夯土水硬石灰與石英砂漿液木錨桿錨固系統(tǒng)性能

摘要：運(yùn)用室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和原位試驗(yàn)，對基于水硬石灰與石英砂漿液的木錨桿錨固系統(tǒng)在夯土介質(zhì)中進(jìn)行了拉拔測試與桿體漿體界面應(yīng)變監(jiān)測，研究了該錨固系統(tǒng)的錨固性能與破壞模式、桿體漿體界面剪應(yīng)變分布與傳遞特征。試驗(yàn)結(jié)果表明，該錨固系統(tǒng)50 cm錨固長度可以提供30～45 kN（室內(nèi)）與16.2～19 kN（現(xiàn)場）的極限錨固力；錨固系統(tǒng)具有較強(qiáng)的延性；在加載進(jìn)程中桿體漿體界面的應(yīng)力分布與傳遞特征具有單峰值或雙峰值分布、界面應(yīng)力向錨固末端傳遞、壓應(yīng)力出現(xiàn)在錨固段中末端等特征，表現(xiàn)出復(fù)雜的受力特性。研究結(jié)果表明，該錨固系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)性能上適合于夯筑土遺址加固，并與遺址體具有較好的兼容性。

關(guān)鍵詞：夯筑土遺址；錨桿；水硬石灰；石英砂漿液；極限錨固力；界面力學(xué)行為

中圖分類號：TU452文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：16744764（2015）03008608

Abstract：physical model and field experiments which consists of pullout test and strain monitoring on boltgrout interface were conducted on wood bolts fully grouted by natural hydraulic lime and quartz sand slurry in rammed earth to study anchor capacity，failure mode，shear stress distribution and transfer along the boltgrout interface .were studied on its Experimental results shows that ultimate anchor force in laboratory （30 kN～45 kN） is larger than that in field （16.2kN～19kN）. Anchor system has strong ductility. In the process of loading， singlepeak or doublepeak stress distributes along boltgrout interface and interfacial stress transfers toward anchor end， meanwhile， compressive stress mainly emerges at middleend of anchor segment. With considerably physical and mechanical compatibility to rammed earth， the anchor system is suitable to conserve rammed earth heritages.

Key words：rammed earth construction； bolts； natural hydraulic lime and quartz sand slurry； ultimate anchor capacity； interfacial mechanical behavior

土建筑作為人類文明史上最古老的建筑形式，一直延續(xù)到今天，是人地和諧共處的典范[1]。其中，夯筑是最為普遍的建造工藝，相應(yīng)的夯筑土遺址廣泛分布于世界各地。但保存較好的主要分布于干旱半干旱環(huán)境中，如非洲、中東、中亞等。中國西北地區(qū)廣泛分布的長城及附屬建筑物（戰(zhàn)國秦、漢、明）、古城與佛寺遺址等[2]是典型的代表。這些遺址承載著豐富的文物信息，其保護(hù)加固對于傳統(tǒng)文化的保護(hù)與傳承具有重要意義。

中國自上世紀(jì)90年代開展夯筑土遺址保護(hù)加固研究以來，基于“最大兼容、最小干預(yù)、不改變原狀”的保護(hù)理念[3]，全長黏結(jié)型錨固技術(shù)成為夯筑土遺址本體力學(xué)穩(wěn)定性控制的核心措施之一[4]。在桿體類型上先后出現(xiàn)了金屬錨桿水泥砂漿錨固系統(tǒng)[2]、竹木PS（C+F）錨固系統(tǒng)[5]、楠竹加筋復(fù)合錨桿水泥砂漿錨固系統(tǒng)[6]、土工長絲改性泥漿錨固系統(tǒng)[7]等。隨著研究的深入，意識到金屬錨桿和水泥系漿液對于遺址本體的保護(hù)性破壞作用[3]，轉(zhuǎn)向在物理、力學(xué)、水理等性能上更加兼容的錨固系統(tǒng)?？傮w上，夯筑土遺址錨固技術(shù)處于探索與初步應(yīng)用階段，距離規(guī)范化應(yīng)用還很遠(yuǎn)。

