分級(jí)荷載下壓力型土層錨桿承載特性試驗(yàn)研究*

郝建斌 門玉明 汪班橋

(長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院, 陜西 西安 710054)

分級(jí)荷載下壓力型土層錨桿承載特性試驗(yàn)研究*

郝建斌 門玉明 汪班橋

(長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院, 陜西 西安 710054)

通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，模擬了人工土質(zhì)邊坡中壓力型錨桿在地面荷載作用下的工作狀態(tài)，研究了分級(jí)荷載作用下各層錨桿的軸向應(yīng)變特征及其隨荷載作用時(shí)間的變化規(guī)律.結(jié)果表明：對(duì)于人工邊坡，地面荷載作用的最危險(xiǎn)階段出現(xiàn)在荷載傳遞過程中,邊坡的壓實(shí)過程也會(huì)使錨桿承受額外荷載.小荷載作用時(shí)，處于被壓實(shí)范圍土體內(nèi)的底層錨桿在壓實(shí)作用下整體發(fā)生向下的位移，基本不受軸向力，處于壓實(shí)范圍外的上層和中層錨桿錨固段分擔(dān)由于滑坡體發(fā)生向下相對(duì)位移而引起的較小拉力；中級(jí)荷載作用時(shí)，土體仍然處于被壓實(shí)過程，各層錨桿的軸向應(yīng)變沿長(zhǎng)度分布變化不大；高荷載作用下，各層錨桿錨固段逐漸起到了加固邊坡的作用，整個(gè)錨固系統(tǒng)共同承擔(dān)坡體的下滑力，直至最后發(fā)生破壞.

壓力型錨桿；模型試驗(yàn)；地面荷載；軸向應(yīng)變；人工邊坡

在公路邊坡和基坑支護(hù)中，土層錨桿以其受力可靠、施工靈活、對(duì)巖土體擾動(dòng)小、作業(yè)安全和見效快等突出優(yōu)點(diǎn)而受到工程界的青睞.與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土層錨桿的研究也一直沒有中斷過，尤其是對(duì)錨桿的荷載傳遞特性、承載特性、變形特征及內(nèi)力計(jì)算理論進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析和研究.如郭銳劍等[1]考慮了錨桿與土層界面的軟化特性，將土層錨桿的受力分為彈性、軟化和松動(dòng)3個(gè)階段.段建等[2]的研究表明，土層錨桿的界面黏滑特性導(dǎo)致剪應(yīng)力重新調(diào)整分配，調(diào)整后錨桿剪切位移、軸力及剪應(yīng)力均有所上升.徐優(yōu)林[3]研究了土層錨桿的蠕變特性.Ehrlich等[4]研究了深基坑開挖過程中不同階段的土釘和錨桿的軸力分布及變化特征.張欽喜等[5]進(jìn)行了基坑的錨桿監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同層錨桿的拉力變化出現(xiàn)不同的趨勢(shì).張欽喜等[6]研究了不同土層中錨桿的側(cè)摩阻力分布形態(tài).張康[7]研究了基坑開挖過程中錨桿的受力變化特征.以上研究主要針對(duì)普通拉力型錨桿，探討與研究其在拉拔過程或基坑開挖支護(hù)過程中的受力狀況.

與普通拉力型錨桿相比，壓力型錨桿(見圖1)受荷后其固定段內(nèi)的灌漿體處于受壓狀態(tài).其借助無粘結(jié)鋼絞線(或帶套管鋼筋)和特制的承載體，將荷載直接傳至底部的承載體，由底端向固定段的頂端傳遞[8]，注漿體在三向受壓狀態(tài)下更能充分發(fā)揮其性能，錨固效果更為顯著[9].國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者從理論和試驗(yàn)上探索了壓力型錨桿的承載特性.Kim[10]采用足尺模型試驗(yàn)對(duì)風(fēng)化土中拉壓錨桿的錨固性能進(jìn)行了對(duì)比研究.盧黎等[11]根據(jù)Kelvin解，推導(dǎo)了壓力型錨桿錨固段的彈性黏結(jié)應(yīng)力和正應(yīng)力分布方程，并分析了巖土各參數(shù)對(duì)錨固段應(yīng)力分布的影響.顧培英等[12]研究了飽和粉砂土中壓力分散型錨桿錨固體側(cè)摩阻力分布規(guī)律.張愛民等[13]推導(dǎo)出壓力型錨桿灌漿體與巖土體界面間的位移及剪應(yīng)力分布曲線，得出錨固段的錨固效應(yīng)特性.張永興等[14]采用模型試驗(yàn)，研究了壓力型錨桿的位移特性及破壞模式，并提出最佳錨桿長(zhǎng)度的基本范圍.趙明華等[15]應(yīng)用能量原理，分析了壓力型錨桿的受力及位移特征，認(rèn)為壓力型錨桿的工作性狀為彈性階段和塑性階段(工作荷載即將接近極限荷載).賀建清等[9]通過理論計(jì)算，確定了有效錨固長(zhǎng)度的計(jì)算公式，分析了巖土體力學(xué)參數(shù)對(duì)錨固長(zhǎng)度的影響.渠紅霞[16]進(jìn)行了室內(nèi)錨固系統(tǒng)拉拔蠕變?cè)囼?yàn)，研究了壓力型錨桿錨固段的流變特性.

