地面荷載下端錨型邊坡錨桿受力狀態(tài)演變研究

郝建斌，汪班橋，門玉明

（長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安710054）

在各種新型的支擋結(jié)構(gòu)中，錨桿（索）以其受力可靠，施工靈活，對巖土體擾動小，作業(yè)安全和見效快等突出優(yōu)點受到了工程界的青睞，在高等級公路邊坡和隧道的不良地質(zhì)加固中發(fā)揮了重要作用.與此同時，許多學(xué)者對錨桿的受力特性、錨固機理及破壞特征的研究也在一直進(jìn)行著.其中，對土層錨桿的研究［1-4］也不乏其數(shù)，研究相對較多的是錨桿施工過程中或錨桿試驗過程中的應(yīng)力傳遞特征.

范秋燕等［5］通過大型室內(nèi)模型試驗，研究了土質(zhì)基坑在開挖和預(yù)應(yīng)力錨桿施工過程中土中應(yīng)力、錨固段應(yīng)力及基坑壁側(cè)向位移的變化規(guī)律.任非凡等［6］通過數(shù)值模擬探討了多界面復(fù)合錨桿荷載傳遞機制.Desai等［7］對土錨系統(tǒng)的相互作用機理進(jìn)行了研究.許宏發(fā)等［8］通過土層灌漿錨桿的拉拔蠕變試驗，建立了錨桿抗拔的流變力學(xué)模型，并由此得到了長期抗拔力隨時間的變化規(guī)律，求導(dǎo)出錨桿拉拔的長期抗拔力.景峰等［9］根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力變化過程的特點，將其分為速損階段、緩損階段和穩(wěn)定階段.

錨桿的受力與土體的變形特征有著直接關(guān)系.馬萍［10］認(rèn)為，由于松散特性是土本身所具有的一種特性，如對其施加荷載作用，那么它的變形將隨時間而發(fā)展，即發(fā)生蠕變變形.由此看來，在土體中受力的錨桿，其受力也將在荷載的作用下隨時間發(fā)生變化，這一點是不言而喻的.此外，文獻(xiàn)［11-14］的研究也證明了這一點.對于預(yù)應(yīng)力錨桿，地層的壓縮徐變［15］、受荷土層蠕變［16］是造成錨桿預(yù)應(yīng)力隨時間衰減的主要原因.對于非預(yù)應(yīng)力錨桿，土層的蠕變同樣對錨桿的受力有很大的影響.

而造成土層蠕變的重要因素之一即外荷載.如在公路運營期間，邊坡處于不同的地面荷載作用下，此時錨桿的受力與施工過程以及張拉過程中的受力有很大區(qū)別.因此，外荷載造成的土體蠕變是不可忽視的.以上的研究均沒有考慮外荷載（如地面荷載、車輛荷載）的作用.由于對其受力機理不明了，將不能給設(shè)計與施工提供合理的依據(jù)，因此，了解公路邊坡土層錨桿受力機理對目前錨桿設(shè)計水平和減少工程事故及降低工程造價具有指導(dǎo)意義.課題組在文獻(xiàn)［17］中對全長黏結(jié)型土層錨桿的受力特性進(jìn)行了詳細(xì)的探討，本文將通過模型試驗，對不同等級地面荷載作用下端錨型土層錨桿的受力特性進(jìn)行研究.

1 模型試驗概況

試驗介質(zhì)采用現(xiàn)場采集的原狀粉質(zhì)黏土，在模型箱內(nèi)夯實而成.模型箱由高密板構(gòu)成，四周用角鋼固定，尺寸為：2.0m（寬）×1.7m（深）×1.3m（高）.錨桿采用外徑8mm的鋁管模擬，由上至下長度分別為82.77cm，106.13cm，87.79cm.錨桿間距（Sx=Sy）為0.3m，各層錨桿長度（錨固段、自由段）分別為：第1層（51.35cm，31.42cm）、第2層（50.61 cm，55.52cm）、第3層（32.58cm，55.21cm）.在錨桿的同一軸線上粘貼應(yīng)變片，滑面兩側(cè)應(yīng)變片距滑面2cm，錨桿末端和前端應(yīng)變片間距為5cm，此外均以10cm間距布置.模型尺寸見圖1，模型制作過程及試驗條件同文獻(xiàn)［17］.

