浸水前后膨脹土邊坡錨桿拉拔試驗(yàn)分析

【摘 要】針對浸潤前后膨脹土邊坡錨桿強(qiáng)度問題進(jìn)行研究，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，得到膨脹土邊坡浸水前后錨桿的拉拔荷載位移曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）浸水前后錨桿的拉拔荷載位移曲線均表現(xiàn)出“直線—曲線—直線”的階段性特征，錨桿錨固長度與錨桿極限承載力的關(guān)系近似為線性關(guān)系；（2）錨固長度為70 cm、65 cm、60 cm、55 cm和50 cm的錨桿在浸水后錨桿極限承載力衰減了62.5%、67.5%、67.6%、68.8%和63.9%。

【關(guān)鍵詞】膨脹土邊坡； 極限承載力； 浸水； 拉拔試驗(yàn)

【中圖分類號】TU472.99【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

膨脹土是非飽和土體中不同于一般土體的特殊土體，膨脹土的干縮濕脹、裂隙變形反復(fù)發(fā)育特性，對邊坡工程造成的損失和影響是不可忽視的［1］。有研究表明，剛施工完成不久的邊坡穩(wěn)定性較差，尤其是膨脹土邊坡更是如此，不同于普通邊坡的是其失穩(wěn)破壞具有淺層性和漸進(jìn)性的特征［2，3］。工程中由膨脹土產(chǎn)生的危害常常是漸進(jìn)的和潛在的，有時是無法補(bǔ)救的，所以膨脹土又稱“災(zāi)害性土”［4-7］。

現(xiàn)實(shí)中建成的膨脹土邊坡工程項(xiàng)目發(fā)生破壞的消息一直是不絕于耳的，據(jù)相關(guān)專業(yè)組織提供的資料顯示，全球各國在邊坡工程尤其是膨脹土邊坡方面的損失超過1 200億元人民幣［8］。目前，世界上已有數(shù)十個國家發(fā)現(xiàn)膨脹土的存在，也接二連三的因膨脹土邊坡問題，給全球各國人民的帶來不同程度的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)勘察資料顯示，除小部分省份和自治區(qū)都或多或少的發(fā)現(xiàn)膨脹土的存在［9-12］。特別是大暴雨的惡劣天氣條件下，在雨水的作用下，極易出現(xiàn)大面積滑坡的現(xiàn)象。膨脹土的脹縮變形，導(dǎo)致錨桿錨固體與周邊土體發(fā)生相對位移，因此錨桿錨固體的沿長摩阻力分布受到影響，從而錨桿作用機(jī)理與一般邊坡錨桿作用機(jī)理存在差異；且膨脹土的反復(fù)脹縮變形也會加劇雨水浸入，浸水后會降低土體的抗剪強(qiáng)度，最終導(dǎo)致錨桿錨固性能下降［13-14］。綜上所述，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)對浸水后錨桿錨固強(qiáng)度變化展開研究，探究了錨樁的荷載位移的特征，極限承載力的衰減情況。

1 試驗(yàn)方案與步驟

1.1 試驗(yàn)方案

綜合考慮現(xiàn)場工程中錨桿的錨固體直徑及室內(nèi)模型尺寸的限制，本試驗(yàn)先設(shè)計(jì)了5種具有相同錨固體直徑、錨固長度不同的現(xiàn)澆錨桿的承載能力，為了研究膨脹土邊坡浸水膨脹穩(wěn)定后錨桿極限承載力的改變程度，設(shè)計(jì)了對應(yīng)的5種錨桿，并結(jié)合膨脹土邊坡處于最優(yōu)含水率狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果對比分析極限承載力的改變程度。試驗(yàn)方案具體見表1。

1.2試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)使用EOS 200D數(shù)碼單反相機(jī)、三腳架、無頻閃LED 泛光燈、模型箱、加載裝置、位移測量裝置，按照圖1、圖2布置試驗(yàn)裝置。

1.3 試驗(yàn)步驟

1.3.1 試驗(yàn)土樣預(yù)制

提前制備含水率為最優(yōu)含水率23.0%的土樣，將預(yù)制土樣裝入大號塑料桶中，土體表面采用濕毛巾覆蓋保濕，再采用保鮮膜覆蓋，最后蓋上密封的桶蓋，靜置72 h使土體內(nèi)水分分布均勻。

1.3.2 邊坡土樣分層擊實(shí)

