王 偉，陳 偉，汪 杰, 李林澤

(1.西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川成都610039; 2.攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，四川攀枝花617000)

昔格達(dá)地層是指廣泛分布于攀西地區(qū)安寧河、金沙江、大渡河、雅礱江河谷的一套灰綠色、灰白色、淺黃色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉細(xì)砂巖互層。該地層形成時(shí)代較新，先期固結(jié)壓力較小，沒(méi)有完成沉積成巖作用，故為一套弱膠結(jié)半成巖地層。該地層表現(xiàn)出似土非土、似巖非巖的物理力學(xué)特征。正是這種獨(dú)特的物理力學(xué)特征導(dǎo)致了其具有強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差、易滑等工程地質(zhì)特征[1]。目前，在攀枝花地區(qū)，錨桿已運(yùn)用到擋墻、基礎(chǔ)、邊坡治理等工程中，這種方法已得到了廣泛的認(rèn)同，形成了較為完善的施工工藝。隨著攀西地區(qū)建設(shè)的不斷發(fā)展，錨桿支護(hù)技術(shù)必將得到更廣泛的應(yīng)用。

1 昔格達(dá)土質(zhì)邊坡常用錨桿類(lèi)型

目前國(guó)內(nèi)外使用的錨桿種類(lèi)已有數(shù)百種之多，但在攀西地區(qū)昔格達(dá)土質(zhì)邊坡工程中常用的錨桿種類(lèi)還是有限的。通?？梢园词欠耦A(yù)先施加應(yīng)力、按錨固方式以及按錨固形態(tài)進(jìn)行分類(lèi)。

1.1 預(yù)應(yīng)力錨桿和非預(yù)應(yīng)力錨桿

預(yù)應(yīng)力錨桿是指錨固后施加一定的外力，使錨桿處于主動(dòng)受力狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計(jì)和施工比非預(yù)應(yīng)力錨桿要復(fù)雜一些，目前在公路邊坡中廣泛采用該錨桿加固技術(shù)(圖1、圖2)。非預(yù)應(yīng)力錨桿是指錨桿加固后不施加外力，錨桿處于被動(dòng)受載狀態(tài)，如板肋式錨桿擋墻、錨板護(hù)坡等結(jié)構(gòu)中通常采用非預(yù)應(yīng)力錨桿[2]。

圖1 攀枝花大道大河南路改線道路建設(shè)工程預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)

圖2 攀枝花大道大河南路改線道路建設(shè)工程預(yù)應(yīng)力錨桿施工

1.2 錨桿錨固不同的方式

頂端局部錨固式(點(diǎn)負(fù)荷方式)，通常的預(yù)應(yīng)力錨索多采取這種錨固方式；通長(zhǎng)全面粘結(jié)式(全長(zhǎng)固結(jié)式)，普通砂漿錨桿即屬于這一類(lèi)，它在昔格土質(zhì)邊坡工程中應(yīng)用的最為廣泛(圖3)；局部粘結(jié)式，介于前兩種錨固方式之間的一種錨桿。

圖3 攀枝花東區(qū)半山康城項(xiàng)目土質(zhì)邊坡全長(zhǎng)粘結(jié)式錨桿施工

1.3 不同的錨固形態(tài)

按錨固形態(tài)可以分為圓柱型錨桿、端部擴(kuò)大型錨桿和連續(xù)球形錨桿，這幾種錨桿在昔格達(dá)土質(zhì)邊坡錨固工程中應(yīng)用相對(duì)較少。圓柱型錨桿是國(guó)內(nèi)外早期發(fā)明的一種錨桿形式，這種錨桿的承載力主要依靠錨固體與周?chē)鷰r土介質(zhì)間的粘結(jié)摩阻強(qiáng)度提供；端部擴(kuò)大頭型錨桿是為了提高錨桿的承載力而在錨固段最底端設(shè)置擴(kuò)大頭的錨桿，錨桿的承載力由錨固體與土體間的摩阻強(qiáng)度和擴(kuò)大頭處的端承強(qiáng)度共同提供；連續(xù)球形錨桿是利用設(shè)置于自由段與錨固段交界處的密封袋和帶有許多環(huán)圈的套管，對(duì)錨固段需二次或多次灌漿處理，使錨固段形成一連串球狀體，從而提高錨固段與周?chē)馏w間的錨固強(qiáng)度[2]。

2 土層錨桿破壞形態(tài)分析

(1)土體和注漿體之間的粘結(jié)性破壞：當(dāng)錨桿能夠承受的極限拉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錨固段土層和注漿體之間的摩擦力時(shí)，就會(huì)發(fā)生注漿體和錨桿一同被拔出來(lái)的現(xiàn)象；土體和注漿體之間的粘結(jié)性破壞發(fā)生的頻率比較高，屬于常見(jiàn)的破壞類(lèi)型[3]。

