分段反弯抗浮锚杆设计与试验研究

2018-05-14张洪涛

山西建筑 2018年10期

张洪涛

(中铁(贵州)市政工程有限公司,贵州贵阳 550025)

随着地下空间的大规模开发，地下停车场、地铁站等地下结构不断出现，基坑开挖深度变深。当上部结构自重较小时，必须采取抗浮措施。同时也可以采用增加地下室底板、顶板等方法加大配重。对于抗浮措施，可以采用抗拔桩或者抗浮锚杆等措施，抗拔桩受到施工造价的限制，在部分地区施工难度较大，这时，抗浮锚杆也可以满足抗浮设计要求[1-3]。但传统锚杆在富水地层中受限于地下水等因素，需要密集布置才能满足要求，且变形较大，对基坑底部结构安全性造成一定影响。本文结合百马立交基坑项目为背景，提出了一种可以提高抗浮锚杆承载力，并减小基坑底板变形的分段反弯抗浮锚杆，通过理论分析和现场试验方法，对新型锚杆的性能进行了研究，所提出的新型锚杆可供类似项目参考。

1 依托工程概况

路贵安新区中心大道—百马大道立交工程施工第一合同段(土建)，包含中心大道、百马大道两条主干路。其中，中心大道西起新民村桥以东桩号K3+520处，主线以地道形式下穿交叉口，东至地下过街通道以西桩号K4+220处，路线全长700 m。百马大道北起桩号K14+550处，经改建的杨梅寨中桥后，以高架形式跨越交叉口后，于桩号范围K15+450处与地面道路接顺，路线全长900 m。百马大道—中心大道立交项目基坑地质条件软弱，地层中含有大厚度淤泥质，周围地下水位高，且周围存在不断的地下水补给通道，因此基坑的抗浮锚杆是保证地下结构的关键所在，传统抗浮锚杆的应用存在潜在风险。

2 分段反弯抗浮锚杆设计

锚杆由锚固体、拉杆及锚头三部分组成，其承载力由锚杆与周围土体之间的摩擦力提供，承载力的大小取决于摩擦面积、摩擦系数、砂浆强度及砂浆与地层的摩擦系数。外部荷载通过摩擦作用传递至稳固土体，从而达到将上部结构锚固在地层中的效果。一般可以通过控制配筋率来保证锚杆杆体的强度，一般不会发生锚杆杆体断裂的情况。因此，锚杆工程研究的重点通常是浆体与锚杆杆体以及浆体与岩上体之间的粘结作用[4-7]。

抗拔力由锚杆与周围砂浆之间的剪切力提供，一般情况下可以通过增加锚杆长度，增加锚杆直径及提高界面剪切力来提高抗拔力。值得注意的是，在锚杆与砂浆界面出现破坏时，砂浆被认为是基本上保持了完整，基于这一基本认识，目前的抗浮锚杆的材料强度，特别是砂浆的材料强度并未得到充分利用。为解决这一问题，本文提出了一种分段反弯锚杆，其具体结构形式见图1。

锚杆本体、砂浆、地层保持完整，反弯段剪切破坏，此时的锚杆极限承载力主要由锚杆本体与砂浆之间的剪切作用和反弯段的剪切强度提供，考虑砂浆—锚杆本体之间剪切作用提供约300 kN抗浮力，锚杆整体的抗浮力可由式(1)表示。

Tu=πDLτ+nτsA

(1)

其中，n为反弯的数量；τs为反弯钢材的抗剪强度;A为每个反弯的钢材截面面积，对于长度10 m的锚杆，设置三组共计9个反弯，Q235钢材的抗剪强度取140 MPa，Φ16钢筋截面面积200 mm2，则总抗浮力为553.2 kN，可以提高84.4%的极限承载力，效果非常显著。

3 分段反弯锚杆力学试验

本次试验由于现场实际条件有限，仅选取了两根锚杆进行，一种为传统结构锚杆，另一种为分段反弯锚杆。本文受限于项目施工，仅对两根锚杆进行了测试分析，传统型和反弯型分别命名为KF3，KF4，试验设备包括千斤顶、振弦式表面应变计、振弦式频率测定仪和油泵，仪器设备具体安装见图2，主要试验步骤如下：

1)首先对所有设备仪器进行校核，在锚杆注浆7 d后进行试验。2)锚杆测试时，选取地层完整且位置相近的两根锚杆，安装相应设备。3)采用逐级加载的方式进行试验，分别施加荷载为5 t,15 t,22 t,31 t,35 t,41 t和46 t，所有荷载均小于设计值。4)张拉试验过程中，若锚杆发生破坏，应立即停止试验，锚杆破坏标准为：a.后一级荷载产生的锚头位移增量达到或超过前一级荷载产生位移增量的2倍；b.锚头位移不收敛；c.锚头总位移超过设计允许位移值。通过记录试验过程中的承载力数据，绘制出两种锚杆的P—S曲线如图3所示。由图3可知，锚杆在荷载逐渐增加时，位移均出现缓慢增长，没有出现突变，说明新型反弯锚杆能够达到普通锚杆的效果。但值得注意的是，反弯锚杆后期的位移存在明显缓慢增长态势，而常规锚杆的位移在试验荷载范围内基本为线型增加。由于锚杆破坏前具有明显的位移突变，而反弯型锚杆在较大荷载下具有更小的位移。由此可以明确，反弯锚杆有助于减小锚杆的位移量，对控制筏板基础的局部变形具有明显的优势。