不同岩层中抗浮锚杆承载特性及抗拔承载力预测

胡俊; 张成文; 马付章; 白晓宇; 马启锐; 孙林娜; 闫楠

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2501961

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (6) :2544-2552 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2501961

建筑科学

不同岩层中抗浮锚杆承载特性及抗拔承载力预测

胡俊 ¹^,²^,³ ,
张成文 ³ ,
马付章 ¹^,² ,
白晓宇 ³ ,
马启锐 ¹^,² ,
孙林娜 ³ ,
闫楠 ³^,^*

作者信息 +

Load Bearing Characteristics and Pull-out Capacity Prediction of Anti-floating Anchor Rods in Different Rock Layers

HU Jun ¹^,²^,³ ,
ZHANG Cheng-wen ³ ,
MA Fu-zhang ¹^,² ,
BAI Xiao-yu ³ ,
MA Qi-rui ¹^,² ,
SUN Lin-na ³ ,
YAN Nan ³^,^*

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摘要

抗浮锚杆因其优异的地层适应性、高效的应力分散能力、便捷的施工工艺及较低的工程造价,已成为地下结构抗浮工程中的关键永久性技术措施。依托青岛地区中车四方智汇港一期项目基坑抗浮工程,基于现场拉拔试验,研究了6根抗浮锚杆在多循环荷载作用下的承载性能和变形特性,重点分析不同岩层条件和锚固长度对抗浮锚杆力学行为的影响,评估不同荷载-位移模型在预测抗浮锚杆极限抗拔承载力的适用性。研究结果表明:在多循环荷载作用下,锚杆杆体呈现出典型的滞回型荷载-位移曲线特征,其回弹率范围为31.79%~42.88%,表明弹性恢复能力相对有限。随着荷载循环次数的增加,杆体累积塑性损伤显著加剧。研究发现,锚固岩层的力学性质是影响锚杆变形特性的关键因素,岩层力学性能的降低会导致锚头位移显著增大。指-幂函数曲线模型表现出最优的极限荷载预测精度,其计算结果与实测荷载-位移曲线的整体趋势具有较高的吻合度。研究结果可为抗浮锚杆的优化设计和性能评估提供重要的理论依据和借鉴价值。

Abstract

Anti-floating anchor rods have become a key permanent technical measure in underground structure anti-floating engineering due to their excellent geological adaptability, efficient stress dispersion ability, convenient construction technology, and low engineering cost. Based on the anti-floating Engineering for the Foundation Pit of the CRRC Sifang Zhihui Port Phase I Project in Qingdao and on-site pull-out test, the bearing performance and deformation characteristics of six anti-floating anchor rods under multiple cyclic loads were studied through on-site pull-out tests. The influence of different rock conditions and anchorage lengths on the mechanical behaviour of anti-floating anchor rods was analysed, and the applicability of different load displacement models in predicting the ultimate pull-out bearing capacity of anti-floating anchor rods was evaluated. The research results show that under multiple cyclic loads, the anchor rod body exhibits typical hysteresis type load displacement curve characteristics, with a rebound rate range of 31.79% to 42.88%, indicating relatively limited elastic recovery ability. As the number of load cycles increases, the accumulated plastic damage to the rod body significantly intensifies. Research has found that the mechanical properties of anchored rock layers are a key factor affecting the deformation characteristics of anchor rods, and a decrease in the mechanical properties of rock layers can lead to a significant increase in anchor head displacement. The exponential function curve model demonstrated the best accuracy in predicting ultimate loads in this experiment, and its calculated results showed a high degree of agreement with the overall trend of the measured load displacement curve. The research results can provide important theoretical basis and reference value for the optimization design and performance evaluation of anti-floating anchor rods.

