張思峰，李琳，李英勇

（1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省交通運(yùn)輸廳公路局，山東 濟(jì)南250002）

0 引言

巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)由于其對(duì)巖土體擾動(dòng)較小、施工快、經(jīng)濟(jì)、安全等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為高陡邊坡、大壩、深基坑等大型巖土加固工程中的首選方法，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。按其內(nèi)錨固段受力形式來說，拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)是當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣、使用數(shù)量最多的一種錨固結(jié)構(gòu)形式。如長(zhǎng)江三峽水利樞紐工程中，在長(zhǎng)為1621 m的船閘邊坡上，采用了4000余根長(zhǎng)度為21～61 m、拉力值為3000 kN的預(yù)應(yīng)力錨索及近10萬根長(zhǎng)度為8～14 m的高強(qiáng)度錨桿進(jìn)行加固，其中絕大部分為拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)。

拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)是指通過桿體與注漿體以及注漿體與周圍巖土體之間的粘結(jié)應(yīng)力來提供張拉力的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是荷載施加后在其內(nèi)錨固段前部出現(xiàn)高度應(yīng)力集中現(xiàn)象，且隨張拉力逐級(jí)增大剪應(yīng)力峰值逐漸內(nèi)移，界面粘結(jié)逐漸劣化，存在漸進(jìn)破壞的可能［1－2］。室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，大量預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)失效都是由于界面粘結(jié)劣化造成的，因此，這種在外荷載作用下的界面漸進(jìn)粘結(jié)劣化是決定拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)錨固段長(zhǎng)期耐久性的關(guān)鍵因素。界面粘結(jié)劣化的研究對(duì)實(shí)際工程中內(nèi)錨固段合理長(zhǎng)度及其使用壽命的確定等具有重要理論指導(dǎo)意義。文章通過對(duì)國(guó)內(nèi)外在拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)錨固段界面粘結(jié)應(yīng)力及粘結(jié)劣化理論研究、試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬研究等方面的現(xiàn)狀回顧，闡述了拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)劣化三個(gè)主要研究方面的現(xiàn)狀，提出了拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)界面性能研究中存在的問題及發(fā)展方向。

