土岩复合地层不同锚固长度预应力锚索锚固机制及现场测试.pdf
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1、引用格式:刘学,郭廷科,沈龙,等.土岩复合地层不同锚固长度预应力锚索锚固机制及现场测试J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):154.LIU Xue,GUO Tingke,SHEN Long,et al.Anchorage mechanism and field tests of prestressed anchor cables with different anchorage lengths in soil-rock composite strataJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):154.收稿日期:2022-07-20;修回日期:2023-0
2、4-28基金项目:国家自然科学基金(52074298)第一作者简介:刘学(1986),男,辽宁营口人,2008 年毕业于西南交通大学,结构力学专业,本科,工程师,现从事城市轨道交通施工和技术研究工作。E-mail:1369652296 。通信作者:徐东明,E-mail:xdm0816 。土岩复合地层不同锚固长度预应力锚索锚固机制及现场测试刘 学1,郭廷科1,沈 龙1,王 鑫1,徐东明2,翟兆玺2(1.中铁四局集团有限公司,安徽 合肥 230023;2.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,北京 100083)摘要:为获取土岩复合地层最优锚固长度,采用室内试验、数值模拟、工程
3、测试等方法,围绕是否穿过黏性土砾砂岩层,针对 2 类锚固长度(12 m、8 m)工况进行研究。结果表明:1)在张拉载荷作用下,剪应力峰值由锚固段起始点向尾部转移,而锚固在含黏性土砾砂岩层中的剪应力峰值低,轴力衰减速率高。2)随张拉载荷的增大,锚固在黏性土砾砂岩层中的锚固段由拉应力区逐渐转化为压应力区,应力向深处的传递速率低,锚固体具有抵抗外载荷能力差、变形量大的特点。3)锚索轴力可分为预应力损失、上升、波动3 个演化阶段,而锚固段穿过黏性土砾砂岩层时,预应力在波动阶段出现损失,且在不同方向上的预应力呈现非均匀分布特征。4)在锚索穿过土岩复合地层时,应避免锚固在含土砾砂地层中。关键词:土岩复合地
4、层;锚固长度;锚固机制;拉拔试验;数值模拟;现场试验DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.018中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0154-09A An nc ch ho or ra ag ge e MMe ec ch ha an ni is sm m a an nd d F Fi ie el ld d T Te es st ts s o of f P Pr re es st tr re es ss se ed d A An nc ch ho or r C Ca ab bl le es s w wi it t
5、h h D Di if ff fe er re en nt t A An nc ch ho or ra ag ge e L Le en ng gt th hs s i in n S So oi il l-R Ro oc ck k C Co om mp po os si it te e S St tr ra at ta aLIU Xue1,GUO Tingke1,SHEN Long1,WANG Xin1,XU Dongming2,*,ZHAI Zhaoxi2(1.China Railway No.4 Bureau Group Co.,Ltd.,Hefei 230023,Anhui,China;2
6、.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To obtain the optimal anchorage length for soil-rock composite strata,indoor tests,numerical simulations,and engineering tests are