(2)注漿體與錨桿桿體之間的粘結(jié)性破壞：由于錨桿滑面處的粘結(jié)力不足，當(dāng)滑面處的剪切力達(dá)到桿體與注漿體之間能夠承受的最大值時(shí)，桿體與注漿體之間就會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，剪切力以漸進(jìn)的方式向錨固段遠(yuǎn)端傳遞；隨著錨桿承受荷載值不斷的增加，結(jié)合應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度以類(lèi)似于摩擦樁的方式轉(zhuǎn)移，最終因?yàn)殄^桿不能繼續(xù)承受荷載而導(dǎo)致破壞[4]。

(3)注漿體的拉裂和破碎：由于拉力型錨桿內(nèi)錨固段的應(yīng)力分布是不均勻的，因此會(huì)在滑面附近出現(xiàn)明顯拉應(yīng)力集中現(xiàn)象；而壓力型錨桿由于錨固段末端上的注漿體出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，錨固段下部有可能被壓碎；但注漿體的抗壓強(qiáng)度通常遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，所以破壞程度相對(duì)于拉力型錨桿的拉裂破壞程度較小[3]。

(4)錨桿斷裂破壞：一般是錨桿尾部發(fā)生斷裂破壞；昔格達(dá)土質(zhì)邊坡錨桿斷裂破壞通常是由于錨桿自身質(zhì)量不能達(dá)到所應(yīng)用的實(shí)際工程要求以及應(yīng)力集中現(xiàn)象所造成的。

3 昔格達(dá)土質(zhì)的錨桿計(jì)算理論

目前對(duì)于昔格達(dá)土質(zhì)邊坡錨桿計(jì)算理論的研究工作不多，文獻(xiàn)[5]對(duì)攀枝花地區(qū)錨桿的抗剪強(qiáng)度、抗拔力、錨桿變形的計(jì)算進(jìn)行過(guò)研究。

錨桿抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式，其表達(dá)式為:

τ=λ(k0γhsin2α+yhcos2α)tgσ+c

(1)

其中：λ為修正系數(shù)，對(duì)黏土在0.4～0.6之間取值；α為錨桿外斜角，一般取13°～15°；h為土層覆蓋厚度；k0為土體側(cè)壓力系數(shù)，對(duì)正常固結(jié)黏土或輕微超固結(jié)粘土可近似表達(dá)為:1-sinφ；σ為混凝土與土體間的外摩擦角，其值可表達(dá)為：0.75φ；C、φ為土的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角。對(duì)于基礎(chǔ)錨桿，其外斜角α=90°，其抗剪強(qiáng)度公式可表達(dá)為：

τ=λk0γlngδ+c

(2)

獲得了錨桿的抗剪強(qiáng)度公式(1)后，根據(jù)錨桿的有效錨固長(zhǎng)度可計(jì)算錨桿的抗拔力，計(jì)算公式如下：

(3)

4 加固機(jī)理

(1) 能有效地提高土體強(qiáng)度。土層錨桿支護(hù)通過(guò)在土體內(nèi)設(shè)置一定長(zhǎng)度與密度的錨固體，使之與土體結(jié)合成為一個(gè)整體。當(dāng)向錨桿孔中進(jìn)行注漿時(shí)，由于土層中有一定的孔隙和裂隙，在壓力作用下，水泥砂漿(部分工程應(yīng)用純水泥漿)沿著土體中的孔隙和裂隙擴(kuò)滲，形成網(wǎng)狀膠結(jié)，從而增加了灌漿錨桿與周?chē)馏w的粘結(jié)作用并增強(qiáng)了土體的整體強(qiáng)度。

(2) 摩擦作用。單根錨桿的承載力除錨筋必須具有足夠的截面積以承受極限拉力外，對(duì)于錨固于土層的錨桿，其抗拔力取決于錨固體與土層之間的極限摩擦阻力。

(3) 提高了C、φ值，增加了土體的穩(wěn)定性。這是一種比較直觀的認(rèn)識(shí)，早期的錨桿計(jì)算模型認(rèn)為錨桿提高了土體的C、φ值。錨桿的預(yù)應(yīng)力作用有效限制了被錨固土體的變形量，從而增加了土體的穩(wěn)定性；灌漿可顯著增加錨桿和土的界面強(qiáng)度，也能達(dá)到增加土體穩(wěn)定性的效果。

(4) 土體等效變形模量增加。由于錨桿的彈性模量遠(yuǎn)高于土體的彈性模量，當(dāng)錨桿隨土體變形時(shí)，這種變形特性差異造成了土體等效變形模量的增加。

