注漿壓力對土釘抗拔力的影響研究

中電建南方建設投資有限公司，廣東 深圳 518000

土釘與周圍土體的相互作用機理一般可以通過室內拉拔試驗進行研究。在實驗室試驗中，可以系統地改變參數，以評估其對土釘拉拔行為的影響。與室內試驗相比，現場試驗較好地反映了不同影響參數在現場的影響效果[1-3]，因此，所得到的拉拔阻力與一定參數之間的關系更適合現場設計。文章對香港某天然斜坡土釘的抗拔性進行了系統的研究，目的是評價注漿壓力和土體深度對土釘抗拔性能的影響。現場對土釘的灌漿長度和灌漿壓力進行了精確控制，對典型的試驗結果進行了比較和討論，以提高對土釘現場拉拔性能的理解。

1 現場工況

試驗項目位于香港一個均勻的天然斜坡，地盤勘測工程顯示，最大斜坡高度為12m，坡長為26.5m。水平方向的坡度角從15°到48°不等。現場土釘位置如圖1所示。從圖1中可以看出，這些土釘在現場涉及4個不同的土壤深度（2m、4m、6m、8m）。

圖1 現場土釘位置示意圖

2 拉拔試驗結果

土釘-土界面最大剪應力是土釘支護設計中的一個重要參數。對于水泥灌漿土釘，發現最大剪應力受灌漿壓力的顯著影響，也可能受上覆土壓力或土壤深度的影響。如上文所述，土釘的現場試驗涉及4種不同的灌漿壓力（0kPa、40kPa、80kPa和140kPa）和4種土壤深度（2m、4m、6m、8m）。

將最大拔出力除以土釘與土釘的接觸面積，可直接求得土釘-土界面的最大剪應力。土層釘-土界面最大剪應力與灌漿壓力的關系如圖2所示，圖2顯示了兩個土壤深度處的最大剪應力和灌漿壓力之間的關系。當土層深度一定時，釘-土界面的最大剪應力一般隨注漿壓力的增大而增大。在土層深度2m處，當沒有灌漿壓力時，釘-土界面的最大剪應力約為80kPa，但隨著灌漿壓力的增加，剪應力幾乎呈線性增加。當灌漿壓力為140kPa時，這些最大剪應力的最大值約為120kPa。在土層深度6m處，釘-土界面的最大剪應力仍隨著灌漿壓力的增加呈線性增加。這些最大剪應力的最大值在灌漿壓力為140kPa時達到，因此，注漿壓力顯著提高了釘-土界面的剪應力，最大剪應力似乎與灌漿壓力的增加成線性關系。

圖2 土層釘-土界面最大剪應力與灌漿壓力的關系

邊坡開挖時，土釘通常是韌性的。土釘支護系統的蠕變特性允許在釘-土界面上產生一定的相對位移，因此，研究特定拔出位移下釘-土界面的動剪應力也很重要。不同拔出位移下釘頭平均剪應力對比如圖3所示，顯示了不同拔出位移下，釘-土界面的剪應力隨灌漿壓力的變化。結果表明，拉拔位移為10mm時的剪應力最大，隨著拔出位移的進一步增大，釘-土界面的平均剪應力略有減小。此外，隨著注漿壓力的增大，無論拔出位移大小，平均剪應力都有較大幅度的提高。

圖3 不同拔出位移下釘頭平均剪應力對比

圖3還顯示了不同拔出位移下平均剪應力與土釘深度之間的關系，即剪切應力與土層深度之間沒有明顯的相關性。這表明釘-土界面的平均剪應力似乎與土壤深度（或上覆土壓力）無關。此外，雖然覆土壓力變化很大，但拔出位移為10mm時的剪應力仍然是最大的。

3 計算結果與試驗數據比較

在給定上覆土壓力、注漿壓力等基本參數和土的表觀黏聚力、摩擦角等土性參數的基礎上，直接求出相應的抗拔力。假定表觀土壤黏聚力為10kPa，摩擦角為29.9°，破壞面間距離和臨界拉拔位移分別為10mm和8mm。安裝后的正應力通常很小，約為5kPa，在已知灌漿壓力、覆土壓力和極限壓力的情況下，經驗系數M值如下：

基于現場試驗結果和計算結果比較土釘的抗拔力如圖4所示。圖4顯示了典型的土釘試驗結果和簡單模型與香港設計方法的計算結果，土釘的抗拔力與覆土壓力無關。該方法的計算結果與現場試驗結果吻合性較好。

圖4 基于現場試驗結果和計算結果比較土釘的抗拔力

假定臨界拉拔位移為6mm，單位重量為20kN/m3。根據現場測量，土釘直徑為122mm，鋼筋直徑為40mm。水泥漿和鋼筋的模量分別為30GPa和200GPa。因此，有效土釘模量計算如下：

式中：Ac和As分別為水泥和鋼筋的橫截面積，mm2；Ec和Es為相應的材料彈性模量，kPa。室內試驗結果表明，覆蓋層壓力（OP）和灌漿壓力（GP）對釘-土界面的剪應力有交互作用，因此使用經驗系數計算不同灌漿壓力和土壤深度（覆蓋層壓力）下的剛度系數k，如下所示：

式中：k0為初始剛度值，假定為15kPa/mm（對于無灌漿壓力的情況）。式（3）為經驗擬合，因此這種關系在各種測試條件下可能不成立。

4 結論

在香港某邊坡上進行了一系列拉拔試驗，研究了覆土壓力和注漿壓力對土釘抗拔力的影響。根據現場拉拔試驗結果和試驗觀察，得出以下結論：

（1）對于壓力注漿土釘，出水管的水泥漿壓力遠低于注漿管的水泥漿壓力。主要原因有兩個：水泥漿不斷滲入鉆孔周圍的土壤孔隙中，導致水泥漿產生一定的壓力損失；水泥漿需要克服自重接近出水管，產生壓力損失。

（2）從鉆孔中拔出后的土釘表面可分為兩個典型層：漿土混合層和薄土層。破壞面似乎出現在土壤內部，而不是灌漿-土壤界面，此外，拔出試驗后土釘表面不規則。

（3）由于水泥漿硬化過程吸收了周圍土壤中的水分，土釘表面土樣的含水量一般低于原鉆孔試件。土釘拔出后的土釘直徑與原鉆孔直徑相比有明顯增加。

（4）在無灌漿壓力的情況下，釘-土界面的平均拔出剪應力對土層深度不敏感。當采用注漿壓力時，釘-土界面的剪應力有較大幅度的提高。