錨桿錨固體與土體粘結(jié)強度特征淺析

        錨桿支護是基坑工程和邊坡工程中的一種常用的支護方法。與剛性支護體系如排樁、地下連續(xù)墻等支護方式相比，錨桿支護是通過設(shè)置于支護結(jié)構(gòu)外側(cè)原位土體中的土釘、被加固土體、面層及防水系統(tǒng)等所構(gòu)成的一種柔性支護體系，其工作理念是通過錨桿來約束與加固土體，同時結(jié)合土體自身的變形能力，共同承擔開挖荷載并抱著支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，具有材料用量少、施工快速簡便、所需施工場地小、安全經(jīng)濟等優(yōu)點，在我國基坑工程和邊坡工程中有著廣泛應用。
　　合理確定錨桿錨固體與土體間的粘結(jié)強度，對錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計極為重要。其主要受土體抗剪強度、錨桿施工的水泥漿注漿壓力、錨桿桿體表面結(jié)構(gòu)特征、錨固段上土體覆層厚度等多種因素制約。另外，在錨桿受拉時，沿錨固段長度的粘結(jié)應力受力并非均勻分布，其對粘結(jié)強度值同樣有影響。
　　1、錨桿錨固體注漿壓力對粘結(jié)強度的影響
　　錨桿在土體中進行錨固，錨桿錨固體與土體間的粘結(jié)強度較低，其強度除與土體的抗剪強度有相關(guān)性外，施工中的注漿壓力與注漿量也會有明顯的影響作用。
　　試驗研究表明，在對錨桿錨固體進行第一次常壓注漿后，待注漿體達到一定強度，再施作1.5～4.0 MPa 的二次高壓注漿，使水泥漿液壓入已形成的注漿體，并向周圍土體滲透擴散，形成水泥鑲嵌體，通過對一次常規(guī)灌漿形成圓柱形錨固體外土體的劈裂注漿作用， 在圓柱形錨固體外形成新的錨固異形擴體，這時錨固體呈現(xiàn)二元結(jié)構(gòu)特征， 由圓柱形的緊密漿體和異形擴大的復合土、漿固化體組成。能大大提高錨固體周圍土體的抗剪強度，從而使錨固體周邊的粘結(jié)強度得以顯著提高。
　　在對某工程進行的錨桿拉拔試驗試驗中，利用原有的基坑支護設(shè)計方案，基坑采用放坡錨桿支護結(jié)構(gòu)，基坑開挖深度 4.5m，設(shè)計三道錨桿，錨桿水平間距1.2m，豎向間距1.2m，傾角為15°。通過對該工程設(shè)計標高-3.6m處，長度為6m，采用20mm螺紋鋼筋的錨桿進行的拉拔試驗，分析在不同注漿壓力下錨桿錨固體的粘結(jié)強度值。該試驗錨桿采用全粘結(jié)錨固，每組三根共三組，分別采用一次注漿及二次注漿，錨固土層全長度均為粘土，以可塑狀態(tài)為主，局部軟塑，韌性低，干強度低，壓縮系數(shù)平均值為0.38，屬中等偏高壓縮性，直剪粘結(jié)力18 kPa，摩擦角6°，試驗結(jié)果如表1：
　　通過試驗數(shù)據(jù)，錨桿工程采用二次高壓注漿后實測到的錨固體粘結(jié)強度值，為僅采用一次常壓注漿的錨固體周邊粘結(jié)強度值的1.68倍以上。證明通過高壓注漿，錨固體剪切滑動面也沿原來的圓柱側(cè)面外移， 呈不規(guī)則的曲面， 滑面內(nèi)外均受注漿影響， 特別是劈裂注漿改變了滑動曲面處土體的物理力學性質(zhì)， 從而可以提高錨桿抗拔力。
　　通常采用一次常壓注漿形成的圓柱形錨固體的土層錨桿， 這在硬塑的粘性土和砂性土中，能獲得較高的抗拔力， 但在軟塑的粘性土、軟土、填土中， 均達不到理想效果。利用高壓注漿可以明顯地提高單位土錨錨固長度的抗拔力， 突破了土層錨桿應用的弱項。