1 界面粘結(jié)應(yīng)力及粘結(jié)劣化的理論研究

1.1 界面粘結(jié)應(yīng)力（或剪應(yīng)力）的理論研究

最初的界面作用機(jī)理認(rèn)為在錨固結(jié)構(gòu)各界面上不存在粘結(jié)劣化或者滑移現(xiàn)象，桿體、注漿體及圍巖體三者之間協(xié)調(diào)變形?；诖思僭O(shè)，Li等提出了指數(shù)形式分布的界面剪應(yīng)力分布公式［3］；Wei等提出了內(nèi)錨固段軸向力分布的兩參數(shù)復(fù)合冪函數(shù)模型［4］。在國(guó)內(nèi)，曹國(guó)金等根據(jù)Mindlin問題的位移解，推導(dǎo)了拉力型預(yù)應(yīng)力錨桿的桿體軸力及界面剪應(yīng)力沿桿體分布的彈性理論解，分析了拉力型錨桿的受力分布特征，提出了確定拉力型錨桿支護(hù)長(zhǎng)度的方法，對(duì)錨桿在不同巖體中的有效錨固長(zhǎng)度進(jìn)行了計(jì)算，并分析了影響錨桿有效錨固長(zhǎng)度的各種因素［5］。洪海春等基于彈性理論，將錨桿作用力假定為在半空間體邊界上受到的法向集中力，研究了拉力型預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)錨固段界面剪應(yīng)力沿長(zhǎng)度方向的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)內(nèi)錨固段最大剪應(yīng)力并非出現(xiàn)在中點(diǎn)上，而是位于接近內(nèi)錨固段前端的一側(cè)，且內(nèi)錨固段剪應(yīng)力的分布為單峰曲線，其兩端為零（或近似為零）、中間某處為最大值，通過引入相關(guān)參數(shù)估算極限承載力，研究了錨固段長(zhǎng)度的取值問題［6］。蔣忠信認(rèn)為拉力型錨索、錨桿錨固段的剪應(yīng)力是非均布的，剪應(yīng)力分布曲線是以0為漸近線的單峰曲線，通過對(duì)不同工程中實(shí)測(cè)的錨桿、錨索數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)適宜采用三參數(shù)高斯曲線來描繪桿體內(nèi)錨固段界面剪應(yīng)力的分布模式，并推導(dǎo)得出了曲線的拐點(diǎn)、極大值、積分及平峰比等特征值［7］。宗全兵等基于Winkler假設(shè)的局部變形理論，將預(yù)應(yīng)力錨索受力段分為一系列的子錨固段，研究了非均質(zhì)地層中預(yù)應(yīng)力錨索的受力特征，得出了桿體軸向力及界面剪應(yīng)力的理論解［8］。鐘志彬等根據(jù)錨桿的實(shí)際工作狀態(tài)，在對(duì)全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿受力特性采取一定假設(shè)的基礎(chǔ)上，分析了巖體與桿體之間的相互作用機(jī)理；考慮錨桿軸向力的分布并結(jié)合荷載傳遞分析方法和彈性力學(xué)Kelvin問題解，得出了剪應(yīng)力沿錨桿長(zhǎng)度分布的計(jì)算公式。他認(rèn)為在彈性狀態(tài)下，錨桿剪應(yīng)力從外錨頭處的零開始迅速增大，達(dá)到最大值后沿錨桿長(zhǎng)度方向呈指數(shù)形式衰減，經(jīng)過一定長(zhǎng)度后，剪應(yīng)力又趨近于零，即桿體剪應(yīng)力的作用范圍僅分布在錨頭附近很有限的范圍內(nèi)［9］。李沖等根據(jù)錨桿—圍巖相互作用原理，建立了全長(zhǎng)錨固拉力型預(yù)應(yīng)力錨桿桿體受力計(jì)算模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法分析了桿體軸力、剪應(yīng)力與預(yù)張力的關(guān)系以及桿體軸力與剪應(yīng)力的分布規(guī)律，認(rèn)為錨桿桿體軸向應(yīng)力、界面剪應(yīng)力與圍巖條件、錨桿自身性質(zhì)以及施加預(yù)應(yīng)力的大小等有關(guān)［10］。上述研究對(duì)彈性狀態(tài)下巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)錨固段桿體軸力及各界面剪應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了理論分析，推導(dǎo)了界面剪應(yīng)力分布的一般規(guī)律，即表現(xiàn)為以0為漸近線的峰值靠近內(nèi)錨固段前端的單峰曲線，相關(guān)研究成果對(duì)界面粘結(jié)應(yīng)力分布特征的確定起到了積極的推動(dòng)作用，也為拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)錨固段合理長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

1.2 界面粘結(jié)劣化的理論研究

后來人們發(fā)現(xiàn)隨軸向荷載的逐級(jí)增大存在界面粘結(jié)的劣化現(xiàn)象，即界面剪應(yīng)力峰值點(diǎn)不斷向桿體深部轉(zhuǎn)移，且伴隨著界面之間的相對(duì)滑動(dòng)。對(duì)此特征，Benmokrane采用三階段線性函數(shù)來描述接觸面上剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系：第一階段為共同變形階段，接觸面呈現(xiàn)彈性無損狀態(tài)；第二階段為接觸面的劣化損傷階段，剪應(yīng)力隨剪切位移的增長(zhǎng)而相應(yīng)降低；第三階段接觸面完全處于損傷階段，只有摩擦力存在［11］。Ana等和Yazici等分別采用兩段式線性及四段式（其中三段用于描述粘結(jié)劣化段）復(fù)合曲線模型來描述上述關(guān)系［12－13］。Yazici等將注漿體的破壞過程分為三個(gè)階段：彈性階段、部分開裂階段和完全開裂階段，并分別對(duì)各個(gè)階段的力學(xué)特性進(jìn)行了分析［14］。Shuqi等還根據(jù)拉拔試驗(yàn)，建立了考慮殘余剪應(yīng)力的粘結(jié)—滑移模型，得出了界面剪切應(yīng)力和軸向荷載的分布規(guī)律［15］。以上研究成果將界面粘結(jié)劣化過程進(jìn)行了分階段描述，并分析了各階段的界面力學(xué)特性，一定程度上揭示了內(nèi)錨固段各界面在外荷載作用下的粘結(jié)滑移特性，但上述分析大都是根據(jù)拉拔試驗(yàn)得到的粘結(jié)應(yīng)力與滑移量之間的L—S曲線得到，并不能從本質(zhì)上反映其內(nèi)部變化機(jī)理，因此所采用的界面粘結(jié)裂化關(guān)系曲線也就有所不同。

