土体中扩大头压力型预应力锚索研究及工程应用

岩土铛阅　ＰＲＥＳＴＲＥＳＳＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　（．．．．．．．．．．．．．．．．．．《｛ｉｆ左　技末》２∞８年第４期总第６９期　土体中扩大头压力型预应力锚索　研究及工程应用　孙凯　孙王月　（海南海凯岩土工程公司海口５７１１００）　摘要：本文介绍了国内外现有土层中扩大头锚杆、锚索的研究现状，分析了压力型预应力锚索弹性受力状　态，认为土体中扩大头压力型预应力锚索能有效提高锚固力，是值得推荐应用的结构，并对该类型锚索进　行了理论分析及应用介绍。　关键词：扩大头压力型预应力锚索受力分析设计应用　１问题提出　高土层锚杆、锚索的锚固力。　我国改革开放以来，在沿海地区高层建筑深　２国内外现有土层中扩大头锚杆、锚索研　基坑护壁问题显得非常突出。基坑稳定支护中应　究现状　用了大量土层非预应力锚杆和预应力锚索。随着　（１）早在２０世纪７０年代Ｌ．ＨＯＢＳＴ、Ｊ．ＺＡＪＩＣ　建设的发展，城市建筑土边坡和公路土边坡加同　等人就对扩大头锚杆的应用进行了论述。法国　应用锚杆和预应力锚索也越来越多。工程实践表　Ｓｏｌｅｔａｎｃｈ公司、原西德Ｋｌａｍｍ公司、英国Ｆｎｄｅｄｉｌｅ　明，土层中的锚杆、锚索锚固力很低也很难提　公司和瑞典Ａｔｌａｓ公司先后生产了扩孔钻头并用于　高。这是因为土层中钻孔壁与锚杆或锚索锚固体　工程。　（水泥芯柱）侧面之间的粘结力很低，一般锚固　近年来国内也开始研究软土中的锚索、锚杆　力按下式计算：　Ｐ　＝ｚＤＬｒｃ￣　（１）　扩大头方法和施丁：工艺。概括地可归为：二次高　式中：Ｐ　，一极限锚固力；　压注浆法、高压旋喷扩孑Ｌ法和爆炸扩孑Ｌ法。　Ｄ一钻孔直径；　（２】上述方法扩孔后安装的锚杆、锚索都　Ｌ一钻孔长度；　是拉力型的。有关论述扩大头锚杆研究的文献　一极限粘结力。　有：地基处理手册　。、地基处理工程实例应用手　现以海口某基坑土层中使用过的土层锚杆拔　册【２Ｊ、岩土锚固新技术　现代岩土论丛书［４１、岩　土锚固　Ｊ、岩土锚同理论研究之现状Ｉ酬、预应力　出试验为例：　海口明珠广场基坑开挖深度１　ｌｍ，坑壁穿过　锚索锚固长度的确定方法　、大型船闸闸墙锚杆的　的土层基本是淤泥质粘土。进行锚索锚固力测定　分析与设计　、全长粘结式锚杆的受力分析［９１。　时施工３根长ｌＯｍ锚索，钻孑Ｌ直径１　ｌＯｍｍ。拉拔试　上述文献主要研究内容是拉力型扩大头锚杆，　验时测得平均总拉拔力为３８ｋＮ，由此求得：　关于压力型扩大头锚索的研究未见有系统论文。　３压力型预应力锚索弹性状态受力分析　～　＝丽３　１４　０　１ｌｍ　１０ｍ　　＝１ｌｋＮ／ｍ２　．　×．　×　３．１　２００３年孙学毅在河海大学傅作新教授、山东　该场地岩土工程勘察报告给出土体的抗剪强　科技大学尤春安教授成果的基础上得出了压力型　度为２０ｋＮ／ｍ２，分析认为采用非压力注浆时，由　预应力锚索锚固体轴向应力　和侧壁剪应力ｆ的　于水泥收缩使锚固体的锚固力小于土体抗剪强度　近似分布规律。　