夾雙筋體復合錨桿錨固性能與界面力學傳遞特征

張景科，諶文武，李最雄，王旭東，和法國

（1. 蘭州大學 土木工程與力學學院，西部災害與環境力學教育部重點實驗室，甘肅 蘭州，730000；2. 國家古代壁畫保護工程技術研究中心，甘肅 敦煌，736200）

夾雙筋體復合錨桿錨固性能與界面力學傳遞特征

張景科1,2，諶文武1,2，李最雄2，王旭東2，和法國1,2

（1. 蘭州大學 土木工程與力學學院，西部災害與環境力學教育部重點實驗室，甘肅 蘭州，730000；2. 國家古代壁畫保護工程技術研究中心，甘肅 敦煌，736200）

在世界最大的生土遺址-交河故城開展現場試驗，選用2種長度的錨桿按照基本試驗的要求開展拉拔試驗，同時在各界面層布設應變監測點。結果表明：8 m長錨桿錨固力達408 kN，滿足大體量土遺址錨固的需求；隨著長度增加，極限錨固力增長，但平均錨固力減小；復合錨桿各界面剪應力沿著桿長呈現單峰值或多峰值的空間分布特征，隨著荷載的增加，界面各點剪應力增加并且向錨固末端傳遞，峰值剪應力亦同時向錨固末端偏移；試驗過程中在較高荷載下出現界面剪應力狀態轉化的現象。

夾雙筋體復合錨桿；極限錨固力；界面力學傳遞；長度效應

土遺址加固因遵循“最小干預、最大兼容”和“不改變原狀”的文物保護理念，不同于其他領域的巖土體加固[1]。全長黏結型錨固技術具有弱擾動性、強隱蔽性和高錨固力等優點，在土遺址力學穩定性控制領域得到了廣泛應用[2]。桿體選型上經歷了最初薄壁鋼管的嘗試后，回歸到傳統工藝中的竹木桿材，目前已研發出基于竹木桿材的復合錨桿[3]。然而在工程應用中，最關鍵的設計參數——錨固力的選擇仍采用傳統的“平均剪應力”理論，研究證明該理論不符合錨固各界面的實際受力機制，在實際中容易造成安全冗余或隱患[4]。因此，加強錨固系統界面力學傳遞機制研究日益重要。在其他土體錨固領域，全長黏結型錨固系統桿材基本選用成型的金屬桿材或玻璃纖維桿材，其桿體材質均勻，錨固系統各界面受力也較為均勻，從力學的角度開展理論研究，結合室內和現場試驗，錨固機理取得了較大的進展[5?10]。復合錨桿又名南竹加筋復合錨桿，由敦煌研究院李最雄研究員研發，包括加單筋和夾雙筋體2種類型[11]。最初成功應用于交河故城崖體搶險加固工程，隨之應用于其他大規模的土遺址錨固工程中[12]。該復合錨桿錨固系統含有五界面，其力學機制極其復雜，而且桿體非標準制作，無法保證桿體的均勻順直，因此難以通過力學理論公式進行描述，揭示其錨固機制的最有效手段為現場試驗，其結果更接近于實際錨固性態。對于加單筋復合錨桿的錨固機理方面，孫滿利等[13]對加單筋復合錨桿宏觀錨固性能與在土遺址中的適用性進行了探討；張虎元等[14?15]通過室內試驗系統研究了南竹桿材、復合材料、筋體?復合材料界面、復合材料?南竹界面的力學行為；任非凡等[16?17]基于現場試驗對加單筋體復合錨桿的錨固工藝、界面力學傳遞特征進行了系統研究。然而對于夾雙筋體復合錨桿的錨固性能和界面力學傳遞特征還未有綜合研究。鑒于此，本文作者選擇錨固長度8 m（M8）和12 m（M12）的復合錨桿作為研究對象，通過現場拉拔試驗和錨固系統各界面的應變監測，研究夾雙筋體復合錨桿的錨固性能和界面力學傳遞特征，揭示了錨固性能的長度效應，為復合錨桿錨固系統的設計與優化奠定理論依據。

