锚杆-膨胀土界面的力学特性影响因素研究.pdf

第 卷第 期年 月水利与建筑工程学报 ，：收稿日期：修稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；河北省高校基本科研业务费项目（）作者简介：王晓燕（），女，硕士研究生，研究方向为边坡稳定性分析。：通讯作者：胡建林（），男，副教授，主要从事地基处理方面的研究工作。：锚杆 膨胀土界面的力学特性影响因素研究王晓燕，胡建林，薛金昊，高峰，胡中伟（河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 ；山西大同大学，山西 大同 ；张家口路桥建设集团有限公司，河北 张家口 ）摘要：锚杆支护在治理膨胀土边坡滑塌方面应用广泛，为了研究围压及含水率对锚杆 膨胀土界面极限抗拔应力和剪切刚度模量的影响，以冀北地区重塑膨胀土为研究对象，采用自制拉拔试验系统，开展了不同围压和不同含水率条件下的拉拔试验，对极限抗拔应力和剪切刚度模量进行分析 试验结果表明：极限抗拔应力与剪切刚度模量同步变化，在含水率趋于最优含水率时达到最大值，后随含水率的增大而减小；拉拔应力与锚固体轴向应变关系曲线中存在两个较为明显的拐点，可将曲线分为三个阶段；极限抗拔应力、剪切刚度模量与围压呈正相关线性关系。关键词：锚杆；锚 土界面；室内拉拔试验；剪切刚度模量；膨胀土中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；我国修筑铁路和公路时常碰到膨胀土问题，为保护人民生命和财产安全就要对膨胀土进行处理 。锚杆支护作为一种常见有效的支护手段，操作简便、使用灵活、成本低，应用广泛。邓亮等 开展了不同等效围岩条件的套筒拉拔试验，分析了砂浆 围岩界面径向应力 拉拔位移曲线。等 分析了法向应力对界面力学特性及破坏模式的影响，提出一种新的界面破坏模式。等 对全灌浆锚杆在剪切荷载作用下进行数值模拟。等 研究出导波对不同拉出荷载下锚杆与脱粘现象的有效监测。康红普等 分析了锚杆在拉拔与全长锚固状态下的应力分布特征。刘波等 开展了室内短锚中心拉拔试验和现场长锚拉拔试验，建立了能够描述锚杆 砂浆界面变化 个阶段的数学模型。等 通过短锚杆拉拔试验估算了在相同条件下的长锚杆粘接 滑移关系。董双勇 开发并采用锚杆围压拉拔试验系统对围压作用下锚杆锚固性能及其影响因素进行了试验室试验研究。等 通过现场拉拔试验研究了岩石类型，锚杆长度等因素对锚杆拉拔力的影响。等 研究了不同灌浆材料对锚固性能的影响。任祥等 通过大型振动台试验研究了在地震作用下锚杆在锚固滑坡的受力特征。王国峰 采用剪切试验、室内拉拔模型试验、数值模拟等手段，对混凝土与土界面的接触特性、土体含水量和压实度对锚杆受力机理影响进行了研究。胡翱翔等 研究了高强钢筋与超高性能混凝土在静力荷载作用下的应力滑移曲线并提出了黏结滑移本构方程。等 建立了一个在拉拔试验过程中岩石锚杆受力 位移模型。等 通过建立解析模型研究了全灌浆锚杆的荷载传递行为，并通过试验验证了模型的可靠性。张景科等 采用自主研制的试验装置对土体浆体界面试样进行了室内推出试验，研究了土遗址锚固系统中第二交界面粘结破坏机制。董捷等 揭示了锚 土界面剪应力分布特征及其传递规律。目前，对于锚 岩土体系在围压作用下锚杆锚固性能及其影响因素的研究已经较为成熟，但对于锚 土体系以膨胀土作为试验材料的研究较少，因此本文采用自主研制的可加围压的拉拔试验装置在不同围压、不同含水率下进行锚杆 膨胀土试样拉拔试验。室内拉拔试验方案 试验设备室内拉拔试验利用实验室自制拉拔系统进行加载及控制。试验系统是由试验加载设备、围压控制设备、信息采集系统、力传感器等组成。