在國(guó)內(nèi)，對(duì)于拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)劣化或滑移特性的理論研究還處于起步階段。張季如等假定錨固體與周圍巖土體之間的剪應(yīng)力隨剪切位移呈線性增加，以此建立了描述桿體荷載傳遞機(jī)理的雙曲函數(shù)模型，獲得了錨桿摩阻力（即界面剪應(yīng)力）和剪切位移沿桿體長(zhǎng)度方向的分布規(guī)律，并結(jié)合埋設(shè)于黏性土中4根灌漿錨桿的現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)成果，分析了桿體荷載的傳遞特性：錨桿摩阻力由內(nèi)錨固段頂端向尾端衰減，呈現(xiàn)不均勻分布，峰值出現(xiàn)在頂端；隨荷載遞增，峰值摩阻力將從內(nèi)錨固段頂端向末端遷移，而后又隨著拉拔力的增加重駐內(nèi)錨固段頂端［16］。鄒金鋒等基于損傷理論，定義了巖土體剪切損傷變量及其相應(yīng)的損傷演化方程，依據(jù)巖土體在錨桿側(cè)向剪應(yīng)力作用下發(fā)生的損傷特性和錨桿在巖土體中的荷載傳遞機(jī)理，建立了錨桿在巖土體損傷時(shí)的荷載傳遞微分方程并推導(dǎo)出考慮巖土體損傷情況下的錨桿軸力、剪切位移和側(cè)摩阻力沿錨桿長(zhǎng)度分布的解析解，該理論解考慮了錨桿長(zhǎng)度、錨桿直徑和巖土體的損傷特性、剪切模量及壓縮模量等因素的影響［17］。徐波等首先依據(jù)Mindlin位移解推出了錨桿剪應(yīng)力沿長(zhǎng)度方向的分布函數(shù)，并以此建立了錨桿荷載傳遞的微分方程，根據(jù)方程進(jìn)一步推導(dǎo)了桿體位移沿深度方向的分布函數(shù)［18］。谷拴成等認(rèn)為混凝土中錨桿的荷載傳遞特性主要取決于螺紋鋼筋—混凝土界面的剪切特性，他基于錨桿滑移所產(chǎn)生的剪脹效應(yīng)及破壞機(jī)制，建立了適用于混凝土中螺紋錨桿的荷載傳遞模型，并得到了塑性破壞條件下桿體軸力和剪應(yīng)力的解析解，探討了錨桿軸力和界面剪應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度方向隨相對(duì)剪切位移的分布規(guī)律，分析了不同拉拔力、錨桿直徑、剪脹角等因素對(duì)荷載傳遞的影響規(guī)律［19］。葉根飛通過總結(jié)已有的內(nèi)錨固段各界面剪切滑移本構(gòu)模型，并基于Benmokrane建立的界面滑移本構(gòu)模型，應(yīng)用荷載傳遞函數(shù)法，建立了彈塑性理論空間模型，得出了桿體界面上剪應(yīng)力沿長(zhǎng)度方向分布的理論解，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的桿體荷載—位移曲線將界面粘結(jié)劣化過程分為彈性變形、滑移變形、脫粘出現(xiàn)與發(fā)展及完全脫粘四個(gè)階段，不同階段的界面上具有不同的界面剪應(yīng)力分布規(guī)律［20］。尤春安等基于預(yù)應(yīng)力錨索錨固體從巖土體中拔出計(jì)算模式，通過分析錨固體與灌漿材料的界面層變形—破壞過程，建立了內(nèi)錨固段的剪滯—脫黏模型，同時(shí)將內(nèi)錨固段分為彈性區(qū)、塑性滑移區(qū)和脫黏區(qū)，采用與Coulomb條件關(guān)連的流動(dòng)法則導(dǎo)出了界面應(yīng)力分布的理論解，并認(rèn)為錨固體承受荷載的主要工況是塑性滑移狀態(tài)，在研究或進(jìn)行錨固體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要基于這種變形狀態(tài)［21］。可以看出，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)荷載逐級(jí)增大情況下巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)錨固段各界面的粘結(jié)裂化性能開展了卓有成效的理論研究工作，也取得了較多豐碩成果，但從理論上分析界面粘結(jié)裂化后剪應(yīng)力峰值內(nèi)移規(guī)律的相關(guān)研究還很少見。

