倒刺型土釘抗拔試驗及作用機理分析

賈濤

摘 要：本文針對普通土釘在工程應用中抗拔承載力較小的缺點提出了一種倒刺型土釘，在普通土釘桿體上焊接三段鋼筋形成一組傘狀倒刺。倒刺型土釘由于倒刺位置形成的端阻力以及倒刺與注漿體之間的咬合作用，使得其抗拔承載力相比普通土釘有一定程度的提高。通過對普通土釘和兩種不同的倒刺型土釘進行的現場抗拔試驗，分析了倒刺數量對土釘抗拔承載力的影響程度，同時對倒刺型土釘的受力破壞形式進行了分析，研究了其抗拔承載力作用機理，驗證了傘狀倒刺型土釘的可行性。在此基礎上可以在實際工程中適當增大土釘之間間距，減少土釘和水泥砂漿的使用量，達到降低工程造價和節約資源的目的。

關鍵詞：倒刺型土釘;抗拔試驗;作用機理

0 引言

土釘抗拔承載力的作用機理主要有三個方面，其一為土釘鋼筋的抗拉強度，其二為土釘與注漿體（常采用水泥砂漿）之間相互作用的強度，其三為注漿體與周圍土體之間的相互作用。一般土釘的抗拔力是由注漿體與土體之間的摩阻力決定[1]。但是，土釘與注漿體之間的粘結作用也是土釘抗拔力的重要組成部分，其包括土釘與注漿體之間的物理粘結，鋼筋的肋節、螺紋、凹凸等與注漿體形成的機械咬合以及它們之間的摩擦力。顯然增加土釘表面的粗糙程度可以提高摩擦阻力，也同時提高了注漿體的剪切強度[2]。帶外突緣的土釘與注漿體的結合力主要由機械作用決定，因此在進行抗拔試驗時，有可能發生注漿體的開裂、破碎或土釘桿體的拉斷，但此時的承載力也會有很大提高。

1 試驗目的

本文通過對土釘焊接傘狀倒刺，旨在采用倒刺型土釘與普通土釘的現場試驗數據對比，得到不同倒刺數量下的荷載-位移曲線，研究土釘、注漿體與巖土體之間的界面特性，進而分析倒刺土釘支護系統的荷載傳遞機理和對巖土體的加固作用機理，驗證倒刺型土釘支護的可行性與正確性，并探討其承載力特性以及支護破壞形式。

2 現場試驗概況

2.1 總體試驗方案

本次土釘抗拔試驗按照《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-2012）[3]的有關要求進行。為分析倒刺組數對傘狀倒刺型土釘的極限拉拔力的影響程度，試驗中采用了四種帶不同倒刺組數的土釘進行檢測抗拔承載力的現場試驗，相應的設計參數如表1所示。

2.2 倒刺型土釘的制作方法

土釘采用HRB400鋼筋。采用焊接彎折鋼筋形成倒刺，焊接長度和彎折長度均為12.5 cm，彎折角度37°，倒刺直徑為18 mm，同樣采用HRB400鋼筋。同一部位焊接3根倒刺，呈傘狀120°夾角對稱布置，如圖1所示。第一組倒刺焊接在土釘尾部，間隔1.8 m焊接一組倒刺，如此分別制三組倒刺、兩組倒刺、一組倒刺、無倒刺土釘共4種。

3 倒刺型土釘抗拔承載力試驗結果分析

3.1 試驗現象及破壞形式分析

倒刺型土釘的抗拔承載力主要由土釘桿體與注漿體的粘結力、注漿體與土體間的側摩阻力以及倒刺的端阻力構成。當施加荷載時，抗拔承載力作用的具體過程為：

（1）施加荷載初期，拉拔力主要由注漿體與土體的側摩阻力來平衡，土釘倒刺端發揮的作用有限。隨著荷載增加，土釘的側摩阻力沿著土釘桿體逐漸向內部發展，此時倒刺逐漸發揮作用。倒刺對前部注漿體產生擠壓作用，將沿土釘主體向內部移動的拉拔力轉移到注漿體內部，增強土釘與注漿體的整體強度。這一階段的拉拔力荷載并未達到土釘抗拔承載力的峰值，土釘受力變化階段為彈性階段，Q-S變化曲線呈直線。

（2）隨著荷載持續穩定的增加，土釘整體與土體間的側摩阻力達到最大值，土釘內部不時會傳來“嘣”的聲音，同時加壓油泵上的荷載值也會在加載過程中陡然下降。這表明土釘內部與注漿體間發生剪切破壞，土釘端部周圍土體也發生松動，側摩阻力開始下降，Q-S變化曲線上出現拐點。

