張景科 ，諶文武 ，李最雄，郭志謙，王 楠

（1.蘭州大學 西部災害與環(huán)境力學教育部重點實驗室，蘭州 730000；2.敦煌研究院 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術研究中心，甘肅 敦煌 736200)

1 引 言

土遺址作為我國文物古跡的重要類型，在中華文明傳承中扮演者重要的角色[1]。鑒于遺址建造材料的差異性、脆弱性、結構復雜性、類型多樣性等，土遺址保護一直是文物保護界的難題[2]。自20 世紀80年代開展土遺址保護研究與實踐以來，逐步認識到全長粘結型錨固技術不僅可以控制遺址體的力學穩(wěn)定性[3]，而且還符合我國“最小干預、最大兼容、不改變原狀”的文物保護原則[4]。同時，基于耐久性、兼容性的需要和傳統(tǒng)建造工藝科學性的挖掘，錨桿基本采用天然竹木桿材及基于竹木桿材研發(fā)的復合桿體[5]。

在其他巖土工程領域，對于鋼筋[6-9]、鋼絞線[10-11]、GFRP[12]、AFRP[13]等桿材的全長粘結型錨固性能與機制研究得較為成熟。在宏觀錨固性能、界面力學傳遞過程、錨固參數(shù)分析等方面[14-16]，已取得了大量的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗成果，在理論上也得到了較好的印證[17-22]。以上的桿材均為標準工程化制作，材質(zhì)和幾何尺寸均很規(guī)范。但土遺址錨固用桿材均來自于自然界的竹木選材，制作過程中人為因素影響較大，造成桿材具有材質(zhì)不均一、難以順直、變徑等特點。因此，土遺址錨固機制與其他領域的錨固機制具有較大的不同，已有的研究成果[23]也佐證了這點，同時復合錨桿桿體自身具有多圈層的特點，無疑更加復雜了錨固機制研究。鑒于此，土遺址錨固機制的研究更多地依賴于現(xiàn)場試驗。

基于竹木桿材研發(fā)的復合錨桿包括加鋼絞線和加鋼筋兩種類型。對于夾鋼絞線復合錨桿的錨固機制[24-26]已經(jīng)開展了大量的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗研究，但對于夾鋼筋的復合錨桿還處于經(jīng)驗型實踐階段。本研究選擇干旱半干旱區(qū)環(huán)境下典型的土遺址-交河故城作為試驗場地，對夾φ 22 mm 鋼筋體復合錨桿原位錨固測試，揭示了該桿材的錨固特性。

2 復合錨桿錨固系統(tǒng)

本復合錨桿基于增加錨桿直徑提高錨固性能、竹材耐久性強、復合材料中環(huán)氧樹脂對竹材和鋼材均具有較高粘接性、鋼材夾在其中完全防腐、桿體的綜合強度與剛度與土遺址載體的性能相近等特性而研發(fā)。

桿體由兩片楠竹、復合填充料和一根直徑φ 22 mm的普通螺紋鋼組成，鋼筋處于桿體的中部，兩片楠竹對接成圓形，內(nèi)部充填復合填充料，用鋼絲進行捆扎，桿體平均直徑約為70 mm（見圖1）。楠竹選用無傷痕、無斷裂、順直的毛竹，經(jīng)過切削加工后，內(nèi)外表面均涂抹環(huán)氧樹脂。復合填充料為粉煤灰、環(huán)氧樹脂、石棉、酒精與固化劑的混合物。鋼筋采用強度等級為HRB335 的普通螺紋鋼。錨桿外表面包裹一層玻璃絲布，并用環(huán)氧樹脂進行涂抹粘接。對中支架采用環(huán)形的4 分鋼管綁扎而成。錨孔孔徑為120 mm，斜插角為10°。注漿體為水泥砂漿，水泥型號采用32.5R，灰砂比為1:1，水灰比為0.4～0.6，見圖2。

錨固工藝：（1）桿體加工養(yǎng)護20～30 d，安裝對中支架；（2）臨時支護瀕危遺址體；（3）運用空壓潛孔鉆成孔；（4）通過吹孔把孔內(nèi)的土渣清理干凈；（5）錨桿安裝，注漿管隨著錨桿進入錨孔；（6）錨孔注漿后養(yǎng)護2～4 d；（7）孔口補漿，安設錨具；（8）錨桿端部防腐；（9）孔口表面處理，以與周圍遺址體外觀協(xié)調(diào)。