擊實(shí)方式為人工擊實(shí)。邊坡試驗(yàn)土樣共分為8層，每層厚度為10 cm，提前擺放好標(biāo)定完成后的模型箱，提前預(yù)留錨桿位置，在擊實(shí)過程采用PVC半圓管預(yù)先留設(shè)錨固體孔道，擊實(shí)成型后撤去PVC半圓管。在土樣分層擊實(shí)前在模型箱底部鋪設(shè)一層20 mm厚的砂墊層提高浸水效率。邊坡土樣分層擊實(shí)完成后，在邊坡土體表面采用濕毛巾配合保鮮膜覆蓋養(yǎng)護(hù)，減少邊坡土體的水分流失，邊坡土樣靜置7天，使土樣內(nèi)部應(yīng)力分布均勻。

1.3.3 錨桿澆筑

錨桿桿體采用HRB400的鋼筋，直徑為8 mm。選用42.5普通硅酸鹽水泥，砂采用中細(xì)砂，砂漿配比為水∶水泥∶砂=0.5∶1∶1.2。錨固體采用水泥砂漿進(jìn)行現(xiàn)澆。注漿采用無壓力注漿，利用重力注漿。注漿前使用鐵絲對錨桿孔壁進(jìn)行刮毛，隨后清孔，注漿時利用錨桿桿體進(jìn)行振搗，確保澆筑錨桿錨固體的質(zhì)量，同時確保錨桿垂直于坡面?，F(xiàn)澆錨桿前預(yù)先使用透明硅脂涂抹在錨孔的有機(jī)玻璃側(cè)壁進(jìn)行潤滑，防止錨固體與有機(jī)玻璃側(cè)壁黏結(jié)。錨桿澆筑完成后養(yǎng)護(hù)28天，確保錨桿質(zhì)量。上一根錨桿拉拔完成后，用同樣方法制作邊坡，并在同一位置澆筑其他錨桿進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.4 模擬河道蓄水

采用人工加水的方式模擬河道處于高水位的狀態(tài)，加水速率約為6 L/min，持續(xù)20 min，一共加水120 L。

1.3.5 儀器安裝

儀器安裝分為百分表布置、輪滑組安裝。在布置百分表前，就地取材使用可塑性良好的膨脹土支模，再使用速硬早強(qiáng)水泥澆筑垂直于錨桿桿體的平臺，同時在平臺上安放一張平整的不銹鋼規(guī)則薄板，保證錨桿頂端拓展截面的平整度，來保證后續(xù)百分表讀數(shù)的可靠性和準(zhǔn)確度。將萬向表座牢固吸附在模型箱上，安裝百分表，使得百分表測頭平行于錨桿桿體垂直于錨桿頂端拓展截面，將滑輪組牢固固定在模型箱對應(yīng)的位置，利用鋼絲繩穿過錨桿桿體端部預(yù)留的孔洞和輪滑組。

1.3.6 錨桿拉拔

采用砝碼進(jìn)行分級加載，試驗(yàn)加載步驟依據(jù)CECS 22∶90《土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》進(jìn)行。各級加荷完成后，同時抄錄加荷數(shù)值和位移值，然后依據(jù)規(guī)范進(jìn)行后一級加荷，直到試驗(yàn)終止。

上一根錨桿拉拔完成后，用同樣方法制作邊坡，并在同一位置澆筑其他錨桿進(jìn)行試驗(yàn)。

膨脹土邊坡浸水錨桿拉拔試驗(yàn)是在完成膨脹土邊坡處于最優(yōu)含水率下的室內(nèi)膨脹土邊坡錨桿拉拔試驗(yàn)之后，接著進(jìn)行的試驗(yàn)。膨脹土邊坡浸水錨桿拉拔試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟主要是平整膨脹土邊坡、錨桿澆筑、模擬河道蓄水、儀器安裝、錨桿拉拔。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

