紅層錨桿抗拔力學(xué)性質(zhì)模型試驗(yàn)研究

趙明華　王海波　劉曉明　張玲

摘 要：為了解紅層軟巖的崩解特性對錨桿力學(xué)性質(zhì)影響的規(guī)律，設(shè)計(jì)了紅層軟巖中錨桿抗拔試驗(yàn)和紅層軟巖的耐崩解試驗(yàn).首先通過紅層錨桿抗拔試驗(yàn)，得到了紅層錨桿在循環(huán)荷載下的荷載

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位移曲線（PS）和荷載

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彈/塑性位移曲線（PSe，PSp）的演化規(guī)律，然后通過耐崩解試驗(yàn)得到紅層軟巖的耐崩解指數(shù)Id2，最后將錨桿的力學(xué)性質(zhì)與紅層軟巖的耐崩解指數(shù)Id2聯(lián)合起來進(jìn)行分析.分析表明，隨著耐崩解指數(shù)的降低，紅層錨桿抗拔力學(xué)性質(zhì)變差.

關(guān)鍵詞：紅層；錨桿；抗拔；力學(xué)性質(zhì)；模型試驗(yàn)

中圖分類號：TU458 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AModel Test Research on the Red Layer Anchors Mechanical

Properties of Pullout Resistance

ZHAO Minghua，WANG Haibo，LIU Xiaoming，ZHANGling

（College of Civil Engineering，Hunan Univ，Changsha， Hunan 410082，China） Abstract：Slopes with red beds are often reinforced by anchors. But the disintegration characteristics of the red sandstone have direct influence on the mechanical properties of the anchors. Thus， it is required to study the laws between the disintegrating resistance characteristics of the red sandstone and the mechanical properties of the anchors. In this paper， anchor pullout tests in red sandstone layers and disintegrating resistance tests of red sandstone were carried out. Firstly， the evolution rules of the loaddisplacement curves and the loading elasticplastic displacement curves of the anchors in red beds under cycling loads were obtained through anchor pullout tests. Secondly， the disintegrating resistance index was acquired under the disintegrating resistance tests. At last， the laws between the disintegrating resistance characteristics of the red sandstone and the mechanical properties of the anchors were combined. The analysis shows that， with the reduction of disintegrating resistance index， the mechanical properties of the resistance of pullout become poor.

Key words：red beds；anchors； pullout resistance；mechanical properties； model test

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近十幾年來，我國高速公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了輝煌的成就，在工程建設(shè)中時(shí)常遇到紅層.紅層中含有大量的沉積類巖石，由于這些巖石強(qiáng)度不高，大多低于30 MPa，所以稱之為紅層軟巖＼[1＼].紅層軟巖大多具有遇水崩解的不良工程特性.Cassell＼[2＼]對軟巖切方在27～70年后發(fā)生滑坡的現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)軟巖滑坡的滑動(dòng)面處巖土材料的抗剪強(qiáng)度下降為原來的1/5～1/26.Engin＼[3＼]通過大量試驗(yàn)建立了肯塔基軟巖巖石耐崩解指標(biāo)與單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系.趙明華等＼[1，4，5＼]根據(jù)浸水崩解特性將紅層軟巖分為3類，并對Ⅰ類、Ⅱ類紅層軟巖進(jìn)行處理，成功地將其用作路基填筑材料.蘇永華＼[6＼]等利用穩(wěn)定分?jǐn)?shù)維作為軟巖路基、堤壩修筑施工工藝控制性指標(biāo)，指導(dǎo)某高速公路路堤工程的施工，獲得了質(zhì)量優(yōu)良的路基.劉曉明＼[7-8＼]等對紅層軟巖崩解的主要影響因素以及Ⅰ類紅砂巖崩解抑制措施進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)水理特性不穩(wěn)定的礦物含量是影響軟巖崩解的主要因素，而Ca（OH）2對Ⅰ類紅砂巖的崩解性抑制作用最強(qiáng).

