DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.04.038
预应力锚杆复合土钉墙工作性状试验研究
彭文祥1，谢雨军1，徐松山2，王苑3，钱华4
(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；
2. 大连市勘察测绘研究院有限公司，辽宁 大连，116021;
3. 中国有色金属 长沙勘察设计研究院有限公司，湖南 长沙，410011;
4. 航天时代置业发展有限公司，北京，100035)
摘要：以预应力锚杆复合土钉支护结构为研究对象，在室内模型试验基础上，探讨预应力锚杆复合土钉支护结构的工作性状。模型试验分纯土钉支护试验和预应力锚杆复合土钉支护试验2组，根据试验成果，对预应力锚杆复合土钉支护结构的工作性状进行分析研究。研究结果表明：土钉(锚杆)由于注浆作用，其黏膜聚力、内摩擦角和弹性模量都增大，但在复合土钉支护中增大得更多；复合土钉支护方式能有效控制坡面位移，其坡面最大位移较纯土钉支护降低约14%，使基坑潜在滑动面有向上移动的趋势，表明预应力锚杆复合土钉支护方式大大提高了基坑的稳定性。
关键词：预应力锚杆；复合土钉；工作性状；模型试验
中图分类号：TU473 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)04-1468-07
Test study on working properties of prestress anchor composite soil nails wall work
PENG Wenxiang1, XIE Yujun1, XU Songshan2, WANG Yuan3, QIAN Hua4
(1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Dalian Academy of Reconnaissance and Mapping Co. Ltd., Dalian 116021, China;
3. Chinese Nonferrous Metal Survey and Design Institute of Changsha Co. Ltd, Changsha 410011, China;
4. Aerospace Times Real Estate Development Co. Ltd., Beijing 100035, China)
Abstract: By taking the prestress anchor composite soil nailing structure as object, the working properties of the prestress anchor composite soil nailing were analysed based on indoor model test. The final model test was divided into two groups, i.e. the pure soil nailing test and the prestress anchor composite soil nailing test. The work traits of prestress anchor composite soil nailing structure was analyzed according to the test results. The results show that, due to the effect of the grouting role, the cohesion, angle of internal friction and elastic modulus of soil nails (anchor) increase, and those of compound soil nails increase much more.Displacement of slope can be effectively controlled by the compound soil nails, and the maximum displacement decreases approximately by 14% compared to that of the pure soil nails,which can make the potential sliding surface of the pit have the trend to move up. It is demonstrated that the method of the prestress anchor compound soil nails improves the stability of the pit.