是必然的。　ｆ＝一４　．Ｚ　Ｚ　・Ｐ　ｚ　吉　（２）ｒ，＇、　上述工程实例提出了明确的课题，即如何提　ｘ（１＋　）ｂ　Ｅｂ———＿　—一・一。　维普资讯 http://www.cqvip.com （ＰＲＥＳＴＲＥＳＳ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　岩土铛阅卜＿＿　《｛５ｉ左　技末》２∞８年第４期总第６９期　式中：　ｃ　件下，由（５）式得：　水泥　—　！坚一＝２．７　组合体　ｍａｘ　一ｆ一锚固体（水泥芯柱）侧壁剪应力；　ＪＰ一锚索预应力；　上述结果表明，采用钢管与水泥组合体代换　水泥芯柱可使孔壁剪应力峰值降低２．７倍，从而起　到局部分散ｆ的效果。　Ｅ一岩土体弹性模量；　一锚固体（水泥芯柱）弹性模量；　（３）给定锚孔半径ｂ＝６５ＩｎＩｎ，预应力　ｂ一锚固体（水泥芯柱）半径；　Ｐ＝９３６ｋＮ，锚固体为水泥Ｅ水泥＝２．８×１０４ＭＰａ；锚　一岩土体泊松比。　固体为钢管与水泥组合体Ｅ组合体＝２×１０　ＭＰａ。　对（２）式积分，得锚固体（水泥芯柱）的　土体Ｅ＝１０ＭＰａ，ｐ＝０．４，岩体Ｅ＝６０×１０　ＭＰａ，　轴力分布：　ｐ＝０．２５。　Ｎ：ｐ　Ｋ　（３）　①岩体中锚固体为水泥芯柱和锚固体为钢管　与水泥组合体时，孔壁剪应力ｆ分布绘于图１。　Ｘｌ，（２）式微分，令ｄｒ／ｄｚ＝０，解得　②土体中锚固体为水泥芯柱和锚固体为钢管　Ｚ＝　㈧　与水泥组合体时，孔壁剪应力ｆ分布绘于图２。　ｆ（ＭＰａ）　（３）式为极值位置，将（４）式代入（２）　式得　：　Ｋ　（５）　（５）式为剪应力峰值（最大剪应力）表　达式。　由（５）式可以看出，最大剪应力　与预应　力Ｐ成正比，与锚孔半径ｂ成反比，与Ｅ／Ｅ６成　正变。　３．２结果分析　１一锚固体为水泥芯柱；　（１）剪应力ｆ分布与岩土体介质弹性模量　２一锚固体为钢管与水泥芯柱组合体。　关系　图ｌ岩体中孔壁ｔ分布曲线　给定　岩体＝６０×１０￣ＭＰａ，Ｅ￣￣＝１０ＭＰａ，　体　＝０．２５，　土体＝０　在其它条件相同条件下，由（５）式得：　岩体　＿ｘ＝８２　土体　ｍ　上述结果表明岩体中孔壁剪应力峰值比土体　中孔壁剪应力峰值大得多。　（２）剪应力ｆ分布与锚固体弹性模量关系　ｍｉｌ１）　给定水泥芯柱弹性模量Ｅ水泥＝２．８×１０４ＭＰａ，　ｌ一锚固体为水泥芯柱；　把水泥芯柱换成钢管，钢管与外围水泥组合体的　２一锚固体为钢管与水泥芯柱组合体。　弹性模量Ｅ组合体＝２×１０５ＭＰａ。在其它条件相同条　图２土体中孔壁ｔ分布曲线　维普资讯 http://www.cqvip.com

