孙伟红，马 亮，杨 鑫

(甘肃省建筑科学研究院(集团)有限公司， 甘肃 兰州 730030)

近年来，西部地区工程建设活动日益增多，各类基坑工程不断涌现，如何安全高效开展相关工程建设活动成为关键问题。在基坑工程的施工中，支护结构及措施不可或缺，由于预应力锚索强大的锚固力而被广泛应用于不同地层及各类支护结构中，锚索在不同地层中所能提供的锚固力是关系工程成败的关键，亦是锚索设计和施工的关键内容[1-3]。为此学者们对此开展了各类研究[4-16]，其中预应力锚索的设计参数是充分认识其作用机制及特征的关键问题，值得注意的是不同地层或条件下各因素的影响特征不尽相同[4-8]。同时，对于不同工程和使用服役状态下的预应力锚索工作性能亦是研究的重要内容[9-13]。预应力锚索的锚固效应[14]、传力机理[15]以及不同加卸载条件下的固锚性能[16]极其复杂，因此普遍而又区别的研究显得尤为重要，即在掌握预应力锚索工作机理的普遍意义下，充分对比分析和总结不同地区及不同地层预应力锚索的区别性工作特征，可以为我们全面客观掌握和使用预应力锚索提供坚实基础。在支护结构锚固技术中，预应力锚索通过充分挖掘岩土能量，调用岩土的自身强度以期达到理想的使用状态[17]。钻孔后注浆形成的包裹注浆体在不同地层中形成的预应力锚索锚固力具有明显差异[3,7-8,15]，对被加固体稳定和限制其变形的效果也有差异。特别对于城市环境中的基坑工程而言，在满足锚拔力的同时，对于基坑及支护结构的位移变形要求日益增强，这亦是相关基坑工程支护结构设计理念从强度准则转变为强度和位移共同控制原则的原因。另外，在实际工程中预应力锚索的破坏形式主要包括锚索钢绞线被拉断、锚固段钢绞线和注浆体产生相对滑移以及锚固体和岩土体产生相对滑移[18-19]。上述破坏形式和现象可以通过拉拔荷载-位移(P-S)曲线进行直观的判断，因此通过对不同地层的预应力锚索进行现场拉拔试验研究，总结不同地区及不同地层的P-S曲线模型，形成业内可以采纳的地区数据依据，是助力地区基坑工程发展的重要方法途径。但是，受西北地区基坑工程理论和实践研究深度及广度的限制，对不同地层的预应力锚索承载特征未能全面充分揭示，设计方法亟待丰富更新。受地质运动影响，不同于东南沿海地区或靠近河海流域的卵石地层，西北地区的卵石地层具有其特殊性，特别是含砂卵石地层[20]，如少富水性和孔隙通道发育等地层特点给预应力锚索锚固段注浆效果产生了重要影响。目前，对于西北地区含砂卵石地层的相关研究鲜见报道，影响或制约着地区基坑支护结构的设计和施工。

本文依托西北地区某基坑工程，开展含砂卵石地层预应力锚索现场拉拔试验研究，对预应力锚索在拉拔荷载下的承载特征，特别是P-S曲线形态及模型进行重点分析，以期总结提出P-S曲线模型，最后对预应力锚索的设计参数进行分析，便于地区支护工程借鉴和应用，促进西北地区含砂卵石地层的支护结构研究和实践。

1 依托工程

1.1 工程概况

某基坑支护工程所处场地内拟建住宅楼6幢，东、西侧由1～2层商业裙房相连接，中部布置有不同活动功能区，且整个场地内设1～2层地下车库。该场地±0.00 m标高对应绝对高程1 883.65 m，基坑底标高为1 872.87 m。依据基坑周边环境概况，分析基坑周边道路、建筑物位置、基础型式，同时考虑施工空间，施工人员安置以及施工荷载等因素，结合基坑工程地质、水文地质条件，综合分析确定基坑西侧采用桩锚支护，其余区域采用土钉墙或复合土钉墙的支护措施，基坑设计安全等级为一级。

