錨桿-土體界面剪切特性影響因素試驗研究

（湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007）

1 研究背景

錨桿具有制作成本廉價、施工周期靈活、對環境污染小等一系列特點，因而在土木工程及相關領域被廣泛運用[1]。但是，受土體壓實度和含水率、土體表面荷載、錨桿長度、材料和表面粗糙程度等復雜因素的影響，目前學術界對于土層錨桿的研究沒有統一的結論。

徐成良[2]以直剪試驗為原型，采用顆粒流模擬程序PFC（particle flow code）建立粗粒土與混凝土接觸面的直剪模型，并從宏觀和微觀兩個方面考慮了粗糙度和高度因素對接觸面的影響。郝建斌等[3]通過室內模擬土層錨桿在現場環境下的支護系統，發現錨桿的軸力極限值隨著外部荷載的增加先增大后減小，在地面荷載較小時，支護作用主要由上層錨桿承擔，當荷載增加到一定程度后，由中間和底層錨桿起主要的支護作用。段建等[4]依據界面黏滑本構模型假定和剪切位移法基本原理，建立了錨桿錨固力學微分方程并對其進行解析，發現界面抗剪強度與殘余強度的大小直接影響拉拔極限破壞特征；何思明等[5]通過彈性理論軸對稱問題的理論方法，發現在平均軸向應變的假設下，人為地增加錨桿長度，并不能有效增大錨桿的抗拔強度；郭銳劍等[6]基于界面黏結-軟化-滑動力學本構模型假定，分析了錨桿剪應力分布類型、拉拔極限荷載大小及破壞特征之間的關系，并給出相關的判別標準。王祥秋等[7]在不同介質下對擴孔錨的承載性狀進行了數值分析，研究表明，擴孔錨的橫截面積與錨固介質的強度是承載力的主要影響因素。馬安鋒等[8]利用三維數值模擬以及室內模型試驗結合的方法對全長粘結型錨桿的應力分布情況進行了分析，研究表明錨桿的應力以及位置分布與所受的加載有關。賀煒等[9]通過制備混凝土裝置，以孔隙比為指標，在壓力板儀中制備了非飽和土與混凝土剪切試樣，最終發現土與混凝土的極限剪切力、極限剪切位移和土體含水量密切相關，并得出界面發生破壞時，極限剪切位移范圍為1～5 mm；楊步云等[10]通過對節理巖體中的錨桿進行研究，發現增大圍巖抗壓強度及錨桿直徑，會導致錨桿軸力隨剪力的增長速率降低；陳昌富等[11]通過研發一種新型的拉拔試驗儀器，探究錨固體養護周期與錨桿拉拔速率對極限剪應力的影響，發現錨桿以0.1～2.5 mm/min的速度拉拔時，對極限剪應力的影響較小。為了深入了解坡積土中土體含水率及干密度對錨-土體界面剪切特性的影響，陳昌富等[12]在前期研究的基礎上，通過自行研制錨-土體界面摩阻性能測試方法和裝置，得出極限剪應力隨含水量增加而減小，并且含水量對于干密度較大土體中錨桿的錨固力降低作用大于干密度小的土體。

此外，由于實際工程中施工環境與地理情況十分復雜，而土體在現有應力狀態下的固結是一個漫長的過程，土體表面在施工過程中容易產生預壓應力，這對于土體與結構的剪切特性會有一定的影響。李晶晶等[13]發現在對粉質黏土施加預加荷載以后，粉質黏土的強度明顯提高；李劍等[14]通過在不同應力歷史情況下，對重塑紅黏土進行動三軸試驗，給出了重塑紅黏土動強度及最大動彈模與應力歷史關系的經驗公式。

綜上所述，由于錨桿-土體界面承載特性的復雜性，導致其影響因素過多，但是專門針對土體含水率、壓實度、上覆壓力對錨桿承載特性影響方面的研究較少。因此，本文基于自制錨桿-土體界面剪切裝置，通過室內模型試驗，針對有無預壓、土體含水率和壓實度3個因素，對錨桿-土體界面抗剪強度的影響規律展開研究。

2 試驗裝置與試樣制備

2.1 試驗裝置

本文采用自制的錨桿-土體界面剪切裝置，模擬描桿-土體界面抗拔試驗，試驗裝置如圖1所示。考慮有無預壓力作用兩種情況下，根據正交試驗方法，分別就土體含水率和壓實度對錨桿-土體界面剪切特性影響開展72組剪切試驗研究。

