城市小区永久边坡锚杆挡墙支护中锚杆极限抗拔承载力的预测模型及其应用

摘要：为探讨城市小区永久性高边坡锚杆挡墙支护中锚杆的复杂抗拔承载机理及极限抗拔承载力确定方法，结合设计方法、工程实例和实验数据提出一种锚杆极限抗拔承载力的调整双曲线预测模型。工程应用结果表明，基于该模型的预测结果与实测值吻合较好，可供锚杆挡墙设计与施工参考。

关键词：永久性边坡；锚杆挡墙支护；极限抗拔承载力；调整双曲线模型

中图分类号：TU312

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2007）06-0082-03

收稿日期：2007-04-03

作者简介：李群（1967-），女（汉族），湖南邵东人，工程师。

1引言

现在小区周边或小区内的高边坡支护问题越来越多，如何确保其经济有效、安全是值得探讨的课题。常用的重力式挡墙等支护方法只能用于滑坡推力小的低矮边坡，对高大或土质较差的边坡需要用岩土锚固技术[1]。由于锚杆挡墙中的锚杆不仅能提供足够的抗滑力，且能提高潜在滑移面上的抗剪强度，有效地阻止坡体滑移，因而在深基坑、公路高边坡[2]等工程中得到了广泛应用，并用来支护城市小区内的永久性高边坡。然而，工程中如何合理可靠地确定锚杆的抗拔承载力仍是一难题，目前多依赖经验公式进行估算，待施工完成后再进行一定数量的抗拔验收性试验，其抗拔承载机理及极限抗拔承载力究竟如何则多为一笔糊涂帐，从而导致所设计的锚杆挡墙结构或太保守或偏于不安全。为此，本文对锚杆抗拔承载力的确定进行较深入探讨，提出一种锚杆极限抗拔承载力的数值预测模型，并供工程实践参考。

2锚杆抗拔承载力确定方法

2.1 锚杆抗拔机理

通常，锚杆受荷时，首先杆体将锚头传递而来的荷载通过杆体与水泥砂浆间的握裹力传至水泥砂浆体，然后砂浆与孔壁间的摩阻力传到被锚固地层中，达到改善土体应力状态与限制变形的目的。因此，边坡不发生整体失稳时，锚杆抗拔承载力主要取决于杆体材料强度、杆体与砂浆间的握裹力及锚固体与岩土层间的摩阻力等三个方面。但其发挥机理与大小尚受土体类型、施工方法、锚固段型式、工程特性及使用要求等因素影响。

另外，锚固体传递荷载时，是随荷载增大由近至远逐步进行，且锚固段长度上应力分布极不均匀，近端应力集中严重，随着荷载向远端传递，锚固体与周围岩土界面发生粘脱。这种逐步破坏的粘结作用将大大降低岩土层强度的利用率，特别在软岩与土层中，当锚固长度增大至一定长度（8～10m）后，锚杆抗拔承载力增量将很小或无任何增加[3]。

2.2 抗拔承载力计算

根据上述锚杆抗拔机理，锚杆抗拔承载力主要取决于砂浆对杆体的握裹力及锚固段周围岩土层对锚固体的摩阻力，故可从这两方面探讨锚杆抗拔承载力的计算。

2.2.1 按砂浆对锚杆杆体的握裹力计算

根据锚杆锚固段砂浆体对杆体材料的握裹力可估算锚杆极限抗拔承载力P1如下：

式中：L1、L2 ―― 分别为锚固段中扩大与非扩大段长度（即L1＋L2=La）；

D1 ――扩大头直径；

cu ――不排水抗剪强度；

βc ――扩大头承载力系数，与扩大头大小、埋深及摩擦角等相关，可取9.0。

需要指出的是，对于端部扩大头型锚杆，扩大头段因被动土压力产生的锚固力，即式（4）与式（5）的中间项，建议在锚固体有足够的扩大头时才予以考虑，否则可作为安全储备。

上述不同方法所得的锚杆抗拔承载力，取其小者作为锚杆极限抗拔力计算值。因计算公式中许多参数与很多因素有关，不能准确给定，故锚杆实际抗拔承载力最好由现场抗拔试验验证。

