劉 杰, 孫 濤, 楊渝南, 葉志強(qiáng), 李洪亞

(1.三峽大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院, 湖北 宜昌 443002)

錨桿、錨索抗拔力不足是造成支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的主要誘發(fā)因素.因此,如何有效增強(qiáng)錨桿抗拔力是國(guó)內(nèi)外研究人員最關(guān)心的巖土錨固問(wèn)題之一.

在錨桿抗拔力方面,國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員及學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)及理論研究,且取得了可觀的研究成果.Philips[1]給出了錨桿極限抗拔力公式,并計(jì)算出了相應(yīng)的錨桿參數(shù).Hyett等[2]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)認(rèn)為,適當(dāng)降低水泥漿的水灰比,可以提高錨桿的極限抗拔力.Mostafa等[3]研究表明,錨桿剪切應(yīng)力呈指數(shù)衰減，并提出了一種新的計(jì)算位移和剪切應(yīng)力的解析解.Martín等[4]探討了錨桿-漿體界面在拉拔環(huán)境下的力學(xué)響應(yīng)過(guò)程和相關(guān)受影響因素.周密[5]推導(dǎo)了深埋式、淺埋式單盤錨桿和多盤錨桿的極限抗拔力計(jì)算公式.李哲等[6]根據(jù)已有理論提出了多段擴(kuò)大頭錨桿的抗拔力計(jì)算公式.梁月英[7]依據(jù)彈性力學(xué)理論,推導(dǎo)了擴(kuò)孔壓力型錨桿錨固體軸向應(yīng)力及剪應(yīng)力計(jì)算公式.王祥秋等[8]指出錨固長(zhǎng)度等長(zhǎng)時(shí),擴(kuò)孔錨桿的抗拔力是非擴(kuò)孔錨桿的1.6倍.陸曉琴[9]基于Mindlin解探討了主要影響擴(kuò)孔錨桿極限抗拔力以及側(cè)摩阻力的因子.劉國(guó)楠等[10]通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)擴(kuò)大頭錨索的極限抗拔力計(jì)算進(jìn)行了探討.唐孟華等[11]通過(guò)錨桿的破壞性試驗(yàn),得到了錨桿在中風(fēng)化巖層中的剪應(yīng)力分布規(guī)律,并給出了一種錨桿抗拔力的確定方法,可以為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供依據(jù).

綜上所述,目前對(duì)于錨固方面的研究多集中于探究錨桿類型或錨固方式對(duì)錨桿抗拔力的影響.通過(guò)在錨固體中加入5%～30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的膨脹劑,利用其膨脹性提高錨桿抗拔力的技術(shù)研究,目前未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道.針對(duì)此,筆者提出了新型自膨脹高強(qiáng)預(yù)壓錨固技術(shù),并開(kāi)展了高強(qiáng)預(yù)壓錨固技術(shù)抗拔力提升效應(yīng)研究.

1 自膨脹高強(qiáng)預(yù)壓錨固技術(shù)原理分析

該新型錨固技術(shù)主要是將膨脹水泥漿體作為錨桿錨固體材料,通過(guò)錨孔周圍土層來(lái)限制膨脹漿體的膨脹,以此產(chǎn)生徑向的膨脹壓應(yīng)力,從而提高錨固體與土層界面的側(cè)摩阻力.由于土層本身的彈塑性特性,在受到膨脹漿體膨脹產(chǎn)生的徑向膨脹壓應(yīng)力后,錨固體本身的截面周長(zhǎng)會(huì)增大,即產(chǎn)生擴(kuò)頭效應(yīng),增大錨固體與土層的接觸面積,最終達(dá)到提高錨桿極限抗拔力的目的.

基于以上原理分析,定義抗拔力提升效應(yīng)如式(1)所示.

