）所示，斜撑加固照片如图（）所示。因此，该基坑锚杆共进行了批次锚索拉拔试验，次试验间隔时间分别为近年（个月）和年多（个月）。取其中锚固段全部位于泥质粉砂岩中的第排锚杆试验结果，用以研究红层软岩基坑锚杆抗拔承载力的时变特性。图基坑各时期卫星图像及加固照片 地质概况与红层软岩参数根据勘察报告，场地内地层按自上而下的顺序依次为：第四系全新统填土、第四系上更新统粉质黏土、粉砂、圆砾，基岩为白垩系全风 化 泥 质粉 砂 岩（厚）、强风化泥质粉砂岩（厚）和中风化泥质粉砂岩（未钻穿）。强风化泥质粉砂岩层重型标贯实测平均值为 击，天然重度为 ，黏聚力（）取值为 ，摩擦角（）取中 国 科 技 论 文第 卷值为 ；锚 固 体 与 地 层 极 限 粘 结 强 度 标 准 值 为 。场地地下水随季节性变化非常明显，圆砾层地下水与湘江水力联系密切互相补给，湘江水位变化区间为 。红层软岩遇水易软化，在干湿循环作用下会崩解，且岩石耐崩解指数会随干湿循环次数的增加而降低，因此锚杆的锚固地层受到周期性地下水位涨落的影响，相关参数发生变化，进而可能导致抗拔承载力下降。拉拔试验结果次拉拔试验均按国家技术规程 的要求进行，得到了锚杆的抗拔承载力随时间的变化关系。根据试验时间对试验数据分别编号为（开挖完成）、（服役近年）、（服役年多）。其中锚固段位于红层软岩的锚杆（各段第排）相关设计参数见表，对应的批次拉拔试验结果如图所示。表锚杆设计参数 锚固体直径总长度自由段长度锚固段长度倾角（）拉力设计值 图拉拔试验结果 由图可知：基坑施工完成后检测到锚杆极限承载力（）大于 倍的设计值（，未破坏）；锚杆服役近年后，未到试验设定最大荷载（倍设计值）就发生破坏，根锚杆的极限承载力平均值为 ，降幅为；服役年后极限承载力平均值降至 ，降幅为 ，极限承载力已经低于设计值，存在安全问题。基于三折线模型的锚杆端部荷载位移关系式基坑支护体系设计与加固设计计算均需要基于锚杆端部（锚头处）的荷载位移关系进行。本节基于三折线模型导出锚杆端部的荷载位移关系式，用于支护结构计算与安全性评估。锚固体界面本构模型与基本方程锚土界面本构的三折线模型表达式为（）（），（）；，（）。（）式中：为所研究截面到锚固段顶端的距离，；（）为锚固段处的剪切强度，；为界面脱黏后的残余强 度，；为 侧 摩 阻 力 传 递 系 数，；（）为锚固段处的位移，；为极限剪切位移，。其中，、和为时变参数，随锚固条件变化而变化。根据式（）可导出锚固体任意截面的控制微分方程：（）（），；（），。（）式中：为锚固体的周长，；为锚固体的等效弹性模量，；为锚固体的截面积，；为锚固体的脱黏段的长度，；为锚固段的长度，。解得式（）个微分方程对应的通解为（），；，。（）式中：；、为通解的系数，由边界条件确定。锚杆摩阻力分布与拉拔过程受力状态基于三折线模型，还可以简化得到荷载传递过程中锚固体与岩土体界面摩阻力的分布状态，如图所示，其中为自由段长度，、分别为锚固体的脱黏段长度、弹性段长度、未发挥作用段长度。图锚杆构造与锚固体应力分布状态 第期刘晓明，等：红层地区基坑锚杆抗拔承载力及计算参数时变特性在拉拔荷载作用下，锚杆端部荷载（）从到极限值再到残余值，对应的锚固体段长度的动态变化为：先增大后减小至，从开始逐渐增大至，逐渐减小至。根据锚土界面的本构关系和锚固体各段长度的变化，可将锚固体受力过程划分为弹性阶段（且）、弹塑性阶段（且）和残余阶段（且），其中抗拔力极限值出现在弹塑性阶段。锚杆端部荷载位移关系在荷载（）作用下，锚杆端部的位移由自由段的伸长量和锚固体位移部分组成，其中自由段的伸长量计算公式为。（）式中：为自由段的伸长量，；为施加在锚头处的荷载，；为自由段长度，；为自由段弹性模量，；为自由段横截面积，。根据通解（），基于上述拉拔过程受力状态分析，可推导得出各受力阶段锚头的荷载位移关系（限于篇幅，省略推导过程）。弹性阶段该阶段锚固段的边界条件为，（）；（）。（）得到锚杆端部的荷载位移关系表达式为 。（）式中，为锚杆端部（锚头处）的位移，。弹塑性阶段该阶段锚固段的边界条件为（），；（），。（）式中，为锚固界面极限强度，也为时变参数，随锚固条件变化而变化。导得锚头处以 作为中间变量的隐函数形式的荷载位移关系表达式为（）（），。（）当锚固弹性段末端达到锚杆锚固段尾部时，弹性段所能提供的锚固力开始下降，但是只要其下降幅度小于脱黏段锚固力增长幅度，锚固段的总锚固力仍在增加。当弹性锚固段丧失的锚固力等于脱黏段锚固力增量时，锚杆达到极限状态，对应的锚杆承载力达到极限承载力（）。此刻满足 且 ，即 （）（）。（）此时求得的脱黏段长度（）为特定值，为便于区分，令该特定值为 ，其为极限承载力下锚固体的脱黏段长度，需注意不同条件下 值也不同。