注漿壓力對土釘抗拔力的影響研究

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土釘與周圍土體的相互作用機理一般可以通過室內(nèi)拉拔試驗進行研究。在實驗室試驗中，可以系統(tǒng)地改變參數(shù)，以評估其對土釘拉拔行為的影響。與室內(nèi)試驗相比，現(xiàn)場試驗較好地反映了不同影響參數(shù)在現(xiàn)場的影響效果[1-3]，因此，所得到的拉拔阻力與一定參數(shù)之間的關(guān)系更適合現(xiàn)場設(shè)計。文章對香港某天然斜坡土釘?shù)目拱涡赃M行了系統(tǒng)的研究，目的是評價注漿壓力和土體深度對土釘抗拔性能的影響?，F(xiàn)場對土釘?shù)墓酀{長度和灌漿壓力進行了精確控制，對典型的試驗結(jié)果進行了比較和討論，以提高對土釘現(xiàn)場拉拔性能的理解。

1 現(xiàn)場工況

試驗項目位于香港一個均勻的天然斜坡，地盤勘測工程顯示，最大斜坡高度為12m，坡長為26.5m。水平方向的坡度角從15°到48°不等?，F(xiàn)場土釘位置如圖1所示。從圖1中可以看出，這些土釘在現(xiàn)場涉及4個不同的土壤深度（2m、4m、6m、8m）。

圖1 現(xiàn)場土釘位置示意圖

2 拉拔試驗結(jié)果

土釘-土界面最大剪應(yīng)力是土釘支護設(shè)計中的一個重要參數(shù)。對于水泥灌漿土釘，發(fā)現(xiàn)最大剪應(yīng)力受灌漿壓力的顯著影響，也可能受上覆土壓力或土壤深度的影響。如上文所述，土釘?shù)默F(xiàn)場試驗涉及4種不同的灌漿壓力（0kPa、40kPa、80kPa和140kPa）和4種土壤深度（2m、4m、6m、8m）。

將最大拔出力除以土釘與土釘?shù)慕佑|面積，可直接求得土釘-土界面的最大剪應(yīng)力。土層釘-土界面最大剪應(yīng)力與灌漿壓力的關(guān)系如圖2所示，圖2顯示了兩個土壤深度處的最大剪應(yīng)力和灌漿壓力之間的關(guān)系。當(dāng)土層深度一定時，釘-土界面的最大剪應(yīng)力一般隨注漿壓力的增大而增大。在土層深度2m處，當(dāng)沒有灌漿壓力時，釘-土界面的最大剪應(yīng)力約為80kPa，但隨著灌漿壓力的增加，剪應(yīng)力幾乎呈線性增加。當(dāng)灌漿壓力為140kPa時，這些最大剪應(yīng)力的最大值約為120kPa。在土層深度6m處，釘-土界面的最大剪應(yīng)力仍隨著灌漿壓力的增加呈線性增加。這些最大剪應(yīng)力的最大值在灌漿壓力為140kPa時達到，因此，注漿壓力顯著提高了釘-土界面的剪應(yīng)力，最大剪應(yīng)力似乎與灌漿壓力的增加成線性關(guān)系。

圖2 土層釘-土界面最大剪應(yīng)力與灌漿壓力的關(guān)系

邊坡開挖時，土釘通常是韌性的。土釘支護系統(tǒng)的蠕變特性允許在釘-土界面上產(chǎn)生一定的相對位移，因此，研究特定拔出位移下釘-土界面的動剪應(yīng)力也很重要。不同拔出位移下釘頭平均剪應(yīng)力對比如圖3所示，顯示了不同拔出位移下，釘-土界面的剪應(yīng)力隨灌漿壓力的變化。結(jié)果表明，拉拔位移為10mm時的剪應(yīng)力最大，隨著拔出位移的進一步增大，釘-土界面的平均剪應(yīng)力略有減小。此外，隨著注漿壓力的增大，無論拔出位移大小，平均剪應(yīng)力都有較大幅度的提高。