7、conducted to investigate the working conditions for two types of anchorage lengths(12 m and 8 m).The results show the following:(1)The peak shear stress transfers from the beginning to the end of the anchorage section under the tension load,while the peak shear stress is low and the axial force deca
8、y rate is high in the anchorage in clayey soil gravel sandstone layer.(2)With the increase of tension load,the anchorage section in clayey soil gravel sandstone layer gradually transforms from tensile stress zone to compressive stress zone,the transfer rate of stress to the depth is low,and the anch
9、orage solid has the characteristics of poor resistance to external load and high deformation.(3)The anchor cable axial force can be divided into three evolutionary stages:loss of prestress,rise,and fluctuation,and when the anchorage section passes through the clayey soil-gravel sandstone layer,the p
10、restress is lost in the fluctuation stage,and the prestress is non-uniformly distributed in different directions.(4)It is recommended to avoid anchoring in the soil-gravel sandstone layer when the anchor cable passes through the soil-rock composite strata.K Ke ey yw wo or rd ds s:soil-rock composite
11、 strata;anchorage length;anchorage mechanism;pull-out test;numerical simulation;field test增刊 1刘 学,等:土岩复合地层不同锚固长度预应力锚索锚固机制及现场测试0 引言 近年来,随着岩土工程的快速发展,长度大于20 m 的高预应力锚索被广泛应用于采矿、基坑及隧道建设中1-2。锚索能够将锚固力由表面传递至围岩深部,使开挖后的二维应力状态转化为三维应力状态,岩体的承载力和稳定性得到提升,支护后的岩体抵抗围岩的变形能力强。预应力锚索设计的核心和关键要素之一是锚固长度的确定。合理确定锚固长度不仅关系到锚索的支护
12、安全,而且对锚固工程的造价有着重要的影响,是锚固理论研究中一个重要问题。于远祥等3发现锚固段长度在 4 m 增加至 8 m 的过程中,锚索的极限拉拔力不断上升,并指出黄土地层中锚固长度为 68 m 较为合理;王道路等4通过数值模拟证明锚固长度对界面的黏结力影响要大于锚杆直径;随家馨等5基于安全系数法,对不同方案中自由段、锚固段参数进行优化,提出了最佳锚固参数并在现场推广;叶红等6探究了压力型锚索的锚固段与岩体弹性模量、锚栓孔半径、预应力的关系,发现应力作用下改变的仅是峰值,而应力分布曲线类型并无改变;张耀升等7在确定了锚固界面的弹性段与软化段的长度后,计算了注浆锚杆的临界锚固长度,并基于现场拉
13、拔试验进行验证,证明最大轴向应变出现在加载段;黄明华等8构建非线性界面的剪切滑移模型,展开了张拉作用下锚固长度的支护效用研究,得到锚固长度的增加使剪应力逐渐分布不均的结论;姚强岭等9设计开展不同锚固长度的拉拔试验,证明锚固界面失效时的阈值随锚固长度的增加而增大,锚固段长度越长则锚固体可承受的载荷越大;冯君等10指出锚固性能受注浆体、地层环境、地层性能的影响,不同类型锚杆在相同载荷水平下的剪应力分布具有较大差异。为探究不同锚固长度预应力锚索的锚固机制,以上学者采用理论、室内试验与数值模拟的手段展开了大量的研究工作,探讨了锚固段的受力特性,为预应力锚索支护设计提供了参考。但当锚固界面穿过复合地层,
