泥質砂巖邊坡加固錨桿黏結疲勞特征原位試驗

魏榮華

中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100097

錨桿防護在現代工程建設領域已取得廣泛應用，其在邊坡加固等方面都發揮了較好的作用。為了驗證錨桿的加固質量，可通過合理的試驗方式來驗證。對于特殊施工條件，應根據此時錨桿防護工程的基本特點，探討相適應的試驗檢測方法，從而準確反映出錨桿防護應用效果。

1 工程概況

某互通立交E 匝道EK0+200 ～EK0+460 段右側邊坡原采取五級邊坡設計方案。E 匝邊坡施工涉及大范圍開挖作業，由此形成穩定性欠佳的臨空面，且施工期間正值汛期，巖體逐步趨于飽水狀態并伴有失穩現象，隨之滑坡。坡面包含大量滑動松散體，該部分因人員、現場環境等原因而未得到有效的清方處理，卸載、防排水等相關防護措施未及時落實到位，大量地表水逐步匯聚至坡體凹形低洼區域。隨強降雨天氣的持續延長，坡體的下滑現象愈發明顯，抗剪強度大幅下降，最終引發滑坡事故。

2 現場地質條件

該工程邊坡地表以殘坡積層為主，覆蓋層呈自北向南厚度逐步加大的變化趨勢，滑動前厚度約3.0 ～18.0m，發生滑動后的厚度約4.0 ～10.0m。邊坡地形呈現出東高西低的變化趨勢，橫向僅存在微小的變化。邊坡前后緣高程差較大約82m。現場地形伴有較明顯的起伏現象，為典型的剝蝕中低山地貌，坡向約290°，以斜坡地形居多。該工程邊坡的坡體物質成分主要為碎石（塊石）含黏土、粉質黏土含碎石及全-強風化砂巖、泥巖，因開挖原因以及巖層產狀的原因，坡體覆蓋層厚度不均，由北向南漸厚，覆蓋層厚度為3.8 ～8.5m。潛在滑動帶主要由碎石含黏土層、粉質黏土含碎石及軟化后的全-強風化巖組成。

該區下伏基巖主要為泥巖、砂質泥巖等，強風化巖層節理裂隙發育，遇水易軟化崩解。中風化巖節理裂隙相對不發育，此次勘察鉆孔揭露邊坡區中風化巖體較完整，穩定性較好，未見滑動跡象；由于巖體結構呈現砂質泥巖、泥質粉砂巖、泥巖互層狀，因抗風化能力存在差異，易導致隔層風化的特點，在鉆探及挖孔過程中易出現土、石交替的情況[1]。

3 試驗試件制作

3.1 錨桿

根據試驗要求嚴格控制桿體力學參數，錨桿鋼筋力學指標具體見表1，表面性狀見圖1。

表1 錨桿鋼筋力學指標

圖1 錨桿鋼筋表面性狀（單位：mm）

3.2 光纖光柵傳感器

確定桿體裝置后，在其表面沿軸線依次開槽作業，全程均采取1mm×1mm 的尺寸控制標準，成槽后利用酒精清理干凈，再對其采取風干處理措施，將光纖光柵傳感器置于其中，形成的凹槽區域使用環氧樹脂填補平整。

3.3 試驗裝置

為順利完成試驗，應配置鋼墊板、位移計、測力計等相關裝置。其中，測力計選用性能良好的三弦式荷載傳感器，配置振弦式頻率讀數儀以便快速完成數據采集工作，傳感器產生的各項數據均通過SM125 解調儀完成采集。穿心千斤頂作用于夾片上，目的在于發揮出夾片的傳遞作用，實現拉力向錨桿的高效傳遞。

4 試驗方法及控制條件

考慮到試驗結果應具有可比性的要求，均在相同的錨桿上組織試驗。根據現場情況分為4 類試驗，具體如下：（1）試驗Ⅰ。通過預應力錨桿的作用可達到加固圍巖的效果，試驗分析此時錨桿所具有的承載性能。（2）試驗Ⅱ。錨桿應用于巖質邊坡高度≤30m、土質邊坡高度≤15m 的條件中，試驗分析此時錨桿所具有的承載性能。（3）試驗Ⅲ。錨桿在各類型水利水電工程中發揮出支護作用，試驗分析錨桿在此條件下所具有的承載力。（4）試驗Ⅳ。試驗內容為一般地質條件下錨桿所具有的承載性能。

5 試驗結果及分析

5.1 錨桿界面黏結損傷與循環荷載的關系

有序組織各項試驗，采集錨桿在各深度條件下所形成的應變值，完整記錄此部分數據。以彈性模量為依據，經計算后求得錨桿體的軸力分布特點。此處涉及有效錨固深度的概念，將其視為桿體軸力減小至零后所對應的桿體深度。通常而言，若桿體界面黏結效果良好，此時受黏結力的影響，桿體軸力將呈現持續下降的變化趨勢，并在某個節點衰減至零。當軸力為零時，其對應的深度即有效錨固深度。根據既有規律可知，將有效錨固深度替代黏結破壞深度是較安全的。

