石恒俊，桂美兵

(1.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610000；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽合肥230088)

懸索橋、斜拉橋的基礎(chǔ)主要承受上拔荷載，地下結(jié)構(gòu)、高層建筑及風(fēng)力發(fā)電等設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)，也需要考慮來(lái)自風(fēng)力、波浪、水壓力等引起的豎向上拔荷載[1-3]。因此，對(duì)于上述結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的其抗拉拔能力的設(shè)計(jì)和計(jì)算十分重要。工程中通常采用錨固基礎(chǔ)來(lái)抵抗結(jié)構(gòu)物承受的拉拔荷載，將來(lái)自外部的水平、豎向荷載傳遞到深層穩(wěn)固的巖土體中[4]。錨固基礎(chǔ)的工作機(jī)理是通過(guò)埋置于土體內(nèi)的錨固體系與其周?chē)馏w之間的剪切摩擦以及土體重量為建筑物提供抗力[5-6]。錨板作為一種常見(jiàn)的錨固基礎(chǔ)形式，因其施工快捷、對(duì)環(huán)境影響較小等特點(diǎn)，在巖土邊坡支護(hù)、大跨度斜拉橋、碼頭抗拔設(shè)計(jì)、基坑支護(hù)等工程中被廣泛應(yīng)用。

隨著錨板在巖土工程中的廣泛應(yīng)用，對(duì)錨板的承載機(jī)理、設(shè)計(jì)理論、抗拔力計(jì)算等方面成為工程設(shè)計(jì)人員的研究熱點(diǎn)。因此，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)探究錨板基礎(chǔ)變形破壞的演化過(guò)程，建立合理的抗拔力計(jì)算方法，可以指導(dǎo)錨板的工程應(yīng)用，完善錨板的設(shè)計(jì)計(jì)算體系[7-8]。

對(duì)于錨板承載力計(jì)算，由于各種計(jì)算理論選擇不同破壞模式，導(dǎo)致錨板基礎(chǔ)極限抗拔承載力計(jì)算結(jié)果存在較大的差異。文獻(xiàn)[9-11]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了半錨的抗拔特性，指出：淺埋錨板在破壞時(shí)會(huì)形成在錨板發(fā)育并貫穿至土體表面的破壞面；深埋錨板在破壞時(shí)則表現(xiàn)為錨板附近土體的閉合式破壞模式，破壞面不會(huì)延伸至土體表面。當(dāng)前，對(duì)錨板破壞機(jī)制的研究依然是水平錨固基礎(chǔ)的熱點(diǎn)問(wèn)題。為此，本文結(jié)合模型試驗(yàn)對(duì)錨板形狀、埋深、荷載條件等對(duì)錨板的抗拔性能進(jìn)行研究，以期為工程設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為開(kāi)展砂土地基中的錨板承載性能試驗(yàn)，考慮邊界效應(yīng)，本次試驗(yàn)在尺寸為2.0 m(L)×2.0 m(B)×2.55 m(H)的模型箱內(nèi)開(kāi)展，如圖1所示。豎向拉拔力通過(guò)由三腳架、鋼絞線以及定滑輪組成加載系統(tǒng)施加，加載方式為慢速持荷法。

(1)分級(jí)加載：根據(jù)預(yù)試驗(yàn)得到的極限抗拔承載力情況確定每級(jí)荷載大小。

(2)位移觀測(cè)：每級(jí)荷載加載完畢后，每5 min、15 min、30 min、60 min通過(guò)位移傳感器記錄錨板的上拔位移量。此后，每隔30 min記錄一次數(shù)據(jù)，待本級(jí)荷載變形穩(wěn)定后施加下一級(jí)荷載。

(3)試驗(yàn)終止條件：錨板的上拔位移量為上級(jí)荷載的5倍或上拔位移量超過(guò)5 mm；在荷載—位移關(guān)系曲線出現(xiàn)驟降的拐點(diǎn)處；錨板周?chē)馏w破壞導(dǎo)致錨板從土體中拔出。

圖1 模型試驗(yàn)系統(tǒng)[12]

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 錨定系統(tǒng)

