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

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:2023-04-28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 th 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.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 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 decay 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 anchorage 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 prestress 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 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,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18、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 diagram2 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0.4 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。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,Ni=iA=iEA。(2)不同张拉载荷下锚杆的轴力分布曲线如图 5 所示。由图可知:1)锚固长度 30 cm 与 45 cm 工况下,锚杆的轴力均随锚固长度的增加而减小。距离锚固段起始位置越近,轴力衰减的速率越高。载荷较小时,轴力主要分布在锚固段前端,随着张拉载荷的提高,轴力逐渐向深部传递。2)在 30 cm 锚固长度时,7.5 cm 和 15 cm 处轴力降低率为 37.2%、61.1%,在 45 cm 锚固长度时相应的轴力降低率为 40.3%、63.2%,锚固在含黏性土砾砂地层中的轴力衰减速率显著提高。3)锚固长度在接近 30 cm 时,锚杆轴力均趋近于0,因此,当锚固长度为 45 cm 时,3045 cm 的锚固长度可作为锚杆的安全储备,提高了锚固体的承载能力。751隧道建设(中英文)第 43 卷(a)锚固长度 30 cm(b)锚固长度 45 cm图 5 轴力分布曲线Fig.5 Axial force distribution curves3 锚固长度作用机制数值分析3.1 数值模型建立 为准确反映预应力锚索对围岩的支护效果,在不考虑原岩应力条件下16,采用有限差分数值计算软件FLAC3D,模拟锚固段在土岩组合上软下硬地层的应力场、位移场分布特征,揭示锚索支护参数支护效果,为合理地确定锚索锚固长度提供依据。模拟中预应力锚索的长度为 23 m、钻孔角度为15,建立 73 m5 m30 m 的计算模型。边界约束为前、后、左、右边界施加相应方向的水平约束,下边界施加竖向约束,上边界为自由面。围岩通过实体单元模拟,地质参数如表 4 所示,破坏准则为摩尔-库仑准则,共建立 3 种不同性质的岩层,岩层参数与锚索的支护参数根据现场实际进行赋值,如表 5 所示。模型中未考虑开挖效应,锚索通过 cable 单元布置在围岩模型中,如图 6 所示。图中基坑左侧锚固段长度为 8 m,锚固在强风化闪长岩中;右侧锚固段长度为 12 m,锚固段 04 m 穿过含黏性土砾砂岩层,最终锚固在强风化闪长岩中,并在基坑两侧设置刚性围护墙。表 4 地质参数Table 4 Geological parameters岩层名称重度/(kN/m3)弹性模量/MPa泊松比内摩擦角/()黏聚力/kPa含黏性土砾砂19.0300.2738.010.6强风化闪长岩22.03500.2540.038.0微风化闪长岩27.822 0000.2065.0750.0表 5 模型参数Table 5 Model parameters参数名称取值锚索弹性模量/Pa2.01011含黏性土砾砂层单位长度浆体黏结力/(Nm-1)8.9103强风化闪长岩层单位长度浆体黏结力/(Nm-1)1.2105单元长度浆体刚度/Pa2.0109钻孔周长/m8.810-2锚索横截面积/m23.810-4锚索抗拉强度/N7.0105图 6 数值模型建立Fig.6 Numerical modeling3.2 围岩应力场分布 不同锚固段的预应力锚索在 120700 kN 张拉过程中 x 方向上的应力分布如图 7 所示,两侧呈左右对称分布,随着载荷的提升,应力区的大小、范围均不断增大。