重塑碎石土地基螺旋锚抗拔模型试验及承载机理分析

试验及承载机理分析

(1.国网青海省电力公司,西宁　810008;2.中国电力科学研究院有限公司,北京　100055;

薛　峰1　丁士君2,3　李海梅1　秦之武4　张海成4　童海林4　何增鑫4

3.北京工业大学建筑工程学院,北京　100124;4.国网海北供电公司,青海海晏　810029)

　　摘　要:为研究螺旋锚基础的适用性,促进其在碎石土地基中的应用,在室内开展了重塑碎石土地基螺旋锚整模和半模轴向上拔静载荷试验。基于上拔荷载-位移关系曲线、碎石土体纵断面裂缝分布及形态等试验结果,分析碎石土中螺旋锚抗拔承载特性,以及锚盘对其承载性能的影响,研究螺旋锚抗拔承载机理。结果表明:浅埋于碎石土中的锚盘往往发生整体剪切破坏并且承载力具有弱化现象,而深埋锚盘主要发生上部土体局部剪切破坏进而变形逐渐增大;螺旋锚承载过程初期,锚盘上部碎石土被挤密,荷载与位移呈近似线性关系,随着荷载的增大,锚盘上部土体被压缩、剪切,导致变形不断增大,最终导致承载失效;锚盘数量越多、埋深越大,螺旋锚抗拔承载力越大、变形越小,增加埋深对承载力影响在小位移时即可充分发挥作用。因此,碎石土中螺旋锚属于一种深基础,锚盘与土体的相互作用是影响其承载力的主要因素。　　关键词:碎石土;螺旋锚;抗拔性能;模型试验

　　DOI:10.13204/j.gyjzG20112804

MODELTESTSOFPULL-OUTRESISTANCEFORHELICALANCHORSANDBEARING

CHARACTERISTICANALYSISINREMOLDEDGRAVELFOUNDATION

Beijing100055,China;3.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,

(1.StateGridQinghaiElectricPowerCorporation,Xining810008,China;2.ChinaElectricPowerResearchInstitute,

XUEFeng1　DINGShijun2,3　LIHaimei1　QINZhiwu4　ZHANGHaicheng4　TONGHailin4　HEZengxin4

Abstract:Inordertoexploretheapplicabilityofhelicalanchorfoundationandpromoteitsapplicationingravel

China;4.StateGridHaibeiElectricPowerSupplyCompany,Haiyan810029,China)

strata,theaxialpull-outtestsforcomplete-modelandhalf-modelhelicalanchorsinremoldedgravelgroundwere

conductedinthelaboratory.Basedonthetestresults,thedistributionandshapeoflongitudinalcracksinthegravel,thebearingcharacteristicsofpull-outresistanceforhelicalanchorsingravelandtheeffectsofanchorplatesonbearingcapacitywereanalyzed.Thebearingmechanismsofpull-outresistanceforhelicalanchorswerestudied.The

resultsshowedthatthegeneralshearfailureandbearingcapacityweakeningoftenoccuredtoanchorplatesshallowly

emkeddedingravelstrata,localshearfailureusuallyoccuredintheuppersoilstratumaboveanchorplatesdeeply

embededingravelstrata,whichresultedinthedeformationtoincreasecontinuously.Gravelstrataaboveanchor

platesattheinitialstageofloading,andtherelationsbetweenloadsanddisplacementwereapproximatelylinear;withtheincreaseofloading,soilsabovetheanchorplateswerecompressedandsheared,whichledtoexcessivedeformationandbearingfailure.Themoretheanchorplates,thedeepertheembedment,thelargerthebearing

capacityofpull-outresistanceandthesmallerthedeformationofthehelicalanchor.Increasingembedmentcouldplay

afullroleinbearingcapacityofpull-outresistanceatthestageofsmalldisplacement.Therefore,thehelicalanchors

ingravelwereakindofdeepfoundations,andtheinteractionbetweenanchorplatesandsoilwasthemainfactor

influcencingbearingcapacity.