岩土锸阅　《窃左：ＩＩ拉末》２∞８年第４期总第６９期　③分析图１可以看出，岩体中孔壁剪应力ｆ　４土体中扩大头压力型预应力锚索　非常集中，基本上集中在受力点附近。锚固体为　４．１按锚固体被拔出分析　水泥芯柱时，传递长度仅０．４ｍ。锚固体为钢管与　锚固体指扩大头。假定被拔出时按下述边界　水泥组合体时，剪应力峰值减少２．７倍，传递长度　破坏。　１．Ｏｍ。　分析图２可以看出，土体中孑Ｌ壁剪应力集中　Ｐ　Ｐ　／　程度远远小于岩体中集中程度。锚固体为水泥芯　＂／／Ｊ／Ｊ／／／／／／／／／Ｊ／Ｌｉ／／Ｊ／／ｔ　ｐｔｒ　柱时，传递长度２６ｍ。锚固体为钢管与水泥组合　￣／ＴＺＴＺＺ－ＺＴＺＴＺＴＺＺ７７：　体时，传递长度大于３６ｍ。　｛　３．３研究结果对压力型预应力锚索结构设计启示　＼　（１）根据图１的结果，岩体中压力型预应力　图３扩大头或压力型预应力锚索破坏模式　锚索底端可采用一段钢管替代水泥芯柱。这种结　构可使剪应力ｆ局部分散，并使剪应力ｆ个的峰　４．１．１极限拉拔力确定　值降低２．７倍。这相当于３个锚固体的压力分散型　极限状态下ｆ　、ｆ；均匀分布，当不考虑锚　锚索结构。　墩反力作用时，临界拉拔力　由下式确定　（２）图２的结果表明，土体中采用压力分散　ｐｃ，＝ｎＤ（，ｌｆ　＋ｆ２ｆ；）　（６）　型预应力锚索意义不大。若采用钢管与水泥组合　式中：　一临界拉拔力；　体替代水泥芯柱，会得到更好的效果。由于钢管　Ｄ一扩大头直径；　的强度高不易压坏，使原来担心的两个控制应力　，．一扩大头长度；　ａ与ｆ减少一个，只剩下ｆ。同时由于钢管的采　厶一钻孑Ｌ长度；　用，使剪应力峰值大大降低，使剪应力传递长度　ｆ　一扩大头侧壁与孑Ｌ壁间极限粘结力；　大大增加。　ｆ　一土体抗剪强度　（３）研究结果表明：土体中压力型预应力　（５）式称强度条件　锚索采用底部扩孑Ｌ结构比多个锚固体分散结构更　４．１．２允许拉拔力确定　有效。　允许拉拔力　放下式确定：　将锚孔底部ｌｍ长一段孔径由１３０ｍｍ扩大为　ｎ　３００ｍｍ，由（２）式求得剪应力ｆ分布列于表５。　ＰＭ＝　一　（７），　　从表５可以看出，锚孔直径由１３０ｍｍ扩成　工程中一　１．２　３００ｍｍ，在１ｍ长度内孑Ｌ壁剪应力减少７倍。由　４．１．３求极限状态下压缩量　此可见在土体中底部扩孑Ｌ结构是一种值得采用　压缩量包括扩大头压缩量与土柱压缩量。　的结构。　①扩大头压缩量　表５　２６＝１３０ｒａｍ　２６＝３００ｍｍ　（　掣）．ｆ。　（８）　ｚ（ｍｍ）　ｆｔ，ｆ２　ｆｔ（ＭＰａ）　ｆ　（ＭＰａ）　２ｏｏ　０．０１３９９　Ｏ．ｏｏ２　６．９９５　②土柱压缩量　４０Ｏ　Ｏ．０２７９３　０．０Ｏ４　６．９８３　６ｏｏ　Ｏ．Ｏ４１７７　Ｏ．０ｏ６　６．９６２　△　＝　８ｏｏ　Ｏ．Ｏ５５４６　Ｏ．ＯＯ８　６．９３３　１Ｏ０ｏ　Ｏ．Ｏ６８９６　Ｏ．Ｏ１　６．８９６　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｔ　ＰＲＥＳＴＲＥＳＳ　ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　岩土锚阅Ｉ－　③总压缩量　《｛５ｉ左　技末》２Ｏ０８年第４期总第６９期　ｌ　一掣Ｈ。