3锚杆抗拔承载力试验方法

锚杆试验分基本试验及验收试验。通常，对地质条件复杂及新型锚杆应进行基本试验，以取得必要设计参数并验证其可行性；而验收试验旨在复核锚杆能否达到设计要求。

可按图1所示装置实测锚杆抗拔承载力。按要求分级加载获得锚杆荷载-位移曲线（Q～s）后。加载时一般采用分级循环加、卸法，即逐步加载至每级既定荷载后又逐步卸至初始荷载，循环往复，加至最大荷载（其值不应超过杆材强度标准值的0.9倍）后又卸至初始荷载（预应力锚杆应再加荷至锁定荷载）。若加荷至某级荷载时出现：①锚固体从岩土体或锚杆从锚固体中拔出；②锚头位移超过设计允许值；③该级荷载下锚头位移增量大于上一级位移增量的2倍等情况，则视锚杆已破坏，停止加载，并取该级荷载前一级荷载为锚杆极限抗拔力基本值。各试验点全部完成后，由各锚杆极限抗拔力基本值经概率统计后获得锚杆极限承载力标准值。

因大多情况下现场锚杆抗拔试验特别是验收试验没有达到极限状态。为此，本文基于大量实测锚杆Q～s曲线分析，提出采用调整双曲线模型对锚杆极限抗拔承载力P进行预估[6]：

式中：s――锚头位移（mm）；

sn-1――最后第二级荷载下的锚头位移（mm）；

a、b、c――拟合参数。

4工程应用

某城市小区内一边坡高约7.5m，场地内的岩土层分布与相应力学性质参数如图2所示，其中杂填土厚度不均，靠近边坡外侧近5m。设计采用格构式锚杆支护，锚杆全长粘结，锚固体采用圆柱形，直径D=130mm，杆材采用Ⅱ级螺纹钢，d=28mm，砂浆强度等级为M30。五排锚杆倾角均为15o，长度为7.0m～10.0m。

为检验锚杆是否能达到设计承载力要求，对锚杆进行验收性抗拔试验。现以第三排锚杆为例，其设计承载力为70kN，由抗拔试验获得的荷载～位移曲线Q～s如图3所示。因加荷过程中锚头位移稳定情况良好，达最大加荷值（105kN）后，也未出现破坏征兆，从图中可基本判断锚杆极限抗拔力P>105kN。

采用本文调整双曲线模型所获得的预测值P预估=301kN，拟合相关指数R达0.9996，其余参数分别为：a=0.0033，b=-0.0311，c=0.0413。

而理论计算表明，考虑地面超载q=5kPa，按梯形土压力分布模式求得锚杆所受荷载为55.0kN，根据相关规范表格查表后取锚固体与土体平均粘结强度值qs=40kPa。

稳定分析结果为：边坡稳定安全系数为K=1.51，潜在滑移面贯穿锚杆，锚固段长约6.85m，如图2所示。按公式（1）可得锚杆极限抗拔力计算值为P=111.8kN。该经验计算值大于试验最大加载值，而小于调整双曲线预测值，这说明锚杆能满足设计要求，并偏于安全。

5结语

因为边坡锚杆支护有其独特优点，格构式锚杆挡墙还可便于绿化，因而较适用于城市小区高边坡支护。但锚杆技术的设计理论落后于工程实践，为此，本文结合工程实例对锚杆抗拔承载力进行了理论与试验研究，并提出了更为合理的抗拔承载力预测模型，可供工程实际参考。

参考文献：

[1] 程良奎，范景伦，韩军，等.岩土锚固[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[2] 杨航宇，颜志平，朱赞凌，等.公路边坡防护与治理[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3] GB 50086-2001，锚杆喷射混凝土支护技术规范[S]．

[4] GB 50330-2002，建筑边坡工程技术规范[S]．

[5] CECS22∶90，土层锚杆设计与施工规范[S].

[6] 赵明华，胡志清.预估试桩极限承载力的调整双曲线法[J].建筑结构，1985，（3）：47~52.

作者单位：湖南省核工业地质局三0三大队