從上述分析可以看出，研究者們對(duì)預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)錨固段的粘結(jié)劣化特性開展了針對(duì)性的理論研究工作，使人們對(duì)粘結(jié)劣化的認(rèn)識(shí)從最初的感性認(rèn)知提高到科學(xué)的理性分析，但從粘結(jié)劣化的細(xì)觀機(jī)理出發(fā)分析和解釋粘結(jié)劣化現(xiàn)象仍是當(dāng)前研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。在此方面，李新平等根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)的理論和方法，將巖土預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)看作一種由巖體（基體材料）、錨桿（增強(qiáng)材料）和砂漿（黏結(jié)材料）構(gòu)成的復(fù)合加固材料，建立了該復(fù)合加固材料的細(xì)觀力學(xué)等效模型，推導(dǎo)了其彈性常數(shù)的計(jì)算公式，并定量分析了巖體強(qiáng)度、錨桿尺寸及布置、砂漿強(qiáng)度等因素對(duì)錨固復(fù)合支護(hù)系統(tǒng)力學(xué)性能的影響，還理論分析了預(yù)應(yīng)力錨固復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能與各組分材料的力學(xué)性能及細(xì)觀結(jié)構(gòu)之間的相關(guān)關(guān)系［22］。尤春安等在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨固段界面力學(xué)特性試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，探討了錨固體界面在荷載作用下的變形規(guī)律及失效條件，并基于此建立了有骨料的灌漿材料界面細(xì)觀力學(xué)模型，從細(xì)觀層面上對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)錨固段從彈性變形到塑性滑移以致脫黏失效的全過程進(jìn)行了研究，提出了錨固體拉拔失效的幾個(gè)階段：彈性變形階段、塑性滑移階段及脫黏變形階段［23］。

在界面粘結(jié)劣化的機(jī)理研究方面，Windsor認(rèn)為粘結(jié)劣化是由于組成界面應(yīng)力的三種分力：粘結(jié)力、機(jī)械咬合力及表面摩擦力依次消失或減弱的結(jié)果，而接觸面上只有殘余應(yīng)力存在［24］。朱煥春等和蔣良濰等認(rèn)為當(dāng)已破壞錨固段內(nèi)的殘余應(yīng)力及未破壞段提供的粘結(jié)力足以平衡外荷載時(shí)，桿體將重新處于無滑移的共同變形狀態(tài)［25－26］。上述關(guān)于粘結(jié)劣化機(jī)理的研究提升了人們對(duì)拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)荷載傳遞機(jī)理的科學(xué)認(rèn)知，但要真正掌握粘結(jié)劣化現(xiàn)象的本質(zhì)還有賴于更深入的細(xì)觀機(jī)理研究。

2 拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)劣化的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

