植筋技術(shù)用于格梁缺陷加固的模型試驗研究

梁炯 周云濤 石勝偉 張勇 蔡強 蔡佳君

摘要：通過開展植筋技術(shù)用于格梁缺陷加固的模型試驗研究，分析了植筋技術(shù)加固前后格梁隨著荷載的增加，內(nèi)力和彎矩的變化情況，結(jié)果表明：滑坡推力作用在植筋層和格梁復(fù)合體上時，二者并不是同時受力，植筋層先于格梁受力，植筋層所承受的荷載分擔(dān)比約為78%：經(jīng)過植筋技術(shù)加固缺陷格梁后，配筋受力得到改善，加固后配筋最大應(yīng)力比加固前降低了36.5%;植筋技術(shù)加固后缺陷格梁彎矩明顯降低，為加固前的20%～30%，說明植筋技術(shù)加固缺陷格梁效果顯著。

關(guān)鍵詞：滑坡;錨桿格梁;植筋技術(shù)：模型試驗

中圖分類號：P642.22

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2019.02.031

隨著我國綜合經(jīng)濟實力的不斷增強，地質(zhì)災(zāi)害防治工作的投入日益加大[1]。隨著時間的推移，格梁工程易出現(xiàn)裂縫、斷裂等缺陷。傳統(tǒng)的格梁缺陷加固方法：輕微開裂的格梁可以采用高標(biāo)號水泥漿填縫，但水泥漿黏結(jié)效果不明顯，裂縫封填后會繼續(xù)開裂，不能很好地滿足加固要求[2]：輕微開裂的格梁還可以用混凝土裂縫黏結(jié)劑封填裂縫，然而格梁開裂追根溯源是其抗彎能力不足造成的，即便使用黏結(jié)劑后該處裂縫停止發(fā)育，因格梁抗彎能力不足，也難免會在別處產(chǎn)生裂縫，故很難達到格梁工程整體加固的效果：變形開裂嚴(yán)重甚至已經(jīng)斷裂的格梁工程，一般采取局部或者整體拆除，再采用增加截面積的方式重建，存在成本高、施工周期長、對邊坡擾動大的缺點[3]。針對格梁工程發(fā)生局部變形受損，沒有徹底損毀的情況，通過加固技術(shù)達到格梁工程災(zāi)害防治的要求，而不是拆除后重建，將大大節(jié)省地質(zhì)災(zāi)害搶險治理的時間和建設(shè)成本，在防災(zāi)減災(zāi)方面具有重大意義。

目前，植筋技術(shù)在民用建筑、水利工程、橋梁工程等工程中大量應(yīng)用，得到了工程界人士的認(rèn)可[4]。植筋技術(shù)具有施工方便、整體性強和快速加固等優(yōu)點，可以滿足地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急治理的要求[5]。但是，植筋技術(shù)在加固格梁工程中的應(yīng)用尚未見報道。已有缺陷的格梁采用植筋技術(shù)加固后能否滿足災(zāi)害防治的要求，對格梁內(nèi)力和彎矩有何影響等，尚需研究。筆者在開展植筋技術(shù)加固格梁模型試驗的基礎(chǔ)上，對植筋技術(shù)加固格梁前后內(nèi)力和彎矩分布的變化進行了研究，以期為植筋技術(shù)應(yīng)用于格梁缺陷加固提供理論依據(jù)。

1 室內(nèi)模型試驗設(shè)計

1.1 試驗設(shè)計思路

試驗?zāi)Ｐ湍M我國西南山區(qū)某碎石土滑坡?；嬗盟芰媳∧つM，格梁采用預(yù)制方式制成，通過在鋼筋、混凝土以及植筋后混凝土表面布設(shè)應(yīng)變片來分析格梁應(yīng)力、彎矩的分布規(guī)律。首先，開展一組無缺陷格梁的加載試驗，加載至格梁出現(xiàn)裂縫，分析格梁在受力過程中應(yīng)力和彎矩的變化情況：然后，采用植筋技術(shù)加固格梁，并根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（GB50367-2006）計算得出植筋錨固深度、植筋技術(shù)混凝土厚度;最后，將加固后的格梁再加載至破壞[6]，通過兩組試驗對比，得出植筋技術(shù)加固缺陷格梁后承載能力的變化。