本次模型試驗(yàn)的錨定系統(tǒng)由錨板、鋼絲桿、不銹鋼螺母、不銹鋼吊環(huán)螺母組成，如圖2所示。錨板均由304不銹鋼板材激光切割而成，厚8 mm，通過(guò)預(yù)埋的方式安裝。錨板材料的選擇保證了錨板在試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)變形。錨板埋置深度可以通過(guò)調(diào)節(jié)錨板在鋼絲桿上的位置實(shí)現(xiàn)。

圖2 錨板實(shí)物[12]

1.2.2 試驗(yàn)砂制備

為保證試驗(yàn)過(guò)程中土體材料的穩(wěn)定性，同時(shí)方便對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，本次試驗(yàn)采用篩分后的干砂，其顆粒級(jí)配曲線如圖3所示，物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖3 砂土顆粒級(jí)配曲線[12]

表1 砂土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)方案

為了研究錨板的形狀、錨板埋深及錨板傾角等因素對(duì)錨板抗拔承載特性的影響，試驗(yàn)中分別選取了如圖4所示的3種類(lèi)型的錨板，進(jìn)行6種不同埋置深度(埋置深度：10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm)的模型試驗(yàn)。為了研究錨板傾角對(duì)抗拔承載特性的影響，對(duì)圓形錨板和正方形錨板設(shè)置了5組傾角(錨板與豎直方向夾角θ分別為0°、30°、45°、60°、90°)，如圖5所示。

圖4 3種類(lèi)型錨板

圖5 試驗(yàn)布置及其示意

2 錨板抗拔性能分析

2.1 錨板埋深對(duì)抗拔承載特性的影響

為方便分析錨板埋置深度對(duì)抗拔承載力的影響，引入無(wú)量綱因子——錨板埋深率，其定義為：錨板埋深H與錨板直徑D或者錨板寬度B之間的比值。

圖6給出了圓形錨板在不同埋深率下的荷載—位移關(guān)系曲線。根據(jù)荷載—位移曲線的特征，可以將砂土中錨板在豎向拉拔荷載作用下的變形劃分為3個(gè)階段：

第1階段為線性變化段，在施加荷載初期，上拔位移隨著豎向荷載的增加線性增加，錨固體系逐漸發(fā)揮其抗拔能力，位移增長(zhǎng)速率比較慢。

第2階段為過(guò)渡階段，錨板邊緣區(qū)域土體發(fā)生局部剪切，砂土出現(xiàn)顆粒位移錯(cuò)動(dòng)并不斷調(diào)整顆粒間位置，這一階段變形速率增大，深埋錨板基礎(chǔ)存在比較明顯的過(guò)渡階段，但淺埋基礎(chǔ)則沒(méi)有明顯的過(guò)渡段。

第3階段為急劇變化段，隨著荷載繼續(xù)增加，土體的位移量急劇增加，微小的荷載增量會(huì)引起較大的上拔變形，土體發(fā)生整體剪切變形，伴隨著砂土表面的隆起，土體中的破裂面從錨板邊緣延伸至表面。

圖6 圓形錨板荷載—位移曲線[12]

對(duì)于淺埋錨板(如埋深率H/D=1時(shí))，其荷載—位移曲線呈漸進(jìn)式破壞規(guī)律，不存在明顯的過(guò)渡階段。其原因是錨板埋深淺，上覆砂土重量小，砂土在低應(yīng)力條件下未能有效發(fā)揮其摩擦強(qiáng)度和咬合強(qiáng)度，這一特征與文獻(xiàn)[11]的結(jié)論相吻合。

圖7 極限荷載—位移曲線[12]

隨著錨板埋深率的增加，砂土顆粒有更大的位置調(diào)整空間，顆粒在翻滾、錯(cuò)位、調(diào)整后可以形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以抵抗外部荷載，其極限抗拔承載力及相應(yīng)的上拔位移逐漸增大，錨固體系的破壞模式由脆性破壞逐漸過(guò)渡為延性破壞，這一特征在荷載—位移曲線上表現(xiàn)為過(guò)渡階段的存在，如圖7所示。其原因是深埋較之淺埋條件。