紅層軟巖的崩解會(huì)對其工程性質(zhì)產(chǎn)生不良影響，若不采取防范措施，將給工程帶來嚴(yán)重危害.在工程建設(shè)中，由于切方形成的紅層邊坡大多采用系統(tǒng)錨桿對其進(jìn)行加固＼[9＼]，因而，對紅層軟巖的崩解特性與錨桿力學(xué)性質(zhì)之間的影響規(guī)律進(jìn)行研究顯得尤為重要.本文對幾組紅層軟巖試樣設(shè)計(jì)了模型錨桿并進(jìn)行了抗拔試驗(yàn)，再對該紅層軟巖進(jìn)行了耐崩解試驗(yàn)，利用耐崩解試驗(yàn)得到的耐崩解指數(shù)反映其崩解特性，從而得到其崩解特性與錨桿抗拔力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，以期供工程參考.

1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)的目的是得到紅層軟巖崩解特性對紅層錨桿力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，即耐崩解性指數(shù)與荷載

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位移曲線之間的關(guān)系，參照已有模型試驗(yàn)，采用實(shí)際材料的縮尺模型.將紅層軟巖編號為1#， 2#， 3#.首先在巖塊上鉆孔，制作錨桿，養(yǎng)護(hù)足夠時(shí)間后，根據(jù)現(xiàn)行《巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程》＼[10＼]進(jìn)行抗拔試驗(yàn)，得到錨桿荷載

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位移（PS）曲線；然后將巖塊破碎，選取合適的巖樣，根據(jù)《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》＼[11＼]進(jìn)行巖石耐崩解試驗(yàn)，得到巖塊的耐崩解指數(shù)Id2（即崩解物中大于2 mm顆粒占固體總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)）；最后將PS曲線和耐崩解指數(shù)Id2聯(lián)合起來進(jìn)行分析，得出兩者之間的規(guī)律.

本試驗(yàn)所采用紅層軟巖來自湖南某高速公路修建現(xiàn)場，其天然單軸抗壓強(qiáng)度在10～30 MPa之間不等.本試驗(yàn)?zāi)z結(jié)材料采用水泥砂漿，其中水泥為山水牌P·O42.5R級水泥，砂為粒徑≤2 mm的河砂，砂漿配合比按規(guī)程推薦的灰砂比1∶0.5～1∶1.為了得到較好的流動(dòng)性，本次試驗(yàn)取配合比水∶灰∶砂為0.4∶0.8∶1.一般錨桿的破壞形式有3種：①桿體破壞，②桿體與膠結(jié)體之間破壞，③膠結(jié)體與巖土之間膠結(jié)面破壞.本試驗(yàn)希望得到紅層軟巖崩解特性對錨桿力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，故參考規(guī)程中推薦的取值范圍，對紅層軟巖與水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度取值為0.8 MPa，試驗(yàn)錨孔直徑為32 mm，孔深為30 cm，膠結(jié)抗拔力為24.1 kN.且試驗(yàn)設(shè)計(jì)錨桿桿體的極限抗拔能力必須大于砂漿與軟巖的膠結(jié)抗拔力.故采用HRb400精軋螺紋鋼模擬錨桿桿體，直徑為10 mm，極限承載力為31.4 kN.在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d.為使試驗(yàn)結(jié)果具有可比性，將錨桿極限抗拔能力均定為20 kN，參照《巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程》，最大拉力荷載為極限抗拔力的80%，即16 kN .

抗拔試驗(yàn)采用穿心式千斤頂，試驗(yàn)張拉裝置簡圖與儀器架設(shè)如圖1所示.錨桿極限抗拔試驗(yàn)采用分級循環(huán)加載，加載等級和位移觀測時(shí)間均遵循現(xiàn)行《巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定.加荷速率及注意事項(xiàng)：①第五循環(huán)前加荷速率為100 kN/min，第六循環(huán)的加荷速率為50 kN/min.②在每級加荷等級觀測時(shí)間內(nèi)，測讀位移不少于3次.③在每級加荷等級觀測時(shí)間內(nèi)，錨頭位移增量小于0.1 mm時(shí)，方可施加下一級荷載，否則延長觀測時(shí)間，直至錨頭位移增量在2 h內(nèi)小于2 mm，方可施加下一級荷載.

湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2013年

第8期 趙明華等：紅層錨桿抗拔力學(xué)性質(zhì)模型試驗(yàn)研究

圖1 裝置簡圖與儀器架設(shè)

Fig.1 Diagram of device and erection of instruments

錨桿抗拔試驗(yàn)完成后，將軟巖破碎，根據(jù)《公路巖石試驗(yàn)規(guī)程》選取合適的巖樣，每塊試樣質(zhì)量為40～60 g，外形為渾圓塊狀，每組試驗(yàn)試件的數(shù)量為10個(gè).試驗(yàn)過程中烘干的巖樣如圖2所示，耐崩解試驗(yàn)如圖3所示.