結合試驗數據展開分析，若選用長度為0.5m 的錨桿，在經過多級循環張拉處理后其承受的最大張拉荷載為91kN。隨著后續作業的持續推進，若張拉荷載達到81kN，發現此時錨桿的有效錨固深度發生變化，由原本的1.2m 增加至2.15m。由此表明，經過多次加卸荷載操作后，錨桿界面將存在較為明顯的黏結度疲勞損傷現象，且隨著張拉循環的持續推進，該黏結狀態將逐步趨于惡化，雖然僅存在相對微弱的荷載，但此時的荷載影響深度依然較為明顯。對此，可以對錨桿界面的黏結破壞深度形成更準確的認識，即該指標與所受荷載大小表現出正相關的特點，并且也與疲勞效應正相關[2]。選取多種錨桿體深度，分別分析此時應變值和施加荷載兩項指標間所呈現出的關系，主要規律如下：

（1）隨著錨固深度的增加，桿體應變呈現逐步下降的趨勢。

（2）在荷載相近的條件下，相較于前期加載效果而言，后續循環加載所造成的桿體應變明顯更大，且循環次數增加時桿體應變呈現同步增加的變化趨勢。

（3）隨著后一循環加荷作業的持續推進，當其達到前一循環的加載最大值后，此時兩個階段的桿體應變幾乎相同，因此若不存在較大的荷載，相同荷載的循環加載雖然會在一定程度上對桿體界面造成黏性損傷，但較為微弱。

隨著錨桿承受荷載的增加，其形成的錨固深度逐步加大，而黏結損傷與荷載值表現出正相關的特性；若未超過前期承載，此時經過循環加荷后會導致桿體界面的黏結損傷更為明顯；加載次數雖然會加劇黏結損傷，但幅度較為微弱，更為主要的影響因素應是前期荷載的大小。

5.2 錨桿界面黏結損傷與持荷時間的關系

根據試驗結果展開分析，可知在張拉荷載增加的情況下，錨桿體彈性伸長量也呈現出同步增加的變化規律，兩者具有顯著的線性關系，且隨著試驗方法的改變，線性系數隨之發生變化。完成試驗Ⅰ后再組織試驗Ⅱ，在此順序下線性系數呈大幅下降的變化規律，表明錨桿體彈性伸長量對加載較為敏感；經過試驗Ⅱ后再進入試驗Ⅲ，此時雖然存在線性系數增加的情況但其幅度較小；此后再組織試驗Ⅳ，可知線性系數依然減小且降幅更大。因此，從試驗Ⅰ至試驗Ⅱ，將帶來分級荷載持荷時間延長的情況，同時其彈性伸長量則大幅度增加；從試驗Ⅱ至試驗Ⅲ，明顯縮短了分級荷載持荷時間，此時的彈性伸長量增速放緩；從試驗Ⅲ至試驗Ⅳ，此時具有分級荷載持荷時間延長的特點，因此其彈性伸長量也同步增加。總體上，隨著持荷時間的增加，線性系數將呈現逐步下降的變化趨勢。

這表明，張拉荷載與彈性伸長量兩項指標間呈現出明顯的線性關系，隨著加載方式的變化，錨桿體彈性伸長量的增速隨之改變，而在持荷時間延長的情況下，其增速同步加大，錨桿體界面的黏結損傷愈發明顯。

5.3 試驗結果

錨桿承擔荷載增加的條件下，其具有的有效錨固深度逐步加大，由于荷載的增加或減小，錨桿體界面黏結損傷也呈現同步增加或減小的變化趨勢；前期荷載的主要影響對象為黏結損傷，盡管加載次數為影響因素，但其影響幅度較為微弱；持荷時間延長之下，錨桿彈性伸長量逐步增加。此外，張拉過程荷載作用下錨桿結構整體沒有發生塑性變形，說明荷載作用全部轉換成彈性能蓄存在結構內部[3]。

6 結論

在泥質砂巖圍巖環境下，可通過錨桿錨固的方式改善其受力狀態，在試驗檢測錨桿錨固效果時應選擇合適的方法，具體應考慮桿體界面黏結損傷特性和圍巖強度兩方面。縮短分級荷載持荷時間后，能夠緩解桿體界面黏結損傷；而且采取分級卸載的方式后，黏結體將表現出更為良好的黏結狀態，其與圍巖界面的黏結效果更佳。相比之下，文章提出的試驗Ⅰ更具科學性，僅需一個加荷循環即可。