圖1 壓力型錨桿

為了進(jìn)一步研究土層錨桿的工作原理及受力特性，筆者所在課題組進(jìn)行了一系列室內(nèi)模型試驗(yàn)，主要探討土層錨桿在地面荷載作用下的受力特征.關(guān)于全長(zhǎng)黏結(jié)型土層錨桿的受力特性，已在文獻(xiàn)[17- 18]中進(jìn)行了詳細(xì)分析.此外，筆者所在課題組還分別進(jìn)行了壓力和拉力端錨型土層錨桿的室內(nèi)模型試驗(yàn)，文中主要從錨桿的位置出發(fā)，對(duì)各級(jí)地面荷載作用下壓力端錨型錨桿的軸向應(yīng)變分布曲線進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上探討邊坡及錨桿的破壞特征，以期為公路邊坡及基坑錨桿支護(hù)的研究工作及工程應(yīng)用提供一些有益的思路與參考.

1 模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介

本次試驗(yàn)?zāi)M一坡高5 m、坡率為1∶0.75的人工邊坡，模型土采自西安市南郊某基坑開挖工地，為粉質(zhì)黏土.模型尺寸為2.0 m×1.7 m×1.3 m(寬×深×高).錨桿共設(shè)置3層、4列，桿體采用外徑8 mm的鋁管模擬，承載體采用2 cm厚的Q235鋼板制作.注漿材料使用石膏、淀粉、砂和水的混合物.模型的幾何相似常數(shù)Cl=5，密度相似常數(shù)Cρ=1，應(yīng)力相似常數(shù)Cσ=5.制作模型前，在模型箱內(nèi)壁畫好3 cm間隔的等高線，根據(jù)模型設(shè)計(jì)尺寸分次將所需質(zhì)量的濕土倒入模型箱內(nèi)，用重錘夯實(shí)至標(biāo)線位置，分層填筑模型.模型制作過程同文獻(xiàn)[17- 18]，在此不再贅述.圖2為模型立面圖和剖面圖.

圖2 模型立面與剖面圖

加載時(shí)，在假定滑坡體坡頂放置一厚50 mm的墊板，通過反力架用千斤頂于墊板上加載，使坡體受均布荷載，如圖2(b)所示.首次千斤頂加載0.5 MPa，之后每次加載幅值為0.5 MPa.每級(jí)荷載加載后，每隔5 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，直到同一應(yīng)變測(cè)點(diǎn)連續(xù)兩次采集的數(shù)據(jù)差值小于5×10-6時(shí)，即認(rèn)為坡體變形基本穩(wěn)定，然后進(jìn)行下一級(jí)荷載的加載，直到滑坡體出現(xiàn)大于2 cm的下滑位移時(shí)，試驗(yàn)終止.本試驗(yàn)最終加載至7.0 MPa.試驗(yàn)完成后，于滑床內(nèi)取未擾動(dòng)土樣，測(cè)定其參數(shù)如表1所示.

表1 模型土的物理力學(xué)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 土層錨桿軸向應(yīng)變變化過程

人工邊坡不同于天然邊坡,它一般屬于欠固結(jié)土，具有較大的壓縮性，如果在坡頂受到較大荷載時(shí)，發(fā)生剪切破壞的危險(xiǎn)往往大于天然邊坡.因此，文中以加載過程中不同階段的錨桿應(yīng)變值為分析對(duì)象，分析錨桿在加載過程中的受力變化特征.以第2列頂層錨桿(①-3)的第7測(cè)點(diǎn)、中層錨桿(②-3)的第10測(cè)點(diǎn)和底層錨桿(③-3)的第9測(cè)點(diǎn)(3點(diǎn)均位于自由段)為例，各測(cè)點(diǎn)在各級(jí)荷載加載初期的應(yīng)變值變化規(guī)律、加載后應(yīng)變最大值的變化規(guī)律和加載穩(wěn)定后的應(yīng)變值變化規(guī)律分別如圖3所示.