Graphical abstract

关键词

基岩 / 抗浮锚杆 / 多循环加载试验 / 承载性能 / 极限抗拔承载力预测

Key words

bedrock / anti-floating anchor / multi cycle loading test / bearing capacity / prediction of ultimate pull-out bearing capacity

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胡俊, 张成文, 马付章, 白晓宇, 马启锐, 孙林娜, 闫楠. 不同岩层中抗浮锚杆承载特性及抗拔承载力预测[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(6): 2544-2552 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501961

HU Jun, ZHANG Cheng-wen, MA Fu-zhang, BAI Xiao-yu, MA Qi-rui, SUN Lin-na, YAN Nan. Load Bearing Characteristics and Pull-out Capacity Prediction of Anti-floating Anchor Rods in Different Rock Layers[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(6): 2544-2552 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2501961

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随着城市化进程的加速,地下空间的开发和利用变得日益重要。对高层建筑、地铁、地下车库等大型基础设施建设过程中,由于基础埋深不断加大,抗浮问题变得越来越突出。地下水位变化、建筑物自重不足、抗浮锚杆设计水位考虑不足等因素会引发一些抗浮问题,如在施工过程中地下室底板被浮起、底板开裂、侧墙开裂等一些工程事故,严重威胁人身安全。在抗浮工程中,常见的解决方案包括降排水法、压重法、抗拔桩以及抗浮锚杆等技术手段。相较于其他方法,抗浮锚杆因其单点受力较小、布置方式灵活、施工工艺简单且经济成本较低等显著优势,在中外众多抗浮工程项目中得到了广泛的采纳与应用^[1-5]。然而,在实际工程中,因锚固岩土层的差异性,不同岩土层对抗浮锚杆承载性能的影响比较大,研究不同岩层中抗浮锚杆的承载性能具有十分重要的理论意义和工程意义^[6]。

针对抗浮锚杆的承载性能与变形特性,中外学者进行了大量的理论分析与试验研究。陈棠茵等^[7]通过线弹性理论,推导了抗浮锚杆在拉拔力作用下的应力-应变关系,并提出了摩阻力、轴力和位移之间的关系式。Oh等^[8]通过试验和理论分析,提出了循环荷载下钢筋混凝土黏结应力-滑移关系的实用模型,发现滑移量和残余滑移量随循环次数的增加而显著增加。Cheng等^[9]探讨了锚杆在单调和循环载荷下的变形特性、承载能力及破坏机制,提出了一种基于边界表面理论的弹塑性本构模型,用于模拟软黏土的循环应力-应变响应。Sun等^[10]分析了锚杆在不同锚固长度下的荷载-位移关系,表明锚杆存在临界锚固长度,超过此长度后,继续增加锚固长度对抗拔承载力的提升效果有限。

在确定抗浮锚杆极限承载力时,有学者通过锚杆杆体的最终上拔位移确定,贾金青等^[11]在其研究中指出,通过观察抗浮锚杆的荷载-位移关系曲线,可以找到一个明显的拐点,该拐点对应的位移值所关联的荷载值即为其极限抗拔承载力。王贤能等^[12]建议,对于岩石锚杆而言,可考虑将锚头位移量达到20 mm时所承受的拉拔荷载,作为评估其极限抗拔能力的依据。陈根全^[13]认为可将锚头位移量在10~20 mm时所对应的荷载值,作为锚杆极限抗拔承载力的判定标准。在锚杆承载能力的理论研究方面,孙长帅等^[14]构建了单锚桩力学计算模型,通过引入岩体质量系数参数,建立了抗拔承载力理论计算方程,通过工程实例验证了该模型具有较高的计算精度。Wei等^[15]通过现场拉拔试验和理论分析,提出了一种新的非线性模型,用于描述锚固界面的剪切应力-位移关系,解决了传统模型在非线性特性模拟上的不足。魏新江等^[16]分别建立了锚杆与浆体界面以及浆体与岩土体界面的抗拔承载力计算模型,不仅推导了相应的理论公式,还明确了各公式的适用条件及其参数取值标准。郑全明^[17]基于位移-剪应力耦合理论提出了适用于多种地层条件的拉力型锚杆极限承载力计算方法,该研究为不同土质环境下锚杆的最大承载能力评估提供了理论依据。潘殿琦等^[18]系统探讨了地层渗透系数、注浆压力参数及成孔工艺等关键变量对土层锚杆承载性能的作用机制,基于多因素影响分析结果,对既有锚杆抗拔力计算模型进行了适应性改进与理论完善。Liang等^[19]基于锚固体侧摩阻力分布的双曲线模型和锚板荷载传递的Winkler地基模型,建立了组合锚固系统的理论分析方法,并推导了抗拔力-位移关系的近似解析方程。井德胜等^[20]采用二次多项式拟合荷载-位移曲线来预测抗浮锚杆的极限承载力。孙晓云等^[21-22]通过整合双曲线模型及其修正形式,在通用函数模型的架构基础上,提出了一种新型的指-幂复合函数模型,该模型显著提升了锚杆承载力预测的准确性。杜焕龙等^[23]通过双曲线函数模型、指数函数模型和幂函数函数模型来预测精轧螺纹钢抗浮锚杆的承载力,发现指数函数模型能更准确地预测其承载力。白晓宇等^[24]针对业内普遍应用的4种荷载-位移(Q-s)曲线函数模型,依据试验数据进行计算分析,通过对比抗浮锚杆极限承载力的预测结果与实测数据,发现指-幂函数模型在本次试验环境下,对抗浮锚杆Q-s曲线的描绘表现出更高的适用性。