圖1 剪切試驗裝置Fig.1 Test device of shear tests

2.2 錨桿制作

試驗所用錨桿模型采用水泥砂漿和鋼筋預制，鋼筋直徑為8 mm，水泥采用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.43:1。錨桿直徑為30 mm，長度為210 mm。

2.3 土樣制備與填筑

試驗土料為株洲市某基坑中常見的紅黏土，經試驗測得土體液限wL為39.5%，塑限wp為20.8%。由直剪試驗測得土樣黏聚力c為30.97 kPa，內摩擦角φ為29.15°。通過室內擊實試驗，得出土的最佳含水率為12%，最大干密度為2.05 g/cm3。土樣填筑采用如圖2所示自制擊實儀器完成。擊實桶為壁厚5 mm、高190 mm、內徑200 mm的鐵桶。在桶底中心開了一個直徑為35 mm的圓孔，以保證錨桿在土體下部凸出20 mm。為了保證擊實土體過程中錨桿不接觸擊實桶的底部圓孔，特別制作了一個鋼制圓柱，并在圓柱中心開了一個直徑為32 mm、深度為20 mm的圓孔，且用3 塊小型方形鋼塊將圓柱固定，然后將擊實桶固定于圓柱上方，使擊實桶底部的圓孔與下部鋼制圓柱圓孔圓心重合，最后將錨桿嵌入鋼制圓柱中心的圓孔，因圓孔直徑為32 mm，略大于錨桿，故銜接良好。

圖2 土樣擊實裝置Fig.2 Compaction device of soil samples

擊實過程中土體分3次等質量加入，每加入一層后，依次放置傳力架與擊錘，讓擊錘沿著把手自由下落，給予瞬間的沖擊力并通過傳力架將土體擊實，通過控制每一層土體的質量與所需擊實到的高度來滿足每一組試驗所要求的壓實度。在擊實過程中，由于錨桿與土樣桶均被固定于鋼制圓柱上，所以擊實完成后，錨桿不會觸碰到桶底圓孔邊緣。

3 試驗方法與步驟

在無預壓的試驗中，將擊實制作好的錨桿-土體裝置放入剪切裝置中，并利用加載支架與加載盤通過傳力鋼珠對土體表面進行上覆加壓。試驗開始后，通過轉動升降盤，使升降臺緩慢上升并推動應力鋼環，使之產生形變，從而向上推動錨桿，鋼環中固定的百分表記錄了鋼環的變形量，從而可以獲得推力大小。當錨桿向上發生位移時，應力鋼環會產生相應的形變恢復，從而減小推力，由此可測出剪應力達到峰值后下降的數據。在錨桿上升過程中，在支座單元上部，通過磁性表座安裝另一個百分表，同步記錄錨桿的位移。

為了更好地研究剪切試驗的影響因素，本試驗針對有無預壓情況，共配置了8%,12%和16% 3個含水率試驗土樣。針對每個含水率，采用土體固體質量含量控制法，分別制作了壓實度分別為60%,70%,80%的剪切試樣，并分別在豎向壓力為18.91,37.86,50.80,75.74 kPa 情況下，進行剪切試驗，測試錨桿-土體界面剪切力。對于有預壓的情況，裝樣后，需要采用45.83 kPa 壓力，對土樣預壓1 h，卸載預壓荷載，并分別采用剪切試驗時豎向壓力完成剪切試驗。根據正交實驗方法，本次試驗有無預壓情況分別為36組，共計72組剪切試驗。

4 試驗結果與分析

4.1 無預壓試驗

4.1.1 剪應力與位移的關系

對模型試驗結果進行處理，得到錨桿-土體界面剪應力與位移（τ-s）全過程曲線，由于試驗組數較多，僅選取部分試驗曲線結果見圖3。由圖3所示曲線圖可以看出，剪切試驗初期，剪切變形很小，但剪應力增長卻十分迅速，并很快達到峰值。當剪應力達到峰值后，繼續增加剪切位移，剪應力開始下降，并逐漸趨于穩定，且豎向壓力越大，曲線下降速度越快。曲線結果表明，錨桿-土體界面剪應力隨剪切位移的提高而提高，但是當剪切位移達到一定值后，錨桿-土體界面逐漸出現弱化或破壞，從而導致錨桿-土體界面剪切位移增加，但剪應力反而降低。

