帶肋鋼筋與高強水泥土黏結性能試驗研究

李青強 劉銀芳 雷祖祥 周宇航 胡揚揚 胡椿華 耿大新 童立紅

摘要：【目的】為揭示帶肋鋼筋和高強水泥土之間的黏結作用機理，利用既有水泥土固化劑配比制作了33個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體拉拔試樣。【方法】通過直接拔出試驗，分析錨固長度、水泥土保護層厚度和鋼筋直徑對鋼筋水泥土黏結性能的影響。【結果】試驗表明：鋼筋與水泥土界面黏結強度隨著錨固長度的增加而減小，鋼筋和水泥土最佳保護層厚度為鋼筋直徑的2至3倍。【結論】隨著鋼筋直徑的增加，直徑大于10 mm后，鋼筋直徑增長變化對黏結強度影響幅度變小。

關鍵詞：高強水泥土；界面黏結強度；固化劑

中圖分類號：TU52；U414 文獻標志碼：A

文章編號：1005-0523（2024）02-0033-08

Experimental Study on Adhesion Performance between Ribbed

Steel Bar and High-Strength Cement Soil

Li Qingqiang1， Liu Yinfang2， Lei Zuxiang1， Zhou Yuhang1， Hu Yangyang1，

Hu Chunhua1， Geng Daxin1， Tong Lihong1

（1. Jiangxi Underground Space Technology Development Engineering Research Center， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China; 2. Fujian Geotechnical Engineering Exploration and Research Institute Co.， Ltd.， Fuzhou 350001， China）

Abstract： 【Objective】The aim of this study is to uncover the bonding mechanism between ribbed steel bars and high-strength cementitious soil. Thirty-three cubic pull-out specimens with dimensions of 150 mm×150 mm×150 mm were produced using an existing cementitious soil solidifier ratio. 【Method】Through direct pull-out tests， the influence of anchorage length， cementitious soil cover thickness， and steel bar diameter on the bonding performance between steel bars and cementitious soil was analyzed. 【Result】The experiments indicate that the bonding strength at the interface between steel bars and cementitious soil decreases with the increase of anchorage length. The optimal cover thickness for steel bars and cementitious soil is between 2 to 3 times the diameter of the steel bar. 【Conclusion】As the diameter of the steel bar increases， the impact of the diameter growth on the bonding strength decreases， especially when the diameter exceeds 10 mm.

Key words： high-strength cement soil; interfacial bonding strength; curing agent

Citation format： LI Q Q， LIU Y F， LEI Z X， et al. Experimental study on adhesion performance between ribbed steel bar and high-strength cement soil[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（2）： 33-40.

【研究意義】水泥土攪拌樁支護結構一般由水泥土擋墻與型鋼組成，憑借其造價低廉，施工高效，且具有較好的抗滲和擋土功效等優勢，發展和應用前景廣闊[1]。然而，在面臨深大基坑及復雜周邊環境的工況時，水土側壓力幾乎由型鋼單獨承擔[2]，水泥土墻體強度較低故而難以完全發揮筋體與水泥土界面的黏結特性。開展帶肋鋼筋與高強水泥土黏結性能試驗研究，對于深大基坑及復雜周邊環境的工程，理解并提升黏結性能有助于設計更為合適的支護結構，以適應高側壓、不均勻載荷等復雜情況具有重要的實際意義。

【研究進展】近年來，型鋼水泥土攪拌墻技術[3]在提倡可持續發展和低碳經濟的時代得以推廣，同時部分學者針對型鋼與水泥土之間相互作用展開了研究。周燕曉等[4]通過室內拉拔試驗探究了型鋼水泥土復合構件中黏結應力的分布情況及變化規律。張冠軍等[5]結合室內模擬試驗和工程實踐驗證了型鋼-水泥土之間黏結力的有效性，并提出了有效回收型鋼的驗算方法。顧士坦[6] 研究分析了型鋼拔出的受力機理，以期優化工程設計，提高施工效率和質量。