1.2 試驗相似比選取

格梁原型截面長0.4 m、寬0.5 m，格梁橫間距3.5m、縱間距4.0 m，模型試驗中格梁截面長0.04 m、寬0.05 m.格梁橫間距0.35 m、縱間距0.40 m。錨桿錨筋與水平面的夾角為200.格梁擬設(shè)4排5列，幾何相似比A.=1：10，彈性模量相似比為1，模型設(shè)計見圖1。

1.3 模型材料模擬

（1）滑床、滑體、滑面模擬?；灿肕20細石混凝土澆筑，用于模擬穩(wěn)定基巖[7]?；w采用汶川縣城周邊山區(qū)的碎石土模擬，分層夯實，夯實后的土體重度為20.1 kN/m、含水率為19.1%?；鏋橹本€型，沿滑床鋪設(shè)塑料薄膜模擬滑面。

首先開展基本參數(shù)模型試驗（沒有布設(shè)格梁工程）.測試得出試驗?zāi)Ｐ蜆O限平衡狀態(tài)時后緣荷載為3.7 kN/m;然后對模型進行反演分析（滑坡穩(wěn)定性系數(shù)取0.99）.反演時對模型后緣施加3.7 kN/m的水平荷載，反演得出滑面的抗剪指標(biāo)：黏聚力c= 3.5 kPa、內(nèi)摩擦角ψ= 130。

（2）錨桿設(shè)計[8]。試驗?zāi)Ｐ瓦x用直徑10 mm的鋼筋模擬錨桿，錨固段長0.4 m，錨筋與水平面的夾角為20°。

（3）格梁設(shè)計。根據(jù)所選取的相似比，對試驗?zāi)Ｐ椭械母窳哼M行設(shè)計：受拉一側(cè)主筋為2根直徑為6mm的鋼筋，受壓一側(cè)主筋為2根直徑為6 mm的鋼筋，箍筋為直徑為4 mm的鋼筋，間距為100 mm，格梁為4排5列，混凝土標(biāo)號為C30。

按照試驗要求，植筋技術(shù)加固后彎矩要達到加固前格梁的1.3倍，即取加固前格梁承載極限彎矩的1.3倍為植筋技術(shù)的設(shè)計彎矩。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（ GB50367-2006），計算得出植筋錨固深度為1.8 cm，植筋技術(shù)混凝土厚度為2.0 cm。

（4）加載設(shè)計[9]。采用自動化液壓千斤頂系統(tǒng)進行逐級加載，從滑體后緣施加沿水平方向的滑坡推力：起始階段，每級荷載遞增2 kN;當(dāng)格梁受力后，每級荷載遞增1 kN，直至格梁出現(xiàn)裂縫。

（5）應(yīng)變片的監(jiān)測方案。植筋技術(shù)加固格梁前加載試驗應(yīng)變片布設(shè)方案（見圖2）：格梁左側(cè)，受拉和受壓兩側(cè)鋼筋表面布設(shè)應(yīng)變片，間距為10 cm，用于測量鋼筋應(yīng)變，以及計算格梁彎矩;格梁右側(cè)，在混凝土上下表面布設(shè)應(yīng)變片，間距為15 cm，用于測量混凝土應(yīng)變，以及計算格梁彎矩。植筋技術(shù)加固格梁后加載試驗應(yīng)變片布設(shè)方案（見圖3）：格梁左側(cè)，利用格梁中鋼筋表面尚存活的應(yīng)變片繼續(xù)測試鋼筋應(yīng)變;格梁右側(cè)，在植筋技術(shù)混凝土表面布設(shè)應(yīng)變片，用于測量植筋技術(shù)混凝土表面應(yīng)變，以及計算格梁彎矩[10]。

2 試驗結(jié)果分析

加固前格梁模型加載至220 kN時，格梁缺陷顯現(xiàn)，有裂縫產(chǎn)生。經(jīng)過植筋技術(shù)加固后，加載至285kN時滑體沿著最上面一排錨桿剪出破壞，而植筋技術(shù)加固的格梁沒有出現(xiàn)開裂跡象。