2.1 界面粘結(jié)劣化的試驗(yàn)研究

拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)的界面粘結(jié)劣化現(xiàn)象最初是由室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的。Stillborg早在1984年就發(fā)現(xiàn)在非粘性土中隨著外荷載增大，存在界面粘結(jié)應(yīng)力峰值點(diǎn)向內(nèi)錨固段遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象［27］。其后，許多學(xué)者各自通過試驗(yàn)驗(yàn)證了類似現(xiàn)象［11－12，28］。而國(guó)內(nèi)對(duì)此問題的研究要明顯晚于國(guó)外，張永興等設(shè)計(jì)了6種不同配合比的注漿體，將普通錨、壓花錨錨固于硬巖中，通過抗拔試驗(yàn)獲得了巖錨的荷載—位移全過程曲線，分析發(fā)現(xiàn)普通拉力型錨索在達(dá)到極限承載力后持荷能力下降，位移不斷增長(zhǎng)，分析認(rèn)為是由于脫黏段轉(zhuǎn)移到內(nèi)錨固段底部后持荷能力只由摩擦力和機(jī)械咬合力共同承擔(dān)的結(jié)果［29］。汪海濱等通過現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力巖錨原位拉拔試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)錨固段長(zhǎng)度大于一定值后，其長(zhǎng)度再增加無助于提高極限抗拔力，且對(duì)于內(nèi)錨固段長(zhǎng)度分別為10和12 m的拉力型錨索來說當(dāng)錨頭位移分別達(dá)到94.77和128 mm時(shí)已無法再承受荷載，索體與注漿體間發(fā)生滑移或錨孔內(nèi)持續(xù)帶出水泥漿屑［30］。張培勝等也通過室內(nèi)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)錨桿承受較小拉力時(shí)，桿體滑移量很小，但隨著拉力的增加，桿體頂端將會(huì)出現(xiàn)較明顯的位移，當(dāng)外荷載達(dá)到某一數(shù)值后，桿體位移迅速增大，而荷載卻無法再繼續(xù)增加，錨桿失效，由此認(rèn)為：當(dāng)桿體所受拉力較小時(shí)，錨桿處于彈性工作狀態(tài)，外荷載主要由桿體外端部的界面粘結(jié)力來承擔(dān)，其曲線的峰值出現(xiàn)在桿體外端；隨拉力的增加，桿體外端及其內(nèi)部剪應(yīng)力逐步增大；拉力進(jìn)一步增加后，桿體外端注漿體與桿體之間的界面粘結(jié)被破壞，桿體開始產(chǎn)生滑移，外端部剪應(yīng)力下降，剪應(yīng)力峰值隨之向錨固體深部轉(zhuǎn)移；當(dāng)拉力增大到一定程度時(shí)，內(nèi)錨固段前端的粘結(jié)應(yīng)力下降至殘余應(yīng)力，由桿體和注漿體之間的摩擦力來抵抗它們之間的相對(duì)滑移［31］。韓侃等在一個(gè)高速公路邊坡預(yù)應(yīng)力錨固工程中，通過對(duì)隨機(jī)抽取的4根預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行拉拔試驗(yàn)并比較索體實(shí)際伸長(zhǎng)量與理論伸長(zhǎng)量的差值，發(fā)現(xiàn)部分錨索在拉拔過程中出現(xiàn)內(nèi)錨固段的相對(duì)滑移，表現(xiàn)為索體張拉荷載不變的情況下錨頭位移隨時(shí)間而增長(zhǎng)，并認(rèn)為這種錨索荷載的傳遞和破壞是漸進(jìn)式的［32］?？梢钥闯觯絹碓蕉嗟氖覂?nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)已證明，荷載逐級(jí)增大情況下巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)錨固段各界面尤其是桿體－注漿體界面存在漸進(jìn)粘結(jié)裂化現(xiàn)象，即界面剪應(yīng)力峰值向內(nèi)錨固段遠(yuǎn)端逐漸轉(zhuǎn)移，且界面的最終破壞一般呈現(xiàn)出突然性特點(diǎn)。