将 和其他参数代入式（）即可得到值及其对应的锚杆端部位移（）分别为 （）（），。（）残余阶段达到后继续拉拔，锚杆则发生破坏（全长脱黏），因弹性势能释放，迅速进入残余阶段。锚固段所能承受的荷载为残余承载力（），变形则随时间不断增长，有。（）荷载位移关系计算参数反演结果与分析现场拉拔试验结果表明，红层软岩锚杆的抗拔承载力会随着时间推移而衰减，因此其荷载位移关系参数也会随着时间发生变化。掌握计算参数的时变特性对于分析基坑支护结构安全性有重要意义。本节基于现场实测数据，采用反演方法，得到荷载位移关系式的计算参数值并对其进行时变特性分析。反演方法反演是指在反问题求解过程中应用人工智能的方法技术，寻求局部或全局最优的结果，适用于在已有数学物理模型的基础上对具体参数的求解，在目前锚杆的理论研究中应用广泛。本文运用反演方法，基于拉拔试验得到的荷载位移曲线确定相应参数，具体操作步骤为：）通过设计图纸和施工资料获取地层信息和锚杆设计参数；）通过拉拔试验数据直接获取、和整个拉拔过程中的值；）根据式（）计算得到的数值；）根据式（）式（）借助鲸鱼优化算法寻优，确定另外个计算参数（，）的值；）根据式（）计算得到值。鲸 鱼 优 化 算 法（）是近年提出的通过模拟鲸鱼特有的气泡网觅食策略（随机搜索觅食、收缩包围猎物和螺旋气泡网捕食）来达到优化目的 的优化算法，具有收敛快、寻优精度高等优点，因此本文采用该方法进行参数寻优，限于篇幅，不再介绍该方法，可参考有关文献 。反演结果上述反演方法所得结果见表和表。中 国 科 技 论 文第 卷表计算参数反演结果 参数（开挖完成）（服役近年）（服役年多）均值 均值 均值 （）注：由于组试验锚杆未破坏，所以只能求解得部分计算参数值。表计算参数时变幅度 服役时间年 注：均以组均值为参照值，“”表示增加，“”表示下降。由表和表可知，随着服役时间的增长，锚固界面极限强度（）、界面脱黏后的残余强度（）、侧摩阻力传递系数（）和极限承载力下锚固体的脱黏段长度（）均下降，而极限剪切位移（）增加。与基坑刚刚开挖完成时相比，在服役近年即未超期时，计算参数变化幅度较小，服役年即超期年时，各个计算参数均产生了较大幅度的变化，且随时间增长未呈现出稳定趋势。再以反演得到的计算参数进行正分析，利用推导得到的锚杆端部荷载位移关系式预测锚杆拉拔全过程的荷载位移曲线，与试验数据进行对比。对每个批次取组拉拔试验数据进行对比，如图所示。图预测荷载位移曲线与试验数据的对比 由图可知：在达到极限承载力（）之前，计算值与试验值吻合较好；当锚杆承载力达到之后，计算曲线与试验曲线差别显著，计算曲线表现为卸载回弹，而试验曲线表现为软化变形，这种差异也被文献 证实。计算结果和试验结果出现差异的原因主要为荷载达到之后，锚固力降低，锚杆卸载回弹，因此计算中则表现为杆端回缩，计算曲线呈现卸载特征；而现场试验中，荷载达到之后，尽管锚杆杆体弹性能释放将导致锚头位移回缩，表现为曲线回弹，但实际上由于锚头对反向位移的限制作用，锚头不会产生回缩，而且加载用的千斤顶装置中储存的弹性能释放，仍会把锚杆往外拉，因此试验曲线仍表现为拉伸。综上所述，本文导出的锚杆端部荷载位移关系式可以反映在抗拔力达到极限之前锚杆的工作特性，适用于锚杆未达破坏状态的支护结构分析与计算。结论对基坑中锚固段位于红层软岩的锚杆开展了多批次现场拉拔试验，揭示了红层基坑锚杆抗拔承载力的时变特性；基于三折线理论，导出了锚杆端部（锚头处）的荷载位移关系式，采用鲸鱼优化算法进行计算参数的反演，得到了锚杆荷载位移关系式的计算参数值，并研究了其时变特征。得到以下结论：）红层软岩基坑锚杆抗拔承载力会随时间的推移而衰减，服役近年和年的锚杆的抗拔承载力降幅分别为 和 ，说明红层软岩基坑锚杆的承载力随着时间的推移而下降，而且下降幅度并不随时间收敛。）基于锚土界面本构的三折线理论模型推导得到锚杆端部荷载位移关系式，计算结果与实测曲线在锚杆达到极限荷载前吻合良好，因此导出的锚杆端部荷载位移关系式可用于相应支护结构体系计算。）伴随着锚杆承载力下降，计算参数、和 减小，而增加。服役近年和年的计算参数随时间的变化没有稳定趋势，因此工程中应遵守基坑支护结构设计寿命的规定，不能随意延长基坑支护结构的使用年限。深基坑工程常位于城市中心，其锚固体系一旦出现问题，可导致严重事故。本文报道的案例并不常见，希望能给同行多一个视角看待红层地区的基坑锚杆问题，深化对红层地区基坑锚杆的认识，减少工程损失。（由于印刷关系，查阅本文电子版请登录：）第期刘晓明，等：红层地区基坑锚杆抗拔承载力及计算参数时变特性 参考文献（）胡江春，崔力，郝育喜，等锚杆长期拉拔荷载下岩体内部应 变 时 空 演 化 特 征 金 属 矿 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