修復(fù)前后，各排橫梁、每列豎梁數(shù)據(jù)曲線都有相似的特征，以橫梁H4為研究對象分析混凝土應(yīng)力變化，以橫梁H3為研究對象分析鋼筋應(yīng)力變化，以橫梁H2、豎梁Sl為研究對象分析彎矩變化。

2.1 加固前破壞試驗格梁受力分析

（1）加固前混凝土表面應(yīng)力分析。試驗中橫梁H4混凝土表面布設(shè)了6個應(yīng)變片，從左到右依次為H4-1、H4-2、…、H4-6?；炷帘砻鎽?yīng)力隨加載量變化曲線見圖4，從圖4可以看出：除監(jiān)測點H4-1處于拉應(yīng)力狀態(tài)外，其余各監(jiān)測點均處于壓應(yīng)力狀態(tài);除監(jiān)測點H4-1外，各監(jiān)測點應(yīng)力隨加載量的增大非線性增大;監(jiān)測點H4-2與H4-5、監(jiān)測點H4-3與H4-4應(yīng)力曲線，變化趨勢相同，表現(xiàn)了較強的對稱性，而監(jiān)測點H4-1與H4-6位于格梁兩側(cè)，受邊界效應(yīng)影響未出現(xiàn)對稱現(xiàn)象。

模型試驗中混凝土標(biāo)號為C30，抗壓強度為16，7MPa，抗拉強度為1.78 MPa。當(dāng)加載至220 kN時，最大壓應(yīng)力為13.7 MPa，最大拉應(yīng)力為4.5 MPa，說明混凝土已發(fā)生了拉裂破壞，這與試驗現(xiàn)場觀察情況相符合，表明格梁中的破壞首先為拉裂破壞，然后為壓裂破壞。

（2）加固前鋼筋應(yīng)力分析。橫梁H3左半部分鋼筋表面布設(shè)了8個應(yīng)變片，從左到右依次為HD3 -1、HD3-2、…、HD3 -8。格梁鋼筋應(yīng)力隨加載量變化曲線見圖5，由圖5可以看出：監(jiān)測點HD3-4、HD3 -5鋼筋應(yīng)力隨加載量增大呈非線性增大趨勢，鋼筋應(yīng)力為壓應(yīng)力;監(jiān)測點HD3-2、HD3 -3鋼筋應(yīng)力隨加載量增大先為壓應(yīng)力后為拉應(yīng)力，拉應(yīng)力狀態(tài)下隨加載量增加應(yīng)力增大：HD3 -8鋼筋應(yīng)力先為拉應(yīng)力后為壓應(yīng)力，并且壓應(yīng)力狀態(tài)下隨加載量增加應(yīng)力增大;監(jiān)測點HD3-7應(yīng)力始終處于壓應(yīng)力狀態(tài)，隨加載量增加應(yīng)力先增大后減小，當(dāng)加載量為220 kN時應(yīng)力減小至0，說明應(yīng)變片破壞失效，格梁發(fā)生破壞。鋼筋的最大壓應(yīng)力為78.1 MPa.最大拉應(yīng)力為41.4 MPa。此格梁模型鋼筋標(biāo)號為HRB335，屈服強度為335 MPa.表明鋼筋未發(fā)生屈服，具有可加固性。

（3）加固前格梁破壞試驗格梁彎矩分析。單個橫梁、豎梁的彎矩分布具有相似規(guī)律，橫梁H2、豎梁Sl極具代表性，因此以橫梁H2、豎梁Sl為研究對象。橫梁H2彎矩監(jiān)測點位置為H2左半部分8個鋼筋應(yīng)變片的位置，從左到右依次為H2 -1、H2 -2、…、H2-8。橫梁H2彎矩曲線（見圖6）顯示，彎矩分布有4個“拋物線”，共2個波峰、2個波谷，波峰分布于監(jiān)測點H2-2、H2-5與H2-6之間，波谷分布于監(jiān)測點H2-4、H2-6與H2-7之間，彎矩最大值分布于波谷頂點。加載量越大，波幅越大，波峰和波谷開口越小。隨著加載量的逐步增加格梁彎矩基本呈線性增大。橫梁上彎矩最大位置為梁中間，如監(jiān)測點H2-4位置。