λ=λ1+λ2+λ3

(1)

式中：λ為抗拔力提升效應(yīng);λ1為密實(shí)度提升效應(yīng),錨固體及周邊受影響的土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)在密實(shí)度提升的條件下得到大幅提升,密實(shí)度可以由CT值或者體應(yīng)變進(jìn)行表征;λ2為正應(yīng)力提升效應(yīng),膨脹壓應(yīng)力將增大錨固體與錨桿、土體界面正應(yīng)力,從而提升拉拔時(shí)的界面摩阻力;λ3為擴(kuò)頭作用引發(fā)的抗拔力提升效應(yīng).

本文主要對(duì)密實(shí)度提升效應(yīng)λ1及正應(yīng)力提升效應(yīng)λ2作重點(diǎn)研究,篇幅所限,擴(kuò)頭作用引發(fā)的抗拔力提升效應(yīng)λ3將另文敘述.

2 基于CT掃描技術(shù)的自膨脹錨固體及周圍土層荷載傳遞機(jī)理研究

為定量研究λ1、λ2,采用筆者發(fā)明的基于CT掃描測(cè)定膨脹錨固體及周圍土層密實(shí)度的試驗(yàn)方法(專利號(hào)：201811160702.0),以CT值表征密實(shí)度,以壓應(yīng)力片測(cè)試膨脹應(yīng)力在徑向和環(huán)向上的傳遞規(guī)律,開(kāi)展定量獲取CT值、徑向和環(huán)向膨脹應(yīng)力、體應(yīng)變相互關(guān)系的研究.

2.1 試驗(yàn)步驟

(1)高強(qiáng)度側(cè)限設(shè)置：利用高為40cm,直徑為25cm的PVC管作為筒體,使用碳纖維布(2～3層)配合AB膠形成高強(qiáng)側(cè)限,防止其中的水泥膨脹脹裂筒體.

(2)土體取樣及壓實(shí)：土樣取自湖北省秭歸縣萬(wàn)古寺渡口旁土質(zhì)邊坡,主要以黃褐色或灰褐色粉質(zhì)黏土為主,黏聚力為14.9kPa,內(nèi)摩擦角為8.9°,在PVC管內(nèi)預(yù)留孔后填土壓實(shí),并使土樣筒內(nèi)土體平均CT值達(dá)到1050.

(3)壓力傳感器布置：壓力傳感器埋入土樣筒內(nèi)圈層交界面(見(jiàn)圖1).

圖1 壓力傳感器布置Fig.1 Pressure sensor layout

(4)含膨脹錨固體的土樣試件灌漿：將能消除CT掃描偽影的φ20×50cm玻璃纖維錨桿放入PVC管土樣筒預(yù)留孔中心位置,以膨脹劑摻量(wE)分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%灌入土體中，得到膨脹錨固體的土樣試件(見(jiàn)圖2).

圖2 含膨脹錨固體的土樣試件Fig.2 Soil sample with expansion anchor solid

(5)膨脹錨固體試件灌漿：為更清晰掌握膨脹錨固體內(nèi)部的密實(shí)度變化規(guī)律,將土樣筒中的土全部置換為膨脹水泥,膨脹劑摻量同步驟(4).

(6)精準(zhǔn)定位掃描：在土樣筒周邊布置掃描標(biāo)記物(見(jiàn)圖3),便于精準(zhǔn)定位掃描.將試件同一橫截面劃分成半徑為2.5,5.0,7.5,10.0,12.5cm的5個(gè)圈層(見(jiàn)圖1),錨固體豎向上間隔30mm布置8個(gè)掃描面(見(jiàn)圖4),養(yǎng)護(hù)21d后對(duì)錨固體進(jìn)行CT掃描.