圖1 桿體橫截面（單位:mm）Fig.1 Cross-section of bolt(unit:mm)

圖2 錨孔橫截面圖(單位:mm)Fig.2 Cross-section of anchor(unit:mm)

3 原位試驗方案

3.1 試驗地點

選擇交河故城西崖壁中下部作為錨固試驗的場地。該區(qū)崖體立面近于直立，表面較為平整，無結構性裂隙發(fā)育，地層連續(xù)性和完整性均較好，土體為第四系沖積而成的粉質(zhì)黏土，天然密度為1.65 g/cm3，天然含水率為0.34%，級配不良。

3.2 試驗儀器設備

錨桿拉拔儀器采用中煤產(chǎn)LSS50H 型錨桿拉拔儀，油缸工作行程為120 mm，測量范圍為0～500 kN。應變采集采用東華測試產(chǎn)DH3816 應變測量系統(tǒng)Ver3.0.1 版，測量范圍為-20 000～20 000 με。應變片采用中航電測產(chǎn)型號BQ120-60AA（電阻值為(120.8 ±0.1) Ω，靈敏度為(2.14 ±1) %），可以監(jiān)測軸向和橫向的應變狀態(tài)。

3.3 錨固試驗方案

3.3.1 錨固參數(shù)

本試驗錨固參數(shù)見表1。

表1 錨固試驗參數(shù)Table 1 Anchoring experimental parameters

3.3.2 錨固參數(shù)

細端作為錨固的起端，粗端作為錨固的尾端。從起端0～500 mm 作為拉拔試驗預留桿體。應變片布設于鋼筋桿體（JC1）、兩片竹片的內(nèi)表面（JC21與JC22）以及成型錨桿的外表面（JC3），布設位置均在同一斷面，具體為500～700 mm 間隔200 mm，700～3 500 mm 間隔400 mm，均粘貼1 個應變片，共計28 處應變監(jiān)測點，用以監(jiān)測界面的應變狀態(tài)，見圖3。

圖3 復合錨桿應變監(jiān)測布置圖(單位:mm)Fig.3 Layout of strain monitoring among the bolt(unit:mm)

3.3.3 拉拔試驗依據(jù)

由于土遺址自身兼有巖土體和文物雙重屬性，而目前針對土遺址錨固試驗還沒有成熟的標準與規(guī)范，本試驗步驟參照《土層錨桿設計與施工規(guī)范》[27]和《建筑邊坡工程技術規(guī)范》[28]錨桿試驗要求，對F22-1 采用循環(huán)加、卸載的方式，對F22-2 采用了單級加載的方式。所有錨固系統(tǒng)經(jīng)歷了365 d 的養(yǎng)護周期，即錨固系統(tǒng)經(jīng)歷了一年四季的氣候變化，其錨固性能更接近于實際工程中錨固的性能。

4 試驗結果與分析

4.1 F22-1 復合錨桿

4.1.1 試驗過程

試驗采用循環(huán)加、卸載的方式。當試驗進行第2 循環(huán)加壓到190 kN 時，加壓至穩(wěn)定歷時較長。卸荷至0 kN 時，油缸達到最大行程，試驗終止。從試驗后錨孔部位的破壞狀況看，加筋體被拔出，沒有出現(xiàn)復合錨桿被拔出的明顯跡象。

4.1.2 錨固性能

由圖4、5（圖中，Se為彈性位移；Sp為塑性位移）可知，受軸向荷載下錨固系統(tǒng)彈性位移量較小，塑性位移較大。在150 kN和190 kN 荷載下卸荷時，回彈位移量極小，說明在150 kN 荷載時錨固系統(tǒng)已完全步入塑性變形階段。從已有的加載路徑看，本錨固系統(tǒng)的極限錨固力為190 kN。從試驗現(xiàn)象推測，失效將以鋼筋-復合材料界面破壞的模式出現(xiàn)。