試驗中，在假定滑坡體坡頂放置一厚50mm墊板，通過反力架用千斤頂于墊板加載，使滑坡體頂部受均布荷載，如圖1b所示.首次千斤頂加荷0.5 MPa，之后每次加載幅值為0.5MPa.加載后每隔5min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，直到連續(xù)兩次采集的數(shù)據(jù)變化不大時，即認(rèn)為坡體變形基本穩(wěn)定，然后再加下一級荷載，直到坡體出現(xiàn)明顯破壞，試驗加載至7MPa.圖2為試驗現(xiàn)場圖.

圖1 模型簡圖Fig.1 Sketch of model

圖2 試驗現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.2 Photo of model test site

2 試驗結(jié)果分析

2.1 同級荷載下不同層錨桿的受力特征

圖3～9分別為坡頂千斤頂荷載為低荷載（1 MPa）、中級荷載（2，3MPa）、高荷載（4，5，6，7MPa）時，第2列錨桿的軸向應(yīng)變分布圖.

2.1.1 低荷載作用

從圖3a可以看出，千斤頂壓力為1MPa時，加載初期荷載主要由頂層錨桿和中間錨桿承擔(dān)，且自由段荷載水平大于錨固段的荷載水平，說明錨固段開始起作用，但由于受力比較小，錨固段沒有全部起作用.受力穩(wěn)定后，整體荷載水平基本不再發(fā)生變化，如圖3c所示.此時，中間錨桿承受荷載的比例也降低，底層荷載基本不受力.

整體來看，在1MPa荷載下，邊坡受到地面荷載時，坡內(nèi)應(yīng)力發(fā)生了變化，隨之錨桿的受力也發(fā)生了變化，但變化不是很大.

2.1.2 中級荷載作用

待受力基本穩(wěn)定后，千斤頂加載到2MPa.此時上層錨桿和中間錨桿的受力大小相差不大，但隨荷載作用時間增加，錨桿受力發(fā)生突變，頂層錨桿自由段的平均應(yīng)變值從878×10-6增大到1 345×10-6，中層錨桿自由段的平均應(yīng)變值從790×10-6增大到1 305×10-6，而底層錨桿的受力變化不大（圖4）.3MPa時也出現(xiàn)了同樣的情況（圖5）.

圖3 1MPa加載過程中同列錨桿軸向應(yīng)變分布曲線Fig.3 Distribution curves of axial strain of anchors on the same column under the load of 1MPa

圖4 2MPa加載過程中同列錨桿軸向應(yīng)變分布曲線Fig.4 Distribution curves of axial strain of anchors on the same column under the load of 2MPa

圖5 3MPa加載過程中同列錨桿軸向應(yīng)變分布曲線Fig.5 Distribution curves of axial strain of anchors on the same column under the load of 3MPa

圖6 4MPa加載過程中同列錨桿軸向應(yīng)變分布曲線Fig.6 Distribution curves of axial strain of anchors on the same column under the load of 4MPa

圖7 5MPa加載過程中同列錨桿軸向應(yīng)變分布曲線Fig.7 Distribution curves of axial strain of anchors on the same column under the load of 5MPa

圖8 6MPa加載過程中同列錨桿軸向應(yīng)變分布曲線Fig.8 Distribution curves of axial strain of anchors on the same column under the load of 6MPa

圖9 7MPa加載過程中同列錨桿軸向應(yīng)變分布曲線Fig.9 Distribution curves of axial strain of anchors on the same column under the load of 7MPa

可見，在該荷載水平下，邊坡土層處于逐漸壓實的狀態(tài)，上部土層已在初始荷載作用下變得相對密實，錨桿與土層界面的相互作用力較大；當(dāng)外荷載作用一段時間后，土層內(nèi)荷載不再發(fā)生變化時，各層錨桿受力穩(wěn)定，仍然是上層錨桿和中間錨桿受力最大，但與底層錨桿的受力相差已不再懸殊.

2.1.3 高荷載作用

當(dāng)千斤頂所加荷載為4MPa時，上層和中層錨桿的應(yīng)變值變化不大，底層錨桿的應(yīng)變值呈逐漸下降的趨勢，說明荷載已不再向下傳遞.