對于夯筑土遺址本體而言，基于近年來“傳統(tǒng)建筑材料與工藝的科學(xué)性挖掘”的研究，開始從夯筑土遺址建造智慧中尋找更為兼容性的錨固材料。在此背景下，天然木材作為中國西北地區(qū)夯筑土遺址建造中常用的加筋體，被視為較為理想的錨固桿材。近年來，基于大地灣遺址地面材料的科學(xué)認(rèn)知[8]，研發(fā)出傳統(tǒng)的水硬石灰改性材料。歐洲學(xué)者[911]研究表明，水硬石灰改性土與夯筑土遺址具有較好的物理力學(xué)性能和水理兼容性。因此，嘗試將其引入到夯筑土遺址錨固漿液中。石英砂作為惰性材料，可以有效提高漿體的物理力學(xué)性能，進(jìn)而增強(qiáng)界面抗剪性能，成為漿液的理想摻料。室內(nèi)試驗(yàn)[1213]表明，基于水硬石灰和石英砂的漿液（結(jié)石體）性能適于土遺址修復(fù)加固。鑒于此，基于水硬石灰與石英砂漿液的木錨桿錨固系統(tǒng)工作性能和機(jī)理研究對于夯筑土遺址新型錨固技術(shù)的研發(fā)和推廣具有重要意義。

由于天然取材的木錨桿具有形狀和表面形態(tài)不規(guī)則、通長變徑、橫紋與順紋強(qiáng)度差異等[14]特點(diǎn)，加之漿材也區(qū)別于水泥砂漿，初步研究[6]表明相應(yīng)的錨固機(jī)理與其他巖土工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的鋼筋、GFRP、鋼絞線等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則桿材基于水泥砂漿或樹脂漿液的錨固系統(tǒng)具有極大不同。后者[1518]在剪滯模型、剪應(yīng)力傳遞與分布等錨固理論在實(shí)踐應(yīng)用獲得了較好的印證。但木錨桿錨固系統(tǒng)目前還未探索出較好的理論依據(jù)。在其他巖土錨固領(lǐng)域，對于不規(guī)則桿體的錨固系統(tǒng)（如缺陷錨桿、膨脹錨桿等）研究表明[1921]，相應(yīng)的破壞模式、剪滯模型、界面應(yīng)力分布與傳遞等特征區(qū)別于規(guī)則桿體。因此，室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)成為揭示其錨固性能與機(jī)理的重要手段。

選擇夯筑土遺址中水硬石灰與石英砂為主材的漿液、天然產(chǎn)白臘桿為錨桿組成的全長黏結(jié)型錨固系統(tǒng)作為研究對象，通過室內(nèi)物理模型試驗(yàn)和遺址現(xiàn)場原位測試，查明錨固系統(tǒng)的破壞模式、宏觀錨固性能、桿體漿體界面工作性能等，進(jìn)而初步揭示該錨固系統(tǒng)的錨固機(jī)制和適用性。

1試驗(yàn)方案

1.1室內(nèi)試驗(yàn)

1.1.1試驗(yàn)材料

包括硬質(zhì)PVC管、夯土、水硬石灰、石英砂、白臘桿、應(yīng)變片及相應(yīng)的粘貼連接材料等。其中，夯土由坍塌遺址土經(jīng)粉碎過篩后在PVC管中夯筑而成，夯筑工藝是通過遺址體形制測繪和室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)綜合確定，并力求其物理力學(xué)性能與現(xiàn)場試驗(yàn)遺址土體相近（表1）。水硬石灰由國家古代壁畫與土遺址保護(hù)工程技術(shù)研究中心中試基地生產(chǎn)；石英砂（400目；硬度：7；相對密度：2.65 g/cm3）和白臘桿購自蘭州當(dāng)?shù)亟ú氖袌觯粦?yīng)變片及相應(yīng)的輔材購自陜西漢中中航電測儀器股份有限公司；水來自實(shí)驗(yàn)室自來水龍頭，水質(zhì)符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.2試驗(yàn)裝備

室內(nèi)試驗(yàn)裝備是在借鑒全長黏結(jié)型金屬錨桿和GFRP錨桿室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[2223]專門研發(fā)的（圖1、圖2）。首先，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)遺址土體的物理力學(xué)性能，基于擊實(shí)試驗(yàn)成果，確定室內(nèi)夯筑工藝。然后，采用預(yù)留中間錨孔的方式在PVC管內(nèi)進(jìn)行夯筑，夯筑完畢后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)放置至干透。隨后，將安設(shè)有應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)的白蠟桿（粗端放置孔底）放置于預(yù)留孔的中心，采用重力注漿的方式向孔內(nèi)灌注拌合好的漿液，養(yǎng)護(hù)時(shí)間90 d（截止拉拔日期）。

拉拔試驗(yàn)時(shí)，安裝錨桿拉拔儀和應(yīng)變采集系統(tǒng)。拉拔儀采用北京海創(chuàng)產(chǎn)HCYL60錨桿綜合參數(shù)測定儀，油缸工作行程120 mm，測量范圍0～500 kN；應(yīng)變采集采用東華測試產(chǎn)DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)（Ver3.0.1版本），測量范圍-20 000～20 000 με；應(yīng)變片采用中航電測產(chǎn)型號BQ12060AA（電阻值120.8±0.1 Ω，靈敏度2.14±1%），應(yīng)變片布設(shè)位置詳見圖2。

