锚固钉的剪切特性.pdf

e嫩 铀圈 场 狮 7 8一 路基工程 1 9 9 7 年第 5 期(总第 7 4期)f=)。年 2、锚固钉的剪切特性 ，D s T 0 l a l(印度)，毕 篷 摘要加固近平垂直的边坡，土钉已经被证明是一种多用速和有斌，的结构形式。钉目结构物的分析涉震到沿着潜在滑面破坏时钉固轩件的抗剪、抗弯、抗拉和抗拔 的评价。分析中的关键因素是钉的抗拔力，它与破坏是渐近的。为了增加钉的抗拔 力，研制 了一种名为“锚固钉”的新型钉。这种钉在嵌入端固定有一个大直径的片 状尖头。在大尺寸剪切盒试验仪 中，时嵌入在粗颗粒土中的这种类型钉的剪切特性进行 了研究。同时，还研究了钉相对于剪切面的倾角变化的影响 试验结果表明：与常 规的钉相比，锚目钉呈现出更大的剪切阻力 钉的抗拔试验分有锚头和无锚头嵌入 土中两种形式且在不同的正应力下进行，试验结果表明 钉的屈服强度随着锚固端 直径的增大而成比倒的增大。本文给出了试验室剪切和抗拔试验结果并且讨论了锚 固钉的特点。1 引言 通常称作为土钉的一种原位侧向土体支撑系统正在广泛用于支撑天然的土质边坡。土钉 技术的采用不仅会减小l 0 3 5 的工程造价(布鲁斯1 9 9 3)，而且也为边坡稳定性问题提 供了一种永久性的解决方法 土钉技术实质上改善了土体的强度特性，而且可以在不损害稳 定性的条件下施工。借助于钉固扦件的多重作用，土体被约束在一起来承受压缩、张拉、弯 曲和剪力。每一根钉固杆件约束它周围邻近处的土体处于平衡状态并且阻止未得到加固的内 部土体向外运动。因此，这种内部稳定性状态决定了钉固杆件的间距。一般采用的有代表性直径的土钉，钉的极限抗剪强度仅有一小部份得到发挥。依据所表 S 培语 通过本敬水中施工结果及轻量材料的配台试验，可明确 以下事项和课题。(1)弃土的细粒成分在 5 O 左右时，经过膨润土细粒成分的调整即可使用。(2)为抵抗在水中的分离性而掭加的增粘剂量，可根据弃土细粒成分的多少而增减。(3)为了增粘剂量的管理，需要进行弃土的细粒成分测定，希望能研制出一次可以进行 大量筛分的机械。(4)本敬施工取得了良好的教果。今后应积累施工实例，据以进行必要的安全性检验。译 自，土 基础VO l 4 4 N0 5 P P 3 3 3 5 干晓艘译(蛙道部第二勘畏 I 设计院)收 膏 日期 1 9 9 7 0 2 2 6 维普资讯 http:/ DS T o a e t ：锚周钉的剪切特性 7 9 迭的土体抗剪强度方面的改善，人们发现，与钉中产生的轴向力相比，使用土钉的好处在于 杆件的抗剪力总是适中的(沈等人，1 9 8 1)。沈等人(1 9 8 1)提出了钉固结构物设计的极限力平衡法，班吉等人(1 9 9 1)考虑了钉的 抗拉和抗拔力。由于钉的拔出破坏是渐近的，因而钉的抗拔力也影响着局部稳定安全系数。就 普遍性的滑动来讲，钉的抗拔力可能要比整体安全系数更为关键(裘兰等人，1 9 9 0)。钉抗拔力的估计要使用由斯科洛塞和盖洛科斯(1 9 8 1)以及布鲁德奥等人(1 9 8 4)提出 的两个公式来进行。在两个公式中，除了土的粘聚力、内摩擦力和钉的倾 角之外，钉的抗拔 力直接与钉的直径 周长成正 比。因此，在给定的土体条件下，通过增大钉的直径，钉的抗拔 力可以增大。为了达到经济的且的，也考虑到由于钉的极限抗剪强度的-J,部份得到了发挥，在施工中钉的嵌入端采用大直径的尖头是可行的。这种钉的有效直径等于增大的尖头直径。这 种类型的钉被称之为“锚固钉”。由于锚固钉具有较高的抗拔能力，与常规的钉相比，可 以设想到，它的抗剪强度能得到 较大程度的发挥。为了证明它的抗拔与抗剪性能，进行了详细的试验室试验。2 背景材料 铰德利(1 9 9 0)和裘兰等人(1 9 9 1)分别进行过以钢筋作为钉固材料加固的土体的室内 小比例试验。其加筋直剪试验表明，钉固杆件穿过剪切面放置所引起的土的剪阻力增加量是 土强度参数 f 和 P，钉固杆件与垂直线成 0 角，剪切位移和极限剪切力以及拉力的函数。