所有试验过程、控制及数据采集均由计算机集中控制。拉拔试验加载设备如图 所示。力传感器；钢筋；锚杆夹具；土样；锚固体；围压室；铝制底座；加载底座；位移控制装置；计算机；围压控制设备图 拉拔试验加载设备示意图 试验材料试验所用土样取自张家口张北至尚义高速公路某膨胀土路堑边坡（见图 ），颜色呈灰蓝色，蒙脱石、伊利石黏土矿物含量高，具有中等膨胀性，其基本物理力学性质见表 。表 膨胀土基本物理性质指标天然含水率 液限 塑限 自由膨胀率 塑性指数最大干密度（）最优含水率 图 原状膨胀土第 期 王晓燕，等：锚杆 膨胀土界面的力学特性影响因素研究 试样制备本试验采用预制锚杆，根据建筑基坑支护技术规程（），制成直径 高度 的锚固体。制作试样时，压实度选用 ，采用静压法分三层制件。制作步骤如下：（）取原状土样击碎烘干，分别以含水率 、喷洒所需加水量，搅拌均匀后密封，静置 以上备用。（）称取静压一层所需的土备用，将高度 、内径 、外径 的环形铁质垫块 放入击实筒中（见图 ），将锚杆插入筒内垫块 中，倒入称好的土，然后放入高度 、内径 、外径 的环形铁质垫块 ，利用制件工具 、，用压力机进行静压法制件，利用液压脱模仪进行脱模。图 制件装置示意图 试验方法试样安装完成以后，通过围压控制设备施加围压，待围压稳定 后启动室内拉拔测试系统，以恒定速度 进行锚杆拉拔。考虑到锚固体所受围压及土样含水率对膨胀土锚杆锚固特性的影响，制作了含水率为 、和 的试样，并进行不同围压下的拉拔试验。具体试验工况见表 。表 试验工况含水率 围压 、室内试验结果及分析 破坏模式本次试验为了探究锚固体系在膨胀土边坡中受拉拔荷载下的破坏形式，锚固系统示意见图 ，在拉拔过程中对锚杆宏观破坏现象进行观察、记录的同时，对拉拔试验完成后的土体进行了锚固体击碎剖析，以观察锚固体与膨胀土界面的破坏形态，见图。图 锚固系统示意图图 试件破坏状态由图 可以看出锚固体形态完整，锚固体与膨胀土界面存在明显滑移现象，表现为锚固体系的第二界面剪切破坏模式，锚固体表面存在一些土体碎屑，产生上述现象原因有两点，其中滑移现象由于界面粘结强度失效导致，而由于岩土体强度小于锚固体强度使得土体与锚固体接触部分破坏土体碎屑残留。围压对抗拔应力的影响通过对 种不同含水率的试样，分别进行不同围压的膨胀土锚杆拉拔试验，得到了锚杆所受拉拔力与轴向位移的原始数据，通过式（）、式（）计算得到了锚杆拉拔应力、应变并绘制关系曲线见图 ，以 含水率条件下的应力 应变曲线为例分析围压对抗拔应力的影响。（）（）（）式中：为锚杆拉拔应力；为试件所受拉拔力；为水利与建筑工程学报第 卷锚杆高度 ；为锚杆直径 ；为应变；为锚固体轴向位移。图 不同含水率下锚杆拉拔应力 应变曲线可以发现：（）在不同围压下关系曲线趋势大致相同。随着应变的增加，膨胀土锚杆抗拔应力达到峰值，达到峰值后抗拔应力随位移的增加而下降，最后趋于稳定。曲线中存在两个较为明显的拐点，以 曲线为例，拉拔应力与应变关系曲线大致可分为三个阶段，临界点 之前锚固界面处于第一阶段 弹性阶段；临界点 与临界点 之间为第二阶段 弹塑性阶段，这段时期锚固界面开始出现塑性损伤；临界点 之后为第三阶段，随着位移的增加，应力逐渐降低并趋于稳定。（）当土样含水率一定时，土体受应力状态影响，围压越高，膨胀土锚杆的极限抗拔应力越大。以 含水率为例当围压分别为 、时，试样的极限抗拔应力依次为 、，围压 、条件下试样的极限抗拔应力力分别是 状态下试样的 倍、倍、倍、倍。含水率对膨胀土锚杆极限抗拔应力的影响由图 可见：（）在相同围压条件下，其极限应力随含水率的增大先增加后减小，在含水率为 时达到峰值。