工藝為夯筑，夯層厚度為10 cm，遺址土體基本物理力學(xué)性能見表1。

1.2.2試驗(yàn)材料與裝備除試驗(yàn)用水來至當(dāng)?shù)鼐用裢?，其他材料均同室?nèi)。錨固系統(tǒng)的安裝包括成孔、注漿、插錨（粗端在內(nèi)）、補(bǔ)漿、養(yǎng)護(hù)（50 d）等步驟。錨固試驗(yàn)開展時(shí)，進(jìn)行錨桿拉拔設(shè)備和應(yīng)變采集系統(tǒng)的安裝。錨桿拉拔儀和應(yīng)變采集系統(tǒng)，均與室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備相同。

1.3錨固參數(shù)與拉拔步驟

室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)的錨固系統(tǒng)參數(shù)見表2。

試驗(yàn)步驟基于《干燥類土遺址保護(hù)加固工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（WW/T 0038—2012），并參照《土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（CECS：22—90）和《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）中相關(guān)錨桿試驗(yàn)要求。首先，對M3進(jìn)行了單級加載獲取極限錨固力，為后續(xù)基本試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)；其余錨固系統(tǒng)均按照基本試驗(yàn)的要求循環(huán)加卸荷載拉拔。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1宏觀錨固性能

從最終破壞狀況（圖3）可知，室內(nèi)錨固系統(tǒng)的失效模式表現(xiàn)為：M1與M2表現(xiàn)為PVC管破裂，M3與M4表現(xiàn)為錨桿桿體斷裂；現(xiàn)場錨固系統(tǒng)的失效模式均表現(xiàn)為桿體拔出。室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)破壞后孔口漿體破裂，夯土體內(nèi)出現(xiàn)以桿體為中心的放射狀裂隙，試驗(yàn)完畢解剖M1和M3后發(fā)現(xiàn)土體和漿體結(jié)合非常牢固；原位試驗(yàn)系統(tǒng)孔口漿體破碎，但未出現(xiàn)漿體位移或土體裂隙的跡象。

由圖4可知，室內(nèi)試驗(yàn)極限錨固力為30～45 kN，數(shù)據(jù)具有一定的離散性，假定白蠟桿桿體為理想的圓臺體，基于細(xì)端和粗端的直徑，計(jì)算出相應(yīng)的界面平均剪應(yīng)力處于0.42～0.65 MPa，平均界面剪應(yīng)力為0.52 MPa；現(xiàn)場試驗(yàn)極限錨固力為16.2～19 kN，同室內(nèi)同樣的假定，相應(yīng)的界面平均剪應(yīng)力為0.31～034 MPa，最終白蠟桿漿體平均界面剪應(yīng)力為0.32 MPa。顯然，室內(nèi)試驗(yàn)平均界面剪應(yīng)力結(jié)果是現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果的1.62倍。

2.2室內(nèi)試驗(yàn)

2.2.1荷載位移關(guān)系M3錨固系統(tǒng)是通過單級加載方式對本錨固系統(tǒng)極限錨固力有初步的掌握，作為后續(xù)錨固基本試驗(yàn)的極限錨固力依據(jù)。由圖5可知，循環(huán)加卸荷載方式下錨固系統(tǒng)均表現(xiàn)為錨固力達(dá)到峰值后即刻破壞，曲線的斜率初始階段大于后期，M1與M4表現(xiàn)出比M2與M3更好的延性。而圖6進(jìn)一步表明，各錨固系統(tǒng)的最終彈性位移不超過5 mm，而最大塑性位移均超過50 mm，充分說明了該錨固系統(tǒng)的強(qiáng)延性特征。