目前，針對鋼筋和水泥土協同變形作用機理的研究相對缺乏。梁仁旺等[7]和于寧等[8]初次開展鋼筋與水泥土握裹力試驗，為鋼筋水泥土應用于支護工程提供試驗依據。陳昌富等[9]以玻璃纖維增強聚合物（GFRP）作為受力筋體，開展GFRP筋-水泥土中心拉拔試驗，分析影響界面黏結強度的各項因素，并構建出完整的黏結強度預測模型。黃佳彬[10]通過拉伸試驗、抗壓強度測定以及研究推導，建立了描述GFRP筋-水泥土界面蠕變行為的模型。Chen等[11]針對GFRP筋膠結土（GTRCS）的界面黏結強度力學特性，研究了不同含水率、水泥摻入比和養護齡期對GTRCS抗拉強度和無側限抗壓強度的影響規律。張根寶等[12]采用MatDEM軟件模擬了GFRP筋與水泥土界面相對位移的變化，進一步闡述界面黏結滑移機制。

【創新特色】綜上所述，現有的加筋水泥土黏結性能研究主要圍繞特殊筋體與普通水泥土展開，難以直接指導服務于實際工程，而普通帶肋鋼筋與高強水泥土尚未見文獻報道。研究通過深入了解帶肋鋼筋與高強水泥土之間的黏結性能，優化工程設計，提高結構的整體承載力和穩定性，從而保證工程安全。【關鍵問題】基于此，本文以帶肋鋼筋和經過固化改良后的高強水泥土為研究對象，通過直接拉拔試驗分析錨固長度、水泥土保護層厚度和鋼筋直徑對鋼筋-水泥土黏結性能的影響，繪制拉拔荷載-位移曲線，探究帶肋鋼筋與高強水泥土界面黏結特性，為實際工程設計加筋水泥土構件提供參考依據。

1 鋼筋-水泥土拉拔試驗

1.1 試驗材料

本試驗用土取自南昌市地鐵2號線東延沈橋站基坑開挖的粉質黏土。先將原料土放入烘箱中進行烘干處理，溫度控制在105 ℃左右，時間超過8 h，之后用工具擊碎烘干后的土樣，過5 mm篩子去除大粒徑雜質，最后將制備好的土放置于密封容器中以備試驗使用。本試驗使用的固化劑材料均由合作單位提供，能夠保證其有效性。

1） 水泥：采用普通硅酸鹽水泥（P.O.） 42.5級水泥，密度為3.05～3.15 g/cm3，各項指標都符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）標準。

2） 水玻璃：普通硅酸鈉水溶液，呈無色半透明黏稠狀。

3） 生石灰：白灰色狀粉末，其主要成分為CaO，灼燒后氧化鈣含量不低于98%。

4） 聚丙烯酰胺（polyacrylamide，PAM）：一種線形高分子聚合物，呈現白色顆粒狀。

1.2 試驗裝置及方法

設計制作適用于本試件的拉拔模具。模具由下底板、側面擋板和中隔板三部分組成。側面擋板根據要求開有不同直徑的小孔，與相匹配的亞克力套管相連。

拉拔加載設備采用UTM5305型萬能試驗機，其構造包括：測量系統、驅動系統、控制系統和電腦，可以根據不同的負荷要求進行分級加載，搭配自制試件夾具共同使用。

1.3 試件設計與制備

為了保持水泥土強度的一致性，選用課題組內研制的單一固化劑，具體配比為：水泥摻入比24%，水玻璃摻量8%，生石灰摻量2%，PAM摻量1.5%；同時為了試驗操作便捷，自由端鋼筋設置長30 mm，拉拔端鋼筋長180 mm，試驗所用芯材統一使用HRB400帶肋鋼筋。通過改變內插亞克力管的長度、鋼筋直徑及鋼筋芯材所處截面位置，以實現對錨固長度、鋼筋直徑和保護層厚度與黏結強度之間的相關性研究。試件設計如圖1所示，其中a為亞克力套管長度，b為水泥土保護層厚度。

拉拔試驗共設計制作11組試件，每組3個平行試樣（150，150，150 mm），每組試件參數詳見表1，d為鋼筋的直徑。此外，單獨留樣制作6個尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體水泥土試塊用于無側限抗壓強度測試，經過機械攪拌和振搗后裝模密封袋，置于恒溫地下室中養護28 d后，將試樣取出進行加載測試。

2 試驗結果

經測定，此固化劑配比所制作的6個立方體試塊無側限抗壓強度均達到8.0 MPa以上，且在8.3 MPa左右波動，保證了該配比下水泥土強度的高強性和強度的平穩表現，測試結果如表2所示。