圖3 各級(jí)荷載作用過程中各層錨桿軸向應(yīng)變值

Fig. 3 Axial strain of anchor bars in each row during each step loading

圖3顯示，在各級(jí)荷載加載過程中，不論加載初期、中期還是后期，頂層錨桿自由段的應(yīng)變值水平始終保持最大，而底層錨桿自由段的應(yīng)變值水平最小.說明荷載由地面?zhèn)鬟f到土層，再由土層傳遞到錨桿的過程中，上層錨桿始終起著主導(dǎo)作用，承擔(dān)大部分荷載.地面荷載作用初期，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值隨著荷載的增加而增大，但增大幅度逐漸變??；各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變最大值在3.0 MPa時(shí)出現(xiàn)突變，而后增大幅度也逐漸變??；各測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定后應(yīng)變值隨荷載的增加先增大后減小.說明錨桿的受力最大值出現(xiàn)在加載后某一時(shí)刻，之后慢慢趨于一穩(wěn)定值；地面荷載為3.0 MPa時(shí)，頂層錨桿和中層錨桿測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值發(fā)生突變，這可能有兩方面原因：一是穩(wěn)定土體內(nèi)壓縮變形突增導(dǎo)致土體粘聚力和內(nèi)摩擦角發(fā)生突變，二是穩(wěn)定土體和滑坡體發(fā)生相對(duì)壓縮變形導(dǎo)致錨桿發(fā)生彎曲；地面荷載較大(6.0、7.0 MPa)時(shí)，穩(wěn)定后錨桿各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值隨地面荷載的增加反而降低，錨桿發(fā)生黏滑，邊坡逐漸失穩(wěn).此外，需要說明的是，圖3中地面荷載為6.0 MPa時(shí)，錨桿軸向應(yīng)變曲線均出現(xiàn)了“凹”點(diǎn)，這可能是由錨桿上應(yīng)變片黏貼誤差引起的.

在1.0～7.0 MPa的加載過程中，每級(jí)荷載加載初期(見圖3(a))和錨桿應(yīng)變值達(dá)到穩(wěn)定(見圖3(c))時(shí)，隨著地面荷載的逐級(jí)增大，各層錨桿自由段應(yīng)變值變化形態(tài)相似.而在每級(jí)荷載傳遞過程中，錨桿自由段軸向應(yīng)變值達(dá)到最大時(shí)，頂層錨桿和中層錨桿的軸向應(yīng)變值變化趨勢(shì)不同于底層錨桿.當(dāng)?shù)孛婧奢d為3.0 MPa時(shí)，頂層錨桿和中層錨桿的軸向應(yīng)變值最大，頂層錨桿(測(cè)點(diǎn)7)的軸向應(yīng)變值為4.419×10-3(地面荷載為4.0、5.0、6.0和7.0 MPa時(shí)該測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值分別為2.784×10-3、3.322×10-3、2.137×10-3和3.650×10-3)，中層錨桿(測(cè)點(diǎn)10)的軸向應(yīng)變值為4.190×10-3(地面荷載為4.0、5.0、6.0和7.0 MPa時(shí)該測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值分別為2.567×10-3、2.850×10-3、1.941×10-3和2.806×10-3).這與試驗(yàn)中邊坡頂面的沉降變形觀測(cè)記錄是一致的.在1.0 ～ 3.0 MPa的加載過程中都觀測(cè)到了明顯的沉降變形，加載3.0 MPa時(shí)，沉降最為明顯，但邊坡前緣并沒有觀測(cè)到明顯的下滑跡象，說明在此加載過程中，主要是邊坡土體的壓實(shí)過程.可見，對(duì)于錨桿支護(hù)的人工邊坡，如果地面荷載較小時(shí)，僅僅會(huì)對(duì)邊坡起到壓實(shí)作用，錨桿受力較小，是較為安全的.但荷載傳遞復(fù)雜，當(dāng)?shù)孛婧奢d較大時(shí)，要及時(shí)做好荷載作用前期的變形監(jiān)測(cè).