(5) 懸吊作用。錨桿支護(hù)通過(guò)錨桿將軟弱、松動(dòng)、不穩(wěn)定的土體懸吊于穩(wěn)定的土體之中，防其離層滑落。起懸吊作用的錨桿主要是提供足夠的拉力，用以克服滑落土體的重力或下滑力，維持工程土體的穩(wěn)定。

(6) 擠壓加固作用。T.A.Lang通過(guò)光彈試驗(yàn)證實(shí)了錨桿的擠壓加固作用，當(dāng)在彈性體上安裝具有預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)，發(fā)現(xiàn)彈性體內(nèi)形成以錨桿兩頭為頂點(diǎn)的錐形壓縮帶，若將錨桿以適當(dāng)?shù)拈g距排列，使相鄰錨桿的錐形體壓縮區(qū)相重疊，形成一定的連續(xù)壓縮帶。

綜上所述，土層錨固的基本原理就是利用錨桿周?chē)鷰r土體的抗剪強(qiáng)度來(lái)傳遞結(jié)構(gòu)物的拉力或保持開(kāi)挖面的自身穩(wěn)定，錨桿可以提供作用于結(jié)構(gòu)物上承受的荷載的抗力；可以使錨固底層產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)并對(duì)加固底層起到加筋的作用；可以增強(qiáng)底層強(qiáng)度，改善土層的力學(xué)性質(zhì)，可以使結(jié)構(gòu)與土層連接在一起，形成一種共同工作的結(jié)合體，使其能有效地承受拉力和剪力[2]。

5 存在的問(wèn)題及研究方向

近幾十年來(lái)，各類(lèi)錨桿的作用機(jī)理日趨清楚，并提出一 些可實(shí)用的錨桿數(shù)學(xué)模型，它們?cè)谝欢ǔ潭壬戏从沉烁黝?lèi)錨桿適應(yīng)不同地質(zhì)條件的加固機(jī)理。但應(yīng)注意到，由于昔格達(dá)土的特殊性[6]，昔格達(dá)土質(zhì)邊坡錨桿加固機(jī)理仍是一個(gè)沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)的問(wèn)題，也缺乏行之有效的、合理的計(jì)算方法。事實(shí)上，昔格達(dá)土質(zhì)邊坡錨固理論方面的研究已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐，這種現(xiàn)狀直接影響到錨桿技術(shù)的合理應(yīng)用和發(fā)展。文獻(xiàn)[5]雖然提出了攀枝花地區(qū)錨桿抗剪強(qiáng)度、抗拔力、錨桿變形的計(jì)算公式，但尚不清楚是否能準(zhǔn)確應(yīng)用在昔格達(dá)土質(zhì)邊坡錨桿的設(shè)計(jì)計(jì)算當(dāng)中。并且目前的理論和數(shù)值分析與實(shí)際情況出入較大，因而必須進(jìn)一步通過(guò)理論分析、試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行研究。

(1)針對(duì)于昔格達(dá)土質(zhì)邊坡錨桿錨固機(jī)理的研究。包括錨固作用對(duì)昔格達(dá)土物理力學(xué)性質(zhì)的影響、錨桿與灌漿體之間的相互作用、灌漿體與昔格達(dá)土體之間的相互作用。

(2)模擬昔格達(dá)土質(zhì)邊坡錨桿作用的合理計(jì)算模型。昔格達(dá)土質(zhì)邊坡常用錨桿錨固力、抗剪強(qiáng)度、抗拔力計(jì)算方法的提出。

(3)支護(hù)材料的研究。支護(hù)材料限制了工程實(shí)踐和設(shè)計(jì)的發(fā)展，研究輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、耐久性好的支護(hù)材料具有重大意義。

(4)科學(xué)、合理、實(shí)用規(guī)范的制定。現(xiàn)有錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)通常根據(jù)工程類(lèi)比法或半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法進(jìn)行，因此科學(xué)、合理、實(shí)用規(guī)范的制定是錨桿支護(hù)能否在更大的范圍和不同條件下推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

[1] 張永治.攀西地區(qū)昔格達(dá)土綜述[J].攀枝花大學(xué)學(xué)報(bào),1995,11(2):75-78

[2] 鄧新德.巖質(zhì)邊坡錨固技術(shù)研究與應(yīng)用[D].中南大學(xué),2007

[3] 汪班橋.土層錨桿常見(jiàn)病害破壞機(jī)理及防治技術(shù)研究[D].長(zhǎng)安大學(xué),2010

[4] 馬萍.土層錨桿錨固機(jī)理試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)江大學(xué),2012

[5] 何思明.攀枝花地區(qū)錨桿的工作機(jī)理[J].四川建筑科學(xué)研究, 1997, 22(2):49-51

[6] 陳偉,焦?jié)?孫金坤, 等.昔格達(dá)生土農(nóng)房抗震技術(shù)研究[J].工程抗震與加固改造,2010,32(3):77-80