1 夾雙筋體復合錨桿與錨固工藝

1.1 夾雙筋體復合錨桿

桿體由2片南竹、復合填充料、2根7Φ5 mm的鋼絞線（抗拉強度1 860 MPa）組成，鋼絞線均布處于桿體的中部，2片南竹對接成圓形，內部充填復合填充料，用鋼絲進行捆扎，桿體直徑約90 mm（圖1）。南竹選用無傷痕、無斷裂、順直的毛竹，經過切削加工后，內外表面均涂抹環氧樹脂；復合填充料為粉煤灰、環氧樹脂、石棉、酒精與固化劑的混合物；鋼絞線端部外露200 mm。錨桿外表面包裹一層玻璃絲布，并用環氧樹脂進行涂抹粘接。對中支架采用環形的4分鋼管綁扎而成。錨具采用HQM型夾具，根據桿體長度的不同，錨板采用邊長為200～300 mm的正方形鋼板，厚度16 mm。錨孔孔徑150 mm，斜插角10°～15°。注漿體為水泥砂漿，水泥型號采用42.5R，灰砂比1：1，水灰比0.4～0.6，強度不低于15 MPa。錨桿端部采用涂抹瀝青漆的方式防腐。

1.2 錨固工藝

夾雙筋體復合錨桿錨固步驟如下：（1） 桿體加工養護30 d，安裝對中支架；（2） 臨時支護瀕危遺址體；（3） 運用空壓潛孔鉆干鉆成孔；（4） 吹孔把孔內的土渣清理干凈；（5） 錨桿安裝，注漿管隨著錨桿進入錨孔；（6） 錨孔注漿；（7） 孔口補漿，安設錨具；（8） 錨桿端部防腐。

圖1 加雙根鋼絞線復合錨桿結構示意圖Fig. 1 Structure diagram of composite bolt with double-strand

2 試驗

2.1 試驗場地

試驗場地選擇在世界最大的生土遺址/交河故城崖體的中下部，土體為第四系沖積而成的粉質黏土，天然密度1.65 g/cm3，天然含水量0.34%，孔隙率38.7%，級配不良，內摩擦角19.6°，內聚力18 kPa。

2.2 試驗設備

錨桿拉拔儀器采用中煤產LSS50H型錨桿拉拔儀，油缸中心孔徑60 mm，油缸工作行程120 mm，測量范圍0～500 kN。應變采集采用東華測試產DH3816應變測量系統（Ver3.0.1版），測量范

圍（?20 000～20 000）ηε。應變片采用中航電測產型號BQ120?60AA（電阻（120.8±0.1） ?，靈敏度2.14%±1%）。

2.3 應變監測系統

應變片埋設于錨固系統中筋體?復合材料界面（2個筋體界面分別為S1-1和S1-2）、復合材料?南竹界面（S2）、南竹?水泥砂漿界面（S3）（圖2），M8應變片布設位置為L=0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，6.0和8.0 m處（其中，錨固端部為0 m），M12應變片布設位置為L=0，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，7.0，8.0，9.0，10.0，11.0和12.0 m處（其中，錨固端部為0 m）。

圖2 應變片黏貼分布圖Fig. 2 Distribution sketch of strain gauge to be bonded

2.4 試驗步驟

在土遺址錨固領域還沒有針對錨固試驗的規定或標準，綜合國內錨固試驗的現狀，考慮到各界面層應變數據的采集，主要依據規范為《土層錨桿設計與施工規范》（CECS22：90）中錨桿試驗部分內容。相應的試驗步驟和控制要求按照該規范執行。

3 結果

3.1 錨固性能

M8和M12復合錨桿拉拔試驗均因變形不穩定而終止了數據采集工作，繼續加載直至錨固系統破壞，失效模式為鋼絞線斷裂。M8和M12復合錨桿拉拔試驗荷載?位移曲線分別如圖3和4所示。