圖3 膨脹錨固體試件Fig.3 Expansion anchor solid sample

圖4 CT掃描面至交界面距離劃分Fig.4 Distance division diagram of CT scanning surface to interface

2.2 錨固體不同交界面距離下CT值與膨脹劑摻量的變化規(guī)律分析

2.2.1不同膨脹劑摻量下錨固體CT值隨掃描面至交界面距離的變化規(guī)律分析

圖5為不同膨脹劑摻量下錨固體CT值隨掃描面至交界面距離(c)的變化曲線.由圖5可知：(1)同等條件下,膨脹錨固體CT值大于素水泥漿錨固體,最大相差25.4%,說(shuō)明膨脹劑能大幅度提高漿體密實(shí)度,導(dǎo)致其抗?jié)B能力和強(qiáng)度值相應(yīng)增加.(2)當(dāng)膨脹劑摻量為30%時(shí),因?yàn)榕蛎泟搅窟^(guò)大,產(chǎn)生的膨脹壓力超過(guò)該土體環(huán)境約束能力的極限值,土體出現(xiàn)裂紋,膨脹壓力釋放,同時(shí)導(dǎo)致膨脹錨固體內(nèi)部孔隙率增大,密實(shí)度下降,CT值最高跌幅達(dá)199.

圖5 不同膨脹劑摻量下錨固體CT值隨掃描面至交界面距離的變化曲線Fig.5 Curves of CT value of anchor solid with the distance between the intersections of the scanning surface and the different content of expansion agent

2.2.2不同交界面距離下錨固體CT值預(yù)測(cè)公式建立

由圖5可知,不同膨脹劑摻量下錨固體CT值A(chǔ)隨掃描面至交界面距離的變化呈現(xiàn)指數(shù)變化趨勢(shì),具體計(jì)算公式見(jiàn)式(1).

A=aebc

(2)

式中：a為交界面錨固體CT值,hu;b為交界面距離對(duì)錨固體密實(shí)度的影響系數(shù).

圖6、7為不同膨脹劑摻量下的a、b值變化曲線.

圖6 a值隨膨脹劑摻量變化Fig.6 a value varies with the expansion agent content

圖7 b值隨膨脹劑摻量變化Fig.7 b value varies with the expansion agent content

由圖6、7可見(jiàn),錨固體頂層CT值隨膨脹劑摻量呈現(xiàn)線性遞增變化規(guī)律,密實(shí)度影響系數(shù)隨膨脹劑摻量呈線性遞增變化,其擬合公式如下：

a=247wE+1187

(3)

b=0.0018wE+0.0001

(4)

將式(3)、(4)代入式(2),得到不同膨脹劑摻量下的錨固體CT值與掃描面至交界面距離的關(guān)系,如下式所示：

A=(247wE+1187)e(0.001 8wE+0.000 1)c

(5)

根據(jù)式(5)可以在給定膨脹劑摻量及交界面距離下確定對(duì)應(yīng)層面CT值.

2.3 膨脹錨固體及土體CT值隨圈層變化規(guī)律分析

根據(jù)筆者提出的分圈層定量CT掃描技術(shù)(專利號(hào)：201610597318.1),根據(jù)式(6)可以計(jì)算出各圈層的CT值.

(6)

式中：AN為圈層n的CT值,hu;An為圈層n所在圓的CT值,hu;Sn為圈層n所在圓的面積,cm2.

以膨脹劑摻量25%為例,由于第1圈層為錨固體,故而建立圈層2～圈層5土體的CT值與到錨孔中心距離d之間的變化曲線，如圖8所示.建立圈層1～圈層5膨脹錨固體CT值與到錨孔中心距離d之間的變化曲線，如圖9所示.由圖8可知,在土體中,CT值從內(nèi)圈層到外圈層呈線性遞減規(guī)律.由圖9可知,在膨脹錨固體中,CT值從內(nèi)圈到外圈呈線性遞增趨勢(shì).對(duì)比圖8、9可以發(fā)現(xiàn),兩者規(guī)律相反,為多層面解析膨脹錨固體及土體CT值隨圈層變化機(jī)理,下面從錨固體及土層膨脹力徑環(huán)向傳遞機(jī)理、體應(yīng)變隨圈層變化規(guī)律及體應(yīng)變隨CT值變化規(guī)律3個(gè)方面進(jìn)行闡述.