圖3 不同拔出位移下釘頭平均剪應(yīng)力對比

圖3還顯示了不同拔出位移下平均剪應(yīng)力與土釘深度之間的關(guān)系，即剪切應(yīng)力與土層深度之間沒有明顯的相關(guān)性。這表明釘-土界面的平均剪應(yīng)力似乎與土壤深度（或上覆土壓力）無關(guān)。此外，雖然覆土壓力變化很大，但拔出位移為10mm時的剪應(yīng)力仍然是最大的。

3 計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)比較

在給定上覆土壓力、注漿壓力等基本參數(shù)和土的表觀黏聚力、摩擦角等土性參數(shù)的基礎(chǔ)上，直接求出相應(yīng)的抗拔力。假定表觀土壤黏聚力為10kPa，摩擦角為29.9°，破壞面間距離和臨界拉拔位移分別為10mm和8mm。安裝后的正應(yīng)力通常很小，約為5kPa，在已知灌漿壓力、覆土壓力和極限壓力的情況下，經(jīng)驗系數(shù)M值如下：

基于現(xiàn)場試驗結(jié)果和計算結(jié)果比較土釘?shù)目拱瘟θ鐖D4所示。圖4顯示了典型的土釘試驗結(jié)果和簡單模型與香港設(shè)計方法的計算結(jié)果，土釘?shù)目拱瘟εc覆土壓力無關(guān)。該方法的計算結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果吻合性較好。

圖4 基于現(xiàn)場試驗結(jié)果和計算結(jié)果比較土釘?shù)目拱瘟?/p>

假定臨界拉拔位移為6mm，單位重量為20kN/m3。根據(jù)現(xiàn)場測量，土釘直徑為122mm，鋼筋直徑為40mm。水泥漿和鋼筋的模量分別為30GPa和200GPa。因此，有效土釘模量計算如下：

式中：Ac和As分別為水泥和鋼筋的橫截面積，mm2；Ec和Es為相應(yīng)的材料彈性模量，kPa。室內(nèi)試驗結(jié)果表明，覆蓋層壓力（OP）和灌漿壓力（GP）對釘-土界面的剪應(yīng)力有交互作用，因此使用經(jīng)驗系數(shù)計算不同灌漿壓力和土壤深度（覆蓋層壓力）下的剛度系數(shù)k，如下所示：

式中：k0為初始剛度值，假定為15kPa/mm（對于無灌漿壓力的情況）。式（3）為經(jīng)驗擬合，因此這種關(guān)系在各種測試條件下可能不成立。

4 結(jié)論

在香港某邊坡上進行了一系列拉拔試驗，研究了覆土壓力和注漿壓力對土釘抗拔力的影響。根據(jù)現(xiàn)場拉拔試驗結(jié)果和試驗觀察，得出以下結(jié)論：

（1）對于壓力注漿土釘，出水管的水泥漿壓力遠低于注漿管的水泥漿壓力。主要原因有兩個：水泥漿不斷滲入鉆孔周圍的土壤孔隙中，導(dǎo)致水泥漿產(chǎn)生一定的壓力損失；水泥漿需要克服自重接近出水管，產(chǎn)生壓力損失。

（2）從鉆孔中拔出后的土釘表面可分為兩個典型層：漿土混合層和薄土層。破壞面似乎出現(xiàn)在土壤內(nèi)部，而不是灌漿-土壤界面，此外，拔出試驗后土釘表面不規(guī)則。

（3）由于水泥漿硬化過程吸收了周圍土壤中的水分，土釘表面土樣的含水量一般低于原鉆孔試件。土釘拔出后的土釘直徑與原鉆孔直徑相比有明顯增加。

（4）在無灌漿壓力的情況下，釘-土界面的平均拔出剪應(yīng)力對土層深度不敏感。當(dāng)采用注漿壓力時，釘-土界面的剪應(yīng)力有較大幅度的提高。