Key words: prestress anchor; composite soil nailing; working properties; model test
基坑工程要求有很高的可靠性，在保证基坑开挖和地下结构施工安全有序进行的基础上，还要保证周边建筑物的安全及公共设施的正常使用。为适应不同地层条件、不同环境要求和不同基坑开挖深度，预应力锚杆复合土钉支护技术由此产生。预应力锚杆复合土钉支护已在工程实践中成功应用和推广[1-2]，但目前国内外对预应力锚杆复合土钉支护结构的研究较少，尤其是试验研究更少[3]。杨志银等[4-5]对人工挖孔桩+预应力锚杆+土钉组成的多种形式复合土钉支护的受力变形特性进行现场试验，认为复合土钉支护具有良好的抗动载性能并揭示了复合土钉支护结构在变形方面的特征；宋二祥等[6]运用二维和三维有限元分析方法、FLAC-3D等软件对复合土钉的各种特性进行了动态和静态模拟研究，发现复合土钉的轴力最大值比单一土钉的要小，且距锚杆越近，减小幅度越大，复合支护结构比面层所受的土压力要大，超前桩的作用使得复合土钉支护边坡上部位移受到控制，并且比同等条件下纯土钉支护的位移要小，其峰值出现在边坡顶部及中上部；丁振明等[7]认为土钉支护体系的抗拔力由钉土作用抗拔力和土体自承作用抗拔力2部分组成；Thomas等[8]提出应用软件和试验楔块对土钉墙进行分析的简易试验楔块方法，这种方法为工程师们在应用软件中实施土钉墙分析提供了合适的途径；Byrne等[9]对土钉中从应变器仪器墙得到的荷载发展进行了研究，指出监测的最大力远小于用于土钉墙分析的极限平衡过程中所预测的力，直到监测过程结束，荷载仍持续下降；Ho等[10]运用有限元对其进行了二维或三维数值模拟计算。在此，本文作者以预应力锚杆复合土钉支护结构为研究对象，基于室内模型试验为基础[11]，以模型试验为支撑，对预应力锚杆复合土钉支护结构工作性状进行分析研究。
1 试验方法及装置
1.1 室内模拟试验方法
相似理论、相似第一定理(相似现象的性质)是指彼此相似的现象，以相同文字符号的方程所描述的相似指标为1，或相似判据为1个不变量。相似判据相等或相似指标等于1是现象相似的必要条件。相似第二定理(相似判据的确定)表述为：1个现象有N个物理量，并且这些物理量中含有K个物理量的量纲相互对立，那么这N个物理量可表示成相似准则之间的函数关系。相似第三定理(相似现象的必要和充分条件)表示为：对于同一类物理现象，具有相同符号的方程式，单值条件相似，且由单值量组成的相似判据在数值上相等，则该2个物理现象相似。
模型试验材料运用相似理论，结合实际工程黏膜土条件，通过试验，选择最接近实际工程黏膜土参数土样作为模型试验的土样，土样的黏膜土质量分数、砂土质量分数及重水质量分数如表1所示。模型与原型试验的相似支护参数如表2所示。
表1 试验土样参数
Table 1 Parameters of soil samples of test
运用相似理论[12]，用相似比为1:10的模型(高1.8 m，长1.8 m，宽1.0 m)为研究对象，t/t′=l/l′为相似法则，即模型试验材料的几何长度与变形时间成反比，用垂直开挖1.5 m的基坑模拟实际工程中15.0 m的基坑。模型试验共分2组进行，分别为纯土钉支护和预应力锚杆复合土钉支护。纯土钉试验在砂土层中布置8排土钉，复合土钉第6和第7排土钉支护换为预应力锚杆支护。模型实验装置如图1所示。
1.2 模型试验装置
1.2.1 模型砂箱布置
试验在1个长为1.8 m、宽为1.0 m、高为1.8 m的模型试验砂箱中进行。模型箱顶面和底面未封闭，其中底面置于地面，后壁用1块钢板封闭，前壁为14块拼装紧密的木板，两侧壁为有机玻璃板，以便于观测土体内部位移状况。为了限制坡底土体位移，模型箱前端底部加设1个宽为0.3 m、高为0.3 m的钢框架，作为固定边界，模拟深度为15.0 m基坑。并在该钢框架中间位置布置1根钢柱，以固定位移计，测量侧面位移。
表2 模型与原型试验的相似支护参数
Table 2 Similar parameters of model and prototype test
图1 试验装置示意图
Fig. 1 Diagram of test device
1.2.2 砂箱侧壁处理
为了模拟基坑开挖，使模型箱中土样受力与实际情况一致以及减少砂箱侧壁产生的边界效应，对侧壁进行润滑处理，在两侧壁上先涂一层机油，再铺一层摩擦因数很小的塑料薄膜，在薄膜上涂抹一层工业凡士林，这样起到润滑作用。处理后的砂箱侧壁对箱内土体摩擦力可近似为0[13-14]。
1.2.3 模拟开挖说明
