拉力型巖土預應力錨界面粘結劣化研究進展

張思峰，李琳，李英勇

（1.山東建筑大學交通工程學院，山東濟南250101；2.山東省交通運輸廳公路局，山東 濟南250002）

0 引言

巖土預應力錨固結構由于其對巖土體擾動較小、施工快、經(jīng)濟、安全等優(yōu)點逐漸成為高陡邊坡、大壩、深基坑等大型巖土加固工程中的首選方法，并取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。按其內錨固段受力形式來說，拉力型巖土預應力錨固結構是當前應用范圍最廣、使用數(shù)量最多的一種錨固結構形式。如長江三峽水利樞紐工程中，在長為1621 m的船閘邊坡上，采用了4000余根長度為21～61 m、拉力值為3000 kN的預應力錨索及近10萬根長度為8～14 m的高強度錨桿進行加固，其中絕大部分為拉力型巖土預應力錨固結構。

拉力型巖土預應力錨固結構是指通過桿體與注漿體以及注漿體與周圍巖土體之間的粘結應力來提供張拉力的預應力結構，其特點是荷載施加后在其內錨固段前部出現(xiàn)高度應力集中現(xiàn)象，且隨張拉力逐級增大剪應力峰值逐漸內移，界面粘結逐漸劣化，存在漸進破壞的可能［1－2］。室內試驗與現(xiàn)場調研表明，大量預應力錨固結構失效都是由于界面粘結劣化造成的，因此，這種在外荷載作用下的界面漸進粘結劣化是決定拉力型巖土預應力錨固結構內錨固段長期耐久性的關鍵因素。界面粘結劣化的研究對實際工程中內錨固段合理長度及其使用壽命的確定等具有重要理論指導意義。文章通過對國內外在拉力型巖土預應力錨固結構內錨固段界面粘結應力及粘結劣化理論研究、試驗研究及數(shù)值模擬研究等方面的現(xiàn)狀回顧，闡述了拉力型巖土預應力錨固結構界面粘結劣化三個主要研究方面的現(xiàn)狀，提出了拉力型巖土預應力錨固結構界面性能研究中存在的問題及發(fā)展方向。

1 界面粘結應力及粘結劣化的理論研究

1.1 界面粘結應力（或剪應力）的理論研究

最初的界面作用機理認為在錨固結構各界面上不存在粘結劣化或者滑移現(xiàn)象，桿體、注漿體及圍巖體三者之間協(xié)調變形。基于此假設，Li等提出了指數(shù)形式分布的界面剪應力分布公式［3］；Wei等提出了內錨固段軸向力分布的兩參數(shù)復合冪函數(shù)模型［4］。在國內，曹國金等根據(jù)Mindlin問題的位移解，推導了拉力型預應力錨桿的桿體軸力及界面剪應力沿桿體分布的彈性理論解，分析了拉力型錨桿的受力分布特征，提出了確定拉力型錨桿支護長度的方法，對錨桿在不同巖體中的有效錨固長度進行了計算，并分析了影響錨桿有效錨固長度的各種因素［5］。洪海春等基于彈性理論，將錨桿作用力假定為在半空間體邊界上受到的法向集中力，研究了拉力型預應力錨固結構內錨固段界面剪應力沿長度方向的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)內錨固段最大剪應力并非出現(xiàn)在中點上，而是位于接近內錨固段前端的一側，且內錨固段剪應力的分布為單峰曲線，其兩端為零（或近似為零）、中間某處為最大值，通過引入相關參數(shù)估算極限承載力，研究了錨固段長度的取值問題［6］。蔣忠信認為拉力型錨索、錨桿錨固段的剪應力是非均布的，剪應力分布曲線是以0為漸近線的單峰曲線，通過對不同工程中實測的錨桿、錨索數(shù)據(jù)進行擬合，發(fā)現(xiàn)適宜采用三參數(shù)高斯曲線來描繪桿體內錨固段界面剪應力的分布模式，并推導得出了曲線的拐點、極大值、積分及平峰比等特征值［7］。宗全兵等基于Winkler假設的局部變形理論，將預應力錨索受力段分為一系列的子錨固段，研究了非均質地層中預應力錨索的受力特征，得出了桿體軸向力及界面剪應力的理論解［8］。鐘志彬等根據(jù)錨桿的實際工作狀態(tài)，在對全長粘結錨桿受力特性采取一定假設的基礎上，分析了巖體與桿體之間的相互作用機理；考慮錨桿軸向力的分布并結合荷載傳遞分析方法和彈性力學Kelvin問題解，得出了剪應力沿錨桿長度分布的計算公式。他認為在彈性狀態(tài)下，錨桿剪應力從外錨頭處的零開始迅速增大，達到最大值后沿錨桿長度方向呈指數(shù)形式衰減，經(jīng)過一定長度后，剪應力又趨近于零，即桿體剪應力的作用范圍僅分布在錨頭附近很有限的范圍內［9］。李沖等根據(jù)錨桿—圍巖相互作用原理，建立了全長錨固拉力型預應力錨桿桿體受力計算模型，并結合現(xiàn)場實測等方法分析了桿體軸力、剪應力與預張力的關系以及桿體軸力與剪應力的分布規(guī)律，認為錨桿桿體軸向應力、界面剪應力與圍巖條件、錨桿自身性質以及施加預應力的大小等有關［10］。上述研究對彈性狀態(tài)下巖土預應力錨固結構內錨固段桿體軸力及各界面剪應力分布規(guī)律進行了理論分析，推導了界面剪應力分布的一般規(guī)律，即表現(xiàn)為以0為漸近線的峰值靠近內錨固段前端的單峰曲線，相關研究成果對界面粘結應力分布特征的確定起到了積極的推動作用，也為拉力型巖土預應力錨固結構內錨固段合理長度的設計奠定了理論基礎。