由图可知:1)在锚索的锚头、自由段形成压应力区域,120360 kN 低预应力状态下锚头的应力集中程度大于自由段,480720 kN 时应力集中区域向深部转移,自由段的高应力区域面积增大,集中程度逐渐高于锚头部分。2)锚固段为拉应力集中区域,与锚固段长度 8 m时相比,在 12 m 锚固段工况下,处于含黏性土砾砂岩层的锚固段在载荷作用下存在拉压转化的现象,逐渐由拉应力区转化为压应力区,在 120720 kN 载荷增加的过程中,锚固段起始位置压应力区长度由 0 m 增加至 2.7 m。3)8 m 锚固段应力向深部的传递速率超过 12 m锚固段 21%,如图 7 中锚固段拉应力区域所示,以1.2104 Pa 为阈值,载荷由 120 kN 增加至 720 kN 过程中,右侧 12 m 锚固段拉应力高于阈值的长度演化过程为 1.3 m3.1 m4.2 m5.1 m6.3 m,左侧 8 m锚固段拉应力高于阈值的长度演化过程为 1.9 m3.9 m5.8 m7.1 m8 m,由此可知在锚固段 8 m时锚固体均质程度高,应力传递率高。3.3 围岩位移场分布 不同锚固段的预应力锚索在 120700 kN 载荷作用下 x 方向上的位移变化如图 8 所示,基坑两侧的位移呈对称分布。851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(a)120 kN(b)240 kN(c)360 kN(d)480 kN(e)700 kN图 7 应力分布图Fig.7 Stress distribution contours(a)120 kN(b)240 kN(c)360 kN(d)480 kN(e)700 kN图 8 位移分布图Fig.8 Displacement distribution contours 由图 8 可知:1)仅在锚索预应力的作用下围岩产生的位移量小,仅为微米级变形,伴随载荷的增大,位移量逐渐提高。2)8 m 与 12 m 锚固段相比,位移均集中在锚固段起始部位,低载荷状态下,两者变形范围相近,随着载荷的提升,位移的变形范围差距逐渐扩大。分别统计了 5 个载荷状态下锚固段位移量高于(2、6、15、20、30)10-3 mm 的长度,发现右侧长度高于左侧,长度差分别为 8%、15%、22%、29%,因此,受锚固在黏性土砾砂岩层中的影响,12 m 锚固段变形范围均高于 8 m 锚固段变形范围,载荷越大,差距愈显著。3)2 种工况下 x 方向的位移量也存在一定的差异性,120 kN700 kN 载荷下,12 m 锚固段在 0、1、2、3、4 m 处的最大位移量分别为 3.210-3、8.710-3、1.910-2、2.710-2、4.610-2 mm,8 m 锚固段在 0、1、2、3、4 m 处的最大位移量分别为 3.210-3、8.210-3、1.610-2、2.210-2、4.010-2 mm,锚固在黏性土砾砂岩层中的位移量显著增加。3.4 外载荷作用下桩体变形特征 在锚索预应力 360 kN 状态下,分别在基坑两侧施加 20 kPa 的垂直载荷,模拟上覆交通、建筑载荷。定义基坑向内侧变形为正向变形,基坑向外侧变形为负向变形。在施加外载荷前后,从地表至基坑底部桩体的变形规律如图 9 所示。图 9 桩体变形特征Fig.9 Pile deformation characteristics951隧道建设(中英文)第 43 卷由图 9 可知:1)无外载荷状态下,锚索端头附近受压应力影响,基坑向内部变形,端头部位位移量最大,为 2.3810-4 mm,距离越远影响越弱,且 2 类工况下预应力作用造成的位移量差距较小。2)相比而言,穿地层后锚固长度为 12 m 状态下,具有抵抗外载荷能力差、变形量大的特点。在上部附加 20 kPa 载荷后,桩体位移由负向变形转化为正向变形,其中 8 m、12 m 锚固段工况下,最大变化量分别为1.410-4、1.610-4 mm,与初始状态相比,平均变化量分别为 3.1 倍、5.2 倍,8 m 锚固段状态下抵抗变形的能力强。4 现场测试 锚索的长期运行特征关系着基坑工程安全。本次现场试验分别安装锚固长度为 12 m 与 8 m 的锚索,锚索安装位置的地质条件与施工条件保持一致。通过监测施工期间锚索轴力以探究土岩组合地层锚索的长期演化特征。4.1 锚索轴力 图 10 示出预应力设计值 360 kN、锚固长度 12 m与 8 m 的锚索轴力的演化过程,锚索轴力的演化曲线可划分为预应力损失(A)、预应力上升(B)与预应力波动(C)3 个阶段,而锚固长度的差异特征主要表现在预应力波动阶段。