（3）繼續增加荷載，土釘內部迸裂聲加劇，周邊土體持續松動，與注漿體發生相對滑移，側摩阻力下降迅速，面層上部產生明顯裂縫，此時不再增大荷載，土釘位移仍迅速增加，土釘周邊土體發生失穩破壞，土釘承載力基本喪失。

3.2 倒刺對土釘抗拔承載力的影響因素分析

匯總的現場試驗數據如表2所示，根據現場試驗數據繪制三種土釘現場試驗Q-S曲線，如圖2所示。

3.2.1 普通土釘

1#土釘為無倒刺裝置的普通土釘。在加載初期施加的抗拔承載力主要由注漿體體與周邊土體的側摩阻力承擔，此時Q-S曲線呈直線狀態（AB段），荷載數值為62.8 kN。當荷載超過62.8 kN，可以看出在B點具有明顯的斜率變化。此時注漿體與周邊土體的側摩阻力已達到峰值，土釘內部發出清晰的迸裂聲響。在迸裂聲傳出的同時荷載數值會發生滑坡式降低，持續加荷，當荷載增加到75.4 kN時，位移繼續增大，繼續增加荷載時，可以注意到荷載值會反復降低，表明土釘周圍剪切破壞持續加劇。

3.2.2 帶1組倒刺土釘

由1#土釘與2#土釘的現場試驗Q-S曲線對比可知：1#土釘比2#土釘的位移變化曲線受荷載變化的影響更為明顯，在75.4 kN拉拔荷載下2#土釘的累計位移為27.8 mm，同樣條件下1#土釘累計位移則為29.8 mm，相差2.0 mm，可以粗略認為帶1組倒刺的土釘極限承載力較高。

3.2.3 帶3組倒刺土釘

由1#土釘與4#土釘的現場試驗Q-S曲線可以看出兩條曲線有較大差異，在D、B兩拐點之前的彈性階段倒刺為土釘支護系統的側摩阻力所帶來的增益已發揮出明顯效用。在62.8 kN的荷載條件下，1#土釘的累計位移為21.5 mm，4#土釘為17.2 mm，相差4.3 mm，抗拔承載力有明顯提高。4#土釘的極限承載力達到了88 kN，且在88 kN拉拔荷載下除卻土釘內部傳出較不集中的迸裂聲所表明的土釘與注漿體的局部剪切破壞外，并未發生破壞土體完整性的相對位移，面層上部也未見明顯裂縫。

3.2.4 傘狀倒刺型土釘抗拔力與倒刺數量的關系

倒刺對土釘的最大抗拔力會產生一定程度的影響，土釘的抗拔承載力隨著倒刺數量增加有比較明顯提高。帶1組倒刺土釘的抗拔力與普通土釘的抗拔力相比提高較低，帶2組倒刺由于現場工況影響無法進行試驗，但帶3組倒刺較一組倒刺提升了16.7%。

3.2.5 倒刺土釘受力破環分析

倒刺型土釘受力破壞分為以下幾個階段：第一階段為彈性階段，此時抗拔承載力主要由注漿體與土體的側摩阻力提供，荷載位移曲線為直線，位移隨荷載呈線性變化;第二階段為彈塑性階段，隨著荷載增加，土釘與注漿體的粘結力、摩擦力不斷增加，此時倒刺對注漿體的擠壓作用更加顯著。倒刺通過對注漿體的咬合作用增加其整體穩定性，使土釘、注漿體能夠作為一個整體去抵抗拉拔力。這一階段，注漿體側摩阻力逐漸逼近峰值，土釘在與注漿體產生粘結力的同時，自身也被注漿體約束，土釘鋼筋受力不斷增大;第三階段為塑性區發展階段，隨著荷載持續增加，土釘位移出現大幅度增大，注漿體與土體剪切破壞加劇，側摩阻力迅速下降，土釘失去抗拔力。

4 結束語

通過對普通土釘和兩種不同的倒刺型土釘進行現場抗拔試驗，并對試驗結果進行分析，得出以下結論：土釘最大抗拔力受倒刺影響，倒刺會使土釘最大抗拔力顯著提高，但與倒刺數量并非呈正比的線性關系，隨著倒刺數量的增多，土釘的抗拔承載力增加比較明顯。現場試驗對倒刺型土釘的可行性進行了驗證，為土釘墻支護的優化提出了合理的改良方法。

參考文獻：

[1]李亞洲，張捷.表觀粗糙度對灌漿土釘拉拔摩阻力的影響探究[J].汕頭大學學報（自然科學版），2016，31（3）：3-15+85.

[2]張樂文，汪稔.巖土錨固理論研究之現狀[J].巖土力學， 2002（5）：627-631.

[3]中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ120-2012，建筑基坑支護技術規程[S].中國建筑工業出版社，2012.