砂土地基中锚板抗拔性能室内模型试验研究

石恒俊，桂美兵

(1.四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川成都610000；2.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥230088)

悬索桥、斜拉桥的基础主要承受上拔荷载，地下结构、高层建筑及风力发电等设施设计时，也需要考虑来自风力、波浪、水压力等引起的竖向上拔荷载[1-3]。因此，对于上述结构物基础的其抗拉拔能力的设计和计算十分重要。工程中通常采用锚固基础来抵抗结构物承受的拉拔荷载，将来自外部的水平、竖向荷载传递到深层稳固的岩土体中[4]。锚固基础的工作机理是通过埋置于土体内的锚固体系与其周围土体之间的剪切摩擦以及土体重量为建筑物提供抗力[5-6]。锚板作为一种常见的锚固基础形式，因其施工快捷、对环境影响较小等特点，在岩土边坡支护、大跨度斜拉桥、码头抗拔设计、基坑支护等工程中被广泛应用。

随着锚板在岩土工程中的广泛应用，对锚板的承载机理、设计理论、抗拔力计算等方面成为工程设计人员的研究热点。因此，通过室内模型试验探究锚板基础变形破坏的演化过程，建立合理的抗拔力计算方法，可以指导锚板的工程应用，完善锚板的设计计算体系[7-8]。

对于锚板承载力计算，由于各种计算理论选择不同破坏模式，导致锚板基础极限抗拔承载力计算结果存在较大的差异。文献[9-11]通过模型试验研究了半锚的抗拔特性，指出：浅埋锚板在破坏时会形成在锚板发育并贯穿至土体表面的破坏面；深埋锚板在破坏时则表现为锚板附近土体的闭合式破坏模式，破坏面不会延伸至土体表面。当前，对锚板破坏机制的研究依然是水平锚固基础的热点问题。为此，本文结合模型试验对锚板形状、埋深、荷载条件等对锚板的抗拔性能进行研究，以期为工程设计提供参考和借鉴。

1 试验方案

1.1 模型试验设计

为开展砂土地基中的锚板承载性能试验，考虑边界效应，本次试验在尺寸为2.0 m(L)×2.0 m(B)×2.55 m(H)的模型箱内开展，如图1所示。竖向拉拔力通过由三脚架、钢绞线以及定滑轮组成加载系统施加，加载方式为慢速持荷法。

(1)分级加载：根据预试验得到的极限抗拔承载力情况确定每级荷载大小。

(2)位移观测：每级荷载加载完毕后，每5 min、15 min、30 min、60 min通过位移传感器记录锚板的上拔位移量。此后，每隔30 min记录一次数据，待本级荷载变形稳定后施加下一级荷载。

(3)试验终止条件：锚板的上拔位移量为上级荷载的5倍或上拔位移量超过5 mm；在荷载—位移关系曲线出现骤降的拐点处；锚板周围土体破坏导致锚板从土体中拔出。

图1 模型试验系统[12]

1.2 试验材料

1.2.1 锚定系统

本次模型试验的锚定系统由锚板、钢丝杆、不锈钢螺母、不锈钢吊环螺母组成，如图2所示。锚板均由304不锈钢板材激光切割而成，厚8 mm，通过预埋的方式安装。锚板材料的选择保证了锚板在试验过程中不会出现变形。锚板埋置深度可以通过调节锚板在钢丝杆上的位置实现。

图2 锚板实物[12]

1.2.2 试验砂制备

为保证试验过程中土体材料的稳定性，同时方便对试验结果的分析，本次试验采用筛分后的干砂，其颗粒级配曲线如图3所示，物理力学参数如表1所示。

图3 砂土颗粒级配曲线[12]

表1 砂土物理力学性质指标

1.3 试验方案

为了研究锚板的形状、锚板埋深及锚板倾角等因素对锚板抗拔承载特性的影响，试验中分别选取了如图4所示的3种类型的锚板，进行6种不同埋置深度(埋置深度：10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm)的模型试验。为了研究锚板倾角对抗拔承载特性的影响，对圆形锚板和正方形锚板设置了5组倾角(锚板与竖直方向夹角θ分别为0°、30°、45°、60°、90°)，如图5所示。

图4 3种类型锚板

图5 试验布置及其示意

2 锚板抗拔性能分析

2.1 锚板埋深对抗拔承载特性的影响

为方便分析锚板埋置深度对抗拔承载力的影响，引入无量纲因子——锚板埋深率，其定义为：锚板埋深H与锚板直径D或者锚板宽度B之间的比值。

图6给出了圆形锚板在不同埋深率下的荷载—位移关系曲线。根据荷载—位移曲线的特征，可以将砂土中锚板在竖向拉拔荷载作用下的变形划分为3个阶段：

第1阶段为线性变化段，在施加荷载初期，上拔位移随着竖向荷载的增加线性增加，锚固体系逐渐发挥其抗拔能力，位移增长速率比较慢。

第2阶段为过渡阶段，锚板边缘区域土体发生局部剪切，砂土出现颗粒位移错动并不断调整颗粒间位置，这一阶段变形速率增大，深埋锚板基础存在比较明显的过渡阶段，但浅埋基础则没有明显的过渡段。

