錨桿-膨脹土界面的力學特性影響因素研究

王曉燕,胡建林,薛金昊,高 峰,胡中偉

(1.河北建筑工程學院 土木工程學院,河北 張家口 075000;2.山西大同大學,山西 大同 037003;3.張家口路橋建設集團有限公司,河北 張家口 075000)

我國修筑鐵路和公路時常碰到膨脹土問題,為保護人民生命和財產(chǎn)安全就要對膨脹土進行處理[1-2]。錨桿支護作為一種常見有效的支護手段,操作簡便、使用靈活、成本低,應用廣泛。鄧亮等[3-4]開展了不同等效圍巖條件的套筒拉拔試驗,分析了砂漿-圍巖界面徑向應力-拉拔位移曲線。Zhang Chuanqing等[5]分析了法向應力對界面力學特性及破壞模式的影響, 提出一種新的界面破壞模式。Nie Wen等[6]對全灌漿錨桿在剪切荷載作用下進行數(shù)值模擬。Yu Shuisheng等[7]研究出導波對不同拉出荷載下錨桿與脫粘現(xiàn)象的有效監(jiān)測。康紅普等[8]分析了錨桿在拉拔與全長錨固狀態(tài)下的應力分布特征。 劉波等[9]開展了室內(nèi)短錨中心拉拔試驗和現(xiàn)場長錨拉拔試驗, 建立了能夠描述錨桿-砂漿界面變化3個階段的數(shù)學模型。Ma Shuqi等[10]通過短錨桿拉拔試驗估算了在相同條件下的長錨桿粘接-滑移關(guān)系。 董雙勇[11]開發(fā)并采用錨桿圍壓拉拔試驗系統(tǒng)對圍壓作用下錨桿錨固性能及其影響因素進行了試驗室試驗研究。 Ho-Jong Kim等[12]通過現(xiàn)場拉拔試驗研究了巖石類型,錨桿長度等因素對錨桿拉拔力的影響。 Fang Shuai等[13]研究了不同灌漿材料對錨固性能的影響。 任祥等[14]通過大型振動臺試驗研究了在地震作用下錨桿在錨固滑坡的受力特征。 王國峰[15]采用剪切試驗、室內(nèi)拉拔模型試驗、數(shù)值模擬等手段, 對混凝土與土界面的接觸特性、土體含水量和壓實度對錨桿受力機理影響進行了研究。 胡翱翔等[16]研究了高強鋼筋與超高性能混凝土在靜力荷載作用下的應力滑移曲線并提出了黏結(jié)滑移本構(gòu)方程。 Zhang Weili等[17]建立了一個在拉拔試驗過程中巖石錨桿受力-位移模型。Chen Jianhang等[18]通過建立解析模型研究了全灌漿錨桿的荷載傳遞行為, 并通過試驗驗證了模型的可靠性。張景科等[19]采用自主研制的試驗裝置對土體-漿體界面試樣進行了室內(nèi)推出試驗,研究了土遺址錨固系統(tǒng)中第二交界面粘結(jié)破壞機制。董捷等[20]揭示了錨-土界面剪應力分布特征及其傳遞規(guī)律。

目前,對于錨-巖土體系在圍壓作用下錨桿錨固性能及其影響因素的研究已經(jīng)較為成熟,但對于錨-土體系以膨脹土作為試驗材料的研究較少,因此本文采用自主研制的可加圍壓的拉拔試驗裝置在不同圍壓、不同含水率下進行錨桿-膨脹土試樣拉拔試驗。

1 室內(nèi)拉拔試驗方案

1.1 試驗設備

室內(nèi)拉拔試驗利用實驗室自制拉拔系統(tǒng)進行加載及控制。試驗系統(tǒng)是由試驗加載設備、圍壓控制設備、信息采集系統(tǒng)、力傳感器等組成。所有試驗過程、控制及數(shù)據(jù)采集均由計算機集中控制。拉拔試驗加載設備如圖1所示。

1-力傳感器;2-鋼筋;3-錨桿夾具;4-土樣;5-錨固體;6-圍壓室;7-鋁制底座;8-加載底座;9-位移控制裝置;10-計算機;11-圍壓控制設備

1.2 試驗材料

試驗所用土樣取自張家口張北至尚義高速公路某膨脹土路塹邊坡(見圖2),顏色呈灰藍色,蒙脫石、伊利石黏土礦物含量高,具有中等膨脹性,其基本物理力學性質(zhì)見表1。