浸水前后錨桿荷載位移曲線對比分析見圖3。

根據(jù)圖3膨脹土邊坡浸水前后錨桿拉拔力荷載與位移的關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)浸水前錨桿拉拔力荷載與位移的關(guān)系曲線起始階段近似為線性關(guān)系，可以認(rèn)為該階段錨固體土體界面變形處于彈性變形階段，同時彈性變形階段持續(xù)比較長；浸水后錨桿拉拔力荷載與位移的關(guān)系曲線起始階段表現(xiàn)為短暫的線性關(guān)系，土體彈性變形持續(xù)較短。另外，可以發(fā)現(xiàn)浸水前錨桿拉拔力荷載與位移的關(guān)系曲線第二階段即曲線斜率逐漸變小的階段持續(xù)較短，緊接著進(jìn)入斜率趨于零的塑性變形階段；而浸水前錨桿拉拔力荷載與位移的關(guān)系曲線第二階段，曲線斜率逐漸變小的持續(xù)較長，即錨固體土體界面發(fā)生彈塑性變形持續(xù)時間較久，緊接著土體會發(fā)生以塑性變形為主的階段。數(shù)值上，5種不同類型的錨桿浸水前后錨桿的極限承載力都發(fā)生了極大的衰減，具體情況：錨固長度70 cm的錨桿浸水后較膨脹土邊坡處于最優(yōu)含水率時錨桿極限承載力從1 200 N衰減至450 N；錨固長度65 cm的錨桿浸水后較膨脹土邊坡處于最優(yōu)含水率時錨桿極限承載力從1 000 N衰減至325 N；錨固長度60 cm的錨桿浸水后較膨脹土邊坡處于最優(yōu)含水率時錨桿極限承載力從850 N衰減至275 N；錨固長度55 cm的錨桿浸水后較膨脹土邊坡處于最優(yōu)含水率時錨桿極限承載力從600 N衰減至187.5 N；錨固長度50 cm的錨桿浸水后較膨脹土邊坡處于最優(yōu)含水率時錨桿極限承載力從450 N衰減至162.5 N（圖4）。

根據(jù)圖4浸水前后極限承載力與錨固長度曲線可知，錨固長度為70 cm、65 cm、60 cm、55 cm和50 cm的錨桿在浸水后錨桿極限承載力衰減了62.5%、67.5%、67.6%、68.8%和63.9%。錨桿極限承載力在浸水后發(fā)生大幅度衰減原因有幾點(diǎn)。

（1）浸水前膨脹土邊坡中的土體處于非飽和狀態(tài)，浸水后，膨脹土邊坡的土體由非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，膨脹土邊坡土體進(jìn)入飽和狀態(tài)后，膨脹土邊坡土體吸力降低，甚至喪失，孔壓升高，有效應(yīng)力降低。

（2）膨脹土邊坡土體從非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)過程中，土中的膠結(jié)物質(zhì)隨之軟化，土體結(jié)構(gòu)性變差甚至消失，導(dǎo)致膨脹土強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

（3）從微觀角度上來說，膨脹土邊坡浸水后，在膨脹土礦物顆粒表面形成一層水膜，不僅起到潤滑作用，還降低了土體顆粒的粘聚力和摩擦角，抗剪強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

本文通過浸水前后膨脹土邊坡錨桿拉拔試驗(yàn)研究了不同錨固長度、膨脹土邊坡浸水前后錨桿承載力的變化規(guī)律。具體結(jié)論：

（1）浸水前后錨桿的拉拔荷載位移曲線均表現(xiàn)出“直線—曲線—直線”的階段性特征，主要分為三個階段：①彈性階段，拉拔力荷載與錨桿頂端產(chǎn)生的位移顯示為近似的線性關(guān)系；②彈塑性變形階段，拉拔力荷載與錨桿頂端位移產(chǎn)生的位移顯示為非線性關(guān)系；③塑性變形階段，錨桿的拉拔力荷載增加不大的情況下，錨桿頂端位移快速增長。錨固長度

為70 cm、65 cm、60 cm、55 cm和50 cm的錨桿在浸水后錨桿極限承載力衰減了62.5%、67.5%、67.6%、68.8%和63.9%。

（2）浸水前膨脹土邊坡中的土體處于非飽和狀態(tài)，浸水后，膨脹土邊坡的土體由非飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，膨脹土邊坡土體進(jìn)入飽和狀態(tài)后，土體吸力降低，孔壓升高，有效應(yīng)力降低；同時在飽和狀態(tài)下的膨脹土礦物顆粒表面形成一層水膜，起到了潤滑作用，降低了土體顆粒的粘聚力和摩擦角，宏觀表現(xiàn)為土體軟化，抗剪強(qiáng)度降低。

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［作者簡介］嚴(yán)太勇（1976—），男，本科，高級工程師，主要從事水利水電工程檢測工作。

［通信作者］任金誠（1998—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)閹r土工程。