因此,现基于6根抗浮锚杆在多循环荷载作用下的现场拉拔试验,研究中风化花岗岩和砂土碎裂岩中抗浮锚杆的承载性能和变形特性,分析锚杆杆体的荷载-位移曲线和弹塑性变形规律。基于试验结果,对不同荷载-位移函数模型在预测岩质地层中抗浮锚杆极限抗拔承载力预测的适用性进行评估,为锚杆在抗浮工程中的优化设计和性能评估提供重要的理论依据。

1 试验概况

1.1 试验场地工程地质概况

根据勘察报告,场区基岩以深成相燕山晚期中粗粒花岗岩为主,同时穿插分布着后期侵入的煌斑岩岩脉和受构造影响形成的碎裂岩。中风化花岗岩层呈肉红色,粗粒结构,块状构造,岩体呈块状为主。砂土碎裂岩层呈褐黄~灰绿色,碎裂结构,原岩为花岗岩,受压破碎形成,部分成泥状,部分呈块状手可掰碎。岩层主要物理力学指标如表1所示。

1.2 试验锚杆设计参数

试验共设置6根抗浮锚杆,锚杆MG-1完全锚固于花岗岩中风化带中,锚杆MG-2完全锚固于砂土碎裂岩中。锚杆间距为2.2 m,锚孔直径为200 mm。单根试验锚杆由4根钢筋按照正方形布置,4根锚筋沿定位钢管周围均匀排布焊接成束。试验抗浮锚杆的钢筋采用HRB500E,弹性模量为210 GPa。设计锚杆抗拔承载力特征值500 kN,锚杆最大试验荷载不小于锚杆抗拔承载力特征值的2.5倍。试验锚杆设计参数如表2所示。

1.3 试验过程

对场地进行整平、定位后,再利用潜孔钻机成孔,锚孔垂直向下,将锚筋送入锚孔内,当锚筋到达预定深度后,向孔内浇筑M30级砂浆,并保留砂浆试件,经过28 d的标准养护周期,测得试件的平均抗压强度达到33.4 MPa。灌浆体的强度达到试验标准后进行现场抗拔试验。

试验采用多循环加卸载方式,循环加卸载等级与位移观测间隔时间如表3所示。

试验测试系统包括:2个量程为50 mm位移百分表;1根基准梁;2台编号为HFY-145/HFY-146,规格型号为QF100T-20的千斤顶。现场加载装置及示意图如图1所示。

在加载初期,所有荷载均设定为最大荷载Q_max的10%。首次加载循环中,荷载逐步提升至Q_max的1/2后卸载。随后的加载循环,最大荷载依次递增至Q_max的50%、70%、90%,并最终达到满载状态。为确保在最终加载循环(即第4次)中抗浮锚杆的完整性不受影响,每次荷载施加至稳定状态后,在规定观测时间段内, 需至少3次测量并记录锚杆杆体的位移变化。若连续3次测量(每次测量间隔5 min)的结果保持一致,则可继续进行下一阶段的加载循环试验。试验加卸载终止条件严格按照《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)^[25]执行。

2 试验结果及分析

2.1 荷载-位移曲线分析

抗浮锚杆在循环荷载作用下荷载与位移的关系曲线如图2所示,该曲线直观反映了锚杆杆体的变形特征,通过分析位移变化量,可有效评估锚杆的承载性能。

两组锚杆杆体的荷载-位移曲线在每级荷载作用下的变化趋势基本相同,加荷时单调递增,卸载时单调递减。锚杆MG-2的位移增长速率相对于锚杆MG-1较快,当荷载达到试验设定的最大荷载值1 250 kN时,抗浮锚杆MG-1的最大锚头位移为10.26 mm,平均值为8.97 mm,MG-2的最大锚头位移为13.78 mm,平均值为12.76 mm,MG-2锚杆的锚头位移大于MG-1的位移。随着循环次数的增加,每级卸载终点与初始荷载下的位移差值逐渐增大,表明在多循环荷载下锚杆杆体出现疲劳性损伤,每次循环都产生一定量的残余位移量,锚杆杆体逐渐出现较明显的塑性变形特征,这与吴泽坤等^[26]研究结果相近。