圖3 復合錨桿M8 荷載?位移（Q?S）曲線Fig. 3 Load?displacement curve of M8 composite bolt

圖4 復合錨桿M12荷載?位移（Q?S）曲線Fig. 4 Load?displacement curve of M12 composite bolt

由圖3可知：M8錨固系統經歷了3個循環加卸荷后，繼續加壓超過408 kN時，變形無法穩定，當軸向荷載低于204 kN時，處于彈性變形階段，當超過200 kN時，隨著加荷的增加，錨固系統塑性位移越來越大，因此，M8錨固系統極限錨固力為408 kN；由圖4可知：M12錨固系統經歷了4個循環加卸荷后，當加荷超過476 kN后，變形無法穩定，當軸向荷載低于204 kN時，處于彈性變形階段，當超過204 kN時，隨著加荷的增加，錨固系統塑性位移越來越大，因此，可以確定M12錨固系統極限錨固力為476 kN。

M8和M12錨固系統平均錨固力為51 kN/m和39.67 kN/m。可以看出：隨著長度的增長，平均錨固力減小，單純通過增加錨固深度提高錨固力是不經濟的。

3.2 界面力學傳遞特征

應變監測點數據表明：當荷載超過204 kN后，各監測點的應變均超出量程，因此本文重點分析在68 kN和204 kN荷載等級下各界面層的力學傳遞過程，并比較M8和M12錨固系統的同界面力學行為。

3.2.1 筋體?復合材料界面（S1-1與S1-2）

圖5和圖6所示分別為S1-1和S1-2在68 kN荷載水平下應變沿著錨固深度的變化規律。錨固深度1 m范圍內，復合錨桿桿體各界面層均處于受壓狀態，這與拉拔荷載方向無法與桿體軸向完全吻合有關。

圖5 68 kN荷載下S1-1界面應變分布特征Fig. 5 S1-1 interface strain distribution under 68 kN

圖6 68 kN荷載下S1-2界面力學分布特征Fig. 6 S1-2 interface strain distribution under 68 kN

在S1-1界面：M8和M12錨固系統界面剪應力分布不均，均表現出單峰值現象，M8峰值處于3 m附近，M12峰值處于2.5 m附近，曲線特征表明：在該級荷載下，界面剪應力沿著桿體深度出現先增后減的特征；除個別奇異點外（L=6 m和7 m），相同位置處M8的界面剪應力大于M12的界面剪應力；M8錨固系統界面層均出現剪應力作用，但M12錨固系統在L=6～12 m區間，界面剪應力近于0 MPa，表明M12錨固系統界面剪應力未傳遞至后半段。

在S1-2界面層：界面剪應力分布總體特征與S1-1界面一致；但M8錨固系統界面層的末端出現了較大的壓應力狀態；局部點出現了應變溢出現象；2個界面層相同位置的應變有一定的差異，表明2根鋼絞線受力不均，這與試驗條件的局限性有關。

圖7和圖8所示分別為S1-1和S1-2界面在204 kN荷載水平下應變沿著錨固深度的變化規律。從圖7和8可知：在S1-1界面，M8和M12錨固系統界面剪應力分布不均，均表現出多峰值現象，M8應變極值處于3 m附近，M12應變極值處于2.5 m附近；錨固前段,相同位置處M8的界面剪應力大于M12的界面剪應力；錨固后端（6～8 m），則相反。M8錨固系統界面層均出現剪應力作用，但M12錨固系統界面前半段多處于壓應力狀態，后半段處于拉應力狀態，在末端剪應力為0 MPa，界面剪應力未傳遞至末端。在S1-2界面層，M8錨固系統界面層監測點大多出現了應變溢出，M12錨固系統界面層局部出現了應變溢出；M12錨固系統前8 m區段基本處于壓應力狀態，后4 m為拉應力狀態；各相同點M8錨固系統界面剪應力大于M12錨固系統。對比同級荷載下的2個界面層剪應力傳遞特征可知：相同位置的應變差別極大，表明2根鋼絞線受力極為不均，這與試驗條件的局限性有關。

圖7 204 kN荷載下S1-1界面力學分布特征Fig. 7 S1-1 interface strain distribution under 204 kN

圖8 204 kN荷載下S1-2界面力學分布特征Fig. 8 S1-2 interface strain distribution under 204 kN

對比兩級荷載下2個相同界面的剪應力傳遞特征可知，隨著拉拔荷載的增加，各監測點剪應力增大，沿著錨固深度出現多峰值現象，同時發生向錨固末端的界面剪應力傳遞現象，由于復合錨桿的不規則性，加載時會發生界面剪應力狀態的改變。