根據規范《混凝土結構試驗方法標準》（GB/T 50152—2012），采用式（1）計算平均黏結強度。

[τ=Fπdl] （1）

式中：[τ]為鋼筋與水泥土黏結強度的實測值，N/mm2；[F]為鋼筋與水泥土黏結破壞的最大荷載實測值，N；d為鋼筋的直徑，mm；[l]為鋼筋的錨固長度，mm。

3 鋼筋-水泥土界面荷載位移曲線

本試驗共得到33組數據，繪制圖2。對圖2進行分析可知，4組荷載位移曲線圖在位移2 mm前都呈線性上升且相同試件曲線基本重合，除了A3組和A4組。錨固長度為5d的3個試件的荷載-位移曲線呈現上升段、下降段和上升段；錨固長度為8d的3個試件的荷載-位移曲線，其中2條曲線呈現上升段、下降段，1條曲線呈現上升段、下降段和上升段；錨固長度為9d的3個試件的荷載-位移曲線呈現上升段、下降段；錨固長度為11d的3個試件的荷載-位移曲線呈現上升段、下降段。

從4組荷載位移曲線可以看出，隨著錨固長度的增加，荷載位移曲線的上升段越來越陡峭，這一現象也說明了界面黏結性能隨著錨固長度的增加而逐漸增強。

從圖3可以看出，保護層厚度為20 mm的3個試件的荷載-位移曲線呈現上升段、下降段、上升段和下降段；保護層厚度為30 mm的3個試件的荷載-位移曲線呈現上升段、下降段、上升段和下降段；保護層厚度為40 mm的3個試件的荷載-位移曲線，其中2條曲線呈現上升段和下降段，一條曲線呈現上升段、下降段和下降段；保護層厚度為50 mm的3個試件的荷載-位移，其中1條曲線呈現上升段和下降段，兩條曲線呈現上升段、下降段和上升段；保護層厚度為60 mm的3個試件的荷載-位移曲線呈現上升段和下降段。

在保護層厚度為20～40 mm時，荷載呈現上升趨勢，在保護層厚度為50～70 mm時，荷載幾乎不變，這也說明保護層厚度有一個最優值。

從圖4中可以看出，鋼筋直徑為12 mm的3個試件的荷載-位移曲線呈現上升段和下降段；鋼筋直徑為14 mm的3個試件的荷載-位移曲線呈現上升段和下降段。比較圖4中的3幅子圖可知，鋼筋-水泥土界面黏結強度隨著鋼筋直徑增加而增加。

對以上荷載位移曲線圖進行分析，發現HRB-400鋼筋和水泥土的曲線基本分為4個階段，第1階段線性上升段：這一階段，鋼筋和水泥土界面基本處于彈性階段；第2階段荷載強化段：荷載繼續增加，位移增加顯著；第3階段下降段：拉拔荷載減小，位移持續增加；第4階段殘余段：荷載下降到一定階段后不再下降，基本穩定，有些甚至出現微小上升。

4 鋼筋-水泥土界面黏結強度變化分析

4.1 錨固長度對黏結強度的影響

通過本次試驗，研究了不同錨固長度對黏結強度的影響，其中選擇了4個不同長度，分別為5d，8d，9d，11d。將保護層厚度和鋼筋直徑相同的拉拔試件的最大平均黏結強度繪制在一條曲線上，如圖5所示。

從圖5中可以看出，錨固長度為5d～11d，保護層厚度為70 mm，直徑為10 mm的鋼筋與水泥土界面的黏結強度的變化趨勢，黏結強度曲線總體呈現下降的趨勢。其他因素不變時，鋼筋與水泥土界面黏結強度隨著錨固長度的增大而減小，在拉拔力變化不大時，隨著接觸面積增大黏結強度反而減小。

4.2 保護層厚度對黏結強度的影響

本組試驗探究保護層厚度對黏結強度的影響，對保護層厚度取6個水平分別為20，30，40，50，60，70 mm。將相同錨固長度和鋼筋直徑的拉拔試件的最大平均黏結強度繪于一條曲線上，如圖6所示，黏結強度隨鋼筋直徑變化如圖7所示。