圖8 土體CT值隨圈層變化Fig.8 CT value of soil varies with circle-layer

圖9 膨脹錨固體CT值隨圈層變化Fig.9 CT value of expanded anchor solid varies with circle-layer

2.4 自膨脹高強(qiáng)預(yù)壓錨固材料膨脹壓應(yīng)力在土體中傳遞規(guī)律及密實(shí)度分析

2.4.1土層徑環(huán)向膨脹壓力傳遞規(guī)律機(jī)理研究

2.4.1.1徑向膨脹壓力漸變規(guī)律分析

膨脹錨固體內(nèi)環(huán)1,外環(huán)5(土層)這2個(gè)單元體的受力狀態(tài)如圖10所示.

圖10 單元體內(nèi)、外環(huán)受力圖Fig.10 Force diagram of inner and outer ring of unit

由M1=M2=…=Mn靜力平衡得：

σ1×l1=σ2×l2=…=σn×ln

(7)

(8)

式中：σ為膨脹應(yīng)力；l為圓弧長(zhǎng)度；γ為徑向膨脹系數(shù).

由式(7)、(8)知：因?yàn)镾1σ2>…>σn,即從內(nèi)環(huán)到外環(huán)所受徑向膨脹壓力(P)呈線性漸減的變化規(guī)律.

2.4.1.2徑向膨脹壓力測(cè)試結(jié)果與理論分析對(duì)比研究

定義Kn值為不同圈層徑向膨脹壓力實(shí)測(cè)值與理論值的差值,即Kn=|PMeasured-PTheoritical|(n=1,2,3,4,5).Kn值為土體非均勻性定量描述指標(biāo),圖11為徑向膨脹壓力實(shí)測(cè)值與理論值插值隨不同圈層的變化曲線.由圖11可見(jiàn)：(1)膨脹錨固體所產(chǎn)生的膨脹壓力在土體中從內(nèi)環(huán)到外環(huán)呈現(xiàn)線性下降規(guī)律.(2)圈層3的Kn值最大,說(shuō)明在實(shí)際試驗(yàn)中,膨脹錨固體的力在圈層2土體內(nèi)傳遞較均勻,圈層3土體內(nèi)的均勻程度較低并開(kāi)始發(fā)生顯著偏移,偏移值在0.25～0.50MPa.(3)理論值是在假定土體嚴(yán)格均勻條件下得出的,由于試驗(yàn)中土體存在不均勻性導(dǎo)致理論值與實(shí)測(cè)值存在偏差.

圖11 徑向膨脹壓力隨劃分圈層變化曲線Fig.11 Radial expansion pressure curve with the division of ring

2.4.1.3環(huán)向膨脹壓力漸變規(guī)律分析

外側(cè)有約束自膨脹錨固體土體的受力狀態(tài)如圖12所示.

圖12 有約束與有膨脹力狀態(tài)受力圖Fig.12 State diagram with constraint and expansion force

由泊松比公式可得：

(9)

式中：μ為土體泊松比;E為土體彈性模量;εh、εj為環(huán)向、徑向應(yīng)變；σh、σj為環(huán)向、徑向應(yīng)力.

由式(9)可知：假設(shè)土體是均勻壓實(shí)的,因此土樣筒內(nèi)土體的泊松比相等,環(huán)向應(yīng)變與徑向應(yīng)變比值為固定值(見(jiàn)式(10)),因此不同圈層的環(huán)向應(yīng)力與徑向應(yīng)力變化規(guī)律應(yīng)保持一致,如式(11)所示.

(10)

(11)

定義ρ為環(huán)向膨脹系數(shù).