表1 膨脹土基本物理性質(zhì)指標

圖2 原狀膨脹土

1.3 試樣制備

本試驗采用預制錨桿,《根據(jù)建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012),制成直徑3 cm高度16 cm的錨固體。制作試樣時,壓實度選用90%,采用靜壓法分三層制件。制作步驟如下:(1) 取原狀土樣擊碎烘干,分別以含水率15%、17%、19%、21%、23%噴灑所需加水量,攪拌均勻后密封,靜置12 h以上備用。

(2) 稱取靜壓一層所需的土備用,將高度4 cm、內(nèi)徑3 cm、外徑15 cm的環(huán)形鐵質(zhì)墊塊1放入擊實筒中(見圖3),將錨桿插入筒內(nèi)墊塊1中,倒入稱好的土,然后放入高度1 cm、內(nèi)徑3 cm、外徑15 cm的環(huán)形鐵質(zhì)墊塊2,利用制件工具1、2、3,用壓力機進行靜壓法制件,利用液壓脫模儀進行脫模。

圖3 制件裝置示意圖

1.4 試驗方法

試樣安裝完成以后,通過圍壓控制設備施加圍壓,待圍壓穩(wěn)定30 min后啟動室內(nèi)拉拔測試系統(tǒng),以恒定速度1 mm/min進行錨桿拉拔。

考慮到錨固體所受圍壓及土樣含水率對膨脹土錨桿錨固特性的影響,制作了含水率為15%、17%、19%、21%和23%的試樣,并進行不同圍壓下的拉拔試驗。具體試驗工況見表2。

表2 試驗工況

2 室內(nèi)試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞模式

本次試驗為了探究錨固體系在膨脹土邊坡中受拉拔荷載下的破壞形式,錨固系統(tǒng)示意見圖4,在拉拔過程中對錨桿宏觀破壞現(xiàn)象進行觀察、記錄的同時,對拉拔試驗完成后的土體進行了錨固體擊碎剖析,以觀察錨固體與膨脹土界面的破壞形態(tài),見圖5。

圖5 試件破壞狀態(tài)

由圖5可以看出錨固體形態(tài)完整,錨固體與膨脹土界面存在明顯滑移現(xiàn)象,表現(xiàn)為錨固體系的第二界面剪切破壞模式,錨固體表面存在一些土體碎屑,產(chǎn)生上述現(xiàn)象原因有兩點,其中滑移現(xiàn)象由于界面粘結(jié)強度失效導致,而由于巖土體強度小于錨固體強度使得土體與錨固體接觸部分破壞土體碎屑殘留。

2.2 圍壓對抗拔應力的影響

通過對5種不同含水率的試樣,分別進行不同圍壓的膨脹土錨桿拉拔試驗,得到了錨桿所受拉拔力與軸向位移的原始數(shù)據(jù),通過式(1)、式(2)計算得到了錨桿拉拔應力、應變并繪制關(guān)系曲線見圖6,以23%含水率條件下的應力-應變曲線為例分析圍壓對抗拔應力的影響。

圖6 不同含水率下錨桿拉拔應力-應變曲線

τ=N/(h×d×π)

(1)

ε=ΔS/h

(2)

式中:τ為錨桿拉拔應力;N為試件所受拉拔力;h為錨桿高度0.12 m;d為錨桿直徑0.03 m;ε為應變;ΔS為錨固體軸向位移。

可以發(fā)現(xiàn):

(1) 在不同圍壓下關(guān)系曲線趨勢大致相同。隨著應變的增加,膨脹土錨桿抗拔應力達到峰值,達到峰值后抗拔應力隨位移的增加而下降,最后趨于穩(wěn)定。曲線中存在兩個較為明顯的拐點,以200 kPa-23%曲線為例,拉拔應力與應變關(guān)系曲線大致可分為三個階段,臨界點1之前錨固界面處于第一階段——彈性階段;臨界點1與臨界點2之間為第二階段——彈塑性階段,這段時期錨固界面開始出現(xiàn)塑性損傷;臨界點2之后為第三階段,隨著位移的增加,應力逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