圖2 烘干的巖樣

Fig.2 Ovendried red sandstone

圖3 耐崩解試驗(yàn)

Fig.3 Experiment of slaking

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

耐崩解試驗(yàn)結(jié)果見表1.由表可知，1#軟巖在2次循環(huán)崩解試驗(yàn)中的崩解量并不大，耐崩解指數(shù)為87.6%，為碎屑巖類中的粉砂巖；3#軟巖在2次循環(huán)崩解試驗(yàn)中的崩解量很大，耐崩解指數(shù)為56.3%，為粘土巖類中的砂質(zhì)泥巖.而2#軟巖在2次循環(huán)崩解試驗(yàn)中的崩解量介于兩者之間，耐崩解指數(shù)為67.9%.一般情況下，粘土性礦物是軟巖崩解的主要原因＼[12＼]，本試驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn).碎屑巖類中的粉

表1 紅層軟巖耐崩解試驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 Results of red sandstone on disintegrating

resistance test

巖樣 編號 m0/g ms/g mr2/g Id2i/% Id2/%

A 1 452.1 1 998.6 1 921.6 85.9

1# B 1 452.3 1 983.4 1 933.7 90.6 87.6

C 1 452.3 2 005.6 1 929.8 86.3

A 1 452.4 1 978.4 1 834.3 72.6

2# B 1 452.2 1 987.3 1 805.9 66.1 67.9

C 1 452.3 1 993.1 1 803.8 65.0

A 1 452.2 2 034.8 1 777.9 55.9

3# B 1 452.3 2 012.7 1 784.1 59.2 56.3

C 1 452.2 2 001.3 1 748.3 53.9

砂巖崩解后在水中的沉積物很粗糙、扎手；粘土巖類中的砂質(zhì)泥巖崩解后在水中的沉積物細(xì)膩、光滑，沉淀所需時(shí)間比粉砂巖長.

錨桿極限抗拔試驗(yàn)結(jié)果按照荷載對應(yīng)的錨頭位移列表整理，并繪制錨桿荷載

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位移（PS）曲線如圖4所示.

S/10-2mm

（a） 1#錨桿總位移

S/10-2mm

（b） 2#錨桿總位移

S/10-2mm

（c） 3#錨桿總位移

圖4 錨桿基本試驗(yàn)荷載

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總位移曲線

Fig.4 PS curves on basic test of anchors

從上述耐崩解試驗(yàn)結(jié)果與錨桿基本試驗(yàn)荷載

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總位移曲線可知：1#軟巖的耐崩解指數(shù)Id2為87.6%，在循環(huán)荷載下，最大的錨頭位移為0.50 mm；2#軟巖的耐崩解指數(shù)Id2為67.9%，在循環(huán)荷載下，最大的錨頭位移為0.72 mm；3#軟巖的耐崩解指數(shù)Id2為56.3%，在循環(huán)荷載下，最大的錨頭位移為1.26 mm.分析可知：隨著耐崩解指數(shù)的降低，錨頭位移增大.然而，僅得到其耐崩解指數(shù)對錨頭總位移的影響是不夠的，本文還將分別從彈性位移、塑性位移兩方面進(jìn)行分析.

2.2 崩解特性對錨桿彈性位移與塑性位移的影響

由循環(huán)荷載下錨頭的荷載

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位移曲線可得出其彈性位移Se與塑性位移Sp，在荷載

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總位移曲線中有：

S=Se+Sp.

其中每個(gè)循環(huán)中荷載恢復(fù)到2 kN時(shí)錨頭不能恢復(fù)的位移量為塑性位移Sp，于是也可以得出彈性位移Se.圖5為各錨桿的荷載

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彈性位移曲線，圖6為各錨桿的荷載

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塑性位移曲線.

Se/10-2mm

圖5 錨桿荷載

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彈性位移

Fig.5 PSe curves on basic test of anchors

Sp/10-2mm

圖6 錨桿荷載

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塑性位移

Fig.6 PSp curves on basic test of anchors

由圖5中曲線可知，在拉力荷載作用下，各錨桿產(chǎn)生的彈性位移基本呈線性變化，同時(shí)耐崩解指數(shù)大的紅層軟巖，在相同荷載作用下其錨桿產(chǎn)生的彈性位移小，即該軟巖中的錨桿的抗拔剛度大.最大彈性位移值分別為0.19 mm，0.21 mm，0.25 mm.