一般 说来，钉固杆件最先发生拔 出破坏，随后剪切力才能发挥发挥的剪切力大小相对于拉力来 说是适中的。因而，人们主张，钉固结构物设计时考虑钉固杆件的抗拔强度和抗拉强度 如图 l 所示；钉的抗拔和抗拉力可通过在钉固杆件两 端加挡板来增加。假定受拉时，拉力为正，可以设想出，钉 固杆件的正应力增加了，并且减小了由土承受的剪力。当给 直径为d的钉固杆件加上直径为 D的挡板时正应力的增 大和土承受的剪力的减小是与 D d成正比的。就抗拔力和 拉力的发挥来讲，给钉固杆件加上挡板预计有更好的效果。3 试验室试验 在平面应变条件下，如同在直剪试验中一样，土在加入 了刚性的钉固杆件后的特性是最好分析的。直剪试验提供 了一个关键性的剪切面，该面位于仪器的中央部位，以便研 圈1 对钉进行的剪切盘试验 究穿越该剪切面放置的钉固杆件的作用效果 因此，在试验室里对用 圆钢筋作钉固杆件的千 砂和冲积粉土中进行了剪切试验。两种试验用土的性质在表 l中给出。袭 1 试验用土的性质 维普资讯 http:/ 8 0 路基工程 1 9 9 7年第 5 期(总第7 4期)3 1 剪切盒剪切试验 所进行的试验类型如下：(1)置人土中的钉固杆件穿越剪切面并呈垂直状。(2)置人土中的钉固杆件穿越剪切面并与剪切面法线成 3 O。夹角。钉固杆件的组成如下：(1)5根直径为 2 m m 的钢筋。(2)5根直径为 2 m m 的钢筋焊到一块垫板上。(3)5根直径为 2 h i m 的钢筋，在其下端焊有直径为 2 0 m m 的挡板(4)5 根直径为 2 mm的钢筋，在其上、下端各焊有直径分别为 1 0 ri m和 2 0 mm 的挡板。(5)5 根直径为 6 m m 的钢筋。(6)5 根直径为 6 mm 的钢筋，在其两端均焊有直径为 1 5 mm 的挡板。3 2 钉圃冲积土的剪切盒剪切试验结果 从图 2中可以看出，复合钉固土的粘聚力参数从纯土的c=1 2 k P a变化到垂直剪切面放 置有 5根直径为 6 m m 的钢筋，并且在两端各焊有直径 为 1 5 mm 的挡板 情况下 的 C=5 2 k P a。然而，复合钉固土的摩擦角在相应情况下从 3 6。减小到了 3 l。对于所有其它类型的 钉固材料，剪切参数的变化较小。童 荟 +H 冲搬粉土 h土中无町嗣杆件 2 l 5|l 暑 m m帮蕾下雌鼻在楹上 3|l 2 m m锕蕾霄鼻宥直径2 o 衄 的楹 剪应力 k P l 圈2 在冲积土中钉固扦件与剪切面垂直放置 的剪 切盒试验结果 重 R 冲搬粉士 l，士中无町一杆件 O 5 0 1 0 0 1 5 0 主虚力 P 丑 圈 3 钉厨杆件与剪切面法线成 3 O。角放置的剪讶 盒试验结果 维普资讯 http:/ DS To l i a a t 锚固钉 的剪切特性 8 1 在把两端各焊有直径为 1 5 mm挡板的 6 m m粗钉固杆件放置到与剪切面法线成 3 0。夹角 时，也得到类似的结果，见图 3。虽然粘聚力参数从 1 2 k P a增大到 4 6 k P a，但剪切角变化甚 小。3 3 钉 固砂的剪切盘剪切试验结果 在钉固砂剪切试验结果中可以看到，钉固杆件明显地增大了粘聚力。图 4 表明，粘聚力 从纯砂中的 4 k P a到砂中放置在两端各焊有直径为 1 5 mm挡板的 6 mm粗钢筋时，其粘聚力 增大到 3 4 k P a，其摩擦角从 4 3。减小到 4 0。对于其它类型的钉固杆件，剪切参数的变化相对 要小。上述的结果与裘兰等人(1 9 8 1)对钉固土 所进行的剪切盒剪切试验结果相一致。摩擦角的减小是由于钉 固杆件在其临近 土体位移造成的阻力所致。具有很高抗拉和抗 剪强度的钉 固杆件是有能力抵抗土所施加的 剪力的。这种作用减小了沿剪切面剪应力的发 0 挥，并在随后导致剪切角的减小。因为钉固的 土体如同一个复台的刚 性结构物，故粘聚力参 喜 I 数增大了。罾10 C 0l 随着土体内 钉发生 位移，沿着剪切盒两部 露 l 份界面上的剪阻力大大地增加了。