3.2.2 復合材料?南竹界面（S2）

圖9 68 kN荷載下S2界面力學分布特征Fig. 9 S2 interface strain distribution under 68 kN

圖9所示為S2界面在68 kN荷載水平下應變沿著錨固深度的變化規律。從圖9可以看出：M8和M12錨固系統界面均出現了局部應變溢出點，從有限的數據看，界面剪應力沿著錨固深度分布不均勻，具有先增后減的特征，M8錨固系統全界面受力，而M12錨固系統界面剪應力未傳遞至末端；相同位置處M8的界面剪應力大于M12的界面剪應力；2個錨固系統界面均處于拉應力狀態。圖10所示為S2界面在204 kN荷載水平下應變沿著錨固深度的變化規律。從圖10可以看出：M8和M12錨固系統界面均出現了大量應變溢出點，從有限的數據看，2個錨固系統均表現出在加載端和錨固后端出現壓應力區段。

圖10 204 kN荷載下S2界面力學分布特征Fig. 10 S2 interface strain distribution under 204 kN

對比不同荷載等級下的2個界面層剪應力傳遞特征可知，相同位置的應變隨著荷載的增加而增長，剪應力逐漸向錨固深處傳遞，剪應力分布的峰值也發生向深處的偏移，加載端和錨固末端開始出現由拉應力向壓應力的轉變。

3.2.3 南竹?漿體界面（S3）

圖11所示為S3界面在68 kN荷載水平下應變沿著錨固深度的變化規律。從圖11可以看出：M8和M12錨固系統界面剪應力沿著錨固深度分布不均勻，具有先增后減單峰值的特征，峰值出現在L=1.5 m處，M8錨固系統全界面受力，而M12錨固系統界面剪應力未傳遞至末端；除L=3～5 m區段外，其余區段相同位置處M8和M12的界面剪應力非常接近；2個錨固系統界面均處于拉應力狀態。圖12所示為S3界面在204 kN荷載水平下應變沿著錨固深度的變化規律。從圖12可以看出：M8和M12錨固系統界面均出現了應變溢現象，沿著錨固深度界面剪應力分布不均，具有先增后減單峰值的特征，峰值出現在L=3～5 m區段；M8錨固系統界面均處于拉應力狀態，而M12錨固系統界面加載端處于壓應力狀態，其余受拉；相同位置處M8界面剪應力普遍大于M12的界面剪應力；在錨固末端，M8和M12錨固系統界面均表現出較為均勻的受拉狀態。

圖11 68 kN荷載下S3界面力學分布特征Fig. 11 S3 interface strain distribution under 68 kN

圖12 204 kN荷載下S3界面力學分布特征Fig. 12 S3 interface strain distribution under 204 kN

對比不同荷載等級下的2個界面層剪應力傳遞特征可知，相同位置的應變值隨著荷載的增加而增長，剪應力逐漸向錨固深處傳遞，剪應力分布的峰值也發生向深處的偏移，錨固末端界面剪應力分布較為均勻。

4 討論

4.1 錨固性能與長度效應

錨固試驗結果表明：夾雙筋體復合錨桿錨固深度8 m時可以達到408 kN，達到了金屬錨桿的錨固力，對土遺址錨固而言是較為理想的。M8與M12復合錨桿錨固試驗表明：在較低荷載下M8界面可以全長受力，而M12錨固末端未受力，即使在較高荷載下，M12各界面末端受力較小而且較為均勻，因此，單純的通過增加錨固長度提高錨固力是有限的，這點在界面剪應力傳遞特征討論中亦得到了證明。基于以上分析，建議復合錨桿錨固段不應超過12 m。