1.2 界面粘結劣化的理論研究

后來人們發(fā)現(xiàn)隨軸向荷載的逐級增大存在界面粘結的劣化現(xiàn)象，即界面剪應力峰值點不斷向桿體深部轉移，且伴隨著界面之間的相對滑動。對此特征，Benmokrane采用三階段線性函數(shù)來描述接觸面上剪應力與剪切位移的關系：第一階段為共同變形階段，接觸面呈現(xiàn)彈性無損狀態(tài)；第二階段為接觸面的劣化損傷階段，剪應力隨剪切位移的增長而相應降低；第三階段接觸面完全處于損傷階段，只有摩擦力存在［11］。Ana等和Yazici等分別采用兩段式線性及四段式（其中三段用于描述粘結劣化段）復合曲線模型來描述上述關系［12－13］。Yazici等將注漿體的破壞過程分為三個階段：彈性階段、部分開裂階段和完全開裂階段，并分別對各個階段的力學特性進行了分析［14］。Shuqi等還根據(jù)拉拔試驗，建立了考慮殘余剪應力的粘結—滑移模型，得出了界面剪切應力和軸向荷載的分布規(guī)律［15］。以上研究成果將界面粘結劣化過程進行了分階段描述，并分析了各階段的界面力學特性，一定程度上揭示了內錨固段各界面在外荷載作用下的粘結滑移特性，但上述分析大都是根據(jù)拉拔試驗得到的粘結應力與滑移量之間的L—S曲線得到，并不能從本質上反映其內部變化機理，因此所采用的界面粘結裂化關系曲線也就有所不同。