2.2 錨板傾角對(duì)抗拔性能的影響

在斜拉橋、懸索橋的錨固基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，拉拔荷載可以分解為豎向、水平向2個(gè)分力。為研究錨板在傾斜上拔荷載作用下的承載性能，模型試驗(yàn)中調(diào)整了錨板的安裝的角度，如圖5所示。表2列出了圓形錨板在6組埋深、5組傾角下的承載力試驗(yàn)結(jié)果。

表2 室內(nèi)試驗(yàn)圓錨不同傾角下極限抗拔承載力 單位：N

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖8給出了錨板抗拔承載力與傾斜角度、埋深率的關(guān)系曲線。整體看來(lái)，隨著傾斜角度的增大，錨板的抗拔承載力呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，但這一規(guī)律隨著埋深的增大有所減弱。豎直錨板較之水平錨板的承載力高，其原因是水平錨板在錨固體系范圍內(nèi)土體的壓力水平由錨板向上呈線性降低的規(guī)律，而豎直錨板在錨固體系范圍內(nèi)的土壓力較為穩(wěn)定，且處于高應(yīng)力水平。

圖8 極限荷載—錨板傾角關(guān)系曲線[12]

2.3 錨定板形狀對(duì)抗拔性能的影響

為對(duì)比分析錨板形狀對(duì)對(duì)抗拔承載力的影響，圖9給出了方形錨板在6組埋深率下的荷載—位移關(guān)系曲線，其整體規(guī)律與圖6中的圓形錨板較為相似。

圖9 方形錨板荷載—位移曲線[12]

試驗(yàn)中，圓形錨板的直徑和方形錨板的邊長(zhǎng)相等，但其面積是方形錨板的1.57倍，因此圓形錨板的承載整體高于方形錨板。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在埋深相同的條件下，圓形錨板的極限抗拔承載力較之方形錨板分別提高了33.3%、20%、25%、27.3%、23.3%、26.3%?？梢?jiàn)錨板形狀對(duì)于抗拔承載力的影響隨著埋深增加逐步降低(表3)。

表3 圓形錨板與方形錨板的極限抗拔承載力對(duì)比

為分析不同錨板的抗拔承載特征，圖10給出了3種錨板在埋深30 cm和60 cm時(shí)的荷載—位移關(guān)系曲線。分析可知，在相同埋深條件下，隨著錨板的面積的增大，其抗拔能力越高。這是由于更大面積的錨板可以調(diào)動(dòng)更大范圍體積的土體形成錨固體系以發(fā)揮土體的強(qiáng)度。例如，試驗(yàn)中矩形錨板的面積是方形錨板的2倍，但是矩形錨板的極限抗拔承載力是方形錨板極限抗拔承載力的2倍多。

此外，不同錨板的荷載—位移關(guān)系曲線其斜率也表現(xiàn)出較大差異。矩形錨板的荷載—位移曲線斜率最大，方形錨板的荷載—位移曲線斜率最小，這說(shuō)明錨板形狀、面積對(duì)錨板的破壞模式存在影響，且在錨板達(dá)到極限荷載之后這一影響更為顯著。

圖10 不同形狀錨板荷載—位移曲線[12]

3 結(jié)論

本文開(kāi)展了砂土中的錨板抗拔承載特性的室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析了錨板埋深、形狀及傾角等因素對(duì)其承載特性和極限抗拔承載力的影響，主要結(jié)論：

(1)錨板在上拔荷載作用下，其荷載—變形曲線分為3個(gè)階段：第1階段為線性段，此時(shí)土體的變形速率很慢；第2階段為過(guò)渡階段，土體中出現(xiàn)局部屈服區(qū)，顆粒錯(cuò)動(dòng)并形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；第3階段為急劇變化段，土體變形速率驟增，錨板周?chē)馏w發(fā)生整體剪切破壞，錨板失穩(wěn)。

(2)錨板的埋深率對(duì)錨板抗拔承載力的影響顯著，隨著埋置深度的增加，錨板的極限抗拔承載力增加，錨板達(dá)到極限荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的上拔位移也隨之增加。

(3)錨板形式對(duì)其承載性能和極限抗拔承載力有較明顯的影響，矩形錨板的承載力表現(xiàn)出更高的抗拔能力。