随着钉的端 I 挡板直径的增大，这种效果将会更明显。这种 l 试验结果可能是由于钉的端挡板所施加的跗 l 加压应力所致。因此，所引起的附加应力的大 0 小将随钉端挡板尺寸的增大而增加。3，4 拉拔试验 3：5 根2 咖 筋世宥焊板 6 耋80 ram5I5 的扳，：，-23 5根2舳 钢筋霸簟焊有 矿：_，径10m 的扳，根钿m蕾筋胃曩 幺 _，霎有I机 订圈杆件垂直剪切面敲量 5 0 1 0 0 1 5 0 i应力胁 拉拔试验使用的钉是 6 mm 和 8 mm 的 圈4 钉固 砂的剪坍盘试验结果 光面钢筋和螺纹钢筋。使用在嵌人端扩大了直径的钢筋重复进行了试验。扩大了的直径等于 1 5倍钢筋直径。这些试验在密实的砂 中(D，=7 0 )，竖向分别作用 5 0 k P a、1 0 0 k P a和 1 5 O k P a应力下完成的。试验结果总结在表 2中。表 2 嵌到密实砂(DF 7 0 )中的 钉的拉拨试验结果 直 应 力 钉的共丑 直径，m 钢筋 T I T f T I T t Th T f,T t T f_ T t 1 5 40 O 85 2 410 0 B g 1 56 4 1 80 2 32 6 39 0 2 3 6 1 53 1 8 9 0 0 7 8 2 8 1 0 D 1 4 8 壕 2 03D 127 2 60 1 10 130 4 28D 1 77 6 B9O 191 161 表洼：为表面章攘 系戴：为普通钉 每延朱的拄出力 ，|了 l=J l_T I为嫱目钉每延朱舶撞出力 N mI d为瞢遢钉的直径 F D为铀 目钉嵌 埔 的直径I D d=1 5 维普资讯 http:/ 8 2 路基工程 1 9 9 7年第j期(总第 7 4 期)钉的拔 出力用斯科洛塞和盖洛科斯(1 9 8 1)及 布鲁德奥等人(1 9 8 4)给出的经验公式确定。由斯 科洛塞和盖搭科斯(1 9 8 1)所提出的公式如下：一尸 c 4-2 口D (1)式中 为每延米的拔出力，P是钉固杆件的周 长，c 是土的有效粘聚力；D 是等 效扁平杆件的 宽度，这里为钢筋的直径；是土中的理论垂直应 力；是土和钢筋的似摩擦系数(也称做为表面摩 擦系数)。表 2是本试验方案中采用的不同类型钉的拔 出力。从 中可以看出，与直径为 d的普通钉相 比，焊有直径为 1 5 d的挡板的钉的拔出力成正比例 s 鞋 1 2 7 。!|一 加 苛土规 枢(斯 科涪毫和 董涪科 斯 !l 1 8 7 8)o-一 叠3 U 土打 曲世仆扭 宝 I3 7 ，撞出阻力2 0 0 2 6 衰面攘 k P,圈 5 表面雎擦值(鲍成尔和扶特金斯，1 9 9 0)地增加了 根据式(1)计算所得的 值也在限界之内，图 5 中将其与斯科洛塞等人(1 9 7 9)和彼 德利等人(1 9 9 0)的试验值做 了比较。从表 2中还可以看出，螺纹钢筋要比光面钢筋的 值大。对于较大的垂直应力来说，螺纹 钢筋剐要比光面钢筋相应的 值大得多。4 结论(1)对锚固钉所进行的试验室研究表明，这种钉与普通钉相比，可以承受更大的剪应力。(2)锚固钉的拔出阻力随钉端挡板直径与钉直径之 比的变化而成正 比例增大。(3)拔出阻力试验结果表明，带波纹的粗糙表面的螺纹钢筋具有非常高的抗拔阻力。致谢与参考文献(略)译白t P r o c e e d o f S e v e mh I n mmi o n a S y ml：i u m o n L md s ll d e s P P 1 8 1 1 1 8 1 5 牛怀位译 王小军校(鼓遒部科学研究院西北分院)收稿 日期：1 9 9 7一。3 1 2 下 期 要 目 浅谈超固结软土的沉降和稳定 倾斜地面路堑边坡稳定最危险圆弧的圆心轨迹 抗滑桩设计 中几个问题的商榷 高速铁路路基中土工合成材料的隔振作用 旋喷加固珠江三角洲相软土的试验分析 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