研究表明,中国当前实施的有关标准在确定抗浮锚杆所能承受的最大抗拔力时显得较为保守,实际上其极限抗拔承载能力往往超出规范所推荐的范围。贾金青等^[11]在其研究中指出,通过观察钢筋抗浮锚杆的荷载-位移关系曲线,可以找到一个明显的拐点,该拐点对应的位移值所关联的荷载值,可以视为钢筋抗浮锚杆的极限抗拔承载能力。根据此方法计算得到的6根抗浮锚杆的极限抗拔承载力为1 125 kN。根据每根锚杆的监测结果,可以得到在最大荷载下的荷载-位移曲线,如图3所示。

图3显示,相同荷载下锚杆MG-2位移量大于MG-1,表明抗浮锚杆锚固长度越长,每一级荷载下,锚头位移越大。分析原因:张明义等^[27]根据试验结果确定出中风化花岗岩中抗浮锚杆有效锚固段长度约为2.0 m,建议锚固段设计长度取2.5~4.0 m。

而两组锚杆锚固长度均大于有效锚固长度,故不会出现因锚固长度不足导致锚头位移过大的情况。此外锚杆MG-1完全锚固于花岗岩中风化带中,锚杆MG-2完全锚固于砂土碎裂岩中,中风化花岗岩的地基承载力特征值和岩体基本质量等级均比砂土状碎裂岩高,物理力学性质比砂土状碎裂岩更优异,因此锚杆与岩层之间的黏结强度更高,相同荷载水平下锚杆MG-1锚头位移较小。

2.2 弹塑性变形分析

在拉拔荷载作用下,抗浮锚杆的变形呈现明显的阶段性特征,其变形过程依次经历弹性阶段、弹塑性阶段,最终达到塑性破坏状态。每次循环弹塑性位移量如表4所示。

试验数据显示,6根抗浮锚杆在最终循环荷载作用下的位移范围为8~14 mm,其中最小位移值为8.25 mm,最大位移值达到13.78 mm。随着循环次数的增加,锚杆的残余位移呈现累积增长趋势。根据表4的测试结果,锚杆的回弹性能指标表现为:回弹率介于31.79%~42.88%,平均回弹率较低,表明其弹性恢复能力有限。进一步分析弹性位移与塑性位移的比例关系,最大比值为0.75,平均比值为0.59,这一数据证实了塑性变形在总变形中占据主导地位,说明抗浮锚杆在荷载作用下主要表现为塑性变形特征。随着加载级数的提升,锚杆的残余变形呈现明显的累积增长趋势,表明循环荷载作用下锚杆产生疲劳损伤。基于此,在抗浮锚杆设计过程中,有必要将循环荷载效应纳入耐久性评估体系,以确保锚杆的长期服役性能。

基于试验所得数据,进一步构建锚杆的荷载与弹塑性位移之间的关系曲线,如图4所示。其中Q-S_e表示荷载与塑性位移的关系,Q-S_p代表荷载与弹性位移的关系。通过曲线分析可以观察到,抗浮锚杆在经历多次加载循环后的弹塑性位移变化趋势。随着荷载水平的不断提升,锚杆MG-1所展现出的弹性位移变化相对平稳,呈现出一种近似的线性增长趋势,而锚杆MG-2的弹性位移出现较为明显的拐点,分析原因为锚杆MG-1所在岩层的力学性质较好,因此杆体变形较稳定;锚杆MG-2处在砂土碎裂岩中,整体性质较差,在某一锚固深度处岩性发生变化。锚杆的塑性位移增长速率随着荷载的增大而逐渐变大,在加载后期出现明显的塑性阶段;对比同组锚杆可以发现锚杆MG-1锚头及弹塑性位移均小于锚杆MG-2,可以看出锚固长度及锚固岩层的力学性质对锚杆受力变形都有一定影响。