2.2 分級(jí)荷載作用下各層錨桿軸向應(yīng)變分布

因?yàn)樗查g的高荷載往往最容易引起土體的破壞，因此取各級(jí)荷載下錨桿軸向應(yīng)變值最大時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行分析.圖4為各級(jí)荷載作用下第2列頂層錨桿(①-3)、中層錨桿(②-3)、底層錨桿(③-3)軸向應(yīng)變分布曲線.其中下層錨桿的測(cè)點(diǎn)10應(yīng)變片發(fā)生短路破壞，因此該測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)缺失.根據(jù)試驗(yàn)過程中錨桿的軸向應(yīng)變值變化及邊坡變形的觀測(cè)情況，分析中將初始施加荷載定義為低荷載(1.0 MPa)，對(duì)邊坡進(jìn)一步壓實(shí)的荷載定義為中級(jí)荷載(2.0、3.0 MPa)，對(duì)邊坡已基本無壓實(shí)作用的較高荷載定義為高荷載(4.0、5.0、6.0、7.0 MPa).

圖4 各級(jí)荷載作用下各層錨桿軸向應(yīng)變分布圖

Fig. 4 Axial strain distribution of anchor bars in each row under step loading

2.2.1 低荷載作用

荷載為1.0 MPa作用下，各層錨桿軸向應(yīng)變值較小，且錨固段與自由段應(yīng)變值相差不大.頂層錨桿的應(yīng)變范圍為0.422×10-3～ 0.534×10-3，中層錨桿的應(yīng)變范圍為0.287×10-3～ 0.476×10-3，底層錨桿的應(yīng)變范圍為0.012×10-3～ 0.162×10-3.整體看來，坡體內(nèi)部發(fā)生了應(yīng)力重分布，隨之錨桿的受力也發(fā)生了微小的變化.分析原因，主要是因?yàn)檫吰峦翆颖容^松散，小荷載作用時(shí)，土體處于被壓實(shí)過程.處于被壓實(shí)范圍土體內(nèi)的錨桿在壓實(shí)作用下發(fā)生了整體的向下位移，基本不受軸向力，處于壓實(shí)范圍外的錨固段部分分擔(dān)了由于滑坡體發(fā)生向下的相對(duì)位移而引起的拉力.此時(shí)，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，頂層錨桿和中間錨桿起主要的荷載承擔(dān)作用，底層錨桿附近由于基本沒發(fā)生相對(duì)位移，基本不受力.對(duì)于該模型邊坡，此荷載的向下傳遞作用是有限的，僅僅對(duì)邊坡的上部起到壓實(shí)作用.

2.2.2 中級(jí)荷載作用

地面荷載加至2.0 MPa時(shí)，頂層錨桿和中層錨桿的軸向應(yīng)變發(fā)生突增現(xiàn)象，而底層錨桿的受力變化不大；當(dāng)荷載增至3.0 MPa時(shí)，各層錨桿軸向應(yīng)變值均迅速增大，但應(yīng)變值分布曲線仍然比較平坦.此時(shí)，整個(gè)土錨復(fù)合體內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)仍然在不斷調(diào)整，以達(dá)到一個(gè)最穩(wěn)定的狀態(tài).各層錨桿的軸向應(yīng)變值依然保持頂層最大、底層最小的規(guī)律.但各層錨桿的錨固段末端出現(xiàn)了應(yīng)變值曲線下落的趨勢(shì)，說明錨桿末端除了受到拉應(yīng)力外，還發(fā)生了彎曲變形(從試驗(yàn)后挖出的錨桿模型得以證實(shí))，錨固段并沒有完全發(fā)揮作用.分析錨固段桿體發(fā)生彎曲的原因，可能由于邊坡壓實(shí)部分與未壓實(shí)部分相對(duì)壓縮變形過大而引起.

2.2.3 高荷載作用

坡頂荷載增至4.0 MPa時(shí)，頂層錨桿和中層錨桿的軸向應(yīng)變值均發(fā)生減小，但錨固段應(yīng)變曲線斜率有所提升，說明錨固段逐漸起到了加固邊坡的作用；此時(shí)，底層錨桿的軸向應(yīng)變值仍然增加，且錨固段應(yīng)變曲線斜率也有所增大,這說明整個(gè)錨桿系統(tǒng)正在逐漸承擔(dān)坡體的下滑力.