2.2 界面粘結(jié)劣化的數(shù)值模擬研究

室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果的積累促進(jìn)了數(shù)值模擬計(jì)算方法的開展。Serrano等通過數(shù)值模擬研究了荷載大小、桿體與漿體、圍巖體材料彈性模量比值對(duì)粘結(jié)應(yīng)力分布形態(tài)的影響［33］。Ana等采用有限差分法分析了沖擊荷載作用下預(yù)應(yīng)力錨桿的動(dòng)力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)自由段長(zhǎng)度及預(yù)應(yīng)力大小均對(duì)內(nèi)錨固段的動(dòng)力性能有較大影響［34－35］。Yiming等采用有限元程序?qū)缑嬲辰Y(jié)劣化理論模型進(jìn)行了分析和驗(yàn)證［36］。在國(guó)內(nèi)，任非凡采用Abaqus軟件對(duì)一種復(fù)合錨桿的拉拔試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮到復(fù)合錨桿的破壞形式多為界面破壞，因此作者用改進(jìn)的Cohesive單元對(duì)復(fù)合錨桿的4種界面材料進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬結(jié)果表明鋼絞線軸向應(yīng)力及界面剪應(yīng)力均服從指數(shù)形式分布，且隨著荷載的增大，界面剪應(yīng)力峰值向后轉(zhuǎn)移。復(fù)合錨桿的其余界面剪應(yīng)力同樣服從指數(shù)形式分布規(guī)律，且界面剪應(yīng)力峰值隨主控制面—鋼絞線與復(fù)合材料界面剪應(yīng)力峰值的轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移［37］。江文武利用三維顯式有限差分程序（FLAC3D）建立預(yù)應(yīng)力錨桿拉拔試驗(yàn)數(shù)值仿真模型對(duì)影響錨桿錨固力的主要影響因素、錨桿拉拔過程中的整體失穩(wěn)規(guī)律等進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)錨桿拔出的過程是由慢慢滑移到突然整體失穩(wěn)的過程，并且錨固體界面剪應(yīng)力分布規(guī)律隨錨桿拉拔過程而不斷改變，這與汪海濱［30］等和張培勝等［31］所得現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)論相同，從而得出拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)在粘結(jié)逐漸劣化的過程中變形量很小，而其失穩(wěn)卻是突然性的［38］。張思峰等基于快速拉格朗日分析法，采用FLAC3D軟件分析了拉力型巖土預(yù)應(yīng)力單錨體系和群錨體系作用下桿體內(nèi)錨固段、自由段以及外錨頭部位的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及其相應(yīng)的破壞機(jī)理，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)當(dāng)內(nèi)錨固段前部塑性屈服后，后部的壓應(yīng)力集中區(qū)呈“錐狀”發(fā)展，刺入前部拉應(yīng)力區(qū)［39］。上述界面粘結(jié)裂化數(shù)值模擬方法的開展彌補(bǔ)了理論及試驗(yàn)研究的不足，為進(jìn)一步揭示界面粘結(jié)裂化的機(jī)理提供了一定的參考價(jià)值，然而，上述基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值建模分析方法通常是唯象的，無法從細(xì)觀本質(zhì)上把握界面粘結(jié)劣化對(duì)桿體受力及荷載傳遞特性的影響，另外，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法在處理粘結(jié)劣化這類非連續(xù)變形問題時(shí)也存在較大局限性。

3 錨固結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)劣化研究存在的問題

拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)張拉力實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)的整個(gè)壽命期內(nèi)預(yù)應(yīng)力并非是逐級(jí)增大或固定不變的，而是由于各種因素影響而處于不斷的波動(dòng)變化之中，呈現(xiàn)出周期性循環(huán)荷載的特征（如圖1所示），荷載變幅甚至接近桿體鎖定荷載的20%［40］。除此之外，在地震力這種偶發(fā)的不規(guī)則循環(huán)荷載作用下，巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)的桿體軸力也呈現(xiàn)出循環(huán)加載模式，且地震動(dòng)荷載具有能量大、頻率高，受感區(qū)域巖土體表現(xiàn)為反復(fù)錯(cuò)動(dòng)或反復(fù)拉壓運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，這種特殊的循環(huán)荷載作用對(duì)預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)的界面粘結(jié)性能也是一個(gè)嚴(yán)峻考驗(yàn)［41］。