從圖6可以看出錨固長度為9d，保護層厚度為20～70 mm，直徑為10 mm的鋼筋與水泥土界面的黏結強度的變化趨勢，黏結強度曲線總體呈現先上升后保持平衡的趨勢。黏結強度隨保護層厚度的增加上升幅度減緩，最后基本保持水平，說明當保護層厚度在20～30 mm時，即為鋼筋直徑2～3倍時，鋼筋和水泥土界面的黏結強度達到最大值。

4.3 鋼筋直徑對黏結強度的影響

本組試驗探究鋼筋直徑對黏結強度的影響，對鋼筋直徑取3個水平分別為10，12，14 mm。將相同錨固長度和保護層厚度的拉拔試件的最大平均黏結強度繪與一條曲線上，如圖6所示。

從圖中可以看出錨固長度為9d，保護層厚度為70 mm，直徑為10～14 mm的鋼筋與水泥土界面的黏結強度的變化趨勢，黏結強度總體呈現保持水平的趨勢。隨著鋼筋直徑的增加，黏結強度大小基本沒有變化，說明鋼筋在這3種直徑下變化對黏結強度的影響并不大。

經比較，各因素對鋼筋與水泥土黏結性能影響程度從大到小依次為：錨固長度，保護層厚度和鋼筋直徑。

5 黏結滑移機理分析

在對11組試件進行拉拔試驗研究過程中，僅出現HRB400鋼筋拔出破壞，并未出現泥固化土劈裂破壞和HRB400鋼筋受拉導致筋體斷裂破壞。

將出現HRB400鋼筋拔出破壞的試件從中部切割開，HRB400鋼筋和水泥土接觸界面幾乎被磨平，HRB400鋼筋筋體的肋間都被水泥土填滿。拉拔試驗剛開始時拉拔荷載較小，HRB400鋼筋與水泥土之間主要依靠化學黏結力平衡拉拔力。經過多次試驗，HRB400鋼筋與水泥土的拉伸負荷不斷增加，而其之間的摩擦力和機械緊固力也在不斷減弱，最終完全替代了化學黏結力。隨著拉拔荷載不斷增大，HRB400鋼筋與水泥土之間產生位移，在產生位移的同時，HRB400鋼筋磨平了與水泥土凸出來的部分，這使HRB400鋼筋和水泥土之間的機械咬合力降低，這也意味著現階段黏結作用主要依靠兩種材料之間的摩擦力，界面黏結強度減小。最終，HRB400鋼筋逐漸從水泥土中拔出，從儀器讀數可知，拔出時的拉拔荷載已經遠小于最大拉拔荷載。

根據上述分析可知HRB400鋼筋和水泥土的黏結力主要包括3個部分。

1） 化學黏結力：HRB400鋼筋表面和水泥土膠凝體之間的膠結力；

2） 摩擦力：由于水泥土對HRB400鋼筋握裹且筋體表明粗糙，鋼筋拔出過程中便會產生摩擦力；

3） 機械咬合力：帶肋鋼筋表面凸起部分和水泥土之間產生的機械咬合力。

6 結論

1） HRB400鋼筋和水泥土的荷載-位移曲線基本分為線性上升段，荷載強化段，下降段，殘余段4個階段。

2） 鋼筋與水泥土界面黏結強度隨著錨固長度的增加而減小；探究保護層厚度對黏結強度的影響，發現鋼筋和水泥土最佳保護層厚度為2d～3d之間；在既有尺寸的試塊試驗中，隨著鋼筋直徑的增加，黏結強度大小基本沒有變化，鋼筋直徑在10～14 mm范圍內變化對黏結強度的影響并不大。

3） 拉拔試驗中試件只出現了鋼筋拔出破壞一種破壞形式，鋼筋的HRB400鋼筋在本試驗范圍內不發生材料屈服破壞，能夠較好保存位移荷載曲線。

4） 各因素對鋼筋與水泥土黏結性能影響程度從大到小依次為：錨固長度，保護層厚度，鋼筋直徑。

參考文獻：

[1]? ?王衛東， 丁文其， 楊秀仁， 等. 基坑工程與地下工程： 高效節能、環境低影響及可持續發展新技術[J]. 土木工程學報， 2020， 53（7）： 78-98.