3 荷载-位移曲线预测模型

3.1 荷载-位移曲线函数模型

在工程实践中,当锚杆试验未达到破坏阶段时,往往难以获得完整的荷载-位移关系曲线,这直接影响了对工程安全性的准确评估,也制约了试验结果的工程应用价值。鉴于此,探索有效的数学预测方法,以期在未发生破坏的条件下,能够预估抗浮锚杆的极限抗拔承载能力,已成为当前岩土工程领域亟待解决的关键问题之一。

工程实践中常采用多种数学模型对锚杆及抗拔桩的荷载-位移关系进行定量描述。其中,双曲线函数、指数函数、幂函数以及指-幂函数等数学模型被广泛应用于该领域。

(1)双曲线函数模型。

(1)Q=

$\frac{{Q}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}s}{\alpha +s}$

式(1)中:α待拟合参数;Q为锚杆承载力;Q_max为锚杆实测极限承载力;s为锚杆t时的位移。

(2)指数函数模型。

(2)Q=Q_max(1-e^βs)

式(2)中:β为锚杆位移衰减因子,mm^-1。

(3)幂函数模型。

(3)Q=Q_max

$\left\{1-{\left[1+\frac{(n-1){K}_{i}}{{Q}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}s\right]}^{\frac{1}{1-n}}\right\}$

式(3)中:K_i为锚杆的初始抗拔刚度;n为切向刚度指数,将抗浮锚杆视为微型等截面抗拔桩,故n=2.122。

(4)指-幂函数模型。

(4)Q=Q_max

$\left[1-\frac{1+k}{{e}^{as}+k}{(bs+1)}^{c}\right]$

式(4)中:a、b、k为待拟合参数;c为可取任意实数,取c=1。

3.2 函数模型拟合曲线对比

通过现场获取的拉拔试验数据,进行实测荷载-位移曲线与4种函数模型拟合曲线的对比研究,评估了不同模型在预测锚杆极限抗拔承载力方面的准确性。抗浮锚杆的荷载-位移拟合曲线如图5所示。不同模型的计算精度对比结果如表5所示。此外,各模型的关键计算参数如表6所示。基于这些数据,进一步探讨了4种模型在当前试验条件下的适用性及局限性。

由图5及表5可知,双曲线函数模型和幂函数模型拟合得到的Q-s曲线大致相同,但预测值与实测值的相对误差均大于10%,试验实测数据与两种函数模型的预测结果呈现明显偏差,其荷载-位移关系曲线未能准确表征抗浮锚杆的变形,上述数学模型不适用于描述锚杆的承载变形特征。

指-幂函数模型与指数函数模型的拟合曲线预测值与实测值吻合度整体大于90%,通过对比分析可知,两种函数模型在相同锚头位移条件下预测的荷载值与实测值具有良好的一致性,其中指-幂函数模型与实测Q-s曲线的拟合度尤为显著。

从表5的预测精度对比结果来看,指-幂函数模型在极限承载力预测方面表现出明显优势,其计算结果与实测曲线几乎完全吻合,预测相对误差控制在1%以内。这表明指-幂函数模型能够精确反映抗浮锚杆在拉拔试验过程中的荷载-位移变化规律,较指数函数模型具有更高的预测准确性。

4 结论

(1)在多循环荷载作用下,抗浮锚杆的荷载-位移曲线呈现出明显的滞回特性。抗浮锚杆的变形主要表现为塑性特征,其回弹率范围为31.79%~42.88%,弹性恢复能力较差,杆体塑性损伤随着循环次数的增加显著增大。

(2)随着循环次数的增加,不同锚固长度的抗浮锚杆杆体应变呈现逐渐增大的趋势,循环荷载的作用导致杆体产生显著的残余应变,残余应变累积量与荷载循环次数呈正相关。锚固岩层的力学性质对锚杆的变形有重要影响,岩层的力学性质越差,锚杆的变形量越大。

(3)指-幂函数模型在中风化花岗岩、砂土状碎裂岩地层抗浮锚杆极限抗拔承载力的预测中具有较好的适用性。荷载-位移曲线整体走势与实测值相一致,相对误差均小于1%。各理论模型在预测抗浮锚杆极限抗拔承载力时的精确度依次为:指-幂函数模型>指数函数模型>双曲线函数模型>幂函数模型。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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