圖1 預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)期變化特征圖［40］

對(duì)此，李國(guó)維等通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)4 m錨固長(zhǎng)度的玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）錨桿施加非破壞性循環(huán)荷載作用，循環(huán)次數(shù)2次，最大荷載100 kN，并通過錨桿應(yīng)力計(jì)及分布式光纖BOTDR技術(shù)測(cè)量錨桿桿體應(yīng)力，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)與第1次循環(huán)加載相比，相同荷載下第2次循環(huán)加載使錨桿桿體相同位置處的軸向應(yīng)力得到提高，分析認(rèn)為是由于錨桿與砂漿的耦合程度隨循環(huán)荷載次數(shù)的增加而削弱，結(jié)合面強(qiáng)度降低，應(yīng)力衰減幅度減小，傳遞深度增加，由此推論，由于環(huán)境溫度和降水的變化引起的荷載反復(fù)會(huì)加大錨桿的承載應(yīng)力［42］。朱煥春等和樊啟祥等曾結(jié)合三峽船閘閘室高強(qiáng)錨桿進(jìn)行了三次最大張拉力為600 kN的反復(fù)完全加卸載試驗(yàn)［43－44］。試驗(yàn)結(jié)果顯示不同循環(huán)時(shí)同一荷載對(duì)應(yīng)的錨桿應(yīng)力分布有所區(qū)別：第1循環(huán)時(shí)錨桿應(yīng)力分布正常，前端第1個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力最大，應(yīng)力向深處衰減很快；第2循環(huán)時(shí)，第1測(cè)點(diǎn)應(yīng)力降低，第2、3測(cè)點(diǎn)應(yīng)力較第1循環(huán)顯著提高；第3循環(huán)時(shí)第1、2測(cè)點(diǎn)應(yīng)力降低，更深處的錨桿應(yīng)力保持增高趨勢(shì)，這說明循環(huán)荷載作用同荷載逐級(jí)增大一樣將使預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)界面產(chǎn)生粘結(jié)裂化，從而使錨桿受力深度不斷增加?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)3個(gè)循環(huán)后破壞情況基本趨于穩(wěn)定，但文中所采用的加載方式與工程環(huán)境溫度、降雨或地震力所形成的荷載變化形式差別較大。張思峰在對(duì)某實(shí)際邊坡加固工程中拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)施工期與長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)期預(yù)張拉力變化特征分析的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)張拉力變化的大循環(huán)及小循環(huán)的概念，從而揭示了預(yù)張力循環(huán)變化的基本特征，以此為基礎(chǔ)，通過研制內(nèi)錨固段疲勞破壞試驗(yàn)裝置，在進(jìn)行室內(nèi)相似模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了循環(huán)荷載作用下內(nèi)錨固段的長(zhǎng)期耐久性問題，發(fā)現(xiàn)隨荷載變幅的增大，內(nèi)錨固段所能承受的最終循環(huán)次數(shù)大致呈指數(shù)形式衰減［45］。目前對(duì)于因循環(huán)加載而引起預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)錨固段粘結(jié)劣化現(xiàn)象的研究較少，另外受到試驗(yàn)條件的限制也無法探明粘結(jié)劣化過程中錨固體各界面細(xì)觀組構(gòu)的演化規(guī)律以及各界面兩相材料的細(xì)觀解耦機(jī)理，從而也無法從顆粒介質(zhì)層面揭示荷載作用下界面粘結(jié)劣化的細(xì)觀力學(xué)本質(zhì)及界面裂紋的萌生、分布和發(fā)展規(guī)律，這無疑限制了對(duì)荷載作用下拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)劣化機(jī)制及界面滑移破壞力學(xué)機(jī)理、長(zhǎng)期耐久性等問題的深入研究。

4 展望

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于靜載作用下拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)劣化性能的研究已取得一定成果，但對(duì)于動(dòng)荷載作用下界面粘結(jié)劣化的研究較少，在細(xì)觀層面的精細(xì)化分析則更少。針對(duì)以上存在的問題，提出如下展望：

（1）界面細(xì)觀力學(xué)行為的物理試驗(yàn)研究是揭示界面粘結(jié)劣化機(jī)理最直接也是最可靠的方法，但相關(guān)研究由于受試驗(yàn)條件限制還很少見。先進(jìn)的研究方法和技術(shù)可被借鑒用來進(jìn)行巖土錨固結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)劣化細(xì)觀機(jī)理的相關(guān)研究工作。

（2）采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行細(xì)觀數(shù)值模擬研究是對(duì)界面粘結(jié)劣化行為細(xì)觀物理試驗(yàn)研究的補(bǔ)充和拓展。在此方面以離散元為代表的散體介質(zhì)數(shù)值分析方法由于避免了連續(xù)介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系選取這一難題而被逐漸應(yīng)用于巖土體細(xì)觀力學(xué)性狀的研究，為從細(xì)觀尺度研究宏觀問題的內(nèi)在機(jī)理提供了平臺(tái)，其中尤以顆粒流理論及其PFC程序因其能夠模擬固體力學(xué)大變形及顆粒介質(zhì)流動(dòng)問題而得到了廣泛的應(yīng)用。離散元理論及其相關(guān)程序在分析巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)裂化的發(fā)生與發(fā)展機(jī)制、揭示界面粘結(jié)裂化的細(xì)觀機(jī)理方面有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

（3）考慮錨固體長(zhǎng)度、循環(huán)荷載變幅、應(yīng)力水平及注漿體強(qiáng)度等因素進(jìn)行拉力型巖土預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)界面粘結(jié)劣化的宏觀試驗(yàn)研究，從而確定循環(huán)荷載作用下以上各因素對(duì)界面粘結(jié)劣化的影響規(guī)律。

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