1.2 工程地质

场地从钻探揭露地层可知，在勘探深度内场地地层上部为第四系松散沉积物，下部为第三系褐红色泥岩。因此按地层分布顺序自上而下依次为杂填土、黄土状粉土、卵石、泥岩。其中卵石地层：杂色，中密至密实，层顶约0.3 m～1.2 m，呈松散至稍密状且颗粒较小，含粉土量较大。颗粒级配良好，磨圆度较好，呈圆形-亚圆形状，骨架颗粒间呈交错排列连续接触，母岩成份为花岗岩、砂岩等硬质岩，呈中等风化，孔隙由粗、中细砂充填，充填饱满，一般粒径20 mm～60 mm，含量约占总质量的50%～70%，偶含粒径大于200 mm的漂石，冲洪积成因，在场地平面内均有分布，厚度7.20 m～9.50 m，埋深2.50 m～6.00 m，其岩土物理力学参数如表1所示。场地地下水属第四系孔隙潜水，主要赋存于卵石中，勘察期间地下潜水稳定水位埋深 7.80 m～10.10 m。地下水位年变幅约为 0.5 m～1.0 m 左右，地下水来源主要由大气降水，地表径流，河水补给。

表1 卵石层物理力学参数

1.3 工程支护结构设计

如图1所示，基坑周边共布置混凝土排桩约158根，桩径0.8 m，桩中心距0.8 m，桩长12 m～19 m。桩前土体直立开挖，设置预应力锚索0道～3道，预应力锚索采用3根15.2钢绞线，锚索长度为11.0 m～16.0 m，钢绞线在自由段应设置隔离套管，沿锚杆杆体全长设置定位支架，注浆固结体强度不宜低于20 MPa，预应力锚索自由段长度为5.0 m～7.5 m，轴向拉力标准值为170 kN～250 kN，锚固体直径150 mm，锚索倾角15°。

图1 局部支护结构平面图

2 试验概况

2.1 试验方案

本次试验为对西北地区含砂卵石地层的预应力锚索拉拔承载特征进行研究，观察分析拉拔荷载-位移曲线形态。基于依托工程，设计布置选择了8根预应力锚索开展现场试验。如表2所示，1号—5号预应力锚索在满足依托工程支护设计要求的前提下，设计为不同长度，其中1号和2号的锚固段长度一样，而自由段长度不同；2号和3号的自由段长度相同，而锚固段长度不同，4号和5号为不同总锚索长度的补充。由于影响预应力锚索锚固性能的主要是锚固段的长度及其锚固力，为了进一步对预应力锚索锚固段长度进行研究，设计了6号—11号不同锚固段长度的预应力锚索，其中6号—8号锚索的自由段长度同1号锚索，9号—11号锚索的自由段长度同5号锚索，以此形成4个不同锚固段长度的对比组。同时，为了总结提出西北地区含砂卵石地层预应力锚索的P-S曲线模型，在依托工程中位于含砂卵石地层中的其他工程预应力锚索亦被随机选择进行拉拔试验，用于模型的检验分析研究。

表2 现场试验预应力锚索设计参数

2.2 试验方法

根据本文试验方案，现场试验参照《建筑基坑支护技术规程》[21](JGJ 120—2012)进行，采用1台60 t液压穿心千斤顶加荷，人工读数记录。试验荷载分级、测读位移时间、各级荷载下的位移稳定标准、终止加荷条件等情况，分别叙述如下：

(1) 锚索抗拔承载力试验采用单循环加载法，其加载分级和锚头位移观测时间如表3所示。

(2) 锚索抗拔承载力试验，其锚头位移测读和加、卸载应符合下列规定：①初始荷载下，应测读锚头位移基准值3次，当每间隔5 min的读数相同时，方可作为锚头位移基准值；②每级加、卸载稳定后，在观测时间内测读锚头位移不应少于3次；③当观测时间内锚头位移增量不大于1.0 mm时，可视为位移收敛；否则，观测时间应延长至60 min，并应每隔10 min测读锚头位移1次；当该60 min内锚头位移增量小于2.0 mm时，可视为锚头位移收敛，否则视为不收敛。预应力锚索现场拉拔试验见图2。

