岩溶地层长锚索穿越溶洞锚固力计算方法研究_肖国庆.pdf

第 20 卷 第 2 期2023 年 2 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 2February 2023岩溶地层长锚索穿越溶洞锚固力计算方法研究肖国庆，施成华，叶承敏，孙晓贺，宋银涛，郑可跃(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)摘要：目前桩锚围护结构是基坑工程常用的支护方式，在岩溶地层进行施工时常会遇到长锚索穿越溶洞的情况。溶洞填充物的力学性质与一般地层相差较大，长锚索锚固力会有一定程度降低，进而对地铁基坑的稳定性产生不利影响。以徐州地铁2号线淮塔东路站基坑工程为背景，针对岩溶地层长锚索穿越溶洞时锚固力的计算问题，通过对比分析岩溶地层与一般地层长锚索的受力特征，考虑锚索穿越溶洞时剪应力的折减，建立长锚索穿越溶洞锚固力的计算模型。进而基于剪切位移法原理，采用荷载传递法，推导得到相应的长锚索锚固力计算方法。该计算方法得到的理论值与实测值吻合较好，从而验证了计算方法的可靠性。分析溶洞直径、锚固始端距溶洞距离及溶洞填充物剪切模量对长锚索锚固力的影响规律。研究结果表明：当溶洞直径不变时，溶洞距锚固始端距离越远，锚索锚固力越大，当溶洞分布在距锚固始端较近的位置(4 m内)时，锚固力的值受溶洞的影响很大，在此之外的溶洞影响较小；当溶洞与锚固始端距离不变时，溶洞直径越大，锚索锚固力越小；当溶洞直径及溶洞与锚固始端距离均不变时，溶洞填充物剪切模量越大，锚索锚固力也越大。当溶洞填充物的剪切模量较小时，采用注浆方式填充溶洞可有效提高长锚索的锚固力。关键词：岩溶地层；荷载传递法；剪切位移法；锚固力中图分类号：TD353 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）02-0641-10Study on calculation method of anchorage force of long anchor cable crossing karst cave in Karst stratumXIAO Guoqing,SHI Chenghua,YE Chengmin,SUN Xiaohe,SONG Yintao,ZHENG Keyue(School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)Abstract:Pile-anchor retaining structure is a common supporting method in foundation pit engineering,and long anchor cables often pass through karst caves during construction in karst strata.The mechanical properties of the cave filling are much worse than those of the general layer,so the anchoring force of the long anchor cable will be reduced,which will adversely affect the stability of the subway foundation pit.The foundation pit project of Xuzhou Metro Line 2 Huaita East Road Station was taken as the engineering background,and the calculation problem of the anchorage force of long anchor cable crossing karst cave in karst layer was considered.This paper established a calculation model of the anchorage force of long anchor cable crossing karst cave by comparing the 收稿日期：2022-02-28基金项目：国家自然科学基金资助项目(52178402)通信作者：施成华(1973)，男，安徽黄山人，教授，博士，从事隧道与地下工程方面的教学与科研工作；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220352铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 2月stress characteristics of long anchor cable in karst layer and general layer and considering the reduction of shear stress in karst layer.Based on the principle of shear displacement method and load transfer method,the calculation method of anchorage force of long anchor cable was derived.The theoretical values obtained by this calculation method were in good agreement with the measured values,which verified the reliability of the calculation method.Finally,the influences of the diameter