圖4 荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curve

圖5 Q-Se和Q-Sp曲線Fig.5 Q-Seand Q-Spcurves

4.1.3 各界面力學傳遞特征

（1）JC1 界面層

整個試驗進程中，JC1 界面層的各測點應變值基本超出量程，無法獲取其應變值。從L=0.6 m 處測點的有限數(shù)據(jù)來看，軸向拉應變數(shù)值較大，在第一循環(huán)加、卸載進程中基本隨著荷載的增減而隨之增減，如圖6 所示。

（2）復合材料-楠竹界面層（JC21與JC22 監(jiān)測界面）

從復合材料-楠竹界面2 條監(jiān)測線（JC21與JC22）的監(jiān)測數(shù)據(jù)（見圖7）來看，JC21 監(jiān)測線L=1.0 m 處測點軸向拉應變近于7 000 外，其余測點軸向應變介于-2 000～2 000 之間，沿著桿長部分測點受壓部分測點受拉，沒有明顯的規(guī)律性，但各測點應變值的變化與荷載的進程基本吻合；JC22 監(jiān)測線自孔口連續(xù)4 個監(jiān)測點的軸向應變基本與荷載的變化趨勢吻合，同時表現(xiàn)出沿著錨固深度界面剪應力衰減的特點。比較2 個監(jiān)測線，同一界面上兩點的受力大小不同，而且出現(xiàn)受壓的測點分布說明界面層受力方向與加載方向有偏差。

圖6 JC1 界面層L=0.6 m 處應變-時間曲線Fig.6 Strain-time curves at L=0.6 m among JC1 interface

圖7 JC21與JC22 界面各測點應變-時間曲線Fig.7 Strain-time curves of the monitoring points along JC21 and JC22 interfaces

（3）J3 界面層

從楠竹-漿體界面各測點軸向應變隨加荷進程的變化特征看（見圖8(a)），大部分測點的應變超過了量程，無法獲取應變值，從L=0.6 m 處測點的應變狀態(tài)看，在未超出量程前軸向拉應變的變化與荷載的進程吻合。從本界面各監(jiān)測點的橫向受力狀態(tài)看（見圖8(b)），基本處于受壓狀態(tài)，說明該界面出現(xiàn)剪脹作用。

圖8 J3 界面各測點應變-時間曲線Fig.8 Strain-time curves of the monitoring points along JC3 interface

（4）不同荷載下軸向應變與橫向應變沿著長度的分布特征

從復合材料-楠竹界面各測點應變沿著桿長的變化特征看，對于監(jiān)測線JC21（見圖9(a)），軸向應變沿著桿長呈現(xiàn)單峰值曲線，峰值出現(xiàn)在L=1.0 m 附近，各測點隨著荷載的增加應變值也在增大；監(jiān)測線JC22（見圖9(b)）在L=0～1.2 m 區(qū)段界面層處于應變值減小的趨勢，在L=0.6 m 處出現(xiàn)拉應變-壓應變的拐點。對比分析2 個監(jiān)測線各點的變化規(guī)律，不盡一致，且出現(xiàn)壓應變現(xiàn)象也說明圈層受力方向與加載方向有一定的偏差。綜合各變化特征，沒有出現(xiàn)峰值的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，也就表明未發(fā)現(xiàn)界面層有脫粘-黏滑的跡象。

從楠竹-漿體界面（JC3）各測點軸向應變沿著桿長的變化特征（見圖10）可知，在該界層軸向拉應變沿桿長出現(xiàn)壓力段-拉力段-壓力段的分布，隨著荷載的增大，各點的應變值也在相應增加。綜合有限數(shù)據(jù)分析，未發(fā)現(xiàn)界面層有黏滑的跡象。

圖9 各級荷載下JC21和JC22 界面軸向應變-長度曲線Fig.9 Strain-length curves of JC21 and JC22 interface under loads

圖10 各級荷載下JC3 界面軸向應變-長度曲線Fig.10 Strain-length curves of JC3 interface under loads

4.2 F22-2 復合錨桿

4.2.1 試驗過程

錨桿錨固試驗采用單級加載方式，每級荷載下的穩(wěn)定標準嚴格按照規(guī)范執(zhí)行。當加載至100 kN時，密貼墊板的土體出現(xiàn)壓裂紋，局部出現(xiàn)小土塊掉落；加載至140 kN 時，加載比較困難，穩(wěn)定歷時較長，墊板附近土體出現(xiàn)大塊掉落；加載至300 kN時，由于油缸達到最大量程無法繼續(xù)加載而結束試驗。