荷載在5～6MPa范圍內(nèi)，錨桿的受力均表現(xiàn)為“小—大—小”的變化規(guī)律，但整體受力水平出現(xiàn)下降的趨勢.如加荷5MPa時，中層錨桿自由段的平均應(yīng)變值變化為2 773×10-6→2 874×10-6→2 596×10-6；6MPa時，中層錨桿自由段的平均應(yīng)變值變化為1 800×10-6→1 973×10-6→1 872×10-6.

當(dāng)施加荷載為7MPa時，整體的荷載水平又出現(xiàn)增加的趨勢，說明錨桿受力又進(jìn)入了新的調(diào)整階段，這與試驗時所觀測到的現(xiàn)象一致.根據(jù)觀測，當(dāng)荷載加到7MPa時，坡體已經(jīng)表現(xiàn)出下滑的跡象，此時坡體的下滑力較大，因此錨桿受到的下滑力也發(fā)生了變化.

2.2 錨桿受力的時間效應(yīng)

試驗中發(fā)現(xiàn)，在施加荷載的過程中，同級荷載作用下錨桿的軸向應(yīng)變值均表現(xiàn)出“小—大—小”的變化規(guī)律，經(jīng)過一段時間后基本穩(wěn)定.但各級荷載下錨桿受力達(dá)到最大和穩(wěn)定的時間有些差異，具體見表1.

從表1可看出，在外部荷載從小到大的變化過程中，各級荷載下錨桿受力達(dá)到最大的時間和達(dá)到穩(wěn)定的時間均為先增加后減小.

表1 各級荷載下錨桿軸向應(yīng)變達(dá)到最大和穩(wěn)定的時間Tab.1 Time of axial strain of anchors reach stable or maximum value at each loading step

在外部荷載由小到大的變化過程中，錨桿的受力表現(xiàn)為“小—大—小—大”的變化過程，以頂層錨桿的第6測點、中間錨桿的第9測點和底層錨桿的第9測點（三點均位于自由段）為例，應(yīng)變值變化過程如圖10a所示.

圖10 各層錨桿軸向應(yīng)變與荷載及其作用時間的關(guān)系Fig.10 Axial strain histories of different row anchors with loading

從圖10a可見，與文獻(xiàn)［17］中描述的全長黏結(jié)型錨桿的受力特性（圖10b）是類似的：在相同地面荷載作用下，軸向應(yīng)變呈現(xiàn)出隨著時間先增大后減小的趨勢；隨著荷載的增加，軸向應(yīng)變峰值也是先增大后減小.在錨桿達(dá)到極限荷載前，軸向應(yīng)變隨荷載增大而增大；當(dāng)達(dá)到極限荷載后，軸向應(yīng)變隨荷載增大而減小.但與其不同的是，對于端錨型錨桿，不論荷載多大，頂層錨桿所承受的荷載都最大，底層錨桿最小.而對于全長黏結(jié)型錨桿，地面荷載較小時，坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時頂層錨桿所承受的荷載最大，底層錨桿幾乎不起太大作用；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載以后，底層錨桿和中間錨桿起著重要的作用，其中底層錨桿的作用尤為突出，中間錨桿表現(xiàn)為極大的抗下滑能力，而底層錨桿則表現(xiàn)為抗側(cè)滑能力［17］.

3 結(jié) 論

（1）端錨型邊坡錨桿在地面荷載作用下，上層錨桿受力最大，底層錨桿受力最小，因此在設(shè)計中應(yīng)考慮對頂層錨桿進(jìn)行加強設(shè)計.

（2）在同級地面荷載作用下，端錨型錨桿軸向應(yīng)變隨荷載作用時間先增大后減小.

（3）地面荷載從小到大的變化過程中，端錨型錨桿受力達(dá)到最大的時間和達(dá)到穩(wěn)定的時間均為先增加后減?。诲^桿的受力表現(xiàn)為“小—大—小—大”的變化過程.設(shè)計中要考慮各級荷載的影響，找到最不利荷載進(jìn)行合理設(shè)計.

（4）較小地面荷載作用下，對于端頭錨固型錨桿，頂層錨桿和中間錨桿受力最大；對于全長黏結(jié)型錨桿，底層錨桿受力最大，而頂層錨桿受力最小.較大荷載作用下，兩種錨桿的受力均為頂層錨桿受力最大，底層錨桿受力最小.設(shè)計中要綜合考慮錨桿的類型、荷載的大小，合理確定錨桿的長度，才能保證地面荷載作用下邊坡的穩(wěn)定.

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