Keywords:gravel;helicalanchor;propertyofpull-outresistance;modeltest

　　螺旋锚(又称螺旋锚桩)形同“螺丝钉”,主要由锚杆、锚盘(或称锚叶、锚片)等构成,通过在锚杆顶部施加扭矩将其旋拧进入较深的土体中,主要利用锚盘在深层土体中的锚固作用抵抗外荷载;施工时不必开挖基坑,对土体的扰动小,能充150　　IndustrialConstructionVol.51,No.6,2021

分发挥原状土体固有强度,承载性能优良。输电

第一作者:薛峰,男,1975年出生,高级工程师。dingsj@epri.sgcc.com.cn。收稿日期:2020-11-28

通信作者:丁士君,男,1978年出生,博士研究生,正高级工程师,

工业建筑　2021年第51卷第6期

线路工程特点决定了铁塔基础需承受拉或压的竖向荷载和较大的水平荷载,而螺旋锚基础可视为一种深基础,具有较强的轴向承载能力及一定的横向承载能力[1-3]。

近年来为推进螺旋锚基础的应用,国内外学者

1　室内模型试验

1.1　地基与基础模型

模型试验可为承载性能及机理研究提供基础数据。综合考虑试验目的及室内试验条件等因素,对基础设定相似比例尺,并根据工程常用螺旋锚规格来设计试验螺旋锚构件。

1)目前国内外输电线路工程应用的螺旋锚锚

及工程技术人员在承载力计算方法、性能试验、安装扭矩等方面开展了相关研究。Clemence等提出了螺旋锚抗拔力计算式,研究了交变载荷作用下的承的力学性能进行了试验研究[5]。Ghaly等利用计算的影响、安装扭矩、群锚等问题进行了试验研究

[6]

载力计算方法[4]。Rao等对螺旋锚在黏土及淤泥中机分析手段研究了螺旋锚抗拔力,并对斜锚、地下水Johnston等进行了冻土地基螺旋锚抗拔承载性能原位试验,提出了基于二次蠕变率和容许位移的螺旋锚承载力设计取值方法[7]。胡伟等通过单叶片全尺寸螺旋锚桩竖向拉拔试验,分析了安装扭矩和极限承载力与埋深比间关系[8]。郝冬雪等通过砂土室内螺旋锚模型试验,研究同一螺旋锚在增加锚片数量后上拔承载力的提高情况,研究[9]表明:当锚2.0D(D为锚片直径)后,再增加锚片,螺旋锚承载试验,提出了不同组合形式下螺旋锚群锚效应及承载力计算方法[10]。

此外针对螺旋锚结构类似的支盘桩等的研究成片间距在中密砂中约小于1.5D、密砂中约小于力也不再增大。张昕等结合非接触式数字图像模型

。

500mm、比例尺取1∶2,螺旋锚模型试验件锚盘直径

盘直径主要在400~600mm,按照锚盘直径D均取为250mm、锚杆外径d取为70mm;锚盘螺

距s取为50mm。

种规格,即2D、3D、4D、5D。锚盘埋置深度。

2)锚盘间距有500,750,1000,1250mm共4

3)构件锚盘数量有1、2、3个,同时考虑不同的4)为观测地基破裂面,分析地基基础相互作用5)螺旋锚采用全钢制结构形式,与目前工程常按上述条件进行螺旋锚结构件模型设计,试验