豎梁Sl彎矩監(jiān)測點位置為Sl鋼筋應(yīng)變片的位置，從上到下依次為Sl-l、Sl-2、Sl-3、…、Sl-9。對于豎梁Sl，彎矩分布由3組“拋物線”組成（見圖7），共2個波峰、1個波谷，波峰分布于監(jiān)測點Sl -2與Sl-3之間、Sl-6，波谷分布于監(jiān)測點Sl-4與Sl-5之間，彎矩分布呈現(xiàn)出上部較大、下部較小，整體倒三角分布的規(guī)律，最大彎矩分布于監(jiān)測點Sl-6，即橫梁H3下側(cè)位置，該位置是格梁加固的關(guān)鍵部位。由圖7可以看出，豎梁上彎矩最大位置為梁中間，如監(jiān)測點Sl-6位置。

2.2 加固后格梁加載試驗格梁受力分析

（1）加固后植筋層混凝土應(yīng)力分析。植筋層混凝土表面應(yīng)力隨加載量變化曲線（橫梁H4）見圖8，從圖8可以看出，各監(jiān)測點應(yīng)力隨加載量增加非線性增大，整體表現(xiàn)為中心受壓兩側(cè)受拉的規(guī)律。模型試驗中混凝土標(biāo)號為C30，抗壓強度為16.70 MPa.抗拉強度為1.78 MPa.從混凝土表面應(yīng)力可以看出，當(dāng)加載至285kN時，最大壓應(yīng)力為14.6 MPa.最大拉應(yīng)力為1.2MPa，格梁未發(fā)生破壞。說明格梁經(jīng)過植筋技術(shù)加固后，能承受更大的滑坡推力而不發(fā)生破壞，說明植筋技術(shù)加固缺陷格梁效果顯著。

（2）加固后鋼筋應(yīng)力分析。加固后鋼筋應(yīng)力變化曲線（橫梁H3）見圖9。加固后鋼筋應(yīng)力曲線與加固前應(yīng)力曲線大致相似，其最大區(qū)別在于加固后鋼筋應(yīng)力顯著減小。由于鋼筋應(yīng)力越大格梁越趨于變形甚至破壞，因此鋼筋應(yīng)力減小正是植筋技術(shù)改良的結(jié)果。加固后鋼筋應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力由植筋層承受，表明鋼筋受力得到改善。如加載至220 kN時，加固前最大鋼筋應(yīng)力為78.1 MPa，格梁發(fā)生了破壞;加固后，加載至285 kN時最大鋼筋應(yīng)力僅為49.6 MPa.降低了36.5%。

加載前監(jiān)測點HD3 -8曲線峰值最大，加載后監(jiān)測點HD3 -3曲線峰值最大，依照鋼筋應(yīng)力峰值最大最易破壞的原則，分析監(jiān)測點HD3 -8、HD3 -3鋼筋應(yīng)力變化（見表1）。從表1應(yīng)力值可以看出，加固后應(yīng)力值明顯減小，說明該技術(shù)有效改良了格梁的受力特征。

