浸水前后膨脹土邊坡錨桿拉拔試驗分析

【摘 要】針對浸潤前后膨脹土邊坡錨桿強度問題進行研究，通過室內模型試驗研究，得到膨脹土邊坡浸水前后錨桿的拉拔荷載位移曲線。實驗結果表明：（1）浸水前后錨桿的拉拔荷載位移曲線均表現出“直線—曲線—直線”的階段性特征，錨桿錨固長度與錨桿極限承載力的關系近似為線性關系；（2）錨固長度為70 cm、65 cm、60 cm、55 cm和50 cm的錨桿在浸水后錨桿極限承載力衰減了62.5%、67.5%、67.6%、68.8%和63.9%。

【關鍵詞】膨脹土邊坡； 極限承載力； 浸水； 拉拔試驗

【中圖分類號】TU472.99【文獻標志碼】A

0 引言

膨脹土是非飽和土體中不同于一般土體的特殊土體，膨脹土的干縮濕脹、裂隙變形反復發育特性，對邊坡工程造成的損失和影響是不可忽視的［1］。有研究表明，剛施工完成不久的邊坡穩定性較差，尤其是膨脹土邊坡更是如此，不同于普通邊坡的是其失穩破壞具有淺層性和漸進性的特征［2，3］。工程中由膨脹土產生的危害常常是漸進的和潛在的，有時是無法補救的，所以膨脹土又稱“災害性土”［4-7］。

現實中建成的膨脹土邊坡工程項目發生破壞的消息一直是不絕于耳的，據相關專業組織提供的資料顯示，全球各國在邊坡工程尤其是膨脹土邊坡方面的損失超過1 200億元人民幣［8］。目前，世界上已有數十個國家發現膨脹土的存在，也接二連三的因膨脹土邊坡問題，給全球各國人民的帶來不同程度的經濟損失。據勘察資料顯示，除小部分省份和自治區都或多或少的發現膨脹土的存在［9-12］。特別是大暴雨的惡劣天氣條件下，在雨水的作用下，極易出現大面積滑坡的現象。膨脹土的脹縮變形，導致錨桿錨固體與周邊土體發生相對位移，因此錨桿錨固體的沿長摩阻力分布受到影響，從而錨桿作用機理與一般邊坡錨桿作用機理存在差異；且膨脹土的反復脹縮變形也會加劇雨水浸入，浸水后會降低土體的抗剪強度，最終導致錨桿錨固性能下降［13-14］。綜上所述，本文通過室內試驗對浸水后錨桿錨固強度變化展開研究，探究了錨樁的荷載位移的特征，極限承載力的衰減情況。

1 試驗方案與步驟

1.1 試驗方案

綜合考慮現場工程中錨桿的錨固體直徑及室內模型尺寸的限制，本試驗先設計了5種具有相同錨固體直徑、錨固長度不同的現澆錨桿的承載能力，為了研究膨脹土邊坡浸水膨脹穩定后錨桿極限承載力的改變程度，設計了對應的5種錨桿，并結合膨脹土邊坡處于最優含水率狀態下的試驗結果對比分析極限承載力的改變程度。試驗方案具體見表1。

1.2試驗裝置

本試驗使用EOS 200D數碼單反相機、三腳架、無頻閃LED 泛光燈、模型箱、加載裝置、位移測量裝置，按照圖1、圖2布置試驗裝置。

1.3 試驗步驟

1.3.1 試驗土樣預制

提前制備含水率為最優含水率23.0%的土樣，將預制土樣裝入大號塑料桶中，土體表面采用濕毛巾覆蓋保濕，再采用保鮮膜覆蓋，最后蓋上密封的桶蓋，靜置72 h使土體內水分分布均勻。

1.3.2 邊坡土樣分層擊實

擊實方式為人工擊實。邊坡試驗土樣共分為8層，每層厚度為10 cm，提前擺放好標定完成后的模型箱，提前預留錨桿位置，在擊實過程采用PVC半圓管預先留設錨固體孔道，擊實成型后撤去PVC半圓管。在土樣分層擊實前在模型箱底部鋪設一層20 mm厚的砂墊層提高浸水效率。邊坡土樣分層擊實完成后，在邊坡土體表面采用濕毛巾配合保鮮膜覆蓋養護，減少邊坡土體的水分流失，邊坡土樣靜置7天，使土樣內部應力分布均勻。

1.3.3 錨桿澆筑

錨桿桿體采用HRB400的鋼筋，直徑為8 mm。選用42.5普通硅酸鹽水泥，砂采用中細砂，砂漿配比為水∶水泥∶砂=0.5∶1∶1.2。錨固體采用水泥砂漿進行現澆。注漿采用無壓力注漿，利用重力注漿。注漿前使用鐵絲對錨桿孔壁進行刮毛，隨后清孔，注漿時利用錨桿桿體進行振搗，確保澆筑錨桿錨固體的質量，同時確保錨桿垂直于坡面。現澆錨桿前預先使用透明硅脂涂抹在錨孔的有機玻璃側壁進行潤滑，防止錨固體與有機玻璃側壁黏結。錨桿澆筑完成后養護28天，確保錨桿質量。上一根錨桿拉拔完成后，用同樣方法制作邊坡，并在同一位置澆筑其他錨桿進行試驗。

1.3.4 模擬河道蓄水

采用人工加水的方式模擬河道處于高水位的狀態，加水速率約為6 L/min，持續20 min，一共加水120 L。

1.3.5 儀器安裝

儀器安裝分為百分表布置、輪滑組安裝。在布置百分表前，就地取材使用可塑性良好的膨脹土支模，再使用速硬早強水泥澆筑垂直于錨桿桿體的平臺，同時在平臺上安放一張平整的不銹鋼規則薄板，保證錨桿頂端拓展截面的平整度，來保證后續百分表讀數的可靠性和準確度。將萬向表座牢固吸附在模型箱上，安裝百分表，使得百分表測頭平行于錨桿桿體垂直于錨桿頂端拓展截面，將滑輪組牢固固定在模型箱對應的位置，利用鋼絲繩穿過錨桿桿體端部預留的孔洞和輪滑組。