表3 锚索逐级加载试验分级与锚头位移观测时间

(3) 锚索试验中遇到下列情况之一时，应终止继续加载[22-23]：①从第二级加载开始，后一级荷载产生的单位荷载下的锚头位移增量大于前一级荷载产生的单位荷载下的锚索位移增量的5倍，即荷载-位移曲线出现明显的拐点；②油压表读数突然回落，锚头位移不收敛；③锚索承载体混凝土结构发生破坏，如锚索杆体破坏。

图2 预应力锚索现场拉拔试验

3 试验结果及分析

3.1 拉拔荷载下单级P-S曲线

从图3可看出，含砂卵石地层中不同长度的预应力锚索在拉拔荷载下的本级位移变化特征有所差异：

(1) 当拉拔荷载低于100 kN时，5根预应力锚索的加载单级位移变化趋势基本相同，本级位移随加载荷载的增大保持连续增长，相同荷载下本级位移和预应力锚索(自由段)的长度基本成正比，此阶段可认为主要是预应力锚索的自由段弹性位移发展和变化。随着荷载进一步增加，1号和2号预应力锚索单级位移出现先增加后平稳，位移发展趋势总体稳定可控；3号锚索单级位移先缓慢增加后快速增加，因而在拉拔荷载显著增大时存在一定的位移控制隐患；4号和5号预应力锚索单级位移在拉拔荷载为锚索轴线拉力标准值NK的80%或100%时呈现快速连续增加的趋势，说明4号和5号预应力锚索的安全储备较低，对于位移控制较为不利。

(2) 结合表2不难看出，1号和2号锚索的锚固段长度为8.5 m，自由段分别为7.5 m和6.0 m，而1号锚索的本级位移大于2号锚索，说明在锚固段一定的条件下锚索的拉拔位移和其自由段长度紧密相关。2号和3号预应力锚索的自由段长度相同，但3号锚索的锚固段长度短于2号锚索2 m，造成其在拉拔荷载为锚索轴线拉力标准值NK的120%时出现本级位移明显增加，和2号锚索位移变化规律截然不同，说明当锚索的锚固段长度减小后，在含砂卵石地层中的锚固力出现一定的折减，在较大拉拔荷载下容易诱发位移快速发展。与此同时，试验发现在加载过程中2号锚索的本级位移大于3号锚索，这可能与2号锚索加载初期的层间滑移有关，因为2号锚索加载初期的本级位移明显大于其它锚索。

(3) 相比较3号锚索，减小4号锚索的锚固段长度而增加自由段长度，造成4号预应力锚索在拉拔早期产生快速的本级位移发展；而当缩减5号预应力锚索的自由段长度而保持锚固段长度不变，发现5号预应力锚索的本级位移曲线相较于4号锚索向右平移，虽然在较大荷载下本级位移依然快速增长，但是提升了一部分所能承受的荷载，本级位移得到了一定的控制，表明减小自由段的长度不仅同步减小了锚索总长度，更使预应力锚索在含砂卵石地层中更好地发挥锚固作用，这和传统上预应力锚索在其它地层的锚固特点有所差异。说明含砂卵石地层具有一定的特殊性，使锚索的工作机制区别于其它土层，在含砂卵石地层中应该严格控制锚索的自由段长度和锚固段长度的比例关系，防止锚索由于锚固段锚固力不强，自由段弹性位移急剧发展造成锚索的锚拔失效，危及支护结构的安全性。

3.2 拉拔荷载下累计P-S曲线

(1) 如图4所示，在拉拔荷载下5根预应力锚索的拉拔累计位移曲线呈现连续增加的趋势。对于1号和3号预应力锚索而言，在同级拉拔荷载下，1号预应力锚索的累计位移大于3号锚索，主要原因在于1号锚索的自由段和锚固段长度分别大于3号锚索1.5 m和2.0 m；但是与此不同的是，2号预应力锚索的累计位移大于1号锚索，而2号锚索的锚固段和1号锚索相同，且其自由段长度小于1号锚索。此现象应结合4号和5号锚索的累计位移曲线协同分析，可以看出当在缩减3号锚索锚固段长度0.5 m，而增加自由段长度1.0 m后，其累计位移明显大于2号锚索，且发展快速。相对应缩减4号锚索的自由段长度后，5号锚索的位移发展得到控制，基本在5根锚索中累计位移最小，但是当荷载大于200 kN后，发生了明显的位移增加，大于3号锚索。上述表明，在锚索累计位移随锚索总长度总体增加而增加的趋势上，其自由段的长度对累计位移影响较为明显，这涉及到在含砂卵石地层中锚索自由段和锚固段协同工作机理的问题，具体为不同自由段和锚固段长度比例及嵌入深度下拉拔荷载的传力机制及规律，需要通过进一步研究予以分析揭示。在设计理念方面应该注意在保证发挥锚固段锚固力的同时，应该控制自由段长度对含砂卵石地层预应力锚索的位移发展影响。

