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
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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()
9、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
10、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,
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