粉砂質(zhì)碎石土層中錨桿錨固性能研究

曹 正，李 東

（1.中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都 610000；2.貴陽(yáng)市交通集團(tuán)項(xiàng)目管理公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

在邊坡治理工程中，錨桿框架梁具有較好的加固效果，錨桿能有效增加潛在滑移坡體的抗滑力，框架梁能有效增加坡體的整體性和護(hù)坡功能，兩者的結(jié)合能有效提高邊坡整體穩(wěn)定性，降低滑移失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，該措施在邊坡工程中應(yīng)用較廣泛。但在碎石土邊坡中，雖然錨桿框架梁護(hù)坡對(duì)破碎巖體具有固結(jié)穩(wěn)定作用，護(hù)坡效果也較好，但是在施工過(guò)程中，錨桿極易受土體裂隙、地下水層位、錨固深度、錨桿材料、注漿壓力、外加荷載等因素影響，導(dǎo)致錨桿導(dǎo)致錨固力損失?；谝陨蠁?wèn)題，有待研究碎石土邊坡中錨桿的錨固性能。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者針對(duì)上述問(wèn)題也做了諸多研究。張文昌[1]從實(shí)際工程出發(fā)，對(duì)高切坡的掛網(wǎng)錨桿支護(hù)措施及工施工工序要點(diǎn)進(jìn)行了仔細(xì)分析；王文濤等[2]以實(shí)際工程為依托，對(duì)框架梁變形、錨桿成孔工藝及注漿困難問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)概述及分析，并提出了具體的解決措施；蔡學(xué)智[3]以實(shí)際工程為例，對(duì)碎石土邊坡錨索框架梁施工方法進(jìn)行了研究探討，提出了實(shí)施方案，解決了成孔難題；曾偉金[4]從土質(zhì)高邊坡實(shí)際工程出發(fā)，介紹了錨桿及框架梁聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的治理效果，總結(jié)了相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)；夏長(zhǎng)城[5]在考慮了碎石土邊坡穩(wěn)定性影響因素后，通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了碎石土的力學(xué)特性，分析了碎石土的C值和φ值變化規(guī)律。而在加固邊坡穩(wěn)定性分析中，強(qiáng)度和變形特性一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在之前的研究中，如ZHOU 等[6]所討論的預(yù)應(yīng)力錨桿變形與邊坡的變形是成對(duì)比的；HE 等[7]利用WINKLER 在1876 年提出的彈性基礎(chǔ)梁模型，分析預(yù)應(yīng)力錨固基礎(chǔ)梁與基礎(chǔ)之間的相互作用；ZENKOUR[8]采用簡(jiǎn)單和混合剪切變形理論，研究了彈性板的受力狀態(tài)和位移狀態(tài)；LIEW 等[9]研究了WINKLER 地基上Mindlin 板的微分求積方法?？梢?jiàn)，雖然邊坡的強(qiáng)度穩(wěn)定性在許多工程邊坡中得到了廣泛的關(guān)注，但是對(duì)于帶錨桿框架梁結(jié)構(gòu)的變形還沒(méi)有統(tǒng)一的分析方法，對(duì)帶錨框架結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算方法只做了有限的研究。

鑒于以上分析可知，碎石土邊坡中錨桿錨固性能的研究仍具有實(shí)際價(jià)值。本文將以貴陽(yáng)市觀潭大道在建項(xiàng)目為研究背景，以碎石土邊坡工程特性為切入點(diǎn)，對(duì)粉砂質(zhì)碎石土層中錨桿的錨固性能等方面進(jìn)行研究，分析結(jié)論對(duì)碎石土邊坡治理及類(lèi)似工程施工具有重要指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

1 工程概況

本文以貴陽(yáng)市觀潭大道在建項(xiàng)目為研究背景，研究探討錨桿支護(hù)對(duì)粉砂質(zhì)碎石土及破碎巖體邊坡穩(wěn)定性的增強(qiáng)效果。建設(shè)項(xiàng)目所在場(chǎng)區(qū)路塹邊坡覆蓋層從上至下均為粉砂質(zhì)碎石土、中風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖（局部含煤系地層）。粉砂質(zhì)碎石土呈灰褐、紅褐色，硬塑狀為主，稍濕，偶含鐵錳質(zhì)結(jié)核，稍有光澤，干強(qiáng)度和韌性中等，碎石等硬質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～50%，碎石骨架以泥巖和泥灰?guī)r為主。地勘揭露粉砂質(zhì)碎石土強(qiáng)度中等，土體松散破碎。中風(fēng)化泥巖或中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖呈深灰色，薄至中厚層，局部夾深褐色頁(yè)巖。巖體層間有夾層，局部巖體夾層光滑，有沿傾角滑動(dòng)趨勢(shì)，整體巖質(zhì)破碎，穩(wěn)定性較差，遇水后穩(wěn)定性降低。