2.2.2界面應(yīng)變分布與荷載傳遞特征

受技術(shù)水平的制約，即使采用了防水涂層和平行兩個(gè)電阻片布設(shè)，電阻式應(yīng)變片在潮濕環(huán)境中仍容易損壞，嚴(yán)重制約錨固系統(tǒng)界面應(yīng)變監(jiān)測。研究中同樣遇到了隱埋應(yīng)變片失效的困境。M1錨固系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果（圖7（a））表明桿體漿體界面L=0.2 m處應(yīng)變值高于L=03 m處；M2錨固系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果（圖7（b））表明桿體漿體界面L=0.2 m與L=0.5 m處出現(xiàn)了界面壓應(yīng)變現(xiàn)象；M3錨固系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果（圖7（c））表明在低荷載（2 kN）作用下，應(yīng)力沿著桿體界面分布近于平直線，錨固末端幾乎沒有發(fā)生應(yīng)變，隨著荷載的增加，各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變值隨之增大，沿界面分布曲線變化為單峰值的拋物線形（峰值出現(xiàn)在L=0.1 m），但在錨固段的中末端（L=0.3 m和L=0.4 m）出現(xiàn)了拉應(yīng)變向壓應(yīng)變的演化現(xiàn)象，此外，10 kN及更大荷載水平下，由于錨固端部發(fā)生脫黏，L=0 m處的應(yīng)變值已不是界面真實(shí)的應(yīng)變值；M4錨固系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果（圖7（d））表明具有同M3類似的界面應(yīng)變分布特征，不同之處在于僅錨固末端出現(xiàn)的壓應(yīng)變現(xiàn)象，峰值出現(xiàn)在L=02 m處。

2.3現(xiàn)場試驗(yàn)

2.3.1荷載位移關(guān)系錨固系統(tǒng)均表現(xiàn)為錨固力達(dá)到峰值后即刻破壞，曲線的斜率初始階段大于后期，其中最終的變形量均超過90 mm（圖8）。由圖9可知，各錨固系統(tǒng)的最終彈性位移不超過5 mm，而最終塑性位移超過45 mm，充分表明了該錨固系統(tǒng)較強(qiáng)的延性特征。

2.3.2界面應(yīng)變分布與荷載傳遞特征原位試驗(yàn)環(huán)境較室內(nèi)試驗(yàn)惡劣，電阻式應(yīng)變片更容易受到損壞。從有限的數(shù)據(jù)分析可知：F1錨固系統(tǒng)（圖10（a））桿體漿體界面表現(xiàn)出3 kN與9 kN荷載水平下L=0.4 m處為壓應(yīng)變，且錨固末端L=0.5 m處軸

向拉應(yīng)變值大于其他有效監(jiān)測點(diǎn)，隨著荷載的增加，各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變值隨著增大，12 kN荷載水平下L=0.4 m處轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向拉應(yīng)變；F2錨固系統(tǒng)（圖10（b））桿體漿體界面表現(xiàn)出雙峰值應(yīng)變分布曲線特征，峰值點(diǎn)出現(xiàn)在L=0.2 m與L=0.4 m處，隨著荷載的增加，各增大，監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變值大小順序?yàn)椋篖=0.1 m>L=02 m>L=0.4 m，其中低荷載水平下L=0.4 m處出現(xiàn)壓應(yīng)變。

3討論

相對于現(xiàn)場試驗(yàn)，室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)具有養(yǎng)護(hù)條件理想、垂直灌漿效果優(yōu)于斜孔灌漿、試驗(yàn)條件可控等優(yōu)點(diǎn)[2425]，相應(yīng)的錨固力和界面平均剪應(yīng)力較高。就室內(nèi)試驗(yàn)而言，PVC破裂及夯土中放射狀的裂隙均表明拉拔過程中在夯筑土體內(nèi)產(chǎn)生了較強(qiáng)的剪漲作用。室內(nèi)物理模擬試驗(yàn)中，考慮到錨固系統(tǒng)外的側(cè)限作用和試驗(yàn)成本，采用硬質(zhì)PVC對錨固體進(jìn)行徑向加固作用，M1和M2表現(xiàn)出的PVC管破裂說明提供側(cè)限強(qiáng)度不足，與實(shí)際錨固系統(tǒng)外近似半無限空間體有差異。試驗(yàn)中孔口承壓鋼板的存在，對錨固系統(tǒng)有約束左右，錨固系統(tǒng)土體的錐形破壞就難以發(fā)生，最終導(dǎo)致試驗(yàn)情況和錨固系統(tǒng)實(shí)際工作性能存在一定的差異。后續(xù)研究中應(yīng)根據(jù)實(shí)際土體提供最大側(cè)壓力和空間效應(yīng)來進(jìn)行模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)。比如，為提高側(cè)限強(qiáng)度采用高強(qiáng)鋼制管，為消除承壓鋼板對錨固系統(tǒng)周圍土體的約束，加大試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽纾倪M(jìn)加載系統(tǒng)，進(jìn)而有效增加模型試驗(yàn)與錨固系統(tǒng)實(shí)際工作性能的相似度。