14、尤其是在土岩地层,物理力学属性差异性大时,锚固界面的传递机制尚未明确,现有锚固长度的设计方案难以适用。鉴于此,本文以青岛地铁 6 号线淮河西路站为研究背景,开展土岩复合地层不同锚固长度拉拔试验,探究锚固界面应力传递作用机制,建立数值模型分析预应力作用下围岩的应力、位移演化特征,并对现场不同锚固长度的锚索进行长期监测,以获取土岩组合地层中的最优锚固参数。1 工程背景1.1 工程概况 青岛地铁 6 号线淮河西路站,位于团结路与淮河西路交叉口,车站长度为 207 m,站台宽度为 11 m,基坑深度为 21.125.2 m,采用明挖法施工。车站地质主要为土岩组合地层,如图 1 所示。上部为土层,孔隙度
15、大,透水性强;下部为岩层,完整性较好,强度高。从地表至基坑底部依次为粉质黏土、含黏性土砾砂、强风化闪长岩、中风化闪长岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩,为典型的上软下硬地层。图 1 地质条件与支护参数Fig.1 Geological conditions and support parameters根据地质条件与基坑特点,基坑采用两侧阶梯型分段分层、中部拉槽放坡式开挖,形成钻孔桩、预应力锚索、钢管桩的支护体系。如图 1 所示,根据基坑锚索的支护设计,锚索在支护区间内穿过多类地层。1.2 锚固段长度设计 在基坑锚索的支护设计中,合理的锚固长度关系着基坑开挖过程的安全。锚固长度不足时会导致锚固段承载能
16、力弱,难以抵抗围岩变形,锚固长度过长则会引起材料的浪费,给施工与成本带来负担。因此,各类工程技术规范针对锚固长度给出了合理建议值,如表1 所示。不同技术规范中锚固长度的计算方式有所不同,对于长度要求所持的观点不一,例如:SN 533191 规范中建议长度为 7 m,而 CECS 22:2005 规程中要求为 12 m,5 m 的锚固长度差距对锚索的锚固能力将产生重要的影响。同时,受灌浆体黏结力、岩土体力学性能的影响,锚固在土层与岩层中的标准不一,在现场的应用效果难以保证。另一方面,临界锚固长度 la作为锚固设计长度的上限值,对于锚固设计尤为重要。诸多学者在试验与理论分析基础上,通过分析锚固段受
17、力状态,计算临界锚固长度 la,为锚索的设计提供理论支撑。即当锚固长度超过 la后,锚索的抗拔承载力不再随锚固长度增加而提高,得到以下极限锚固长度计算方式,如表 2所示。551隧道建设(中英文)第 43 卷表 1 锚固段长度建议值Table 1 Recommended values of anchor section length国家/机构规范建议锚固长度/m英国BSI 8081岩土锚杆实践规范310国际预应力混凝土协会 FIP预应力灌浆锚杆设计施工规范310美国PTI预应力岩土锚杆的建议4.510日本 CJG 41012000 地层锚杆设计施工规范310瑞士SN 533191地层锚杆47中国
18、CECS 22:2005 岩 土 锚 杆(索)技术规程岩层 38土层 612中国GB 503302013 建筑边坡工程技术规范岩层 38土层 410表 2 临界锚固长度计算Table 2 Calculation of critical anchorage length作者临界锚固长度龙照等11la=3.6d0EbGs张洁等12la=2EA/黄明华等8la=EAPumax1.45ln11-1()0.64Zhan 等13la=22ln1012(1+)R2(EEe)Xu 等14la=0.8711DEe()Hu 等15la=Pudu 注:d0为锚固体半径,Eb为锚固体弹性模量,Gs为岩土弹性模量;E为
19、锚固体综合模量,A 为锚固体综合面积,为侧摩阻刚度系数;1为锚固界面承载能力的发挥系数,为张拉载荷衰减因子,Pumax为极限抗拔载荷;为岩石泊松比,R 为锚固体半径,Ee为锚固体弹性模量,E 为岩石弹性模量;1为锚固体极限黏结强度,1为锚固区极限剪切位移,D 为锚杆直径;u为锚固体黏结强度,Pu为锚索极限抗拔载荷,d为锚固体直径。由表 2 可知,判断极限锚固长度的方式标准不一,需要通过大量的试验获取控制参数。以锚索 4 束钢绞线为例,其直径为 15.2 mm,长度为 27 m;钻孔直径为150 mm,灌浆料型号为 M30 水泥砂浆,含黏性土砾砂、强风化闪长岩与锚固体的极限黏结强度标准值分别为1