按照基坑分层开挖的原理，砂箱前壁为14块拼装紧密的木板，每开挖1级拆除1~2块木板，每隔20 h开挖1层的分级开挖方式，共开挖9次，分8级进行支护，土钉倾角为15°。
1.2.4 量测仪器及加载装置
在每排靠中间的2排土钉或锚杆上黏膜贴应变片，如图2所示。使用DH3816静态应变测试系统测量土钉和锚杆的应变，其数据采集箱与计算机通过USB通用串行总线接口进行数据传输，通过计算机由支持软件完成所有操作功能。对于基坑开挖面位移的量测，用磁性表座将位移计固定在砂箱前端的钢柱上，用JMZX-300X综合测试仪采集数据。
模型试验加载利用在模型砂箱上部焊接反力加载装置，先在基坑顶部土体上按照底层横向、中间层纵向、上层横向的方式叠加3层木板，使2个千斤顶施加的载荷达到均衡，再使用2个量程为100 kN的液压千斤顶顶在焊接牢固的2根钢制横梁上施加反力。千斤顶上配有量程表，进行逐级加载，加载装置主要用于研究对基坑顶基坑破坏模式。
图2 模型土钉
Fig. 2 Model of soil nails
1.2.5 面层处理
模型试验开挖完成后，表面深度为10~20 mm的土体失水。与内部土体相比，表面土体的抗剪强度和硬度都增加，经直剪实验测定，其抗剪强度c为25.11 kPa，摩擦角φ为38°，因此，该部分土体作为基坑面层。
2 试验结果及分析
2.1 位移分析
通过2组支护结构模型试验(上部荷载为0 kN)，得到一系列位移量测值，绘制每次开挖后的坡面位移曲线，所得纯土钉坡面位移曲线如图3所示，预应力锚杆复合土钉坡面位移曲线如图4所示。
对比图3和图4可见：与纯土钉支护方式相比，预应力锚杆支护处(第6和第7排)坑壁减小幅度达到26%，坡面最大位移较纯土钉支护降低约14%，这表明复合土钉支护方式能有效控制坡面位移。但复合土钉支护中坡面最大位移点的上移及坑顶部的位移增加，这表明由于预应力锚杆对基坑下部土体的有效限制作用，基坑的潜在滑动面有向上移动的趋势。该结论可在一定程度上指导预应力复合土钉设计。
图3 纯土钉支护坑壁位移曲线
Fig. 3 Pit wall displacement curves of pure soil nailing
图4 复合土钉支护坡面位移曲线
Fig. 4 Slope surface displacement curves of composite soil nailing
2.2 受力对比分析
试验得到2组支护开挖完成后的应变曲线见图5和图6。从图5和图6可见：1) 应变基本呈现随着开挖深度增加，普通土钉中整体应变值较复合土钉中整体应变小，充分体现预应力锚杆对支护结构整体的影响；2) 复合土钉中前几排土钉的最大轴向应变相对于普通土钉向前移动，表明预应力锚杆的施加影响了基坑潜在滑移面的位置；3) 锚杆的预应力通过面层的传递作用影响到周边的土钉内力，使得距离锚杆较近(约2 m以内)的土钉所受拉应变比一般土钉所受拉应变减小近30%，但距离预应力锚杆较远的土钉所受拉应变增幅约为12%。其原因是复合土钉中的锚杆属于主动受力，锚杆的施加有效限制了基坑的水平位移，离锚杆越近水平位移就限制得越多，也就减小越多。对于土体而言，位移越小，受到的剪应力就越小，其轴向应变也越小。但是，由于锚杆是通过面层影响基坑内部土体及邻近土体，故其限制范围也有一定限度。本文试验中锚杆的限制作用体现在距离锚杆2 m内较 明显。
2.3 施加载荷对2种支护结构的影响
据加载过程中测得的位移绘制2组支护施加载荷时坑壁位移曲线，如图7和图8所示，2支护施加载荷时轴向应变曲线如图9和图10所示。
图5 纯土钉支护开挖完成后土钉应变曲线
Fig. 5 Strain curves of pure soil nailing after excavation completion
图6 预应力锚杆复合土钉支护开挖完成后土钉(锚杆)应变曲线
Fig. 6 Strain curves of nail (anchor) of prestress bolt composite nailing after excavation completion
从图7可见：纯土钉支护在加载至破坏时，基坑坑壁水平位移表现为整体向基坑外移动；随着荷载的增加，坑壁位移逐渐增加，最大位移均发生在基坑中下部(距坑底约0.6 m处)，呈现较小程度的“凸肚状”，坑壁达到破坏时的最大位移为13.3 mm。
从图8可见：复合土钉支护施加荷载时坑壁水平位移呈明显的上大下小的状态；随着加载级数的增加，基坑上部坑壁位移增量呈增大趋势，而在基坑下部(即施加预应力锚杆的位置)，坑壁位移呈均匀增长趋势，增长值较基坑上部的小。这是由于第6和第7排锚杆的作用有效控制了坑壁位移，增加了基坑稳定性。基坑壁达到破坏时最大位移出现在基坑上部，为13.5 mm。
图7 纯土钉支护施加载荷时坑壁位移曲线