由于錨固體膨脹產(chǎn)生徑向應(yīng)力,土體徑向上發(fā)生擠壓從而產(chǎn)生次生環(huán)向應(yīng)力.當(dāng)土體均勻，其泊松比不變情況下,其環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力比值固定.根據(jù)式(12)推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的環(huán)向膨脹壓力隨圈層變化曲線，如圖13所示.由圖13可見(jiàn),土體環(huán)向膨脹壓力隨劃分圈層變化與徑向一樣呈線性遞減變化.

圖13 環(huán)向膨脹壓力隨劃分圈層變化曲線Fig.13 Curve of circumferential expansion pressure with dividing ring layer

σh=μσj=0.35σj

(12)

式中：μ為根據(jù)本試驗(yàn)得到的平均泊松比，0.35.

2.4.2基于圈層應(yīng)力比的壓縮面積分析

2.4.2.1膨脹錨固體外土體壓縮面積分析

通過(guò)上述對(duì)徑向、環(huán)向膨脹系數(shù)的分析,給出具體的算例分析.

圖14 錨固體外土體內(nèi)外環(huán)單元體位置示意圖Fig.14 Schematic diagram of position of inner and outer ring elements in external soil mass

圖15 土體內(nèi)外環(huán)單元體受力示意圖Fig.15 Stress diagram of inner and outer soil ring element

由圖15可知，內(nèi)環(huán)壓縮面積：

ΔS=S1+S2-Δlj×Δlh=lh×
Δlj+lj×Δlh-Δlj×Δlh

(13)

外環(huán)壓縮面積：

ΔS′=S′1+S′2-Δl′j×Δl′h=lh×
Δl′j+lj×Δl′h-Δl′j×Δl′h

(14)

式中：lh為單元體環(huán)向長(zhǎng)度;lj為單元體徑向長(zhǎng)度;Δlh為內(nèi)環(huán)單元體環(huán)向壓縮長(zhǎng)度;Δlj內(nèi)環(huán)單元體徑向壓縮長(zhǎng)度;Δl′h外環(huán)單元體環(huán)向壓縮長(zhǎng)度;Δl′j外環(huán)單元體徑向壓縮長(zhǎng)度;S1為徑向壓縮面積;S2為環(huán)向壓縮面積.

ΔS′-ΔS=S′1+S′2-Δl′j×Δl′h-(S1+S2-Δlj×Δlh)

=lh×(Δl′j-Δlj)+lj×(Δl′h-Δlh)+

Δlj×Δlh-Δl′j×Δl′h

?0

(15)

由式(15)可見(jiàn)：在錨固體發(fā)生膨脹之后，錨固體外土體外環(huán)壓縮面積ΔS′?內(nèi)環(huán)壓縮面積ΔS,進(jìn)一步驗(yàn)證了膨脹錨固體外土體在同一層面上存在分環(huán),表明膨脹壓力及密實(shí)度在錨固體外土體從內(nèi)環(huán)至外環(huán)呈線性漸降的變化規(guī)律.

2.4.2.2膨脹錨固體壓縮面積分析

同理,通過(guò)對(duì)膨脹錨固體徑向、環(huán)向膨脹系數(shù)的分析,給出具體的算例分析.得到：σj1′=5σj5′,σh5′=35σh1′.當(dāng)膨脹水泥膨脹后，膨脹錨固體內(nèi)、外環(huán)受力示意圖如圖16所示，其中外環(huán)單元體位置與圖14所示相同.

圖16 膨脹錨固體內(nèi)外環(huán)受力示意圖Fig.16 Stress diagram of inner and outer ring of expanded anchorage

同理,膨脹錨固體內(nèi)外環(huán)壓縮面積之差：

ΔS′-ΔS=S′1+S′2-Δl′j×Δl′h-(S1+S2-Δlj×Δlh)

=lh×(Δl′j-Δlj)+lj×(Δl′h-Δlh)+

Δlj×Δlh-Δl′j×Δl′h

(16)

對(duì)比式(15)、(16)可知,膨脹錨固體外環(huán)壓縮面積ΔS′?內(nèi)環(huán)壓縮面積ΔS,與膨脹錨固體外土體壓縮規(guī)律相反.