　　2、錨固段長度對粘結(jié)強度的影響
　　試驗研究表明，錨桿在荷載作用下，其錨固段長度上的粘結(jié)應力分布量是很不均勻的。特別當采用較長的錨固段時，受荷初期，粘結(jié)應力峰值出現(xiàn)在臨近自由段處，而在離自由段較遠的錨固段下端，則不出現(xiàn)粘結(jié)應力。隨著荷載增大，粘結(jié)應力峰值逐步向錨固段根部轉(zhuǎn)移，而錨固段前端的粘結(jié)應力則顯著下降。當荷載進一步增大，粘結(jié)應力峰值轉(zhuǎn)移至錨固段根部時，錨固段前部較長范圍內(nèi)的粘結(jié)應力值進一步下降，甚至趨近于0。由此可知，錨桿能有效發(fā)揮粘結(jié)作用的長度是有一定限度的。在一定長度后，錨桿的平均粘結(jié)強度值隨錨固段長度的增加而減小，呈現(xiàn)非線性關(guān)系。
　　在對某工程進行利用試驗中，采用20mm螺紋鋼筋的錨桿進行的拉拔試驗，分析在長度下錨桿錨固體的粘結(jié)強度值。該試驗錨桿采用選擇全粘結(jié)錨固，分別一次注漿，每組兩根錨桿，選擇長度為6m、12m、18m，錨固土層全長度選擇為硬塑粘土，液性指數(shù)平均值為0.04，以硬塑狀態(tài)為主，局部可塑，切面較光滑，韌性中等，干強度一般，無搖振反應，壓縮系數(shù)平均值為0.20，屬中等壓縮性，三軸剪切粘結(jié)力42 kPa，摩擦角11°，試驗結(jié)果如表2：
　　通過試驗數(shù)據(jù)可知土層錨桿的極限拉拔力， 最主要是取決于錨固體與土體之間的粘結(jié)強度。在一定范圍后，錨桿灌漿體與巖土體的粘結(jié)強度隨錨固段長度的增長而降低。4m～12m錨固段長度范圍內(nèi)單位表面摩阻力隨著錨固段長度的增加而有時下降，即錨桿的抗拔力不可能隨錨固段的增長而成比例的增加，為非線性關(guān)系，甚至當錨固段超過一定長度后，錨桿抗拔力增加甚微或不再增加。
　　因而在利用傳統(tǒng)的計算錨桿抗拔力的公式時，應對計算結(jié)果進行修正，對計算值進行折減使用，同時設(shè)計時應避免選擇較大長度的錨索，以避免達不到設(shè)計目的及造成過度浪費。
　　結(jié)論：
　　針對以上關(guān)于錨桿的注漿次數(shù)及壓力、錨固段長度上進行的部分試驗，可得以下主要結(jié)論：
　?。?）對于土層錨桿，通過對錨固段實施二次高壓劈裂注漿，可以增大錨固段周邊的水泥漿的灌漿量，是提高錨固段灌漿體與土層間粘結(jié)強度的一種有效途徑。采用二次高壓注漿， 可以對一次常壓注漿形成的圓柱形錨固體進行劈裂注漿，進而使錨固體形成錨固異形體，增加兩者間接觸的不規(guī)則面，改變滑動曲面處土體的物理力學性質(zhì)，提高錨桿抗拔力。
　　（2）對于過長錨固段的錨桿受拉時，錨固段粘結(jié)應力分布是不均勻的，錨固段長度對錨桿錨固段的平均粘結(jié)強度有顯著影響，在錨桿抗拔力計算時，不能忽視錨固段長度的影響，采用單一的粘結(jié)強度值是不合理的，而應對錨固力計算結(jié)果進行修正，對計算值進行折減使用。
　?。?）土層錨桿的抗拔力與錨固段長度之間的關(guān)系， 并非線性增長關(guān)系， 當錨固段達到一定長度， 再增長錨固段，對抗拔力的增加已毫無意義。錨桿錨固體內(nèi)軸力及錨固體與巖土體之間的剪應力分布自錨固段頭部向尾部衰減， 呈不均勻分布。