图4 不同长度预应力锚索拉拔荷载下累计P-S曲线

(2) 如图5(a)所示，在连续拉拔加载下，5根预应力锚索的累计位移连续增加，其增长趋势符合指数模型，可采用式(1)表达。其中系数A、B和C为模型的经验系数，对于本含砂卵石地层而言，可取A为1.268，B为0.042，C取1.124。

y=A+BxC

(1)

式中：y为累计位移，mm；x为荷载，kN。

(3) 根据式(1)西北地区卵石地层预应力锚索的P-S曲线统计模型及A和B取值，分别对其它已测试锚索的P-S数据进行了拟合分析验证。如图5(b)所示，模型拟合结果和试验结果基本一致，检验数据基本位于95%的预测区间内，说明采用统计的曲线模型用于同类地层的预应力锚索P-S曲线发展趋势预测分析是适用的。

3.3 加卸载条件下累计P-S曲线

如图6所示，5根预应力锚索在加卸载条件下，其累计位移曲线呈现出一定的差异化：

(1) 当拉拔荷载卸载恢复到初始状态，各预应力锚索的拉拔位移不能恢复到初始状态，存在不同的累计位移，说明经历拉拔加载后各预应力锚索产生了塑性位移或锚固体和含砂卵石的滑移位移，5根预应力锚索卸载后的累计位移值序列基本等同于极限拉拔荷载条件下的累计位移序列。

(2) 结合表4不难看出，除2号锚索由于拉拔荷载较大因而卸载后累计位移较大之外，4号锚索的卸后累计位移比达到59%，在5根锚索中最大。首先说明4号锚索在拉拔加载过程中由于锚固段和含砂卵石地层的界面滑动，产生了较大的不可恢复性位移；另外，结合5号预应力锚索的加卸载累计位移数据可以看出，当缩减4号锚索自由段长度后，5号锚索卸载后的累计位移比降低到44%，和1号和3号锚索接近。综合比较说明，4号锚索还存在自由段钢绞线锚索的塑性拉伸位移，这对于锚索而言极为不利，容易导致锚索的锚固性能失效。

图5 预应力锚索P-S曲线模型的回归分析及检验

图6 预应力锚索循环荷载下P-S曲线

(3) 对于基坑工程或支护结构而言，完全恢复到无加载条件不符合工程实际情况。对于预应力拉锚索的加载-卸载累计位移曲线分析研究，除了应关注加卸载两极状态下的位移情况外，更应注意经历极限加载后恢复到某一应力水平时预应力锚索的位移及力学特征。

表4 预应力锚索加卸载后累计位移

3.4 不同锚固段长度的影响及分析

(1) 从上述分析可以得知，含砂卵石地层中预应力锚索的拉拔性能及P-S曲线形态和其自由段及锚固段长度有关，为了对其关联性进行进一步比较分析，分别选取先期试验中自由段长度最长和最短的锚索，即1号和5号锚索，试验结果如图7所示。在增加1号和5号预应力锚索的锚固段长度后，其拉拔加卸载下的位移变化特征发生了变化。对于不同自由段长度锚索而言，增加锚固段后的力学性能有所差异。其中，对于1号预应力锚索而言，在其锚固段长度增加至9.5 m(6号锚索)后，其加卸载累计位移并未明显降低，而当继续增加锚固段长度至10.5 m和12.0 m后，锚索的累计位移明显降低，8号锚索相较1号锚索在350 kN加载下的累计位移减小6 mm，同比降低17%。