—　）・ｆ　１２Ｅ，Ａ　：　（１０）　△　掣　．ｆ２　——　广＋——　一…　（１６０ｋＮ－３＂１４　ｘ０．３ｍ　ｘｌＯｋＮ／ｍ２ｘ１．０ｍ）×１ｏ　厶　．０ｍ　式中：Ｅｌ一扩大头弹性模量，耻１＝２．８×　１０　ＭＰａ　一　２．８×１０　ｋＮ／ｍ２×０．０７ｍｚ　（１６　Ⅳ一３．１４Ｘ０．３ｍ　Ｘ　Ｉ（ＫＮ／ｍ２Ｘ　１．Ｏｍ１Ｘ８．０ｍ　一土柱与水泥芯柱组合模量；　２×３．８　Ｘ　１　／ｍ２×０．０７ｍｚ　Ｅ　＝（Ｅ　。Ａ土＋￡水泥‘Ａ水泥）／Ａ　Ａ一扩大头截面积，Ａ＝ｚａ９２／４。　＝０．０７９ｍｍ＋２．２６ｍｍ　：Ａ｝一土柱截面积，Ａ｝＝７／＂（Ｄ　一ｄ　）／４，　２．３４ｍｍ　Ａ水泥一水泥芯柱截面积，Ａ水泥＝刀　／４；　△／Ｍ＝２．３４ｍｍ／１．２　ｄ一钻孔直径；　＝２ｍｍ　Ｄ一扩大头直径。　（３）上例计算表明扩大头的压缩量很小，　（１０）式称刚度条件。工程中拉出量小于极　可以忽略不计。因此（１０）式可简化成：　限状态压缩量时说明未拔出。若拉出量大于极限　△　：—（Ｐｃｒ－　ｚａｇ２　ｒ掣　…，…　）　状态压缩量说明已被拔出。　式中：ｆ１一扩大头长度；　４．１．４允许压缩量确定　，’一钻孔长度；　允许压缩量△ｆ　按下式确定：　Ａ：７　／４：　△／　△／允　…　（１１）　Ｄ一扩大头直径；　ｚ－　一土体与水泥芯柱侧壁极限粘结力；　１一程中－－－一般　取１．２。　巴一土体与水泥芯柱组合压缩模量；　４．２工程应用　Ｅ２＝（Ｅ土’Ａ土＋Ｅ水泥’Ａ水泥）／Ａ　某基坑开挖在软粘土中，钻孔水泥芯柱与孔　Ａ十一土柱截面积，Ａ十：７／＂（Ｄ　）／４　壁之间允许剪应力ｆ　：１０ｋＮ／，ｒｌ２，土体抗剪强　ｄ一钻孔直径　度ｆ　＝２０ｋＮ／ｍｚ。没计给出钻孔直径０．１ｍ，钻　Ａ水泥一水泥芯柱截面积，Ａ水泥＝／ｒｄ２／４。　孔长８ｍ，扩孔直径０．３ｍ，扩孔长１．０ｍ，安全系数　５土体中扩大头压力型预应力锚索设计指南　取１．２，Ｅ】＝２．８×１０　ＭＰａ，Ｅ十＝８ＭＰａ，Ｅ，＝３．８×　５．１根据设计要求利用已知条件求极限预应力　１０　ＭＰａ　及允许预应力　Ｍ　（１）求　、ＰＭ　ｐｃｒ＝　－Ｄ・（／１ｒ　＋１２Ｖｐ２）　ＰＮＬＩｐｃｒ｜Ｋ　Ｐ　＝ｒｄ９（ｆ１　ｒ　＋ｆ２ｒ　）　５．２根却　已知条件求极限压缩量△　及允许　＝３．１４　Ｘ　０．３ｍ　Ｘ（１．Ｏｍ　Ｘ　１ＯｋＮ／ｍ２＋　压缩量△　。　８ｍ×２Ｏ良　，，　２）　＝ｌ６　Ⅳ　ＰⅥ＝ｐｃｒｌ　Ｋ　＝１６０足Ⅳ／１．２ｚ　ＡｌＭ＝ＡＩｐ／Ｋ　＝１３３　５．３当考虑预应力张拉钢绞线伸长量时，则预应　（２）求△／　、△／　力张拉施工时总的允许伸长量为：　囝　维普资讯 http://www.cqvip.com 岩土锚阅　‘ＰＲＥＳＴＲＥＳＳ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　《ｊ５ｉ左　拉不》２００８年第４期总第６９期　．