of the cave,the distance from the anchorage start,and the shear modulus of the cave filling on the anchorage force of the long anchor cable were analyzed.The results show that when the diameter of the cave is constant,the farther the cave is from the anchorage beginning of the anchorage,the greater the anchorage force is.When the cave is close to the beginning of the anchorage(within 4 m),the anchorage force is significantly influenced by the cave and the cave outside is less influenced.When the distance between the cave and the anchorage end is constant,the larger the cave is,the smaller the anchorage force is.When the diameter of the cave and the distance between the cave and the anchorage end remain unchanged,the long anchor cable gradually increases as the shear modules of the cave filling increases.When the shear modulus of the filler is not sufficient,filling the cavity with grout can effectively improve the anchoring force of the anchor cable.Key words:Karst stratum;load transfer method;shear displacement method;anchorage force 随着城市发展的需要，在岩溶分布较广地区建设地铁已不可避免。由于岩溶地层具有的复杂性，对地铁建设将产生很大的困难与挑战1。目前车站施工常采用明挖深基坑法，在基坑工程施工过程中存在一些难以预估的风险，如：地表沉降24、基坑塌陷58等。而这些风险归根结底还是与围护结构的稳定有关，当基坑围护结构采用桩锚结构时，锚索穿过溶洞时锚固力有一定程度的降低，影响基坑施工安全。现阶段关于锚索锚固力计算理论的研究，主要有2个方向。一是假设注浆体与围岩界面间剪应力沿锚固段全长均匀分布的平均剪应力理论。LITTLEJOHN等9假设黏结力沿锚固段全长均匀分布，提出了拉力型锚索锚固力设计公式。程良奎等10假定锚固体与周边岩土体界面的黏结强度为定值，提出了压力型锚索的设计方法。二是假设锚固力沿锚索轴线非均匀分布的非平均剪应力理论。PHILLIPS11认为拉力型锚索的锚固体剪应力沿锚固段呈指数分布，并由此得到了极限锚固力计算公式。LI等12提出了“锚固解耦段”的定义，认为部分解耦段与未解耦段面积组合的最大值即为注浆锚杆的极限锚固力。KIM13为得到锚固体与岩体分界面的荷载传递规律，采用t-z曲线法，取得了较好的研究效果。刘小斌等14通过对不同长度拉力型锚杆进行循环加载极限试验，发现锚固体轴向应力先升后降，黏结应力具单峰性，以及拉力型锚杆的锚固长度与极限抗拔承载力成正比。LIU等15为研究锚杆荷载传递规律及不同锚固条件下的有效性，考虑节理张开位移，将弹性地基梁模型和锚杆拉拔模型相结合，推导出单个节理面沿锚杆应力分布的解析解。HYETT 等16基于剪应力与剪切位移的线性关系，分析了裂隙围岩下锚杆的轴力分布规律，适用于实际的裂隙围岩条件。周炳生等17基于锚固体界面剪切位移分布曲线的统一形式，推导了无限长锚体界面的位移、轴力以及剪切应力的计算公式。CHEN等18分析了锚杆的系数、弹性模量和直径对锚杆荷载传递性能的影响，认为锚杆的轴向载荷从锚固端向自由端衰减，与拉拔荷载无关。刘超等19考虑压力型锚杆灌浆体受压产生径向膨胀的影响，推导了锚杆极限抗拔承载力与临界锚固长度的计算公式。综上所述，关于一般地层锚索锚固力的计算，国内外学者已进行了较为深入的研究，然而针对岩溶地层长锚索穿越溶洞时锚固力的计算，目前尚未有明确的计算方法，同时锚索锚固力受溶洞的影响因素也缺乏系统的认识。本文依托徐州地铁2号线淮塔东路站基坑支护工程，采用荷载传递法，基于剪切位移法非平均剪应力理论，推导锚索穿过溶洞的锚固力理论计算公式，同时642第 2 期肖国庆，等：岩溶地层长锚索穿越溶洞锚固力计算方法研究对锚固力的影响因素进行系统的分析，研究结果可为工程实际提供理论指导。1 长锚索穿越溶洞锚固作用机理1.1一般地层锚索锚固作用机理锚固单元体，主要由锚固剂、锚杆(索)、锚固剂-围岩界面、锚固剂-杆体界面、围岩组合而成，简称“三体两面”结构20。如图1所示，锚索由锚头、自由段和锚固段3部分组成。将锚固剂与锚索之间接触面称为第一界面，围岩与锚固剂接触面简称为第二界面。当长锚索发挥支护作用时，锚固单元体的应力状态如图2所示，其受到的径向和轴向应力分别以v和r表示。基于局部共同变形假设，把围岩体对锚索的剪切力简化为一系列独立作用的切向弹簧，同时锚固体微段上的应力与锚固体和围岩之间的相对位移是线性关系。对一般地层，锚索没有穿越溶洞，剪应力应处处连续，根据该假定的锚索锚固段力学计算简图如图3所示。1.2考虑岩溶锚索锚固作用机理以全填充型溶洞为例，当锚索锚固段部分穿过溶洞时，此时锚索锚固力有一定程度的降低，计算简图应按图4所