錨固體外土體中的膨脹應(yīng)力由膨脹體界面?zhèn)鲗?dǎo)而來(lái),自膨脹錨固體則與之不同,其自膨脹應(yīng)力是在錨固體內(nèi)均勻產(chǎn)生的,該應(yīng)力在邊界上受到了最大的約束效應(yīng),使得環(huán)向上的應(yīng)力增大35倍,形成了外圈層擠壓密實(shí)度遠(yuǎn)高于內(nèi)圈層的現(xiàn)象.

2.5 壓縮體應(yīng)變隨圈層變化規(guī)律

2.5.1膨脹錨固體外土體應(yīng)變變化規(guī)律

假設(shè)土體中E值處處相等,根據(jù)體應(yīng)變公式(17)計(jì)算出各圈層的體應(yīng)變.

(17)

式中：θ為體應(yīng)變.

內(nèi)環(huán)圈層1的體應(yīng)變：

(18)

外環(huán)圈層5的體應(yīng)變：

(19)

式中：μ為本試驗(yàn)測(cè)定的錨固體泊松比，0.15.

同理算出圈層2～4的體應(yīng)變,并繪制體應(yīng)變隨圈層變化規(guī)律圖(見(jiàn)圖17).

圖17 土體應(yīng)變隨圈層變化規(guī)律圖Fig.17 Diagram of variation law of soil body strain with ring layer

由圖17可知：錨固體外側(cè)土體單元體的體應(yīng)變隨圈層變化規(guī)律嚴(yán)格按照圈層半徑比從內(nèi)圈到外圈呈冪函數(shù)下降趨勢(shì)，如式(20)所示.

θ=16.87d-1

(20)

式中：16.87為體應(yīng)變隨其到錨孔中心距離的影響系數(shù).

2.5.2膨脹錨固體各圈層體應(yīng)變變化規(guī)律

同理可計(jì)算出膨脹錨固體各圈層體應(yīng)變.

內(nèi)環(huán)圈層1體應(yīng)變：

(21)

外環(huán)圈層5體應(yīng)變：

(22)

式中：S為壓力傳感器測(cè)力面積;F為壓力傳感器測(cè)得的壓力.同理可算出圈層2～4的體應(yīng)變并繪制體應(yīng)變隨其到錨孔中心距離d的變化規(guī)律圖(見(jiàn)圖18).

圖18 膨脹錨固體體應(yīng)變隨其到錨孔中心距離變化規(guī)律圖Fig.18 Figure of the variation law of the bulk strain of the expansion anchor solid with its distance to the center of the anchor hole

由圖18可知：膨脹錨固體單元體體應(yīng)變隨圈層由內(nèi)而外呈線性遞增規(guī)律變化(見(jiàn)式(23)).

θ=0.72d+0.88

(23)

式中：0.72為體應(yīng)變隨其到錨孔中心距離影響系數(shù);0.88為錨孔中心體應(yīng)變.

2.5.3討論

以上分別從錨固體及土體膨脹力徑環(huán)向傳遞機(jī)理、體應(yīng)變隨圈層變化規(guī)律及體應(yīng)變隨CT值變化規(guī)律3個(gè)方面建立了膨脹力、體應(yīng)變、CT值在不同土體層面上的演化模型,各模型之間相互印證、相互支撐.由于本文試驗(yàn)土樣選自湖北省秭歸縣萬(wàn)古寺渡口旁土質(zhì)邊坡,因此本文計(jì)算公式的適用土體為粉質(zhì)黏土.

上述分析表明：(1)在土體中CT值從內(nèi)圈層到外圈層呈線性遞減規(guī)律;(2)在膨脹錨固體中CT值從內(nèi)圈層到外圈層呈線性遞增規(guī)律.