（3）加固后格梁破壞試驗格梁彎矩分析。加固后橫梁H2彎矩曲線（見圖10）顯示：加載量為40～ 120kN時，各監(jiān)測點彎矩隨加載量變化較小;當(dāng)加載量大于120 kN時，各監(jiān)測點彎矩隨加載量增大急劇增大，呈現(xiàn)出2個波峰和1個波谷，波峰分布于監(jiān)測點H2-2和監(jiān)測點H2-7，波谷分布于監(jiān)測點H2-5附近，最大彎矩位于監(jiān)測點H2-2。在加載量為40—120 kN時，后部推力作用于格梁工程時，最外層的植筋層承受彎矩，格梁自身承受的彎矩很小;當(dāng)加載量增加至120kN時，彎矩數(shù)值開始增大，表明格梁承受的彎矩增大，植筋層先于格梁受力。此時監(jiān)測點H2-4所承受的彎矩為38.5 N·m.加固前加載至120 kN時，監(jiān)測點H2-4所承受的彎矩值為175 N·m.說明有136.5 N·m的彎矩由植筋層所承受，植筋層所承受的荷載分擔(dān)比（植筋層所承受的彎矩和格梁所承受的彎矩的比值）約78%。豎梁Sl彎矩曲線（見圖11）顯示：彎矩分布曲線共2個波峰和1個波谷，波峰分布于監(jiān)測點Sl-3與Sl-4之間與監(jiān)測點Sl-7，波谷分布于監(jiān)測點Sl-5。豎梁彎矩曲線與橫梁彎矩曲線相似，在加載量為0～120 kN時，彎矩變化較小，加載量大于120 kN時，彎矩突然增大。加載量≤120 kN時，主要體現(xiàn)在滑體擠密變形，為格梁與土體相互擠壓、協(xié)調(diào)作用的過程，該階段格梁彎矩變化不大：加載量大于120 kN時，土體已經(jīng)密實，荷載能更好地直接作用在格梁上，該階段格梁彎矩變化較大。

橫梁H2監(jiān)測點H2-4與H2-5之間的彎矩值最大，豎梁Sl-7（加固前豎梁Sl-6）處彎矩最大，依照格梁彎矩最大最易破壞的原則，分析其彎矩值（見表2）。對植筋技術(shù)加固前后格梁彎矩進行對比：加固后格梁彎矩顯著降低，為加固前的20%～ 30%。如橫梁H2，加固前彎矩最大值（加載量為220 kN）絕對值為540.40 N·m.加固后彎矩最大值（加載量為285 kN）絕對值為119.50 N·m.是加固前的22%;再如豎梁Sl.加載量為285 kN時，加固前彎矩最大值為930.79N·m.加固后彎矩最大值為215.30 N·m.是加固前的23%。由此說明，植筋技術(shù)加固格梁是有效的。

3 討論

以上成果基本反映了植筋技術(shù)加固后格梁應(yīng)力、彎矩的改善情況。但是，室內(nèi)試驗的加載系統(tǒng)不能加載至植筋技術(shù)加固后格梁破壞，因此不能得出極限狀態(tài)下植筋層和格梁復(fù)合體的內(nèi)力和彎矩。因此，要定量分析植筋技術(shù)加固格梁的設(shè)計依據(jù)與理論方程推導(dǎo)，目前的測試結(jié)果不能滿足。受試驗條件限制，模型試驗的滑動面設(shè)為水平方向加載，這在實際工程中是很少見的。無論水平滑面還是非水平滑面，下滑力均是沿滑動方向平行于滑面作用在格梁上，因此兩者力學(xué)模型上相似，結(jié)論也相似。

下一步要做的是采用更大量程的加載系統(tǒng)，開展非水平滑面模型試驗，進而獲取植筋層和格梁復(fù)合體極限狀態(tài)下的內(nèi)力和彎矩，為植筋技術(shù)加固格梁設(shè)計提供理論支持。

4 結(jié)論

通過開展植筋技術(shù)加固格梁模型試驗，對加固前后格梁內(nèi)力、彎矩的變化進行了對比分析，取得以下認(rèn)識：植筋技術(shù)和格梁復(fù)合體并不是同時受力，植筋層先于格梁受力，橫梁H2植筋層所承受的荷載分擔(dān)比約為78%：對比植筋技術(shù)加固前后格梁配筋應(yīng)力發(fā)現(xiàn)，加固后鋼筋受力得到改善，如加載至285 kN時，加固前最大鋼筋應(yīng)力為78.1 kPa，加固后最大鋼筋應(yīng)力僅為49.6 kPa，降低了36.5%，說明植筋技術(shù)加固格梁效果顯著;對比植筋技術(shù)加固前后格梁彎矩發(fā)現(xiàn)，加固后格梁彎矩顯著降低，為加固前的20%～ 30%，說明植筋技術(shù)加固格梁是有效的。

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