2 碎石土邊坡工程特性及加固措施

根據(jù)定義，碎石土具有孔隙大、透水性強(qiáng)、變形小等特點(diǎn)，其力學(xué)性質(zhì)一般與含石量、土質(zhì)特性、土石膠結(jié)模式及含水量等因素有關(guān)。一般而言，碎石土邊坡失穩(wěn)破壞模式主要有滑移破壞、泥石流、崩塌破壞等。當(dāng)碎石土邊坡坡體中軟弱結(jié)構(gòu)面剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度時(shí)，坡體將發(fā)生滑移破壞，受降雨、地震、施工開(kāi)挖方式及自身性質(zhì)的影響較大。當(dāng)降雨量較大時(shí)，坡體同時(shí)具有一定的匯水面積及物源物質(zhì)，水流與碎石土體一同流下形成泥石流災(zāi)害。崩塌破壞往往是由于巖土體承受的荷載超過(guò)了其極限抗拉強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度而失穩(wěn)破壞。

對(duì)于碎石土邊坡的治理措施，多采用“錨桿+框架梁”和“預(yù)應(yīng)力錨索+框架梁”等支護(hù)形式，錨桿及預(yù)應(yīng)力錨索可增加錨固力以提高邊坡抗滑力，框架梁使得邊坡完整性更強(qiáng)，應(yīng)力分配更均勻。在錨桿框架梁加固的邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)中，錨桿是主要的受力構(gòu)件和傳力構(gòu)件，即坡土自重和外荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力通過(guò)錨桿與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的連接傳遞到自由截面上。錨桿作為此類(lèi)支護(hù)體系的主要受力和傳力構(gòu)件，其變形直接影響邊坡支護(hù)體系的整體加固效果。

3 碎石土邊坡錨固計(jì)算理論

3.1 錨桿錨固力計(jì)算理論

根據(jù)土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，圓柱形錨桿錨固力（K·Nt）計(jì)算公式如下。

對(duì)于黏性土：

對(duì)于非黏性土：

式（1）（2）中：K為安全系數(shù)；Nt為土層錨桿的軸向拉力設(shè)計(jì)值；d2為錨固體直徑；La為錨固段長(zhǎng)度；σ為錨固體剪切面上法向應(yīng)力；φ為土體內(nèi)摩擦角。

而對(duì)于土層中錨桿錨固體與土體的粘結(jié)強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式（3）中，k0為錨桿錨固段土壓力系數(shù)；γ為土體天然重度；h為錨固體中點(diǎn)埋深。

3.2 錨桿拉拔力計(jì)算模型

錨桿拉拔力計(jì)算模型可用Burgers 模型表達(dá)[10]，它與蠕變位移的關(guān)系為：

式（4）中：u為蠕變位移；F0為恒定軸向拉拔力；K1、K2為彈簧元件的剛度；η1、η2為粘滯系數(shù)。

根據(jù)大量試驗(yàn)，砂漿-巖土界面之間的摩擦力大于錨桿與砂漿界面之間的摩擦力。因此，砂漿-巖土界面之間的摩擦力主要用于抵抗施加在錨桿系統(tǒng)中錨桿端部的上拔力，錨桿抗拔承載力的計(jì)算公式為：

Fu=πdLaτ（5）

式（5）中：Fu為對(duì)錨桿施加得極限拉拔荷載；d為錨桿直徑；τ為錨桿-砂漿界面的粘結(jié)應(yīng)力。

3.3 框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計(jì)算

對(duì)于框架梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算，在確定錨桿設(shè)計(jì)錨固力后，將2 個(gè)錨固點(diǎn)之間框架梁簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁計(jì)算內(nèi)力，采取最不利原則，用錨桿的最大設(shè)計(jì)荷載T近似計(jì)算分布荷載P，即：

式（6）（7）中：T1、T2為框架梁兩端錨桿的設(shè)計(jì)荷載；L為兩錨桿之間的框架梁長(zhǎng)度。

如果T1=T2=T，此時(shí)框架梁上所受荷載為均布荷載，則有：

為保證錨桿邊坡變形時(shí)框架梁的安全，在設(shè)計(jì)計(jì)算中，常將系數(shù)乘以1.5 或錨桿極限荷載納入上述公式進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于框架梁的結(jié)構(gòu)變形計(jì)算方法，經(jīng)典的方法是將框架橫梁、豎梁劃分為橫梁?jiǎn)卧⒇Q梁?jiǎn)卧暈檫B續(xù)梁，并用結(jié)構(gòu)力學(xué)中的方法進(jìn)行計(jì)算。

4 碎石土邊坡錨桿抗拔力影響因素

4.1 巖土工程條件

各場(chǎng)區(qū)地質(zhì)應(yīng)力的不同導(dǎo)致巖土體力學(xué)性質(zhì)存在各向異性，該差異將導(dǎo)致不同邊坡存在不同的破壞模式，也將造成支護(hù)結(jié)構(gòu)以不同的形式失效。對(duì)于錨桿框架梁加固碎石土邊坡，巖土體力學(xué)性質(zhì)的不同將導(dǎo)致錨桿破壞模式、極限拉拔承載力及失效機(jī)理等均有所差異。在強(qiáng)降雨時(shí)，雨水會(huì)滲透到巖體中，降低巖體的抗剪強(qiáng)度，這些環(huán)境因素都會(huì)引起錨桿錨固力的變化。當(dāng)土體較軟時(shí)，黏結(jié)摩擦強(qiáng)度最大值較小，應(yīng)力分布范圍大且均勻。當(dāng)錨桿通過(guò)巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面，巖體內(nèi)部裂隙在錨固力作用下受到壓縮，這也會(huì)造成錨桿錨固力的損失。