(2) 當土樣含水率一定時,土體受應力狀態(tài)影響,圍壓越高,膨脹土錨桿的極限抗拔應力越大。以23%含水率為例當圍壓分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa、250 kPa時,試樣的極限抗拔應力依次為575.2 kPa、784.9 kPa、1 032.7 kPa、1 308.1 kPa、1 574.5 kPa,圍壓100 kPa、150 kPa、200 kPa、250 kPa條件下試樣的極限抗拔應力力分別是50 kPa狀態(tài)下試樣的1.36倍、1.80倍、2.28倍、2.75倍。

2.3 含水率對膨脹土錨桿極限抗拔應力的影響

由圖7可見:

圖7 不同圍壓下錨桿拉拔應力-含水率曲線

(1) 在相同圍壓條件下,其極限應力隨含水率的增大先增加后減小,在含水率為19%時達到峰值。

(2) 在各圍壓下,含水率與試樣拉拔應力關(guān)系曲線趨勢一致,以150 kPa圍壓下的含水率與試樣拉拔應力關(guān)系曲線為例,當含水率為15%、17%、19%、21%、23%時,試樣的極限拉拔應力依次為1 169.8 kPa、1 399.2 kPa、1 400.1 kPa、1 194.5 kPa、1 033.5 kPa,含水率為17%、19%時試樣的極限拉拔應力為15%含水率下的極限抗拔應力的83.6%, 21%含水率下的極限抗拔應力為15%含水率下的極限抗拔應力的85.4%,23%含水率下的極限抗拔應力為15%含水率下的極限抗拔應力的73.9%。造成這一現(xiàn)象的原因為在圍壓一定時,膨脹土錨桿的極限抗拔應力受粘結(jié)力影響較大,隨著含水率的增加土體粘力先增加后減小,且在最優(yōu)含水率下達到最大值。

2.4 圍壓及含水率對膨脹土剪切剛度模量的影響

由圖6可見,在臨界點1之前應力-應變關(guān)系曲線基本處于直線型,為減小計算誤差,取各曲線中應力到達峰值時應變值的1/3～2/3部分割線斜率計算剪切剛度模量,計算結(jié)果見表3。

由表3數(shù)據(jù)做3D網(wǎng)格圖見圖8,由圖8可見,剪切剛度模量受圍壓與含水率影響顯著。

在含水率一定時,剪切剛度模量隨圍壓的增大而增大,大致呈直線型;在圍壓一定時,剪切剛度模量在含水率為19%達到峰值,趨勢與拉拔應力與含水率關(guān)系曲線類似。剪切剛度模量是用來描述材料抵抗剪切應變的能力,圍壓的增加使得土體與錨固體之間的界面粘結(jié)強度增大,進而導致了剪切剛度模量的增加,而含水率對其影響機理亦與界面粘結(jié)強度有關(guān),在土體最優(yōu)含水率界面的粘結(jié)強度是最大的,后隨含水率的增加或降低而減小,但含水率與剪切剛度模量是否有公式可描述還需更多試驗數(shù)據(jù)支持,僅由目前數(shù)據(jù)暫且只能分析其變化趨勢。

3 結(jié) 論

(1) 膨脹土錨桿拉拔應力隨錨固體軸向應變的增加而增大,拉拔應力與錨固體軸向應變關(guān)系曲線中存在兩個較為明顯的拐點,大致可將曲線分為三個階段,分別為彈性階段、彈塑性階段、塑性階段,到達極限拉拔應力后進入第三階段,土體與錨桿之間出現(xiàn)滑移,屬于錨固體系的第二界面剪切破壞模式。

(2) 當土樣含水率一定時,土體受應力狀態(tài)影響,圍壓越高,膨脹土錨桿的極限抗拔應力越大。在相同圍壓條件下,其極限抗拔應力隨含水率的增大先增加后減小,在最優(yōu)含水率下,膨脹土錨桿的極限抗拔應力最大。

(3) 剪切剛度模量受含水率與圍壓影響顯著,圍壓與剪切剛度模量呈正相關(guān)線性關(guān)系。