第3阶段为急剧变化段，随着荷载继续增加，土体的位移量急剧增加，微小的荷载增量会引起较大的上拔变形，土体发生整体剪切变形，伴随着砂土表面的隆起，土体中的破裂面从锚板边缘延伸至表面。

图6 圆形锚板荷载—位移曲线[12]

对于浅埋锚板(如埋深率H/D=1时)，其荷载—位移曲线呈渐进式破坏规律，不存在明显的过渡阶段。其原因是锚板埋深浅，上覆砂土重量小，砂土在低应力条件下未能有效发挥其摩擦强度和咬合强度，这一特征与文献[11]的结论相吻合。

图7 极限荷载—位移曲线[12]

随着锚板埋深率的增加，砂土颗粒有更大的位置调整空间，颗粒在翻滚、错位、调整后可以形成新的稳定结构以抵抗外部荷载，其极限抗拔承载力及相应的上拔位移逐渐增大，锚固体系的破坏模式由脆性破坏逐渐过渡为延性破坏，这一特征在荷载—位移曲线上表现为过渡阶段的存在，如图7所示。其原因是深埋较之浅埋条件。

2.2 锚板倾角对抗拔性能的影响

在斜拉桥、悬索桥的锚固基础设计时，拉拔荷载可以分解为竖向、水平向2个分力。为研究锚板在倾斜上拔荷载作用下的承载性能，模型试验中调整了锚板的安装的角度，如图5所示。表2列出了圆形锚板在6组埋深、5组倾角下的承载力试验结果。

表2 室内试验圆锚不同倾角下极限抗拔承载力 单位：N

结合试验数据，图8给出了锚板抗拔承载力与倾斜角度、埋深率的关系曲线。整体看来，随着倾斜角度的增大，锚板的抗拔承载力呈现降低的趋势，但这一规律随着埋深的增大有所减弱。竖直锚板较之水平锚板的承载力高，其原因是水平锚板在锚固体系范围内土体的压力水平由锚板向上呈线性降低的规律，而竖直锚板在锚固体系范围内的土压力较为稳定，且处于高应力水平。

图8 极限荷载—锚板倾角关系曲线[12]

2.3 锚定板形状对抗拔性能的影响

为对比分析锚板形状对对抗拔承载力的影响，图9给出了方形锚板在6组埋深率下的荷载—位移关系曲线，其整体规律与图6中的圆形锚板较为相似。

图9 方形锚板荷载—位移曲线[12]

试验中，圆形锚板的直径和方形锚板的边长相等，但其面积是方形锚板的1.57倍，因此圆形锚板的承载整体高于方形锚板。实验结果显示，在埋深相同的条件下，圆形锚板的极限抗拔承载力较之方形锚板分别提高了33.3%、20%、25%、27.3%、23.3%、26.3%。可见锚板形状对于抗拔承载力的影响随着埋深增加逐步降低(表3)。

表3 圆形锚板与方形锚板的极限抗拔承载力对比

为分析不同锚板的抗拔承载特征，图10给出了3种锚板在埋深30 cm和60 cm时的荷载—位移关系曲线。分析可知，在相同埋深条件下，随着锚板的面积的增大，其抗拔能力越高。这是由于更大面积的锚板可以调动更大范围体积的土体形成锚固体系以发挥土体的强度。例如，试验中矩形锚板的面积是方形锚板的2倍，但是矩形锚板的极限抗拔承载力是方形锚板极限抗拔承载力的2倍多。

此外，不同锚板的荷载—位移关系曲线其斜率也表现出较大差异。矩形锚板的荷载—位移曲线斜率最大，方形锚板的荷载—位移曲线斜率最小，这说明锚板形状、面积对锚板的破坏模式存在影响，且在锚板达到极限荷载之后这一影响更为显著。

图10 不同形状锚板荷载—位移曲线[12]

3 结论

本文开展了砂土中的锚板抗拔承载特性的室内模型试验，分析了锚板埋深、形状及倾角等因素对其承载特性和极限抗拔承载力的影响，主要结论：

(1)锚板在上拔荷载作用下，其荷载—变形曲线分为3个阶段：第1阶段为线性段，此时土体的变形速率很慢；第2阶段为过渡阶段，土体中出现局部屈服区，颗粒错动并形成新的稳定结构；第3阶段为急剧变化段，土体变形速率骤增，锚板周围土体发生整体剪切破坏，锚板失稳。

(2)锚板的埋深率对锚板抗拔承载力的影响显著，随着埋置深度的增加，锚板的极限抗拔承载力增加，锚板达到极限荷载时对应的上拔位移也随之增加。

(3)锚板形式对其承载性能和极限抗拔承载力有较明显的影响，矩形锚板的承载力表现出更高的抗拔能力。