3 抗拔力提升效應(yīng)分析

高強(qiáng)預(yù)壓錨固體系中自膨脹作用引發(fā)的密實(shí)度和正應(yīng)力的提升效應(yīng)是錨固體抗拔力提升的重要因素.根據(jù)上述算例對(duì)式(1)作定量表征,在土體錨孔中加了膨脹錨固體后,錨固體及周邊土體內(nèi)外環(huán)單元體密實(shí)度提升效應(yīng)λ1示意如圖19所示,錨固體及周邊土體內(nèi)外環(huán)單元體正應(yīng)力提升效應(yīng)λ2如圖20所示.

圖19 密實(shí)度提升效應(yīng)λ1示意圖Fig.19 Schematic diagram of density enhancement effect λ1

圖20 正應(yīng)力提升效應(yīng) λ2示意圖Fig.20 Schematic diagram of positive stress lifting effect λ2

圖中各變量含義如下：

P=P0+ΔP

(24)

式中：P0為錨固體未施加膨脹劑時(shí)的初始應(yīng)力,定為0;ΔP為膨脹應(yīng)力導(dǎo)致錨固體自身及周邊土體的附加應(yīng)力,即圖20中所示的正應(yīng)力值皆為自膨脹應(yīng)力引發(fā)的應(yīng)力增量值.

(2)以土體外界面土體附加正應(yīng)力ΔPt2為標(biāo)準(zhǔn)量,定義γt為土體附加正應(yīng)力增長(zhǎng)系數(shù)(見(jiàn)式(25)).

(25)

式中：ΔPt1為土體內(nèi)界面附加正應(yīng)力;ΔPt2為土體外界面附加正應(yīng)力.

(3)以錨固體外界面附加正應(yīng)力ΔPm2為標(biāo)準(zhǔn)量,定義γm為錨固體附加正應(yīng)力增長(zhǎng)系數(shù)(見(jiàn)式(26)).

(26)

式中：ΔPm1為錨固體內(nèi)界面附加正應(yīng)力;ΔPm2為錨固體外界面附加正應(yīng)力.

由圖19、20可知：當(dāng)錨固體自膨脹應(yīng)力施加后,體應(yīng)變、CT值增量、界面正應(yīng)力增量均會(huì)相應(yīng)提升,且在錨固體及土體中分別呈相反的分圈層漸進(jìn)變化規(guī)律,最終導(dǎo)致錨固體抗拔力大幅提升.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證高強(qiáng)預(yù)壓錨固技術(shù)抗拔力提升效應(yīng),研究其抗拔力增加的機(jī)理,并最終形成一套切實(shí)可行的工程技術(shù),在三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害較為頻發(fā)的區(qū)域開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn).

4.1 錨桿拉拔試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)場(chǎng)地選取：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)選在湖北省秭歸縣萬(wàn)古寺渡口旁土質(zhì)邊坡,坡角60°,主要以黃褐色或灰褐色粉質(zhì)黏土為主,黏聚力為14.9kPa,內(nèi)摩擦角為8.9°,采用空壓風(fēng)鉆機(jī)在土質(zhì)邊坡鉆孔,鉆孔深度為2m,鉆孔直徑為90mm.

(2)錨桿準(zhǔn)備：試驗(yàn)選用錨桿為φ25三級(jí)螺紋鋼筋,錨桿長(zhǎng)度為2.5m,將壓力傳感器及導(dǎo)線用絕緣膠帶固定在錨桿桿體上,以便隨錨桿一同澆入鉆孔內(nèi).

(3)灌漿、養(yǎng)護(hù)及現(xiàn)場(chǎng)錨桿拉拔試驗(yàn)：錨固長(zhǎng)度設(shè)為60cm,膨脹劑摻量依次為0%、10%、15%、20%、25%、30%,每種摻量進(jìn)行5組平行試驗(yàn),水灰比取0.5.膨脹錨固體錨固段注漿完成后,在其上部灌注140cm普通水泥凈漿,作為封口段,使膨脹錨固體處于封閉環(huán)境中,充分發(fā)揮其膨脹效果.自然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)28d后開(kāi)展拉拔試驗(yàn).