机理以及螺旋锚承载变形特性,试验模型分为全模、半模两种形式。

用螺旋锚构件材质一致。

模型件规格尺寸见图1,共10个模型,包括5个半模、5个全模。

表1　试验件规格尺寸

Table1　Specificationsanddimensionsofspecimens

果为螺旋锚研究提供了参考。刘益等对新型伞状抗拔锚的模型试验表明:伞状抗拔锚主要依靠锚头兜住的土体质量以及兜住土体与未兜住土体之间的抗剪强度来提供抗拔力,提出了极限承载力特征值估算方法[11]。针对DX桩的抗拔阻力,李广信等提出和检验了几种抗拔端阻力的分析计算方法,研究表明DX桩承力盘拉拔的破坏形式及端阻力与桩周土的性质以及承力盘的尺寸、埋深等因素有关[12];田伟等的模型试验研究表明,黏性土土层含水率对混凝土扩盘桩抗拔性能的影响较大,承载力随含水率的增大而降低

[13]

试件编号BM-2-2BM-2-5BM-3-3QM-2-2QM-3-2QM-3-2/4QM-1-0QM-2-4BM-1-0BM-3-2

结构形式半模半模半模半模半模全模全模全模全模全模

1250

5005007505000

锚盘间距/mml1l2

00500750001000

壁厚/mm锚盘8888888888

锚杆6666688888

00

1000500500

500

0

目前国内外螺旋锚基础主要应用在软土、黏性土等地基,而在碎石土中的相关研究和应用经验较少。碎石土广泛分布在青海、西藏、内蒙等地的草原地区,此类地区碎石土往往新近沉积、较松散,符合地基室内螺旋锚模型试验结果,分析地基裂缝形成和发展过程以及破坏形态,研究碎石土中螺旋锚的承载机理,为推动碎石土地基螺旋锚基础的应用提供支持。

。

　　试件编号中第1个数字表示锚盘数;第2个数字表示锚盘间距

与锚盘直径的比值。

螺旋锚基础应用条件[14]。本研究基于碎石土重塑

a—半模结构件;b—全模结构件。

图1　试验构件模型

Fig.1　Modelsofspecimens

重塑碎石土地基螺旋锚抗拔模型试验及承载机理分析———薛　峰,等

151　

　　试验用重塑地基采用碎石土,由华北黏土与粒径不大于30mm的碎石拌制而成,经颗粒分析,粒

径大于2mm的颗粒含量超过全重的50%,其土质

2.0kN,每级荷载维持时间一般不少于10min;具体

持荷载法分级加载,每级荷载增量一般取0.5~

分级视现场情况及分析需要进行,试验最大加载至破坏或试验设备极限加载能力。

根据螺旋锚及输电杆塔对基础荷载作用的特点,模型试验达到以下条件之一时终止试验:

1)发生基础被拔出、地面开裂等现象时,且荷

类型为角砾状碎石土。采用动力触探试验对重塑碎石土的密实度进行评价,经测试修正后各试验批次动力触探锤击数平均值N63.5为5.1~5.8,因此可判定土层密实度为稍密。

每批次地基碎石土安装3~4个试验模型,共3批次,11个轴心抗拔载荷试验,试验编号、批次、数量以及试验基础埋置等情况见表2。

载无法维持,不断补载;2)基础顶部轴向位移至少达到50mm,条件允许时加载至100mm;3)达到试验设备最大加载能力。表2　试验基本信息

Table2　Basicinformationsoftests

批次1模型类型1BM1编号QM1-2-2半模埋置情况/m锚杆倾角/(°)1全模1.5002QM1-全模1.5002BM2-21-2半模1.5002BM2-2--052QM2-半模1.85103QM2-12--0全模1.8510全模1.85103BM3-半模1.85103BM3-1-40QM3-33--23半模2.0025全模2.0025　　编号3QM3--33--22/4全模2.2.00002525

命名规则与试件命名规则一致BM1中数字表示试验批次;,1埋置深度是指底端锚盘的竖直表示第1批次试验,其他编号

埋深。

1.2　模型施工方法

整个试验在长3.6结构模型槽内进行,考虑模型之间及模型槽边缘影m×宽2.0m×深2.1m的钢

响等因素,全模螺旋锚每个试件距离相邻模型及槽边缘距离不小于1.0模型槽内碎石土地基采用分层回填的方式m。

,每

层回填厚度不超过150实度,合格后再回填下一层mm,。

每层填完后取样检测压为尽可能模仿螺旋锚旋拧施工过程,减少旋拧过程中对地基的扰动,所有试验件埋置均待模型槽内下部碎石土地基填制完成后,进行试验模型旋拧安装。1)具体流程分为半模和全模半模螺旋锚安装时,待试验槽内重塑土全部,包括:

回填完成后,将试验槽内侧边框拆卸,试验模型从侧面土体预定位置按压进入碎石土体2)全模螺旋锚安装时,采用试验模型下部埋深

。

1.工具将全模螺旋锚旋拧进入预定深度0m范围内土体回填完成后,通过人工借助旋拧0.8m),随后再分层回填、适当夯实浅部土层(底盘埋深约

1.3　加载方法

。

试验采用维持荷载法。由于试验重点在于为承载机理等理论研究提供基础数据支撑,试验采用维　

最后,对各试验加载控制试验过程中具体情况

进行细节调整和优化。2　试验结果

2.1　半模试验

由碎石土地基螺旋锚半模轴向上拔载荷试验得

到的荷载-位移关系曲线见图2。

—●—BM1a—半模试验情况,mm;b—荷载-位移曲线—-▼2—BM3-2;—-■3—BM2-2;—-◆2—BM3-5;—-▲3—BM2-3。

-。1-0;

Fig.2　Thestatic图2　loading半模荷载试验

testsofthehalf-model

从图2可见:BM2-2-5与BM2-1-0试件地基、底盘埋深、倾角等均相同,两者比较可知,锚盘越多,承载力越大BM3;BM1-2-2与BM2-2-5试件移关系曲线轨迹相近有交叉-3-3试件比较,试件的锚盘数相同、BM3-3-2与,但试件加载后期,且荷载,上部-位锚盘埋深越浅,承载力越小、变形越大。

40参照实际工程中深基础竖向极限位移一般取

进行分析~60mm,,其中以轴向上拔位移,BM1-2-2与50BM2mm-对应的承载力2-5试件的锚

盘平均埋深相近,倾斜角度不同,BM2-2-5试件承

工业建筑　2021年第51卷第6期

152载力稍大,表明锚盘(含数量、埋深)对承载性能的影响显著大于倾角。2.2　地基裂缝形态

由于螺旋锚近似轴对称,半模地基纵断面裂缝可反映全部地基承载特性。半模试件锚盘的竖直埋深情况见表3。

在半模试验加载过程中,碎石土地基纵断面裂缝、典型锚盘上部地基裂缝及变形情况见图3。

从裂缝形态看,锚盘上部局部土体中均产生沿锚盘边缘、轴向向上延伸的圆柱状裂缝,同时锚盘浅埋

表3　半模试件锚盘位置

Table3　Embedmentofhelicalplatesinhalf-modeltests

编号BM1-2-2BM2-2-5BM2-1-0BM3-3-2BM3-3-3

自下而上锚盘埋深/m

底盘(第1盘)

1.501.851.852.002.00

第2盘1.000.621.551.32—

第3盘——1.090.64—

表现为整体剪切破坏形式(图3a和图3b);锚盘深埋时(不小于1.0m),并未观测到延伸至地表或其

时(小于0.64m),上拔位移较大时裂缝延伸至地表,　　

上一个锚盘位置,主要是局部压缩和剪切破坏(图3c)。

a—0.62m(BM2-2-5试件);b—0.64m(BM3-3-3试件);c—不小于1.0m(其他试件)。

图3　半模试验地基纵断面裂缝形态和分布

Fig.3　Formsanddistributionsofcracksinthelongitudinalsectionoffoundationinhalf-modeltests

2.3　全模试验

由碎石土地基螺旋锚全模轴向上拔荷载试验得到的荷载-位移关系曲线见图4。

盘数量(1个)相同,两者比较表明,锚盘埋深越深则承载力越大。QM3-3-2与QM3-3-2/4试件锚盘数量(3个)、地基批次相同,下部2个盘埋深一致而最上部锚盘埋深越浅则承载力越小。QM1-2-2与