ｒｌ罅　＋　（ｆｌ＋ｆ２）　‘拉拔一Ｐ　持拷＝　ｎｔ）ｌ　（１４）叶　根据３个钻孑Ｌ测得ｆ　平均值作为设计依据。　式中：△　一预应力张拉时允许总伸长量　５．５计算钻孔土体平均抗剪强度ｆ　（近似于千斤顶活塞伸长量）；　假定钻孔与水平地面夹角为０，则钻孔轴线　Ｐ　一极限预应力；　上任一点处孔壁应力可用两对对称的４个点的应　ｆ　１一水泥芯柱侧面与钻孔壁之间极限粘结　力平均值代替。微分体图及莫尔图如下：　力；　’　ｙＨ．　，．一扩孔段钻孔长度；　ｆ１一非扩孔段钻孔长度；　Ｏ　一安全系数，基坑工程　取值一般取１．２　５。建筑边坡工程　取值１．５。　一　—１．Ａ：　，４：　图４微分体图及莫尔图　Ｄ一扩大头直径；　由莫尔图知：　一钢绞线弹性模量，Ｅ＝２×１０　ＭＰａ；　＋丁；ＬｒＨ－ｒｎ…ｓ２　０　［ａ］一钢绞线抗拉强度，［ｏ］＝１８６０ＭＰａ；　一钢绞线拉力许用系数，取１．３４。　＝；ＬｒＨ　※求　值公式推导：　（１５）　：　采用抗拉强度［ｏ］＝１．８６ｋＮ／ｍｍ２￣绞线，单　ｆ　＝ｃ＋　・ｔｇｅ，　根钢绞线截面积ｓ＝１４０　２／根，　￣＇ｌｆｐｃｒ＝７０２　ｋＮ，　式中：Ｃ一体粘结力，由岩土勘察报告提供；　＝１．２，求　。　一①求钢绞线根数：　土体内摩擦角，由岩土勘察报告提供；　一土体测压系数，根据郎肯公式计算；　肛＿ｆ＿　（取整数）　（１２）　一土体容重，由岩土勘察报告提供；　一②按等比例张拉求　：　钻孔中点距地面高度；　０一钻孔与水平面夹角。　ｐ　［ｏ］・Ｓ・ｎ　参考文献　［ｏ］・Ｓ・ｎ・Ｋ　＝　（１３）　【１】　“地基处理编写委员会”．地基处理手册第ｌ１章．中国建　代入已知数据：　筑工业出版社．１９９８年８月第一版．　【２】　叶书麟主编．地基处理工程实例应用手册．中国建筑工　业．１９９８年３月第一版．　一ｌＶｌ　一１８６ＫＮ／ｍｍ２　１４０ｍｍ２　×　一，－２．一　“　　≈‘●ｌ７Ｉ￣３．‘　。　　【３】　岩土锚固新技术．人民交通出版社．１９９８年１　ｌＪｑ第一版．　．　【４】　陈祥福等编．现代岩土论丛．同济大学出版社．２００３年１２　＝　－１．３４　月第一次印刷．　【５】　程良奎等著．岩土锚固．中国建筑工业出版社．２００３年１　５．４现场测定孔壁粘结力ｆｐ１　月第一版．　【６】　张乐文，汪稔．岩土锚固理论研究之现状．岩土力学第　工程施工前必须在现场进行拉拔试验，测定　２３卷５期．２００２年１Ｏ月．　ｆ　值。　【７】　刘玉堂等．预应力锚索锚固段长度的确定方法．岩土锚固　工程．２００６年４期．　在现场施３－３个钻孔，Ｄ＝Ｉ　１０ｍｍ，，＝３．０ｍ，　【８】　傅作新等．大型船闸闸墙锚杆的分析与设计．土木工程学　灌注一根拉力型预应力锚索，水泥芯柱强度　报第３２卷第一期．１９９９年２月．　【９】　尤春安．全长粘结式锚杆的受力分析．岩土力学与工程学　Ｃ３０，养护１５天进行拔出试验。　报第１９卷第３期．２００５年５月．