在國內，對于拉力型巖土預應力錨固結構界面粘結劣化或滑移特性的理論研究還處于起步階段。張季如等假定錨固體與周圍巖土體之間的剪應力隨剪切位移呈線性增加，以此建立了描述桿體荷載傳遞機理的雙曲函數(shù)模型，獲得了錨桿摩阻力（即界面剪應力）和剪切位移沿桿體長度方向的分布規(guī)律，并結合埋設于黏性土中4根灌漿錨桿的現(xiàn)場拉拔試驗成果，分析了桿體荷載的傳遞特性：錨桿摩阻力由內錨固段頂端向尾端衰減，呈現(xiàn)不均勻分布，峰值出現(xiàn)在頂端；隨荷載遞增，峰值摩阻力將從內錨固段頂端向末端遷移，而后又隨著拉拔力的增加重駐內錨固段頂端［16］。鄒金鋒等基于損傷理論，定義了巖土體剪切損傷變量及其相應的損傷演化方程，依據(jù)巖土體在錨桿側向剪應力作用下發(fā)生的損傷特性和錨桿在巖土體中的荷載傳遞機理，建立了錨桿在巖土體損傷時的荷載傳遞微分方程并推導出考慮巖土體損傷情況下的錨桿軸力、剪切位移和側摩阻力沿錨桿長度分布的解析解，該理論解考慮了錨桿長度、錨桿直徑和巖土體的損傷特性、剪切模量及壓縮模量等因素的影響［17］。徐波等首先依據(jù)Mindlin位移解推出了錨桿剪應力沿長度方向的分布函數(shù)，并以此建立了錨桿荷載傳遞的微分方程，根據(jù)方程進一步推導了桿體位移沿深度方向的分布函數(shù)［18］。谷拴成等認為混凝土中錨桿的荷載傳遞特性主要取決于螺紋鋼筋—混凝土界面的剪切特性，他基于錨桿滑移所產生的剪脹效應及破壞機制，建立了適用于混凝土中螺紋錨桿的荷載傳遞模型，并得到了塑性破壞條件下桿體軸力和剪應力的解析解，探討了錨桿軸力和界面剪應力沿錨固長度方向隨相對剪切位移的分布規(guī)律，分析了不同拉拔力、錨桿直徑、剪脹角等因素對荷載傳遞的影響規(guī)律［19］。葉根飛通過總結已有的內錨固段各界面剪切滑移本構模型，并基于Benmokrane建立的界面滑移本構模型，應用荷載傳遞函數(shù)法，建立了彈塑性理論空間模型，得出了桿體界面上剪應力沿長度方向分布的理論解，同時結合現(xiàn)場試驗得到的桿體荷載—位移曲線將界面粘結劣化過程分為彈性變形、滑移變形、脫粘出現(xiàn)與發(fā)展及完全脫粘四個階段，不同階段的界面上具有不同的界面剪應力分布規(guī)律［20］。尤春安等基于預應力錨索錨固體從巖土體中拔出計算模式，通過分析錨固體與灌漿材料的界面層變形—破壞過程，建立了內錨固段的剪滯—脫黏模型，同時將內錨固段分為彈性區(qū)、塑性滑移區(qū)和脫黏區(qū)，采用與Coulomb條件關連的流動法則導出了界面應力分布的理論解，并認為錨固體承受荷載的主要工況是塑性滑移狀態(tài)，在研究或進行錨固體設計時應主要基于這種變形狀態(tài)［21］。可以看出，目前國內學者對荷載逐級增大情況下巖土預應力錨固結構內錨固段各界面的粘結裂化性能開展了卓有成效的理論研究工作，也取得了較多豐碩成果，但從理論上分析界面粘結裂化后剪應力峰值內移規(guī)律的相關研究還很少見。

從上述分析可以看出，研究者們對預應力錨固結構內錨固段的粘結劣化特性開展了針對性的理論研究工作，使人們對粘結劣化的認識從最初的感性認知提高到科學的理性分析，但從粘結劣化的細觀機理出發(fā)分析和解釋粘結劣化現(xiàn)象仍是當前研究的難點和重點。在此方面，李新平等根據(jù)復合材料力學的理論和方法，將巖土預應力錨固系統(tǒng)看作一種由巖體（基體材料）、錨桿（增強材料）和砂漿（黏結材料）構成的復合加固材料，建立了該復合加固材料的細觀力學等效模型，推導了其彈性常數(shù)的計算公式，并定量分析了巖體強度、錨桿尺寸及布置、砂漿強度等因素對錨固復合支護系統(tǒng)力學性能的影響，還理論分析了預應力錨固復合材料的宏觀力學性能與各組分材料的力學性能及細觀結構之間的相關關系［22］。尤春安等在進行預應力錨索內錨固段界面力學特性試驗研究的基礎上，探討了錨固體界面在荷載作用下的變形規(guī)律及失效條件，并基于此建立了有骨料的灌漿材料界面細觀力學模型，從細觀層面上對預應力錨索內錨固段從彈性變形到塑性滑移以致脫黏失效的全過程進行了研究，提出了錨固體拉拔失效的幾個階段：彈性變形階段、塑性滑移階段及脫黏變形階段［23］。

