土層錨桿時間效應的模型試驗研究*

劉立煒 王 雷 門玉明

0 引言

隨著錨固技術的發展,巖土錨固工程的應用領域越來越廣泛,應用環境也越來越復雜,人們對錨固工程的可靠度要求亦愈來愈高。錨固理論的研究和發展始終落后于錨固技術的應用,制約了該領域的發展[1]。進一步探討錨固工程的技術和理論,對于合理進行錨固設計具有指導意義。本文結合陜西省交通科技項目,通過室內模型試驗,分析了錨桿在荷載作用下的應變分布的時間效應。室內模擬研究因其參數選擇,具有可控性和靈活性,加之其研究周期短,作為對現場實驗的一種必要補充,常用于研究定性的成果,本模型實驗雖未針對某個實際工程進行,但其本身具有一定的形態比例,研究變形過程、破壞形態和變形機理方面仍具有實際意義[2-4]。本文著重對同列拉力型錨桿和壓力型錨桿的錨固段末端點和滑面點兩個特殊位置應變進行分析,研究土層錨桿應變隨荷載和時間的變化規律,發現了錨桿受力變形具有“時間效應”這一特殊現象。

1 試驗介紹

試驗中滑體和滑床均選用粉土,相關物理力學指標見表1。錨桿置于模型箱中,模型箱的長為1.8 m,寬和高均為1.5 m。相鄰錨桿的間距為0.3 m,錨桿采用3行、4列的矩形布置,錨桿上粘貼有應變片。通過與應變片相連接的應變儀測得錨桿的應變值。滑坡體的坡面斜率為1∶0.75。

表1 土的物理力學指標

加載方式為:在滑體頂面采用千斤頂逐級加載,在千斤頂下放置墊塊以使壓力擴散均勻。試驗中采用的加載增量為0.5MPa,從零逐級加載至7MPa結束。錨桿在坡體中的布置如圖1所示。其中,左側的第一列和第二列是拉力型錨桿,右側的第三列和第四列是壓力型錨桿。

2 試驗數據分析

選取土層錨桿錨固段末端點、滑面點進行分析,以考察錨桿—坡體復合體系的應變—時間關系。這里需要說明的是錨固段末端點是指錨桿在最靠近錨固段末端的應變片所在位置,滑面點為在錨固段最靠近滑面的應變片所在位置。以下是根據同列錨桿的錨固段末端點和滑面點兩個處在滑體頂面每級荷載施加后的10min和30min時刻的應變值繪制成的應變分布圖。

2.1 錨固段末端點的應變曲線分析

圖2,圖3是第一列拉力型錨桿在各級荷載加載后10min和30min錨桿錨固段末端點的應變分布圖。圖4,圖5是第三列壓力型錨桿在各級荷載加載后10min和30min錨桿錨固段末端點的應變分布圖。2.1.1 拉力型錨桿錨固段末端點的應變曲線分析

加載后10min時坡頂部、中部錨桿的應變較大,底部的應變較小;加載30min時,而坡頂部、中部錨桿的應變略有減小,底部錨桿的應變明顯增大。這表明邊坡頂部加載引起的局部集中應力迫使滑體變形,錨桿受到拉力,在試驗加載初期主要由坡頂部、中部錨桿承擔,而底部錨桿還沒有太大持力。隨著時間的持續,坡體內部應力重分布,在達到一定的穩定狀態時,底部錨桿承擔了更多的應力。

2.1.2 壓力型錨桿錨固段末端點的應變曲線分析

加載后10min時邊坡頂部、中部錨桿的應變依次增大;加載30min時,中部和底部錨桿的應變量變化不大,而坡頂部錨桿的應變明顯減小。這表明在試驗加載初期,邊坡頂部、中部、底部錨桿持力相當。隨著時間的持續,坡體內部應力重分布,坡體頂部應力部分消散,錨桿應變減小。

2.2 滑面處應變隨時間的變化特點

圖6,圖7是第一列拉力型錨桿在各級荷載加載后10min和30min錨桿坡面處的應變分布圖,圖8,圖9是第三列壓力型錨桿在各級荷載加載后10min和30min錨桿坡面處的應變分布圖。

2.2.1 拉力型錨桿滑面處的應變曲線分析

加載后10min時,坡頂部錨桿的應變較大,中部和底部的應變較小;加載30min時,底部錨桿的應變稍有增大,而頂部錨桿的應變明顯減小,中部錨桿的應變變化較小。這表明坡頂部加載所引起的局部集中應力,在試驗加載初期主要由坡頂部錨桿承擔,而中部、底部的錨桿持力較小。隨著時間的持續,坡體內部應力重分布,在達到一定的穩定狀態時,底部錨桿承擔了較多的滑體下滑力。

2.2.2 壓力型錨桿滑面處的應變曲線分析

加載后10min時,坡頂部、中部錨桿應變相當,底部錨桿的應變較大;加載30min時,頂部、中部和底部錨桿的應變均有所減小,但頂部錨桿的應變減小較為明顯。這表明在試驗加載初期,邊坡頂部、中部錨桿持力相當,底部錨桿持力較大。隨著時間的持續,坡體內部應力重分布,坡體頂部應力消散,頂部錨桿應變減小。

3 結語

通過對土層中拉力型錨桿和壓力型錨桿加載后10min和加載后30min的錨固段末端、滑面處應變分析,可以得出如下結論:

1)無論拉力型錨桿還是壓力型土層錨桿,在某級荷載加載后10min,頂部及底部錨桿(末端點、滑面點)的應變較大;而加載后30min,頂部錨桿的應變明顯減小,中部、坡腳錨桿的應變變化不大。

2)土層錨桿各點變形的相對變化,說明荷載在錨桿—坡體復合體系中的傳遞是有一個過程的,而且這種過程需要一定的時間來完成,即土層錨桿變形具有“時間效應”。

3)錨桿的這種“時間效應”不僅表現在錨桿的應變隨時間的變化上,也表現在隨加載荷載的大小的變化上。在開始加載時(荷載較小),同列的頂部、中部、底部錨桿的應變并沒有明顯的差異,而加載至2.5MPa后,錨桿的應變差異才明顯。也就是說,土層錨桿的“時間效應”實際是應力重分布的過程。

4)從土層錨桿的“時間效應”看,拉力型錨桿比壓力型錨桿表現的更明顯。

5)試驗結果對于路基邊坡以及其他坡頂受荷載的邊坡治理工程具有很好的指導意義。在錨固工程的設計中,應充分考慮土層錨桿的“時間效應”。

[1]程良奎.中國巖土錨固技術的應用與發展.巖土錨固工程技術的應用與發展[M].北京:萬國學術出版社,1996:1-5.

[2]劉立煒.土層錨桿模型試驗研究[D].西安:長安大學,2007.

[3]孔憲賓,佘躍心.土—錨桿界面模型的改進和應用[J].力學與實踐,1999,21(3):201-202.

[4]孔憲賓,佘躍心.土—錨桿相互作用機理的研究[J].工程力學,2000,17(3):187-189.