20、8、240 kPa,强风化闪长岩弹性模量为 35 MPa,泊松比为 0.25,锚固体综合面积为 176.6 cm2,综合弹性模量为 2.8104 MPa。通过计算锚索的临界极限长度,分别为 7.811、12.113、15.3 m15。因此,综合各类规范与学者的研究结果,在该类地层中锚固长度集中在612 m。对于工程现场而言,锚固长度 12 m 时穿过含黏性砾砂与强风化闪长岩 2 类地层,如图 2 所示,当锚固长度低于 8 m 时锚固段完全位于强风化闪长岩中。为探究 2 类工况下的支护功效,进行室内拉拔试验与数值模拟分析。图 2 锚固长度示意图Fig.2 Anchorage length dia
21、gram2 锚固长度拉拔试验2.1 试验方案 为探究土岩组合地层锚固段剪应力与锚杆轴力的分布特征,设计开展不同地层的锚固长度拉拔试验。锚杆选用长度 1.5 m、直径 18 mm 的螺纹钢锚杆,破断载荷为 900 MPa,锚固段通过注入定量的水泥砂浆以实现控制锚固长度的目的,锚固体采用 42.5 级硅酸盐水泥、河砂、水进行相似材料配比,岩层的配比参数如表 3 所示。表 3 岩层配比参数Table 3 Rock proportioning parameters地层相似配比(水 水泥 河砂)抗压强度/MPa现场配比黏聚力/kPa现场配比含黏性土砾砂0.5 1 4.23.84.21520强风化闪长岩0
22、.4 1 3.812.211.53842拉拔试验的关键是重塑现场工程的实际锚固状态,进行等比例缩尺试验,强度参数与现场接近,长度比尺为 1 27。浇筑锚固体的高度为 1 m,其中含黏性土砾砂地层 35 cm、强风化闪长岩 65 cm。锚固段分为45 cm 和 30 cm 2 类工况,锚固段 45 cm 对应现场长度12 m 穿含黏性土砾砂地层工况,锚固段 30 cm 对应现场长度 8 m 直接锚固在强风化闪长岩地层工况。开槽并沿锚固段粘贴应变片,间隔 7.5 cm,监测锚杆张拉过程中的应力分布。张拉试验设备选用拉拔仪,试验现场如图 3 所示。2.2 锚固段应力分布特征2.2.1 剪应力锚固段的
23、剪应力值通过相邻应变片(i 与 i+1)进行求解,=(i-i+1)EAdx。(1)651增刊 1刘 学,等:土岩复合地层不同锚固长度预应力锚索锚固机制及现场测试式中:i为 i 点处的锚杆应变值;E、A、d 分别为锚杆的弹性模量、截面积与直径;x 为应变片之间的距离。(a)浇筑模型示意图(b)试验设备图(c)应变片粘贴位置示意图图 3 拉拔试验Fig.3 Pull-out test采用统计学方法对监测点的剪应力值进行多项式拟合,拟合决定系数 R20.9,以保证拟合结果的有效性。多项式拟合的优势在于不改变剪应力分布趋势的前提下,有效地对剪应力峰值运移特征进行刻画,对锚固作用机制具有一定的指导作用。
24、不同张拉载荷下锚杆的剪应力分布曲线如图 4 所示。由图可知:1)随着张拉载荷的增大,当锚固长度为 30 cm 时,30 kN 和 90 kN 状态下剪应力峰值集中在锚固段起始位置,150 kN 时剪应力峰值点由 0 cm 转移至 6 cm;而锚固长度为 45 cm,90 kN 时峰值点由 0 cm 转移至5.7 cm;由于剪应力的转移载荷点可作为锚固界面的破坏阈值9,因此,穿地层工况下的锚固界面在 90 kN状态下便发生了破坏,锚固长度 45 cm 的界面在承受载荷后防止破坏的能力要低于锚固长度 30 cm 时。2)随着载荷的增大,不同锚固长度的剪应力峰值均由锚固段起始点向尾部转移,证明锚固界
25、面的破坏位置是由自由段与锚固段交界处向锚固体深部转移,呈现渐进破坏特征。3)锚固长度为 45 cm 时,由于锚固段穿过含黏性土砾砂岩层,在 90 kN 状态下发生界面破坏,此时剪应力仅为 6.1 MPa,伴随破坏位置向深部转移,当锚固界面处 于 强 风 化 闪 长 岩 层 时,剪 应 力 峰 值 均 处 于8.1 MPa 左右,证明锚固段均质程度高,相同地层中不同位置的锚固强度相近。(a)锚固长度 30 cm(b)锚固长度 45 cm图 4 剪应力分布曲线Fig.4 Shear stress distribution curves2.2.2 轴力 锚固段轴力的分布特征可通过锚杆的应变值进行计算
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