4.2 錨桿極限抗拔力分析

在土質(zhì)邊坡區(qū)域,共完成了30根錨桿拉拔試驗(yàn),根據(jù)拉拔試驗(yàn)獲得不同膨脹劑摻量對(duì)應(yīng)的極限抗拔力(取5組平行試驗(yàn)的平均值),結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 錨桿極限抗拔力

由表1可見(jiàn)：(1)錨桿極限抗拔力隨膨脹劑摻量增加呈線性遞增規(guī)律,其中25%摻量時(shí)增幅最大,較水泥凈漿錨桿極限抗拔力增長(zhǎng)了88%.(2)30%膨脹劑摻量的錨固體在土體中膨脹過(guò)大,導(dǎo)致錨固體自身密實(shí)度降低；錨固體周圍土體的極大變形也會(huì)顯著降低自膨脹產(chǎn)生的界面正應(yīng)力,最終導(dǎo)致該摻量下的抗拔力下降.

4.3 自膨脹高強(qiáng)預(yù)壓錨固技術(shù)施工工法特點(diǎn)

(1)與傳統(tǒng)錨桿相比，大幅提高了錨桿抗拔力.該技術(shù)大幅降低了錨桿接觸水與空氣的概率,增大了錨固體、土體的密度、強(qiáng)度、抗?jié)B能力,提高了錨桿的耐久性，并增加了錨固體與錨桿界面、錨固體與土體界面的正應(yīng)力與摩阻力.

(2)與其他類錨固技術(shù)相比，該技術(shù)節(jié)約了機(jī)械錨固頭費(fèi)用;實(shí)現(xiàn)了土中自動(dòng)擴(kuò)頭,節(jié)約了購(gòu)置擴(kuò)頭設(shè)備成本.由于跳過(guò)了擴(kuò)頭工序,該技術(shù)可縮減錨固支護(hù)一半工期.

(3)本技術(shù)可廣泛適用于高陡邊坡及大型地下洞室、地下廠房拱頂和邊墻的錨桿支護(hù)施工.

5 結(jié)論

(1)研發(fā)了一套能消除CT偽影、獲取極大膨脹應(yīng)力(>35MPa)、精確定位掃描的高強(qiáng)預(yù)壓錨固體系測(cè)試裝置及方法,結(jié)合筆者提出的分圈層定量CT圖像解析技術(shù),建立了以膨脹劑摻量及臨空面距離為變量的CT值預(yù)測(cè)公式.

(2)對(duì)自膨脹錨固體及錨固體外土體進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),以CT值、徑向和環(huán)向膨脹應(yīng)力、體應(yīng)變?yōu)橹饕碚髁?分別得到了CT值隨膨脹壓力的線性變化規(guī)律、膨脹力徑環(huán)向空間演化規(guī)律、體應(yīng)變隨圈層變化規(guī)律,定量闡明了錨固體外土體從內(nèi)圈層到外圈層密實(shí)度呈線性降低,而大直徑錨固體密實(shí)度線性增加的力學(xué)機(jī)理.

(3)闡明了高強(qiáng)預(yù)壓錨固體系中自膨脹作用引發(fā)的密實(shí)度和正應(yīng)力的提升效應(yīng)對(duì)錨桿抗拔力提升的貢獻(xiàn),為高強(qiáng)預(yù)壓錨固技術(shù)的工程性能改進(jìn)以及工程運(yùn)用推廣提供了理論基礎(chǔ).

(4)錨桿極限抗拔力隨著膨脹劑摻量的增加呈線性遞增規(guī)律,最大可達(dá)水泥凈漿錨桿的1.88倍.