在界面粘結劣化的機理研究方面，Windsor認為粘結劣化是由于組成界面應力的三種分力：粘結力、機械咬合力及表面摩擦力依次消失或減弱的結果，而接觸面上只有殘余應力存在［24］。朱煥春等和蔣良濰等認為當已破壞錨固段內的殘余應力及未破壞段提供的粘結力足以平衡外荷載時，桿體將重新處于無滑移的共同變形狀態(tài)［25－26］。上述關于粘結劣化機理的研究提升了人們對拉力型巖土預應力錨固結構荷載傳遞機理的科學認知，但要真正掌握粘結劣化現(xiàn)象的本質還有賴于更深入的細觀機理研究。

2 拉力型巖土預應力錨固結構界面粘結劣化的試驗及數(shù)值模擬研究

2.1 界面粘結劣化的試驗研究

拉力型巖土預應力錨固結構的界面粘結劣化現(xiàn)象最初是由室內試驗和現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)的。Stillborg早在1984年就發(fā)現(xiàn)在非粘性土中隨著外荷載增大，存在界面粘結應力峰值點向內錨固段遠端轉移的現(xiàn)象［27］。其后，許多學者各自通過試驗驗證了類似現(xiàn)象［11－12，28］。而國內對此問題的研究要明顯晚于國外，張永興等設計了6種不同配合比的注漿體，將普通錨、壓花錨錨固于硬巖中，通過抗拔試驗獲得了巖錨的荷載—位移全過程曲線，分析發(fā)現(xiàn)普通拉力型錨索在達到極限承載力后持荷能力下降，位移不斷增長，分析認為是由于脫黏段轉移到內錨固段底部后持荷能力只由摩擦力和機械咬合力共同承擔的結果［29］。汪海濱等通過現(xiàn)場預應力巖錨原位拉拔試驗發(fā)現(xiàn)當內錨固段長度大于一定值后，其長度再增加無助于提高極限抗拔力，且對于內錨固段長度分別為10和12 m的拉力型錨索來說當錨頭位移分別達到94.77和128 mm時已無法再承受荷載，索體與注漿體間發(fā)生滑移或錨孔內持續(xù)帶出水泥漿屑［30］。張培勝等也通過室內模型試驗發(fā)現(xiàn)錨桿承受較小拉力時，桿體滑移量很小，但隨著拉力的增加，桿體頂端將會出現(xiàn)較明顯的位移，當外荷載達到某一數(shù)值后，桿體位移迅速增大，而荷載卻無法再繼續(xù)增加，錨桿失效，由此認為：當桿體所受拉力較小時，錨桿處于彈性工作狀態(tài)，外荷載主要由桿體外端部的界面粘結力來承擔，其曲線的峰值出現(xiàn)在桿體外端；隨拉力的增加，桿體外端及其內部剪應力逐步增大；拉力進一步增加后，桿體外端注漿體與桿體之間的界面粘結被破壞，桿體開始產生滑移，外端部剪應力下降，剪應力峰值隨之向錨固體深部轉移；當拉力增大到一定程度時，內錨固段前端的粘結應力下降至殘余應力，由桿體和注漿體之間的摩擦力來抵抗它們之間的相對滑移［31］。韓侃等在一個高速公路邊坡預應力錨固工程中，通過對隨機抽取的4根預應力錨索進行拉拔試驗并比較索體實際伸長量與理論伸長量的差值，發(fā)現(xiàn)部分錨索在拉拔過程中出現(xiàn)內錨固段的相對滑移，表現(xiàn)為索體張拉荷載不變的情況下錨頭位移隨時間而增長，并認為這種錨索荷載的傳遞和破壞是漸進式的［32］。可以看出，越來越多的室內及現(xiàn)場試驗已證明，荷載逐級增大情況下巖土預應力錨固結構內錨固段各界面尤其是桿體－注漿體界面存在漸進粘結裂化現(xiàn)象，即界面剪應力峰值向內錨固段遠端逐漸轉移，且界面的最終破壞一般呈現(xiàn)出突然性特點。