图7 不同锚固段长度预应力锚索P-S曲线

(2) 从图8可以看出，增加1号锚索锚固段长度后，6号—8号锚索的拉拔本级位移明显降低。值得注意两点，第一这种本级位移的差异主要体现在较大荷载时(大于150 kN)，表明增加锚固段长度后可以提高锚索结构对较大荷载的位移控制性能；第二当拉拔荷载增加至300 kN时，1号和6号预应力锚索的本级位移呈现降低趋势，但是7号和8号锚索的本级位移表现为快速增加趋势。此时可能是由于较长的锚固段在含砂卵石间形成的锚固力较大，但是含砂卵石的强度较低，使锚固体周围的含砂卵石在拉拔荷载下发生了强度破坏，层间错动，造成锚索结构出现整体式滑移迹象。因而对于含砂卵石地层而言，在希望通过增加锚固段长度进而控制拉拔位移时应该考虑含砂卵石地层的岩土性状和强度，避免材料的浪费以及因岩土失效产生的更大问题。

图8 不同锚固段长度预应力锚索本级P-S曲线

(3) 从图7(b)可以看出，对于5号预应力锚索而言，减小其锚固段长度2 m后，9号锚索的累计位移明显增加，9号锚索相较5号锚索累计位移增加4.38 mm，增加了21.7%。对于10号锚索而言，其锚固段长度比5号锚索少1 m，其累计位移没有明显增加，相对应增加5号锚索的锚固段长度1 m后，11号锚索的累计位移减小值可以忽略，基本认为没有改善位移发展。综合来看，对于例如5号锚索这样的短锚索而言，由于和含砂卵石地层的接触面积影响了其抗拔性能，因此当在含砂卵石地层中自由段较小时，因锚索锚固段嵌入含砂卵石地层中的深度有限，不能调用发挥锚索的锚固性能，此时增加锚固段长度效果甚微。此类短锚索可适当性用于局部位置或上层或浅层含砂卵石地层中，但是亦应该保证其最短锚固段长度，以防止锚索整体滑移拔出。

综上所述，含砂卵石地层中的预应力锚索锚固段长度对控制加卸载位移具有不可忽视的作用，而对锚固段长度的设计布置应该结合考虑含砂卵石地层的性状及强度条件，同时防止锚固力不足产生的位移快速发展，以及锚固力过强而造成的锚索在含砂卵石层间整体滑移。

4 结 论

(1) 不同长度的预应力锚索在拉拔荷载下本级位移变化特征有所差异。当拉拔荷载低于100 kN时，本级位移随加载荷载的增大保持连续增长，相同荷载下，在锚固段一定时锚索的拉拔位移和其自由段长度紧密相关。

(2) 在拉拔荷载下，5根预应力锚索的拉拔累计位移曲线呈现连续增加的趋势。锚索自由段的长度对累计位移影响较为明显，应该注意自由段长度对含砂卵石地层预应力锚索的位移发展影响。归纳提出了含砂卵石地层预应力锚索的P-S曲线模型，并对其进行了拟合分析验证，拟合分析结果和试验结果基本一致，说明可用于同类地层的预应力锚索P-S曲线发展趋势预测分析。

(3) 当拉拔荷载卸载恢复到初始状态，各预应力锚索存在不同程度的累计位移，卸载后的累计位移值序列基本等同于极限拉拔荷载条件下的累计位移序列。各预应力锚索经历拉拔加载后产生了塑性位移，或锚固体和含砂卵石的滑移位移；同时还存在自由段钢绞线的塑性拉伸位移。

(4) 增加预应力锚索的锚固段长度后，其拉拔加卸载下的位移变化特征发生了变化，但对于不同自由段长度锚索而言，增加锚固段后的力学性能有所差异。

(5) 对于含砂卵石地层而言，通过增加锚固段长度进而控制拉拔位移时应该考虑含砂卵石地层的岩土性状和强度，避免材料的浪费以及因岩土失效产生的问题。同时，应该严格控制锚索的自由段长度和锚固段长度的比例关系，防止锚索由于锚固段锚固力不强，自由段弹性位移急剧发展等造成的锚索锚拔失效，危及支护结构的安全性。