图 10 锚索轴力演化曲线Fig.10 Anchor cable axial force evolution curves预应力损失阶段(A):锚索安装后 10 d 内,2 种锚固长度工况下的锚索预应力损失均呈降低趋势,下降量为锁定值的 12%,产生损失的原因与初期支护结构未闭合、注浆料的早期强度的时间效应相关,支护初期抵抗变形能力差,在支护强度较低的状态下,钻孔、爆破等施工会导致预应力损失。预应力上升阶段(B):在预应力损失后,围岩发生变形,此时锚索的被动支护力上升,轴力呈现不断上升趋势,上升量近 180 kN,已超过预应力设计值。预应力波动阶段(C):锚索在高预应力状态下,轴力出现波动,其中,锚固长度为 12 m 的锚索出现预应力损失,在轴力下降 80 kN 后趋于稳定,而锚固长度为 8 m 的锚索轴力维持稳定,变化率较低。产生差异性的原因主要与锚固段处地层黏结力相关,高预应力状态下 12 m 的锚固段中,前 4 m 黏性土砾砂地层中第2 界面(围岩与砂浆交界面)出现脱粘滑移现象,导致锚固状态发生改变,预应力显著下降。4.2 不均匀特征 锚索预应力的不均匀特征与张拉水平、锚索长度、施工因素、地质条件等因素相关,其受力状态可通过不同方向上的轴力进行表征,轴力通过三点式振弦传感测力计进行监测,可得到、3 个环向范围内的轴力分布特征,监测设备及方向如图 11 所示。(a)监测设备(b)监测方向图 11 三点振弦测力计Fig.11 Three-point vibrating string dynamometer为消除张拉作业、锚固质量等偶然误差,每类工况下选取 5 束锚索,分别计算 3 个环向上的轴力的平均值。锚固段 8 m 与 12 m 的锚索由张拉至监测 120 d的轴力分布特征如图 12 和图 13 所示。通过计算变异系数,刻画不同方向上锚索轴力的离散性分布特征。变异系数f=/。(3)式中:为标准差;为平均值。由图12 和图13 可知:1)张拉结束后,3 个方向的应力值接近,离散性低,变异系数仅为 0.04,随着轴力的演化,锚固段 8 m 状态下变异系数均维持在 0.05 左右,3 个方向上的应力发育均衡,而锚固段 12 m 状态下变异系数不断增大,锚索轴力的不均性特征显著,单束锚索断裂的风险程度高;2)2 类工况在第 60 天到达预应力极大值,在此之前 3 个方向的应力分布均匀,变异系数保持一致,此后 12 m 锚固段出现脱粘滑移现象,预应力逐渐降低,60120 d 内,、方向上的变化量分别为 16、145、29 kN,呈现非均匀降低的趋势,变化主要发生在方向上,变异系数值达 0.2,极差为 232 kN。061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(a)张拉结束(b)30 d(c)60 d(d)90 d(e)120 d图 12 锚固长度 8 m 轴力分布Fig.12 Axial force distribution with anchorage length of 8 m(a)张拉结束(b)30 d(c)60 d(d)90 d(e)120 d图 13 锚固长度 12 m 锚索轴力分布Fig.13 Axial force distribution with anchorage length of 12 m5 结论与讨论 1)现行规范与理论针对土岩组合中锚固长度所持观点不一,据此计算的锚固长度存在穿黏性土砾砂地层、不穿黏性土砾砂地层 2 种锚固状态。2)通过开展不同锚固长度的拉拔室内试验,发现剪应力峰值均由锚固段起始点向尾部转移,而穿过含黏性土砾砂地层中的剪应力破坏阈值低,在低载荷作用下便发生界面滑移破坏;锚杆轴力均随锚固长度的增加而减小,且轴力在含黏性土砾砂地层的衰减速率高。3)建立不同锚固长度的数值模型,在含黏性土砾砂岩层的锚固段在载荷作用下存在拉压转化的现象,且 8 m 锚固段应力向深部的传递速率高于 12 m 锚固段 21%;围岩的位移集中在锚固段起始部位,低载荷状态下,两锚固长度工况下变形范围、变形量相近,随着载荷的提升,位移的变形范围、变形量差距逐渐扩大,锚固在黏性土砾砂岩层中的位移量显著增加,抵抗外载荷的能力差。4)现场试验表明,锚索轴力经历了预应力损失、预应力上升、预应力波动 3 个阶段,在监测前期不同方向的应力值接近,离散性低,随载荷的增大,在 12 m 锚固工况下,含黏性土砾砂地层中锚固段出现脱粘滑移现象,导致预应力呈现非均匀降低的趋势,变异系数高,极差达到 232 kN。以上结果表明,在土岩组合地层中,锚固在含黏性土砾砂地层中的锚固段易失效,抵抗外载荷能力差,不均匀程度高,因此在进行锚固参数设计时不应该仅考虑高长度带来的安全储备,更应该重视穿过地层时带来的负面影响,建议锚固段的支护设计为 8 m。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 陈彬.八达岭长城站超大断面过渡段暗挖施工新技术J.隧道建设(中英文),2018,38(增刊 2):261.CHEN 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