4.2 界面剪應力分布與傳遞特征

從復合錨桿各界面剪應力的分布特征可知：錨固系統在軸向受拉荷載下，界面剪應力為拉應力且非均勻，出現單峰值或多峰值現象，在較低荷載下，M12錨固系統末端各界面未出現受力狀態，受桿體制作工藝的影響，局部出現壓應力狀態；試驗結果與已有的現場室內試驗研究成果吻合，并且單峰值特征從理論上也得到了驗證。但對于多峰值特征目前還沒有從理論上得到有效的解釋，本試驗中出現多峰值疑與桿體制作不均勻，容易發生應力局部集中現象有關。因此，現行規范中按照“平均剪應力”確定錨固長度的方法不盡科學，容易造成安全冗余或隱患。

復合錨桿在軸向受拉荷載68 kN和204 kN下各界面剪應力沿桿長的分布特征可知，隨著受拉荷載的增加，監測點剪應力普遍增長，界面剪應力和剪應力峰值向錨固末端同時偏移，促使錨固系統整體受力。試驗結果與已有的研究成果吻合，也得到了理論上的驗證[18]。但本試驗在荷載增加時局部出現界面剪應力由受拉轉為受壓的現象，還難以解釋，可能是界面由塑性變形轉為脫粘解耦后，界面接觸發生調整的結果。從復合錨桿同一橫截面剪應力的分布看，剪應變從大到小依次為：S2界面，S1界面，S3界面，參照現有研究，假定橫截面均勻受力，可以推斷各界面的剪切剛度從小到大依次為：S2界面，S1界面，S3界面。實際上，由于復合錨桿桿體直徑遠比其他工程領域的桿體的大，而且拉拔試驗受力作用點在鋼絞線上，這種假設不成立，剪應力沿著橫截面中心向外衰減，這增加了復合錨桿錨固系統受力機制的復雜性。

5 結論

（1） 基于原位錨固試驗，在土遺址錨固中8 m長夾雙筋體體復合錨桿錨固系統可以提供不低于408 kN的錨固力，加之其耐久性，可以替代金屬錨桿，是較為理想的錨固桿材。

（2） 單純通過增加錨固長度，對于提高錨固力的貢獻較小。

（3） 復合錨桿各界面剪應力沿著桿長呈現單峰值或多峰值的空間分布特征，隨著荷載的增加，界面各點剪應力增加并且向錨固末端傳遞，峰值剪應力亦同時向錨固末端偏移。

（4） 試驗過程中出現的界面剪應力性質轉化、復合錨桿桿體橫截面發生界面剪應力的橫向傳遞，其特征和機理還需深入研究。

（5） 受制作材料、工藝的限制，復合錨桿難以實現規格化，因此，其錨固特點與成型化的桿體錨固特點不同，各界面受力機制較為復雜。

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（編輯 趙俊）

Anchorage performance and interfacial mechanics transfer characteristics of composite bolt with double-strand

ZHANG Jingke1,2, CHEN Wenwu1,2, LI Zuixiong1, WANG Xudong1, HE Faguo1,2

（1. Key Laboratory of Mechanics on Environment and Disaster in Western China, School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;
2. National Research Center for Conservation of Ancient Wall Paintings, Dunhuang 736200, China）

The field experiment was carried out in Jiaohe ruins（the largest earthen sites of the world）, and two bolts with different lengths were pulled out according to the requirement of the basic experiment, meanwhile, strain monitoring points were set up along the interfaces of the bolts. The results show that the bolt of 8 m can get the anchorage force of 408 kN, which meets the conservation demand of large-scale earthen sites; with the increase of the bolt length, the maximum anchorage force increases and the average anchorage force decreases. There are single-peak and multi-peak distributions in the interfaces along the bolt. With the increase of the load, interfacial shearing stress increases and transfers to the end of the bolt as well as the peak shearing stress of the interface; the condition transformation of shearing stress takes place under large load during experiment.

composite bolt with double-strand; maximum anchor force; interfacial mechanics transfer; length effect

TU47

A

1672?7207（2014）02?0563?07

2013?03?29；

2013?07?20

國家自然科學基金資助項目（51108218）；蘭州大學中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（lzujbky-2010-21）

張景科（1980?），男，山東濟寧人，博士，副教授，從事文物保護（古遺址保護）研究；電話：0931-8914308；E-mail：zhangjink@lzu.edu.cn