2.2 界面粘結劣化的數(shù)值模擬研究

室內試驗和現(xiàn)場試驗成果的積累促進了數(shù)值模擬計算方法的開展。Serrano等通過數(shù)值模擬研究了荷載大小、桿體與漿體、圍巖體材料彈性模量比值對粘結應力分布形態(tài)的影響［33］。Ana等采用有限差分法分析了沖擊荷載作用下預應力錨桿的動力響應，發(fā)現(xiàn)自由段長度及預應力大小均對內錨固段的動力性能有較大影響［34－35］。Yiming等采用有限元程序對界面粘結劣化理論模型進行了分析和驗證［36］。在國內，任非凡采用Abaqus軟件對一種復合錨桿的拉拔試驗進行數(shù)值模擬，考慮到復合錨桿的破壞形式多為界面破壞，因此作者用改進的Cohesive單元對復合錨桿的4種界面材料進行模擬，數(shù)值模擬結果表明鋼絞線軸向應力及界面剪應力均服從指數(shù)形式分布，且隨著荷載的增大，界面剪應力峰值向后轉移。復合錨桿的其余界面剪應力同樣服從指數(shù)形式分布規(guī)律，且界面剪應力峰值隨主控制面—鋼絞線與復合材料界面剪應力峰值的轉移而轉移［37］。江文武利用三維顯式有限差分程序（FLAC3D）建立預應力錨桿拉拔試驗數(shù)值仿真模型對影響錨桿錨固力的主要影響因素、錨桿拉拔過程中的整體失穩(wěn)規(guī)律等進行了研究，發(fā)現(xiàn)錨桿拔出的過程是由慢慢滑移到突然整體失穩(wěn)的過程，并且錨固體界面剪應力分布規(guī)律隨錨桿拉拔過程而不斷改變，這與汪海濱［30］等和張培勝等［31］所得現(xiàn)場及室內試驗結論相同，從而得出拉力型巖土預應力錨固結構在粘結逐漸劣化的過程中變形量很小，而其失穩(wěn)卻是突然性的［38］。張思峰等基于快速拉格朗日分析法，采用FLAC3D軟件分析了拉力型巖土預應力單錨體系和群錨體系作用下桿體內錨固段、自由段以及外錨頭部位的應力場、位移場及其相應的破壞機理，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)當內錨固段前部塑性屈服后，后部的壓應力集中區(qū)呈“錐狀”發(fā)展，刺入前部拉應力區(qū)［39］。上述界面粘結裂化數(shù)值模擬方法的開展彌補了理論及試驗研究的不足，為進一步揭示界面粘結裂化的機理提供了一定的參考價值，然而，上述基于連續(xù)介質力學的數(shù)值建模分析方法通常是唯象的，無法從細觀本質上把握界面粘結劣化對桿體受力及荷載傳遞特性的影響，另外，基于連續(xù)介質力學的方法在處理粘結劣化這類非連續(xù)變形問題時也存在較大局限性。

3 錨固結構界面粘結劣化研究存在的問題

拉力型巖土預應力錨固結構張拉力實際監(jiān)測結果表明，在預應力錨固結構的整個壽命期內預應力并非是逐級增大或固定不變的，而是由于各種因素影響而處于不斷的波動變化之中，呈現(xiàn)出周期性循環(huán)荷載的特征（如圖1所示），荷載變幅甚至接近桿體鎖定荷載的20%［40］。除此之外，在地震力這種偶發(fā)的不規(guī)則循環(huán)荷載作用下，巖土預應力錨固結構的桿體軸力也呈現(xiàn)出循環(huán)加載模式，且地震動荷載具有能量大、頻率高，受感區(qū)域巖土體表現(xiàn)為反復錯動或反復拉壓運動的特點，這種特殊的循環(huán)荷載作用對預應力錨固結構的界面粘結性能也是一個嚴峻考驗［41］。