4.2.2 錨固性能

由圖11 可知，初始加荷至加荷80 kN，變形處于彈性狀態(tài)；加荷80 kN 至140 kN 時，出現(xiàn)塑性變形狀態(tài)；超過140 kN 荷載后出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象，變形穩(wěn)定歷時較長，界面層出現(xiàn)滑動。因此，本錨固系統(tǒng)極限錨固力為280 kN，錨固失效在鋼筋-復合材料界面。

圖11 Q-S 曲線Fig.11 Q-S curve

4.2.3 各界面層力學傳遞特征

（1）JC1 界面

從鋼筋-復合材料界面各測點軸向應變隨著加載進程的變化特征（見圖12(a)）可知，除L=2.2 m處監(jiān)測點處于受壓狀態(tài)外，其余均處于受拉狀態(tài)，各監(jiān)測點隨著加載的進行，應變值增加非常緩慢，除個別點局部波動外，整體增幅很小。這一特征說明在前期加載時該界面很快就步入脫黏滑動狀態(tài)。

（2）復合材料-楠竹界面

從復合材料-楠竹界面（JC21與JC22）2 個測線各測點應變值隨著加載進程的變化特征（見圖12(b)、12(c)）可以看出，各測點應變變化均表現(xiàn)出增長-突變-穩(wěn)定的過程，與界面的受力過程（彈性變形-塑性變形-脫粘-黏滑）極為吻合。因此，各測點應變變化清晰地刻畫了界面層的受力進程。

（3）JC3 界面

由圖13(a)可知，楠竹-漿體界面層各測點除L=2.2 m 處測點應變值變動幅度較大外，其他測點應變值隨著荷載的增加變化不大，基本處于穩(wěn)態(tài)變化，說明軸心荷載傳遞至該界面層時，該界面層的受力較為恒定，受軸心荷載的變化較小。從該界面層各測點橫向應變的變化特征看（見圖13(b)），大部分測點隨著加載地進行，基本處于穩(wěn)態(tài)變化，局部出現(xiàn)波動，大部分測點應變值在0 附近，說明該界面層在受力過程中剪脹作用不明顯。

（4）不同荷載下剪應變與切應變沿著長度的分布特征

從鋼筋-復合材料界面各測點不同荷載下沿著錨固長度的變化特征（見圖14(a)）看，L=0～1.5 m均處于受拉狀態(tài)，L=1.5～3.0 m 均處于受壓，足以表明剪應力不僅沿著錨固深度不均勻，而且受力性質(zhì)也有差異。

圖12 JC1、JC21和JC22 界面各測點應變-時間曲線Fig.12 Strain-time curves of the monitoring points along JC1,JC21 and JC22 interfaces

圖13 JC3 界面各測點應變-時間曲線Fig.13 Strain-time curves of the monitoring points along JC3 interface

由圖14(b)、14(c)可知，JC21 監(jiān)測線各點在不同荷載作用下沿著錨固深度表現(xiàn)出應變峰值向遠端傳遞的特點，進一步證明了前面分析所得到的結論，峰值轉(zhuǎn)移，峰值的前端發(fā)生脫粘而黏滑。而JC22 監(jiān)測線各點沿著桿長表現(xiàn)出受拉段+受壓段的分段受力特征。

楠竹-漿體界面層（見圖15(a)）在L=0.6～3.0 m 區(qū)段軸向應變減-增-減-增的特點，出現(xiàn)一峰值，但均處于受拉狀態(tài)，說明剪應力沿著桿長極不均勻的事實。從該界面層各測點橫向的應變變化（見圖15(b)）看，除了錨桿的兩個端部變化較大外，其他部位基本為0，說明在加載進程中該界面層剪脹作用不明顯。