（）在各围压下，含水率与试样拉拔应力关系曲线趋势一致，以 围压下的含水率与试样拉拔应力关系曲线为例，当含水率为 、时，试样的极限拉拔应力依次为 、，含水率为 、时试样的极限拉拔应力为 含水率下的极限抗拔应力的第 期 王晓燕，等：锚杆 膨胀土界面的力学特性影响因素研究 ，含水率下的极限抗拔应力为 含水率下的极限抗拔应力的 ，含水率下的极限抗拔应力为 含水率下的极限抗拔应力的 。造成这一现象的原因为在围压一定时，膨胀土锚杆的极限抗拔应力受粘结力影响较大，随着含水率的增加土体粘力先增加后减小，且在最优含水率下达到最大值。图 不同围压下锚杆拉拔应力 含水率曲线 围压及含水率对膨胀土剪切刚度模量的影响由图 可见，在临界点 之前应力 应变关系曲线基本处于直线型，为减小计算误差，取各曲线中应力到达峰值时应变值的 部分割线斜率计算剪切刚度模量，计算结果见表 。表 剪切刚度模量结果围压 不同含水率下剪切刚度模量 由表 数据做 网格图见图 ，由图 可见，剪切刚度模量受围压与含水率影响显著。图 剪切刚度模量随围压和含水率的变化规律在含水率一定时，剪切刚度模量随围压的增大而增大，大致呈直线型；在围压一定时，剪切刚度模量在含水率为 达到峰值，趋势与拉拔应力与含水率关系曲线类似。剪切刚度模量是用来描述材料抵抗剪切应变的能力，围压的增加使得土体与锚固体之间的界面粘结强度增大，进而导致了剪切刚度模量的增加，而含水率对其影响机理亦与界面粘结强度有关，在土体最优含水率界面的粘结强度是最大的，后随含水率的增加或降低而减小，但含水率与剪切刚度模量是否有公式可描述还需更多试验数据支持，仅由目前数据暂且只能分析其变化趋势。结论（）膨胀土锚杆拉拔应力随锚固体轴向应变的增加而增大，拉拔应力与锚固体轴向应变关系曲线中存在两个较为明显的拐点，大致可将曲线分为三个阶段，分别为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段，到达极限拉拔应力后进入第三阶段，土体与锚杆之间出现滑移，属于锚固体系的第二界面剪切破坏模式。（）当土样含水率一定时，土体受应力状态影响，围压越高，膨胀土锚杆的极限抗拔应力越大。在相同围压条件下，其极限抗拔应力随含水率的增大先增加后减小，在最优含水率下，膨胀土锚杆的极限抗拔应力最大。（）剪切刚度模量受含水率与围压影响显著，围压与剪切刚度模量呈正相关线性关系。参考文献：王焕文，王继良 锚喷支护 北京：煤炭工业出版社，膨胀土地区建筑技术规范：北京：中国建筑工业出版社，邓亮，张传庆，汤艳春，等 锚杆拉拔过程中径向力学响应特征研究 人民长江，（）：邓亮，张传庆，周丽，等 常法向刚度下锚杆杆体树脂界面剪切力学特性试验研究 岩石力学与工程学报，（）：，（）：，：（下转第 页）水利与建筑工程学报第 卷规则化建模，有一定的误差，但不影响对计算结果规律的分析，不同病害之间的相互影响还需要今后更深入的研究。参考文献：孙智慧，唐勇，刘涛 盾构隧道局部渗漏水对其力学特性的影响 现代隧道技术，（）：张芯 富水地层公路隧道衬砌结构运营期健康评价研究 成都：西华大学，钟宏武 二衬开裂公路隧道结构安全性分析及裂缝治理对策研究 广州：华南理工大学，中国公路学报 编辑部 中国隧道工程学术研究综述 中国公路学报，（）：曾晓东 运营隧道衬砌裂缝及渗漏水病害整治技术研究 水利与建筑工程学报，（）：，刘海京，夏才初，朱合华，等 隧道病害研究现状与进展 地下空间与工程学报，（）：黄红元 富水环境下水工隧洞渗流计算及结构外水压力研究 重庆：重庆交通大学，薛晓辉 富水黄土隧道服役性能劣化机理及处治技术研究 西安：长安大学，齐军 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