圖3 剪應力與位移關系曲線Fig.3 Shear stress and displacement curves

4.1.2 含水率與壓實度對極限剪應力的影響

對無預壓情況的36組剪切試驗結果進行分析，得到不同含水率w和不同壓實度λ情況下，豎向壓力與極限剪應力的關系曲線，如圖4所示。

由圖4可知，含水率和壓實度一定的情況下，曲線為單增曲線，錨桿-土體界面極限剪應力τu均隨豎向壓力的增加而不斷提高，這說明豎向壓力對界面極限剪應力有直接影響。

根據擊實試驗得出該土體最佳含水率為12%，對比含水率為8%與16%的曲線可得，相同壓實度和豎向壓實度情況下，土樣含水率為最佳含水率時，錨桿-土體界面的極限剪應力最大。同時發現，當含水率為16%時，極限剪應力明顯大于含水率為8%的土體，說明土樣含水率對極限剪應力的發揮有十分重要的影響，含水率等于或略大于最佳含水率的土體有利于界面極限剪應力的提高。

此外，從曲線結果可以看出，相同含水率和豎向壓力作用下，壓實度為80%的極限剪應力曲線始終位于最上方，因此可以得出土體壓實度的大小，對錨桿-土體界面極限剪應力有著直接影響，土體壓實度越大，極限剪應力越高。

圖4 無預壓下土樣的極限剪應力-豎向壓力曲線Fig.4 Ultimate shear stress-vertical pressure curves without preload

4.2 豎向預壓試驗

與無預壓試驗不同，完成裝樣并進行剪切試驗之前，對土樣頂部施加一定壓力進行預壓，并記錄由預壓引起的土樣壓縮量，從而確定剪切試驗錨桿-土體界面接觸面面積。由于本次試驗主要是研究有無預壓對土樣極限剪應力的影響，故豎向預壓力只采用了45.83 kPa，預壓時間為1 h。

對完成的36組有預壓試驗結果進行整理，得出了錨桿-土體界面剪應力-位移（τ-s）全過程曲線，并確定其剪應力，從而得到極限剪應力-豎向壓力曲線圖，如圖5所示。

圖5 極限剪應力-豎向壓力曲線Fig.5 Ultimate shear stress-vertical pressure curves

由圖5可知，當土面豎向壓力低于預壓力時，預壓力對于錨桿-土體界面極限剪應力有明顯的增強效應，但隨著土體上覆壓力增大，預壓力的增幅效果逐漸減弱，有無預壓情況的兩條曲線逐漸靠攏。

此外，當土樣含水率為8%時，相同壓實度時，無預壓曲線始終低于對應的預壓曲線，充分說明了預壓力對極限剪應力有明顯的增強效果。當含水率為12%時，豎向壓力較小時無豎向預壓曲線低于有預壓曲線，當壓力達到一定大小后，有預壓曲線反而低于無預壓情況的，極限剪應力曲線出現交叉現象。當含水率為16%時，壓實度為60%和80%情況下，有無預壓極限剪切曲線也表現出交叉現象，但是當壓實度為70%時，無預壓極限剪切曲線始終低于有預壓情況。

從曲線分析可知，豎向預壓力對于界面極限剪應力影響比較復雜。當含水率較低時，不同壓實度情況下，預壓對極限剪應力影響顯著。但是，當含水率提高到最優含水率或更大時，對極限剪應力有明顯的增強效果主要表現在豎向壓力小于預壓力階段，超過預壓力反而不利于極限剪應力的發揮。

5 結論

本文通過自制的錨桿-土體界面剪切裝置，考慮有無豎向預壓情況下含水率和壓實度對錨桿-土體界面剪切特性的影響，得到如下結論：

1）通過試驗，得到錨桿-土體界面剪應力與位移（τ-s）全過程曲線，并發現錨桿-土體界面剪應力隨著剪切位移的提高而提高，但是當剪切位移達到一定值后，錨桿-土體界面逐漸出現弱化或破壞，并出現錨桿-土體界面剪切位移增加剪應力反而降低的現象；

2）土樣含水率和壓實度對極限剪應力的發揮有十分重要的影響。含水率等于或略大于最佳含水率的土體有利于界面極限剪應力的提高，而土體壓實度越大，極限剪應力越高；

3）對于有預壓情況，當剪切試驗中豎向壓力低于預壓力時，預壓力對于錨桿-土體界面極限剪應力有明顯的增強效應，但隨著土體上覆壓力增大，預壓力的增幅效果逐漸減弱，甚至可能出現不利于極限剪應力發揮的現象。