5 討 論

（1）從試驗現(xiàn)象來看，錨固系統(tǒng)失效于鋼筋-復合材料界面，同時桿體-漿體界面也出現(xiàn)了一定的滑移。現(xiàn)行的錨固設計規(guī)范中，錨固系統(tǒng)失效在桿體與漿體的界面，而本錨固系統(tǒng)失效是在桿材自身，實際上這與拉拔試驗的桿材有關。因復合錨桿直徑大、外層竹材受夾后容易破壞等原因，拉拔試驗把受力點放置于復合錨桿的內(nèi)部的鋼筋夾體之上，導致錨固受力橫向傳遞順序為鋼筋-復合材料-竹材-漿材-土體。鑒于各界面的剪切剛度差異，最終表現(xiàn)在鋼筋-復合材料界面發(fā)生明顯滑移失效。該現(xiàn)象在加鋼絞線筋體的試驗研究中也得到了證明。

（2）本類型錨固系統(tǒng)（3 m）的極限錨固力不低于190 kN，可以滿足一般遺址體錨固的力學需求，而且錨固系統(tǒng)具有非常強大的延性。從宏觀現(xiàn)象和監(jiān)測數(shù)據(jù)均表明，鋼筋-復合材料界面、桿體-漿體經(jīng)歷了彈性變形-塑性變形-脫粘滑等力學過程，而復合材料-楠竹界面沒有出現(xiàn)脫粘的現(xiàn)象；

圖14 各級荷載下JC1、JC21和JC22 界面層各監(jiān)測線應變-長度曲線Fig.14 Strain-length curves of JC1,JC21 and JC22 under loads

圖15 各級荷載下JC3 界面層應變-長度曲線Fig.15 Strain-length curves of JC3 under load

（3）各界面層的剪應力分布非均勻，鋼筋-復合材料界面層在受荷過程中出現(xiàn)了峰值及其轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，最終荷載下在錨桿端部出現(xiàn)了較大應變值，說明界面剪應力在整個受力過程中傳遞到該點；該現(xiàn)象與已有的錨固系統(tǒng)單界面力學傳遞特征部分吻合。值得一提的是，對于該錨固系統(tǒng)，界面層出現(xiàn)了受壓現(xiàn)象，說明在受力過程中出現(xiàn)了剪脹作用；剪脹作用一方面是桿材內(nèi)部與漿體、土體之間力學平衡的結果，也與桿材的變徑有極大的關系。由于桿材不均直，受力過程中無法保證受力方向與桿體軸向一致，誘發(fā)桿材局部受壓。此外，由于桿體從加載端到末端整體直徑逐漸增加，這與壓力型錨桿具有類似的特點，隨著荷載的增加，尤其是中后部界面出現(xiàn)受壓狀態(tài)。

（4）單級加載所得到的極限錨固力要大于循環(huán)加、卸載所得到的極限錨固力，說明該桿體在循環(huán)受力下性能會下降。

（5）從復合桿體的角度而言，實際錨固性能應通過夾具作用于竹材外進行測試，但目前還沒有找到理想的夾具作用于竹材上保證竹材不被破壞，由于復合錨桿直徑較大，目前市場上還沒有適合于復合錨桿測試的錨桿拉力計。此外，如果作用于竹材，也無法研究內(nèi)部的力學傳遞過程。鑒于此，目前對于該類型的復合錨桿，試驗測試加載點放置于鋼筋之上，可以獲取復合錨桿內(nèi)部的錨固特征，但宏觀性能與實際的受力有一定的差別，還需要深入研發(fā)相應的夾具和加壓油缸。

6 結 論

（1）3 m 長夾φ 22 mm 鋼筋體復合錨桿極限錨固力不低于190 kN，具有良好的錨固性能，可以滿足遺址體載體的力學需求。

（2）在受力過程中，鋼筋-復合材料界面層出現(xiàn)向錨固末端的力學傳遞現(xiàn)象，出現(xiàn)峰值的界面力學分布特征，其他兩個界面該現(xiàn)象不明顯。

（3）受力過程中各界面層均出現(xiàn)受壓的局部點，與受力方向和桿體方向不一致、桿材變徑具有壓力型錨桿特性等密切相關，本錨桿具有拉力型和壓力型錨桿的特性，增加了桿體內(nèi)部受力的復雜性。

本次試驗中加載點未能選擇桿體自身，僅僅置于鋼筋上，與桿體實際受力有一定的差別，需深入研究桿體整體與漿體、土體的錨固特性。

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