WANG W D， DING W Q， YANG X R， et al. Deep excavation engineering and underground engineering： New techniques of high-efficiency and energy-saving， low environmental impact， and sustainable development[J]. China Civil Engineering Journal， 2020， 53（7）： 78-98.

[2]? ?張璞， 柳榮華. SMW工法在深基坑工程中的應用[J]. 巖石力學與工程學報， 2000， 22（S1）： 1104-1107.

ZHANG P， LIU R H. The application of SMW method in foundation pit[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2000， 22（S1）： 1104-1107.

[3]? ?梁志榮， 李忠誠. 型鋼水泥土連續墻在基坑工程應用中的關鍵問題及新發展[J]. 巖土工程學報， 2010， 32（S1）： 290-296.

LIANG Z R， LI Z C. Key problems and new development of soil mixed walls in excavation engineering[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2010， 32（S1）： 290-296.

[4]? ?周燕曉， 黃新， 麻志剛. 型鋼水泥土構件界面黏結應力試驗研究[J]. 路基工程， 2010（4）： 165-167.

ZHOU Y X， HUANG X， MA Z G. Experimental study on bond stress of profile bars reinforced cement soil component interface[J]. Subgrade Engineering， 2010（4）： 165-167.

[5]? ?張冠軍， 徐永福， 傅德明. SMW工法型鋼起拔試驗研究及應用[J]. 巖石力學與工程學報， 2002（3）： 444-448.

ZHANG G J， XU Y F， FU D M. Testing study and application of shape steel pullout in SMW construction method[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2002（3）： 444-448.

[6]? ?顧士坦. 基于層間應力的SMW工法型鋼起拔力分析[J]. 地下空間與工程學報， 2008（1）： 166-169.

GU S T. Analysis of shaped steel extraction force of SMW engineering method considering interlaminar normal stress[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2008（1）： 166-169.

[7]? ?梁仁旺， 于寧. 加筋水泥土梁力學性能的試驗研究[J]. 巖土力學， 2000（3）： 267-270.

LIANG R W， YU N. An experimental study of mechanical properties of reinforced cemented-soil beams[J]. Rock and Soil Mechanics， 2000（3）： 267-270.

[8]? ?于寧， 朱合華， 梁仁旺. 插鋼筋水泥土力學性能的試驗研究[J]. 土木工程學報， 2004（11）： 78-84.

YU N， ZHU H H， LIANG R W. Experimental study on mechanical properties of reinforced cemented-soil[J]. China Civil Engineering Journal， 2004（11）： 78-84.

[9]? ?陳昌富， 黃佳彬， 張根寶， 等. 水泥土中GFRP筋的界面黏結特性試驗研究[J]. 天津大學學報（自然科學與工程技術版）， 2019， 52（S1）： 120-127.

CHENG C F， HUANG J B， ZHANG G B， et al. Bond behavior of tensioned GFRP tendons embedded in cemented soils[J]. Journal of Tianjin University （Science and Technology）， 2019， 52（S1）： 120-127.

[10] 黃佳彬. 水泥土中GFRP筋黏結特性試驗研究及應用[D]. 長沙： 湖南大學， 2019.

HUANG J B. Experimental characterization and application on bond behavior of tensioned GFRP tendons embedded in cemented soil[D]. Changsha： Hunan University， 2019.

[11] CHEN C， ZHANG G， ZORNBERG J G， et al. Interface bond behavior of tensioned glass fiber-reinforced polymer （GFRP） tendons embedded in cemented soils[J]. Construction and Building Materials， 2020， 263： 120132.

[12] 張根寶， 何仕林， 陳昌富， 等. 基于離散元的GFRP筋-水泥土界面黏結特性分析[J]. 工程地質學報， 2022， 31（6）： 2115-2124.

ZHANG G B， HE S L， CHEN C F， et al. Discrete element method-based characterization of interface bond behavior of GFRP tendon embedded in cemented soils[J]. Journal of Engineering Geology， 2022， 31（6）： 2115-2124.

第一作者：李青強（1999—），男，碩士研究生，研究方向為巖土工程。E-mail： 1145142253@qq.com。

通信作者：雷祖祥（1986—），男，教授，博士，博士生導師，德國洪堡學者，江西省“雙千”計劃人才，研究方向為巖土工程及復合材料。E-mail： zxlei@ecjtu.edu.cn。