4.2 人為控制因素

在碎石土邊坡工程治理中，錨桿錨固性能發(fā)揮程度取決于錨桿的設(shè)計(jì)與施工工藝。在碎石土體中，施工錨桿極易受土體裂隙、地下水層位、錨固深度、錨桿材料、注漿壓力、外加荷載等因素影響，導(dǎo)致錨桿抗拔力損失，從而達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。在錨固段注入的砂漿在碎石土中擴(kuò)散是很不均勻的，這將導(dǎo)致錨固段錨固強(qiáng)度分布不均，拉拔時(shí)會(huì)沿薄弱部位優(yōu)先啟動(dòng)拔出，從而失去承載力。錨桿拉拔完成后，錨固處的回彈變形與錨桿松弛會(huì)造成錨固力的損失。這種損失是不可避免的，但可以通過(guò)改進(jìn)施工方法和施工質(zhì)量來(lái)控制。除此，施工擾動(dòng)對(duì)其抗拔力也會(huì)產(chǎn)生一定程度影響。

5 碎石土邊坡錨桿抗拔力增強(qiáng)方法

5.1 采用合適的注漿方式

高壓注漿能增加砂漿在碎石土層中的擴(kuò)散半徑，相當(dāng)于擴(kuò)大了砂漿與碎石土層的有效接觸面積。高壓注漿對(duì)碎石土、粗砂及滲透系數(shù)較大的中砂有顯著效果，而對(duì)于滲透系數(shù)較小的中砂及細(xì)砂，效果并不明顯。當(dāng)淤泥質(zhì)土、黏土、碎石土的抗剪強(qiáng)度小或流砂等原因?qū)е裸@孔達(dá)不到設(shè)計(jì)孔深時(shí)，可采用二次高壓灌漿處理，二次注漿形成的異形體能改善錨桿周?chē)馏w和粘結(jié)灌漿體的力學(xué)性能。

5.2 提高錨桿摩阻力

一般來(lái)說(shuō)，隨著錨桿的連續(xù)拉拔，錨桿末端首先與地面發(fā)生較大的剪切，產(chǎn)生一定的塑性變形，端面摩擦阻力降低，摩擦阻力將向后傳遞。為了增加摩擦阻力，可采取延長(zhǎng)錨桿頭的措施，增加摩擦面積及增加摩擦阻力。對(duì)于砂漿錨桿，其拉拔阻力主要來(lái)自固體錨柱與地下層、錨柱與泥漿之間的摩擦力，提高摩擦阻力能有效提高錨桿的極限拉拔能力。

5.3 優(yōu)化施工工藝

優(yōu)化錨桿成孔工藝：可優(yōu)化鉆頭、鉆桿及鉆進(jìn)方式等來(lái)解決錨孔成孔進(jìn)尺慢、效率低的技術(shù)難題。若在成孔過(guò)程中進(jìn)行注漿工作，可有效提高錨桿抗拔力，但這一難題仍需要做大量的研究工作以尋求一套完備的一體化施工設(shè)備和技術(shù)。

優(yōu)化錨桿注漿工藝：由于碎石土層土質(zhì)松散，成孔完成后由于土層自持力較差易發(fā)生塌孔現(xiàn)象，針對(duì)這一問(wèn)題可采用套管跟進(jìn)技術(shù)。在注漿注滿(mǎn)時(shí)應(yīng)保持注漿壓力3～5 min，注漿時(shí)加入適量膨脹劑和速凝劑以促使?jié){體膨張、早凝及控制泌水。

優(yōu)化框架梁施工工藝：框架梁在現(xiàn)場(chǎng)施工中會(huì)出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象，針對(duì)這一難題可減小澆筑混凝土坍落度加以解決，并嚴(yán)格檢查各環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量，以達(dá)到設(shè)計(jì)效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文從碎石土邊坡工程特性出發(fā)，引入了錨桿框架梁錨固計(jì)算理論與模型，分析了碎石土邊坡中錨桿錨固力損失的影響因素，概述了碎石土邊坡錨桿抗拔力的提升方法，總結(jié)如下：①錨桿框架梁護(hù)坡對(duì)粉砂質(zhì)碎石土體、破碎巖體具有固結(jié)穩(wěn)定作用，護(hù)坡效果較好，但錨桿極易受土體裂隙、地下水層位、錨固深度、錨桿材料、注漿壓力、外加荷載等因素影響；②對(duì)錨桿施加拉拔力時(shí)，錨固區(qū)剪應(yīng)力取決于界面間的耦合機(jī)制，而錨固長(zhǎng)度越大，錨固區(qū)內(nèi)對(duì)外荷載的響應(yīng)范圍越大；③碎石土邊坡錨桿抗拔力增強(qiáng)方法可以從注漿方式、提高錨桿摩阻力及施工工藝等方面考慮。