由圖6中曲線可知，當(dāng)?shù)谝患壓奢d（6 kN）作用后，錨桿即產(chǎn)生塑性位移，可知第一級荷載大小已超過其彈性極限.在拉力荷載作用下，錨桿每級荷載作用下產(chǎn)生的塑性位移越來越大.不同軟巖中的錨桿在相同荷載作用下的塑性位移差別很大，各錨桿產(chǎn)生的最大塑性位移分別為0.31 mm，0.51 mm，1.01 mm.紅層軟巖耐崩解指數(shù)的降低，使得錨桿塑性位移急劇增大.

2.3 荷載

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總位移曲線的擬合分析及能量關(guān)系

對荷載

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總位移曲線進(jìn)行分析可知，曲線可采用二次三項(xiàng)式擬合，即

P=aS2+bS+c.

擬合曲線如圖7所示.

總位移S/10-2mm

圖7 荷載

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總位移擬合曲線

Fig.7 Fitting PS curves on basic test of anchors

擬合曲線的相關(guān)系數(shù)見表2.

表2 擬合曲線的相關(guān)系數(shù)

Tab.2 Correlation coefficients of fitting curves

1#錨桿 2#錨桿 3#錨桿

Id2/% 87.6 67.9 56.3

a 2.980 04 2.372 32 2.231 68

b 0.511 84 0.356 69 0.214 30

c -0.005 18 -0.002 36 -0.000 85

相關(guān)度 0.970 64 0.994 00 0.992 24

各錨桿拉伸的過程即是能量吸收的過程，而能量吸收的多少能夠反映出錨桿力學(xué)性質(zhì)的好壞.將錨桿視為軸心受拉桿件，略去加載和卸載過程中的能量損耗后，外力所做的功在數(shù)值上就等于積蓄在錨桿內(nèi)的應(yīng)變能.記錨桿在拉伸過程中吸收的能量為W，則有：

以下所計(jì)算的能量為各錨桿產(chǎn)生的位移從0到0.50 mm過程中錨桿所吸收的能量，各積分函數(shù)為擬合得到的多項(xiàng)式.1#， 2#， 3#錨桿在拉伸過程中吸收的能量分別為：

顯見，W1>W2> W3，隨著耐崩解指數(shù)的降低，相同位移條件下，錨桿吸收的能量減少，力學(xué)性能變差.現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程沒有考慮巖石耐崩解強(qiáng)度對錨桿力學(xué)性能的影響，但根據(jù)上述分析可知，在紅層錨桿的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮軟巖崩解對錨桿性質(zhì)的影響.

3 結(jié) 論

本文進(jìn)行了紅層軟巖錨桿抗拔模型試驗(yàn)與紅層軟巖的耐崩解試驗(yàn)，得到不同耐崩解指數(shù)紅層軟巖中錨桿的荷載

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位移（PS）曲線.根據(jù)本次試驗(yàn)研究，從錨頭位移以及吸收的能量2個(gè)方面進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論，可供紅層邊坡的加固錨桿設(shè)計(jì)和施工參考.

1）隨著拉力荷載的增大，錨桿彈性位移呈線性增長，塑性位移呈非線性增長.各錨桿產(chǎn)生的彈性位移差別不大，但隨著耐崩解指數(shù)降低，產(chǎn)生的塑性位移增大，抗拔力學(xué)性能變差.

2）耐崩解指數(shù)不同的紅層軟巖中錨桿在產(chǎn)生相同位移時(shí)所吸收的能量不同.隨著紅層軟巖耐崩解指數(shù)的降低，各錨桿能夠吸收的能量降低，抗拔力學(xué)性能變差.

3）當(dāng)紅層邊坡受雨水沖刷時(shí)，紅層軟巖將會(huì)出現(xiàn)不同程度的崩解，耐崩解強(qiáng)度越小，受到的影響越大.應(yīng)在設(shè)計(jì)紅層錨桿時(shí)考慮耐崩解強(qiáng)度對錨桿后期的抗拔力學(xué)性能的影響.

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