Fig. 7 Pit wall displacement curves with load nailing
从图9可见：随着加载级数的增加，深度越大，轴向应变增大得越多，且前5排土钉轴向应变呈中间大两头小的弓形分布，最大应变出现在中部位置，但是第6和第7排土钉最大应变明显后移，表明基坑潜在滑裂面在5H/8(H为基坑开挖深度)处向基坑后扩张。这一变化验证了在基坑中下部布设2排锚杆的必要性，这也与基坑坑壁位移变化相吻合。
图8 复合土钉支护施加载荷时坑壁位移曲线
Fig. 8 Pit wall displacement curves with load for pure soil load of composite soil nailing
图9 纯土钉支护的土钉轴向应变曲线
Fig. 9 Axial strain curves of soil nail in structure of pure soil nailing
图10 复合土钉支护结构的土钉(锚杆)轴向应变曲线
Fig. 10 Axial strain curves of composite soil nailing in structure of soil nails (anchor)
从图10可见：预应力锚杆复合土钉支护能承受的载荷明显比纯土钉支护的高。由应变曲线可知：在基坑5H/8前，土钉的轴向应变与纯土钉支护中的一样；在基坑中下部即第6和第7排支护换成锚杆后，其最大轴向应变出现在靠近基坑坑壁的位置。这表明基坑潜在滑裂面较纯土钉支护中小，预应力锚杆的施加增加了基坑稳定性，有效控制了基坑滑裂面的扩张。
在模型试验中，纯土钉支护基坑加载到23.0 kPa达到破坏，裂缝最大处为第6和第7排土钉位置，证明基坑6和7排设置锚杆的必要性。而复合土钉支护基坑加载达到26.9 kPa时失稳破坏，最大裂缝位于1~5排位置。锚杆的施加大大减少了坑壁裂缝，并且第6和第7排施加预应力锚杆位置的破坏状况也得到有效控制，这从某种程度上说明预应力锚杆的施加使基坑潜在破坏面的位置向上移动，充分表明预应力锚杆复合土钉支护方式大大提高了基坑的稳定性。
加载至破坏时，坑壁水平位移见图11。从图11可见：坑壁水平位移最大值出现在基坑中下部，呈向临空面突出的“凸肚状”，但当复合土钉加载至26.9 kPa时才破坏，这比纯土钉支护时所能承受的最大荷载增加了17%，而且由于预应力锚杆施加于基坑中下部，其坑壁位移明显减小，并且随着基坑深度的增加而明显减小。
图11 加载至破坏时坑壁水平位移对比
Fig. 11 Comparison of pit horizontal displacements loaded to failure
3 结论
1) 对试验完成后取原状土进行直剪试验，因土钉(锚杆)的注浆作用，其黏膜聚力、内摩擦角和弹性模量都增大，而复合土钉支护中增大更显著。
2) 复合土钉支护中的土钉受力具有开挖效应，对已经布设的土钉受力的影响，随开挖深度的增加而减小。预应力锚杆的预应力通过面层的传递作用影响其周边土钉内力分布状况，使得距离锚杆较近的土钉所受拉应变与一般土钉的相比减小约30%，但距离锚杆较远的土钉所受拉应变与一般土钉支护相比均增加约10%。
3) 预应力锚杆的施加有效限制了基坑的水平位移，离锚杆越近，水平位移就限制得越多；土体受到的剪应力就越小，相应部分的土钉受到的剪应力也越小，其轴向应变也越小。
4) 复合土钉支护可以有效地控制基坑侧壁位移和破坏面的扩张，其坡面最大位移较纯土钉支护减少约15%。预应力锚杆对基坑下部土体的有效限制作用，使基坑的潜在滑动面位置向上移动,预应力锚杆复合土钉支护方式在很大程度上提高了基坑的稳定性。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2014-06-20；修回日期：2014-08-25
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(50878212)；湖南省自然科学基金资助项目(11JJ6042)；中南大学教师研究基金资助项目(2013JSJJ003)(Project (50878212) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (11JJ6042) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province, China; Project (2013JSJJ003) supported by the Central South University Faculty Research Fund)
通信作者：彭文祥，博士，副教授，从事岩土工程教学与科学研究；E-mail：wxpengcsu@126.com