QM1-1-0试件、QM2-2-4与QM2-1-0试件比较,虽然底部锚盘埋深相同,但锚盘数量越多,承载力越大。QM1-2-2与QM2-2-4试件锚盘数量相同(2个),两者锚盘平均竖直埋深相同(约1.25m),加载

50mm对应的承载力近似相等,表明螺旋锚倾斜角

初期两者轨迹几乎相同重叠,但加载后期,相同上拔荷载时QM2-2-4变形略小;两者轴向上拔位移度对其抗拔承载力影响较小。

3　承载机理分析

现有研究认为螺旋锚轴向抗拔承载力主要由各锚盘抗拔承载力、锚杆侧壁摩阻力、锚件质量构成,本研究从锚盘对试件承载性能的影响,以及地基与

a—全模试验情况,mm;b—荷载-位移曲线。—●—BM1-2-2;—■—BM1-1-0;—▲—BM2-2-4;—▼—BM2-1-0;—◆—BM3-3-2。—◀—BM3-3-2/4。

图4　全模荷载试验

Fig.4　Thestaticloadingtestsofthefullmodel

试件相互作用机理等方面进行承载机理分析。3.1　锚盘对承载性能的影响

为分析螺旋锚试件锚盘承载性能,不考虑螺旋锚试件的变形,对试验结果进行处理分析,引入锚顶作用荷载之差(或锚盘分担承载力)指标。

轴向上拔荷载与位移关系(T-s)曲线由点(Ti,si)

153　

从图4中可见:QM1-1-0与QM2-1-0试件锚

重塑碎石土地基螺旋锚抗拔模型试验及承载机理分析———薛　峰,等

绘制而成,根据曲线A和B数据计算点(ΔTi,si)并绘制成锚盘分担承载力-位移关系曲线,其中,ΔTi为位移si状态时螺旋锚试件轴向承载力之差,即:

ΔTi=TAi-TBi

(1)

式中:TAi、TBi分别为对比组中两个试件A、B的上拔荷载-位移关系曲线在产生si位移时对应的螺旋锚顶部轴向上拔荷载。

根据试验结果,对QM1-2-2试件与QM1-1-0试件、QM2-2-4试件与QM2-1-0试件进行比较,由于这两组螺旋锚试件底部锚盘、埋深、锚杆、倾角等参数相同,在相同位移时上拔荷载的差值可以认图6　不同埋深锚盘所分担的荷载之差与位移的关系Fig.6　Relationsbetweendifferencesofloadssharedbyanchorplates

