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 eF 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 http:/ 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 http:/ 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 01 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 http:/ 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 P1 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，MP ，a n d S PC 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 P2 6 4 7 8 赵 明华，胡志 清 预估 试 桩极 限 承载 力的 调整 双 曲线 法 J 建 筑 结构，1 9 8 5，(3)：4 7-5 2 (上接 第 3页)1 9 51 l kN 同理 可得 P6=2 5 59 3 k N；P7=3 3 9 51 k N 换算 墩 A(其抗推刚度 为)所分摊的水平 力 P z 赢 o =4 0 94 5 k N 4号 墩 实 际 承担 的水 平 力 P：P K4=4 0 9 4 5 2 5 2 k N 2)非 荷 载联 水 平 力 的 计 算 4号 墩 墩 顶 产 生 的 水 平 位 移 A=P4 在诱 导换 算 墩 的抗 推 刚 度时(图 3)，是 假 定 4 号 墩 墩 顶 产 生 单 位 水 平 位 移，此时 1 3号 墩 墩 顶 产 生 的 水 平 位 移 均 为。，见 图 3(b)，现 在 4号 墩 墩 顶 产 生 的 水 平 位 移 为 ，则 1 3号 墩 墩 顶 产 生 的 水 平位 移均为 A=A。A 。将式(5)中。代人得：-。=。P4：1 3 5 0 4 6 1 0一 P。=P2=A=7 4 46A=1 0 0 5 6 k N P 3=K；a=5 6 1 3 A=7 5 8 0 k N 与文献 2 结果 完 全一 致，但 计算 手 续 简便 得 多。b 荷 载 作 用 在 第 1联(第 2联 无 载)时 的 计 算 同理(计算略)。5结 语 本 文提出的方法概念清楚，计算 简单，避免了绘 制串联、并联线路图等手续，便于实践 中应用。参考文献】1 李靖 森，王 国鼎 换算 刚 度法 及其 在 结构 中的应 用 M 北 京：人民 交通 出版 社，1 9 9 0 2 袁伦 一 连续 桥面 简支粱桥墩 台计算 实 例(修 订版)M 北 京：人 民交通 出版 社 1 9 9 8 3 王伯 惠，徐风 云 柔性 墩 台粱 式桥 设 计 M 北 京：人 民 交通 出 版 社，1 9 9 1 4 王国 鼎 拱桥 连拱 计 算(第二 版)M 北 京：人 民交 通 出版 社，I 9 9 8 维普资讯 http:/