锚杆锚固体与土体粘结强度特征浅析

        锚杆支护是基坑工程和边坡工程中的一种常用的支护方法。与刚性支护体系如排桩、地下连续墙等支护方式相比，锚杆支护是通过设置于支护结构外侧原位土体中的土钉、被加固土体、面层及防水系统等所构成的一种柔性支护体系，其工作理念是通过锚杆来约束与加固土体，同时结合土体自身的变形能力，共同承担开挖荷载并抱着支护结构的稳定性，具有材料用量少、施工快速简便、所需施工场地小、安全经济等优点，在我国基坑工程和边坡工程中有着广泛应用。
　　合理确定锚杆锚固体与土体间的粘结强度，对锚杆结构设计极为重要。其主要受土体抗剪强度、锚杆施工的水泥浆注浆压力、锚杆杆体表面结构特征、锚固段上土体覆层厚度等多种因素制约。另外，在锚杆受拉时，沿锚固段长度的粘结应力受力并非均匀分布，其对粘结强度值同样有影响。
　　1、锚杆锚固体注浆压力对粘结强度的影响
　　锚杆在土体中进行锚固，锚杆锚固体与土体间的粘结强度较低，其强度除与土体的抗剪强度有相关性外，施工中的注浆压力与注浆量也会有明显的影响作用。
　　试验研究表明，在对锚杆锚固体进行第一次常压注浆后，待注浆体达到一定强度，再施作1.5～4.0 MPa 的二次高压注浆，使水泥浆液压入已形成的注浆体，并向周围土体渗透扩散，形成水泥镶嵌体，通过对一次常规灌浆形成圆柱形锚固体外土体的劈裂注浆作用， 在圆柱形锚固体外形成新的锚固异形扩体，这时锚固体呈现二元结构特征， 由圆柱形的紧密浆体和异形扩大的复合土、浆固化体组成。能大大提高锚固体周围土体的抗剪强度，从而使锚固体周边的粘结强度得以显著提高。
　　在对某工程进行的锚杆拉拔试验试验中，利用原有的基坑支护设计方案，基坑采用放坡锚杆支护结构，基坑开挖深度 4.5m，设计三道锚杆，锚杆水平间距1.2m，竖向间距1.2m，倾角为15°。通过对该工程设计标高-3.6m处，长度为6m，采用20mm螺纹钢筋的锚杆进行的拉拔试验，分析在不同注浆压力下锚杆锚固体的粘结强度值。该试验锚杆采用全粘结锚固，每组三根共三组，分别采用一次注浆及二次注浆，锚固土层全长度均为粘土，以可塑状态为主，局部软塑，韧性低，干强度低，压缩系数平均值为0.38，属中等偏高压缩性，直剪粘结力18 kPa，摩擦角6°，试验结果如表1：
　　通过试验数据，锚杆工程采用二次高压注浆后实测到的锚固体粘结强度值，为仅采用一次常压注浆的锚固体周边粘结强度值的1.68倍以上。证明通过高压注浆，锚固体剪切滑动面也沿原来的圆柱侧面外移， 呈不规则的曲面， 滑面内外均受注浆影响， 特别是劈裂注浆改变了滑动曲面处土体的物理力学性质， 从而可以提高锚杆抗拔力。
　　通常采用一次常压注浆形成的圆柱形锚固体的土层锚杆， 这在硬塑的粘性土和砂性土中，能获得较高的抗拔力， 但在软塑的粘性土、软土、填土中， 均达不到理想效果。利用高压注浆可以明显地提高单位土锚锚固长度的抗拔力， 突破了土层锚杆应用的弱项。
　　2、锚固段长度对粘结强度的影响
　　试验研究表明，锚杆在荷载作用下，其锚固段长度上的粘结应力分布量是很不均匀的。特别当采用较长的锚固段时，受荷初期，粘结应力峰值出现在临近自由段处，而在离自由段较远的锚固段下端，则不出现粘结应力。随着荷载增大，粘结应力峰值逐步向锚固段根部转移，而锚固段前端的粘结应力则显著下降。当荷载进一步增大，粘结应力峰值转移至锚固段根部时，锚固段前部较长范围内的粘结应力值进一步下降，甚至趋近于0。由此可知，锚杆能有效发挥粘结作用的长度是有一定限度的。在一定长度后，锚杆的平均粘结强度值随锚固段长度的增加而减小，呈现非线性关系。
　　在对某工程进行利用试验中，采用20mm螺紋钢筋的锚杆进行的拉拔试验，分析在长度下锚杆锚固体的粘结强度值。该试验锚杆采用选择全粘结锚固，分别一次注浆，每组两根锚杆，选择长度为6m、12m、18m，锚固土层全长度选择为硬塑粘土，液性指数平均值为0.04，以硬塑状态为主，局部可塑，切面较光滑，韧性中等，干强度一般，无摇振反应，压缩系数平均值为0.20，属中等压缩性，三轴剪切粘结力42 kPa，摩擦角11°，试验结果如表2：
　　通过试验数据可知土层锚杆的极限拉拔力， 最主要是取决于锚固体与土体之间的粘结强度。在一定范围后，锚杆灌浆体与岩土体的粘结强度随锚固段长度的增长而降低。4m～12m锚固段长度范围内单位表面摩阻力随着锚固段长度的增加而有时下降，即锚杆的抗拔力不可能随锚固段的增长而成比例的增加，为非线性关系，甚至当锚固段超过一定长度后，锚杆抗拔力增加甚微或不再增加。
　　因而在利用传统的计算锚杆抗拔力的公式时，应对计算结果进行修正，对计算值进行折减使用，同时设计时应避免选择较大长度的锚索，以避免达不到设计目的及造成过度浪费。
　　结论：
　　针对以上关于锚杆的注浆次数及压力、锚固段长度上进行的部分试验，可得以下主要结论：
　　（1）对于土层锚杆，通过对锚固段实施二次高压劈裂注浆，可以增大锚固段周边的水泥浆的灌浆量，是提高锚固段灌浆体与土层间粘结强度的一种有效途径。采用二次高压注浆， 可以对一次常压注浆形成的圆柱形锚固体进行劈裂注浆，进而使锚固体形成锚固异形体，增加两者间接触的不规则面，改变滑动曲面处土体的物理力学性质，提高锚杆抗拔力。
　　（2）对于过长锚固段的锚杆受拉时，锚固段粘结应力分布是不均匀的，锚固段长度对锚杆锚固段的平均粘结强度有显著影响，在锚杆抗拔力计算时，不能忽视锚固段长度的影响，采用单一的粘结强度值是不合理的，而应对锚固力计算结果进行修正，对计算值进行折减使用。
　　（3）土层锚杆的抗拔力与锚固段长度之间的关系， 并非线性增长关系， 当锚固段达到一定长度， 再增长锚固段，对抗拔力的增加已毫无意义。锚杆锚固体内轴力及锚固体与岩土体之间的剪应力分布自锚固段头部向尾部衰减， 呈不均匀分布。