荷載為5.0 MPa時(shí)，中層錨桿和底層錨桿的應(yīng)變曲線均發(fā)生下移現(xiàn)象，但三層錨桿的錨固段應(yīng)變曲線斜率均增大.當(dāng)荷載增至6.0 MPa時(shí)，頂層錨桿的應(yīng)變曲線也發(fā)生了下移.此時(shí)，在坡體前緣觀測(cè)到了滑移跡象，但不太明顯.錨桿軸向應(yīng)變值的降低說明錨桿已開始被拔出，坡體進(jìn)入破壞階段，各層錨桿的分擔(dān)荷載作用更為明顯.此時(shí)，坡體由極限平衡狀態(tài)向失穩(wěn)狀態(tài)過渡，錨固模型底部的面層上首先出現(xiàn)細(xì)小、密集的裂紋，底層錨桿的應(yīng)變峰值發(fā)生內(nèi)移.荷載繼續(xù)增大至7.0 MPa時(shí)，坡體有了明顯下滑跡象，開始向下滑移.底層錨桿因承擔(dān)不了坡面荷載傳來的下滑力而被拔出，坡體破壞.試驗(yàn)結(jié)束后，底層錨桿的錨固段末端點(diǎn)處出現(xiàn)一道寬為2 cm左右的裂縫，這也進(jìn)一步證明了底層錨桿在荷載作用下的抗下滑能力.

荷載從1.0 MPa增至7.0 MPa的過程中，各層錨桿的受力變化是不一樣的，抗滑作用也隨著荷載的增大發(fā)生變化.在進(jìn)行邊坡錨桿分析計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮地面荷載的分布區(qū)域.如果整個(gè)錨固區(qū)域上方均分布地面荷載，則不用考慮錨桿的彎曲變形，否則彎曲變形是不能忽略的.

3 結(jié)論

(1)對(duì)于人工邊坡，地面荷載作用時(shí)，荷載傳遞過程中錨桿受到的力最大；最危險(xiǎn)荷載是在邊坡壓實(shí)過程中的邊坡所受的最大荷載.因此，在進(jìn)行人工邊坡的壓實(shí)過程中，一定要壓實(shí)徹底，以免在使用期間發(fā)生破壞.

(2)荷載為1.0 MPa的小荷載作用時(shí)，處于被壓實(shí)范圍土體內(nèi)的錨桿在壓實(shí)作用下發(fā)生了整體向下的位移，基本不受軸向力，處于壓實(shí)范圍外的錨固段部分分擔(dān)了由于滑坡體發(fā)生向下的相對(duì)位移而引起的拉力；荷載為2.0～3.0 MPa的中級(jí)荷載作用時(shí)，土體仍然處于被壓實(shí)過程，各層錨桿桿體的軸向應(yīng)變沿長(zhǎng)度分布變化不大.荷載為4.0 MPa以上的高荷載作用下，錨桿錨固段逐漸起到了加固邊坡的作用，整個(gè)錨桿系統(tǒng)承擔(dān)坡體的下滑力，直至最后發(fā)生破壞.在實(shí)際工程中，針對(duì)人工土質(zhì)邊坡的具體情況，可參考文中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行不同地面荷載作用下的穩(wěn)定計(jì)算.

(3)進(jìn)行邊坡錨桿分析計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮地面荷載的分布范圍.范圍不同，導(dǎo)致邊坡體內(nèi)壓縮變形不同，錨桿受力也不同.

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Experimental Investigation into Load Bearing Features of Compression- Type Soil Anchors Under Step-Loading

HAOJian-binMENYu-mingWANGBan-qiao

(School of Geology Engineering and Geomatics,Chang’an University,Xi’an 710054,Shaanxi,China)

By model tests,the working condition of compression-type anchors in a man-made soil slope is simulated under the surface-loading. Then,the axial strain characteristics of the anchor bars in each row are investigated under the step-loading,and the changes of the strain with the loading time are also discussed. The results show that (1) for a man-made slope,the most dangerous stage under the surface loading appears during the load transferring,and an additional load will be added to the anchors when the slope is compacted by the surface-loading;(2) under a small load,the bottom anchors in the range of the compacted soil integrally move downward under the compaction and bear no axial force,but the top and middle anchors with their grouted sections beyond the compacted soil are loaded with less tension that is caused by the landslide displacement;(3) under a middle load,the soil is still in the compacted process,and the axial strain distribution of each anchor along its length shows little change;and (4) under a high load,the anchorage sections of all anchors play a gradually active role in strengthening the slope and jointly bear the slope sliding force until the slope failure.

compression-type anchor;model test;ground load；axial strain;man-made slope

2015- 10- 19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41440021)；長(zhǎng)安大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2013G2261010) Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(41440021)

郝建斌(1975-)，女，博士，副教授，主要從事巖土體穩(wěn)定及安全性評(píng)價(jià)研究.E-mail:dcdgx28@chd.edu.cn

1000- 565X(2016)10- 0104- 06

TU 431

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.10.015