圖1 預應力長期變化特征圖［40］

對此，李國維等通過現(xiàn)場試驗對4 m錨固長度的玻璃纖維增強聚合物（GFRP）錨桿施加非破壞性循環(huán)荷載作用，循環(huán)次數(shù)2次，最大荷載100 kN，并通過錨桿應力計及分布式光纖BOTDR技術測量錨桿桿體應力，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)與第1次循環(huán)加載相比，相同荷載下第2次循環(huán)加載使錨桿桿體相同位置處的軸向應力得到提高，分析認為是由于錨桿與砂漿的耦合程度隨循環(huán)荷載次數(shù)的增加而削弱，結合面強度降低，應力衰減幅度減小，傳遞深度增加，由此推論，由于環(huán)境溫度和降水的變化引起的荷載反復會加大錨桿的承載應力［42］。朱煥春等和樊啟祥等曾結合三峽船閘閘室高強錨桿進行了三次最大張拉力為600 kN的反復完全加卸載試驗［43－44］。試驗結果顯示不同循環(huán)時同一荷載對應的錨桿應力分布有所區(qū)別：第1循環(huán)時錨桿應力分布正常，前端第1個測點應力最大，應力向深處衰減很快；第2循環(huán)時，第1測點應力降低，第2、3測點應力較第1循環(huán)顯著提高；第3循環(huán)時第1、2測點應力降低，更深處的錨桿應力保持增高趨勢，這說明循環(huán)荷載作用同荷載逐級增大一樣將使預應力錨固結構界面產生粘結裂化，從而使錨桿受力深度不斷增加。現(xiàn)場試驗還發(fā)現(xiàn)3個循環(huán)后破壞情況基本趨于穩(wěn)定，但文中所采用的加載方式與工程環(huán)境溫度、降雨或地震力所形成的荷載變化形式差別較大。張思峰在對某實際邊坡加固工程中拉力型巖土預應力錨固結構施工期與長期運營期預張拉力變化特征分析的基礎上，提出了預應力錨固結構張拉力變化的大循環(huán)及小循環(huán)的概念，從而揭示了預張力循環(huán)變化的基本特征，以此為基礎，通過研制內錨固段疲勞破壞試驗裝置，在進行室內相似模型試驗的基礎上，研究了循環(huán)荷載作用下內錨固段的長期耐久性問題，發(fā)現(xiàn)隨荷載變幅的增大，內錨固段所能承受的最終循環(huán)次數(shù)大致呈指數(shù)形式衰減［45］。目前對于因循環(huán)加載而引起預應力錨固結構內錨固段粘結劣化現(xiàn)象的研究較少，另外受到試驗條件的限制也無法探明粘結劣化過程中錨固體各界面細觀組構的演化規(guī)律以及各界面兩相材料的細觀解耦機理，從而也無法從顆粒介質層面揭示荷載作用下界面粘結劣化的細觀力學本質及界面裂紋的萌生、分布和發(fā)展規(guī)律，這無疑限制了對荷載作用下拉力型巖土預應力錨固結構界面粘結劣化機制及界面滑移破壞力學機理、長期耐久性等問題的深入研究。

4 展望

綜上所述，目前國內外對于靜載作用下拉力型巖土預應力錨固結構界面粘結劣化性能的研究已取得一定成果，但對于動荷載作用下界面粘結劣化的研究較少，在細觀層面的精細化分析則更少。針對以上存在的問題，提出如下展望：

（1）界面細觀力學行為的物理試驗研究是揭示界面粘結劣化機理最直接也是最可靠的方法，但相關研究由于受試驗條件限制還很少見。先進的研究方法和技術可被借鑒用來進行巖土錨固結構界面粘結劣化細觀機理的相關研究工作。

（2）采用數(shù)值模擬軟件進行細觀數(shù)值模擬研究是對界面粘結劣化行為細觀物理試驗研究的補充和拓展。在此方面以離散元為代表的散體介質數(shù)值分析方法由于避免了連續(xù)介質本構關系選取這一難題而被逐漸應用于巖土體細觀力學性狀的研究，為從細觀尺度研究宏觀問題的內在機理提供了平臺，其中尤以顆粒流理論及其PFC程序因其能夠模擬固體力學大變形及顆粒介質流動問題而得到了廣泛的應用。離散元理論及其相關程序在分析巖土預應力錨固結構界面粘結裂化的發(fā)生與發(fā)展機制、揭示界面粘結裂化的細觀機理方面有其獨到的優(yōu)勢。

（3）考慮錨固體長度、循環(huán)荷載變幅、應力水平及注漿體強度等因素進行拉力型巖土預應力錨固結構界面粘結劣化的宏觀試驗研究，從而確定循環(huán)荷載作用下以上各因素對界面粘結劣化的影響規(guī)律。

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