錨桿錨固體與土體粘結強度特征淺析

        錨桿支護是基坑工程和邊坡工程中的一種常用的支護方法。與剛性支護體系如排樁、地下連續墻等支護方式相比，錨桿支護是通過設置于支護結構外側原位土體中的土釘、被加固土體、面層及防水系統等所構成的一種柔性支護體系，其工作理念是通過錨桿來約束與加固土體，同時結合土體自身的變形能力，共同承擔開挖荷載并抱著支護結構的穩定性，具有材料用量少、施工快速簡便、所需施工場地小、安全經濟等優點，在我國基坑工程和邊坡工程中有著廣泛應用。
　　合理確定錨桿錨固體與土體間的粘結強度，對錨桿結構設計極為重要。其主要受土體抗剪強度、錨桿施工的水泥漿注漿壓力、錨桿桿體表面結構特征、錨固段上土體覆層厚度等多種因素制約。另外，在錨桿受拉時，沿錨固段長度的粘結應力受力并非均勻分布，其對粘結強度值同樣有影響。
　　1、錨桿錨固體注漿壓力對粘結強度的影響
　　錨桿在土體中進行錨固，錨桿錨固體與土體間的粘結強度較低，其強度除與土體的抗剪強度有相關性外，施工中的注漿壓力與注漿量也會有明顯的影響作用。
　　試驗研究表明，在對錨桿錨固體進行第一次常壓注漿后，待注漿體達到一定強度，再施作1.5～4.0 MPa 的二次高壓注漿，使水泥漿液壓入已形成的注漿體，并向周圍土體滲透擴散，形成水泥鑲嵌體，通過對一次常規灌漿形成圓柱形錨固體外土體的劈裂注漿作用， 在圓柱形錨固體外形成新的錨固異形擴體，這時錨固體呈現二元結構特征， 由圓柱形的緊密漿體和異形擴大的復合土、漿固化體組成。能大大提高錨固體周圍土體的抗剪強度，從而使錨固體周邊的粘結強度得以顯著提高。
　　在對某工程進行的錨桿拉拔試驗試驗中，利用原有的基坑支護設計方案，基坑采用放坡錨桿支護結構，基坑開挖深度 4.5m，設計三道錨桿，錨桿水平間距1.2m，豎向間距1.2m，傾角為15°。通過對該工程設計標高-3.6m處，長度為6m，采用20mm螺紋鋼筋的錨桿進行的拉拔試驗，分析在不同注漿壓力下錨桿錨固體的粘結強度值。該試驗錨桿采用全粘結錨固，每組三根共三組，分別采用一次注漿及二次注漿，錨固土層全長度均為粘土，以可塑狀態為主，局部軟塑，韌性低，干強度低，壓縮系數平均值為0.38，屬中等偏高壓縮性，直剪粘結力18 kPa，摩擦角6°，試驗結果如表1：
　　通過試驗數據，錨桿工程采用二次高壓注漿后實測到的錨固體粘結強度值，為僅采用一次常壓注漿的錨固體周邊粘結強度值的1.68倍以上。證明通過高壓注漿，錨固體剪切滑動面也沿原來的圓柱側面外移， 呈不規則的曲面， 滑面內外均受注漿影響， 特別是劈裂注漿改變了滑動曲面處土體的物理力學性質， 從而可以提高錨桿抗拔力。
　　通常采用一次常壓注漿形成的圓柱形錨固體的土層錨桿， 這在硬塑的粘性土和砂性土中，能獲得較高的抗拔力， 但在軟塑的粘性土、軟土、填土中， 均達不到理想效果。利用高壓注漿可以明顯地提高單位土錨錨固長度的抗拔力， 突破了土層錨桿應用的弱項。
　　2、錨固段長度對粘結強度的影響
　　試驗研究表明，錨桿在荷載作用下，其錨固段長度上的粘結應力分布量是很不均勻的。特別當采用較長的錨固段時，受荷初期，粘結應力峰值出現在臨近自由段處，而在離自由段較遠的錨固段下端，則不出現粘結應力。隨著荷載增大，粘結應力峰值逐步向錨固段根部轉移，而錨固段前端的粘結應力則顯著下降。當荷載進一步增大，粘結應力峰值轉移至錨固段根部時，錨固段前部較長范圍內的粘結應力值進一步下降，甚至趨近于0。由此可知，錨桿能有效發揮粘結作用的長度是有一定限度的。在一定長度后，錨桿的平均粘結強度值隨錨固段長度的增加而減小，呈現非線性關系。
　　在對某工程進行利用試驗中，采用20mm螺紋鋼筋的錨桿進行的拉拔試驗，分析在長度下錨桿錨固體的粘結強度值。該試驗錨桿采用選擇全粘結錨固，分別一次注漿，每組兩根錨桿，選擇長度為6m、12m、18m，錨固土層全長度選擇為硬塑粘土，液性指數平均值為0.04，以硬塑狀態為主，局部可塑，切面較光滑，韌性中等，干強度一般，無搖振反應，壓縮系數平均值為0.20，屬中等壓縮性，三軸剪切粘結力42 kPa，摩擦角11°，試驗結果如表2：
　　通過試驗數據可知土層錨桿的極限拉拔力， 最主要是取決于錨固體與土體之間的粘結強度。在一定范圍后，錨桿灌漿體與巖土體的粘結強度隨錨固段長度的增長而降低。4m～12m錨固段長度范圍內單位表面摩阻力隨著錨固段長度的增加而有時下降，即錨桿的抗拔力不可能隨錨固段的增長而成比例的增加，為非線性關系，甚至當錨固段超過一定長度后，錨桿抗拔力增加甚微或不再增加。
　　因而在利用傳統的計算錨桿抗拔力的公式時，應對計算結果進行修正，對計算值進行折減使用，同時設計時應避免選擇較大長度的錨索，以避免達不到設計目的及造成過度浪費。
　　結論：
　　針對以上關于錨桿的注漿次數及壓力、錨固段長度上進行的部分試驗，可得以下主要結論：
　　（1）對于土層錨桿，通過對錨固段實施二次高壓劈裂注漿，可以增大錨固段周邊的水泥漿的灌漿量，是提高錨固段灌漿體與土層間粘結強度的一種有效途徑。采用二次高壓注漿， 可以對一次常壓注漿形成的圓柱形錨固體進行劈裂注漿，進而使錨固體形成錨固異形體，增加兩者間接觸的不規則面，改變滑動曲面處土體的物理力學性質，提高錨桿抗拔力。
　?。?）對于過長錨固段的錨桿受拉時，錨固段粘結應力分布是不均勻的，錨固段長度對錨桿錨固段的平均粘結強度有顯著影響，在錨桿抗拔力計算時，不能忽視錨固段長度的影響，采用單一的粘結強度值是不合理的，而應對錨固力計算結果進行修正，對計算值進行折減使用。
　?。?）土層錨桿的抗拔力與錨固段長度之間的關系， 并非線性增長關系， 當錨固段達到一定長度， 再增長錨固段，對抗拔力的增加已毫無意義。錨桿錨固體內軸力及錨固體與巖土體之間的剪應力分布自錨固段頭部向尾部衰減， 呈不均勻分布。