1.3.6 錨桿拉拔

采用砝碼進行分級加載，試驗加載步驟依據CECS 22∶90《土層錨桿設計與施工規范》進行。各級加荷完成后，同時抄錄加荷數值和位移值，然后依據規范進行后一級加荷，直到試驗終止。

上一根錨桿拉拔完成后，用同樣方法制作邊坡，并在同一位置澆筑其他錨桿進行試驗。

膨脹土邊坡浸水錨桿拉拔試驗是在完成膨脹土邊坡處于最優含水率下的室內膨脹土邊坡錨桿拉拔試驗之后，接著進行的試驗。膨脹土邊坡浸水錨桿拉拔試驗的試驗步驟主要是平整膨脹土邊坡、錨桿澆筑、模擬河道蓄水、儀器安裝、錨桿拉拔。

2 試驗結果分析

浸水前后錨桿荷載位移曲線對比分析見圖3。

根據圖3膨脹土邊坡浸水前后錨桿拉拔力荷載與位移的關系曲線，可以發現浸水前錨桿拉拔力荷載與位移的關系曲線起始階段近似為線性關系，可以認為該階段錨固體土體界面變形處于彈性變形階段，同時彈性變形階段持續比較長；浸水后錨桿拉拔力荷載與位移的關系曲線起始階段表現為短暫的線性關系，土體彈性變形持續較短。另外，可以發現浸水前錨桿拉拔力荷載與位移的關系曲線第二階段即曲線斜率逐漸變小的階段持續較短，緊接著進入斜率趨于零的塑性變形階段；而浸水前錨桿拉拔力荷載與位移的關系曲線第二階段，曲線斜率逐漸變小的持續較長，即錨固體土體界面發生彈塑性變形持續時間較久，緊接著土體會發生以塑性變形為主的階段。數值上，5種不同類型的錨桿浸水前后錨桿的極限承載力都發生了極大的衰減，具體情況：錨固長度70 cm的錨桿浸水后較膨脹土邊坡處于最優含水率時錨桿極限承載力從1 200 N衰減至450 N；錨固長度65 cm的錨桿浸水后較膨脹土邊坡處于最優含水率時錨桿極限承載力從1 000 N衰減至325 N；錨固長度60 cm的錨桿浸水后較膨脹土邊坡處于最優含水率時錨桿極限承載力從850 N衰減至275 N；錨固長度55 cm的錨桿浸水后較膨脹土邊坡處于最優含水率時錨桿極限承載力從600 N衰減至187.5 N；錨固長度50 cm的錨桿浸水后較膨脹土邊坡處于最優含水率時錨桿極限承載力從450 N衰減至162.5 N（圖4）。

根據圖4浸水前后極限承載力與錨固長度曲線可知，錨固長度為70 cm、65 cm、60 cm、55 cm和50 cm的錨桿在浸水后錨桿極限承載力衰減了62.5%、67.5%、67.6%、68.8%和63.9%。錨桿極限承載力在浸水后發生大幅度衰減原因有幾點。

（1）浸水前膨脹土邊坡中的土體處于非飽和狀態，浸水后，膨脹土邊坡的土體由非飽和狀態變為飽和狀態，膨脹土邊坡土體進入飽和狀態后，膨脹土邊坡土體吸力降低，甚至喪失，孔壓升高，有效應力降低。

（2）膨脹土邊坡土體從非飽和狀態轉變為飽和狀態過程中，土中的膠結物質隨之軟化，土體結構性變差甚至消失，導致膨脹土強度進一步降低。

（3）從微觀角度上來說，膨脹土邊坡浸水后，在膨脹土礦物顆粒表面形成一層水膜，不僅起到潤滑作用，還降低了土體顆粒的粘聚力和摩擦角，抗剪強度降低。

3 結論

本文通過浸水前后膨脹土邊坡錨桿拉拔試驗研究了不同錨固長度、膨脹土邊坡浸水前后錨桿承載力的變化規律。具體結論：

（1）浸水前后錨桿的拉拔荷載位移曲線均表現出“直線—曲線—直線”的階段性特征，主要分為三個階段：①彈性階段，拉拔力荷載與錨桿頂端產生的位移顯示為近似的線性關系；②彈塑性變形階段，拉拔力荷載與錨桿頂端位移產生的位移顯示為非線性關系；③塑性變形階段，錨桿的拉拔力荷載增加不大的情況下，錨桿頂端位移快速增長。錨固長度

為70 cm、65 cm、60 cm、55 cm和50 cm的錨桿在浸水后錨桿極限承載力衰減了62.5%、67.5%、67.6%、68.8%和63.9%。

（2）浸水前膨脹土邊坡中的土體處于非飽和狀態，浸水后，膨脹土邊坡的土體由非飽和狀態變為飽和狀態，膨脹土邊坡土體進入飽和狀態后，土體吸力降低，孔壓升高，有效應力降低；同時在飽和狀態下的膨脹土礦物顆粒表面形成一層水膜，起到了潤滑作用，降低了土體顆粒的粘聚力和摩擦角，宏觀表現為土體軟化，抗剪強度降低。

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［作者簡介］嚴太勇（1976—），男，本科，高級工程師，主要從事水利水電工程檢測工作。

［通信作者］任金誠（1998—），男，在讀碩士，研究方向為巖土工程。