理論上白臘桿抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于錨固系統(tǒng)的極限拉拔力，桿體發(fā)生斷裂是因?yàn)榘着D桿天然取材，桿體并非理想的順直呈圓臺狀，試驗(yàn)觀察斷裂處往往為桿體的彎折處或局部直徑突變處，誘發(fā)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致斷裂。這也為土遺址錨固設(shè)計(jì)中選材提出更高的要求?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明，從實(shí)踐的角度而言，錨固系統(tǒng)的破壞模式為桿體漿體界面失效。換言之，錨固系統(tǒng)中漿體土體界面的抗剪性能是高于桿體漿體界面的。該特征確保了后期干預(yù)措施（木錨桿錨固土遺址）與建造時(shí)期（原有木筋體隱埋遺址體內(nèi)）所發(fā)揮的作用相似，從而形成物理結(jié)構(gòu)與力學(xué)意義的兼容。值得一提的是，土遺址木錨桿錨固系統(tǒng)沒有自由端和錨固段之分，裂隙內(nèi)外兩側(cè)的錨孔均通長灌漿，沒有錨具。因此，錨固后的土遺址實(shí)際受力傳遞方向應(yīng)為土體漿體桿體，與其他巖土工程的錨固系統(tǒng)恰相反。究其本質(zhì)，通過全長黏結(jié)性錨固措施，形成加筋體的作用

已有研究表明[5]，類似條件下木錨桿基于PSF漿液、PS（C+F）漿液及PSC漿液的錨固系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)極限錨固力分別為6.70、6.47和6.27 kN/m。而本研究基于水硬石灰石英砂漿液的木錨桿錨固系統(tǒng)50 cm錨固長度極限錨固力高達(dá)17.73 kN，表現(xiàn)出優(yōu)越的錨固性能。此外，本錨固系統(tǒng)具有強(qiáng)延性特征，充分表明了桿體漿體夯土體介質(zhì)系統(tǒng)力學(xué)性能的協(xié)調(diào)性和容許變形潛力。該特性在現(xiàn)今土遺址保存現(xiàn)狀中得到佐證，即具有木筋體的土遺址保存規(guī)模和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于無加筋體的土遺址，甘肅漢代與明代長城墻體和烽燧、居延遺址、新疆尕哈烽燧遺址等是最好的例證。

顯然，本錨固系統(tǒng)界面應(yīng)力分布特征和應(yīng)力傳遞特征與其他全長黏結(jié)型金屬錨桿或GFRP錨桿的特征[1718， 23]相比，規(guī)律性不足。綜合室內(nèi)與現(xiàn)場試驗(yàn)界面應(yīng)變監(jiān)測成果，大致可以看到如下特征：低荷載水平下界面應(yīng)力分布曲線較為平直，表現(xiàn)為向錨固末端衰減；隨著荷載的增加，各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變值增大，出現(xiàn)單峰值或雙峰值曲線的特征；呈現(xiàn)出荷載向錨固末端的傳遞進(jìn)程。軸向壓應(yīng)變多出現(xiàn)于錨固的中后部，尤其錨固末端，該現(xiàn)象是壓力型錨桿具有的典型特征。必須認(rèn)識到白臘桿桿體類圓臺形的特征，而且粗端處于錨孔的底部，從結(jié)構(gòu)形式上具有拉力型和壓力型錨桿的特點(diǎn)。

4結(jié)論

1）錨固系統(tǒng)50 cm錨固長度可以提供30～45 kN（室內(nèi)）與16.2～19 kN（現(xiàn)場）的錨固力。室內(nèi)試驗(yàn)破壞模式為由剪漲誘發(fā)PVC管破裂或桿體斷裂，現(xiàn)場試驗(yàn)破壞模式為桿體拔出。

2）錨固系統(tǒng)表現(xiàn)出低彈性高塑性的變形特征，具有極強(qiáng)的延性，實(shí)際起到加筋結(jié)構(gòu)的效果，在物理力學(xué)性能上與夯筑土遺址具有較好的兼容性；

3）界面應(yīng)變分布具有單峰值或多峰值分布特征，隨著拉拔力增加界面應(yīng)力向錨固末端轉(zhuǎn)移，軸向壓應(yīng)變出現(xiàn)在錨固中末端等特征，說明了本錨固系統(tǒng)兼有拉力型和壓力型全長黏結(jié)型錨固系統(tǒng)的特點(diǎn)。

4）綜合分析表明本錨固系統(tǒng)適合于夯筑土遺址加固；由于室內(nèi)模型試驗(yàn)相似度的局限性和應(yīng)變片性能的影響，現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)具有一定的局限性，建議繼續(xù)深入研究界面應(yīng)力分布與傳遞機(jī)理。

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（編輯胡英奎）