—○—埋深1.85m与1.50m锚盘承载力之差。

为是顶部锚盘所发挥的承载力值。根据QM1-2-2

试件与1(1.-0QM1-1-0试件、QM2-2-4试件与QM2-见图0,0.试件的荷载5。

86m埋深-位移关系曲线绘制不同埋深锚盘)所发挥的承载力-位移关系曲线

—□图5　—第锚盘所发挥的承载力1批(QM1);—○—第-位移关系曲线2批(QM2)。

Fig.5　Relationsbetweenbearinganchorplatesanddisplacement

capacityby

从图5可以看出,小位移时(小于4~6所发挥的承载力与位移近似呈线性关系;随着位移的mm)锚盘

增大,承载力渐呈非线性增大,位移较大时则锚盘所发挥的承载力增加不明显;大位移时(约80力变化不大,甚至略有降低,而且表现出锚盘埋深越mm)承载

1.浅00,承m载锚盘的最大承载力比值为力占比降低越明显。图5中埋深0.86,之比0.86接近,表明埋深对锚盘抗拔承载能力的影0.79,与锚盘埋深

响明显。

图6为QM2-1-0试件与QM1-1-0试件顶部作用荷载之差与位移间的关系,其中荷载差值可认为代表了在相同位移状态下埋深1.85,1.50承载力之差。

m锚盘

从图6可以看出,:在加载初期,承载力之差增长迅速,在小位移时即接近两者之差最大值,该小位

移量约为51.51kN左右波动mm;随后位移继续增大而承载力之差在位移约为95,承载力之差达到最大值时,上拔

增加而增大,且增加埋深对承载力影响在小位移时mm。可以看出:承载力随着锚盘埋深

withdifferentdepthanddisplacement

即充分发挥作用,也就是说从安全承载的角度来说,3.增加埋深是提高螺旋锚抗拔承载性能的重要手段2　承载机理

。从图2、4中试验荷载-位移关系曲线可见:所有试验加载-变形过程介于陡降型与缓变型之间,由于BM3-3-3、QM3-3-2/4顶锚埋深为0.64在试验加载后期存在随着位移增大承载力弱化的现m,

象,其他试验全程无承载力弱化的现象,而承载力弱化现象主要存在于开挖回填式基础(又称“扩展基础”)、掏挖扩底基础等浅埋型基础抗拔试验

中[15-16]等深基础的抗拔承载特性,因此,螺旋锚的抗拔承载特性更趋近于桩。从裂纹发展过程看:试

件顶部发生轴向80~100处土层的破坏具有局部剪切破坏特征mm的大变形时。,结合图深埋锚盘5、图6分析可知,深埋(埋深大于1.0承载力弱化、地基整体剪切等现象。m)因此锚盘未发生

,从承载特性看,螺旋锚更适合视作一种深基础。

综合分析,螺旋锚抗拔承载过程及地基与基础构件表现特征如下上部碎石土体相互作用1)试件受轴向上拔荷载作用:

,碎石土体弹性压密,开始阶段锚盘与

,锚盘下部碎石土体与锚盘逐渐脱开,此时螺旋锚轴向位移较小,试验荷载2)随着加载量逐步增大-位移关系曲线初始段表现为近似线性,锚盘上部碎石土体进

。一步压密,同时靠近锚盘的上部碎石土体发生圆柱形剪切破坏,局部地基土塑性区局部扩展,试验荷载-位移呈现出非线性关系,每级荷载作用下变形速率逐渐增大体压密范围扩大3)随着试验荷载进一步增大。

,裂缝持续扩展延伸,锚盘上部碎石土,浅埋锚盘裂缝延伸至地表,发生整体剪切破坏,而深埋锚盘因裂缝延伸范围不明显,但上部碎石土体压缩量大,螺旋锚顶部因轴向位移过大而承载失效。

工业建筑　2021年第51卷第6期

1544　结束语

基于碎石土重塑地基螺旋锚模型(全模、半模)试验结果,通过对螺旋锚与地基相互作用机理、抗拔承载特性及其影响因素等的分析,得到以下结论:

1)螺旋锚轴向上拔荷载-位移关系曲线(加载与变形过程)介于陡降型与缓变型之间。螺旋锚中浅埋的锚盘处土体发生整体剪切破坏而出现承载力弱化现象,而深埋锚盘处土体往往发生锚盘上部碎石土体局部剪切破坏,并因土体压缩及剪切而产生大变形。

2)螺旋锚抗拔承载主要是锚盘与碎石土地基

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相互作用共同分载的过程,加载初期锚盘上部碎石土弹性压密产生小位移;随着上拔荷载增大,锚盘上部碎石土体被压缩并剪切形成局部剪切裂缝;随后碎石土体压缩范围扩大,裂缝持续扩展延伸,导致变形过大而承载失效;螺旋锚的安装倾斜角度对承载力的影响较小。

3)合理设置的锚盘数量越多、埋深越大,螺旋

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锚抗拔承载力越大,变形越小,其中,增加埋深对承载力增强影响在小位移时即可充分发挥作用。为提高螺旋锚抗拔承载能力,可优先考虑增加埋深。

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