方遙越，鄧岳保，陳良杰，蔣陽(yáng)陽(yáng)

FANG Yaoyue，DENG Yuebao，CHEN Liangjie，JIANG Yangyang

(寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波315211)

我國(guó)自引進(jìn)錨索支護(hù)技術(shù)以來(lái)，在邊坡控制等方面應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)邊坡支護(hù)技術(shù)主要采用預(yù)應(yīng)力錨索框架。該錨固結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土框架與預(yù)應(yīng)力錨索組合而成，主要用于土質(zhì)邊坡的滑坡治理、邊坡加固和綠化。預(yù)應(yīng)力錨索框架技術(shù)在土質(zhì)邊坡加固中顯示出一定的優(yōu)勢(shì)［1］，但其在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些不足:預(yù)應(yīng)力錨索鋼絞線的應(yīng)力松弛致使強(qiáng)度變低［2］;鋼絞線銹蝕對(duì)其荷載傳遞特性產(chǎn)生顯著影響［3］;坡面上大面積的噴射混凝土破壞了原有的自然景觀，相應(yīng)的綠化也很難進(jìn)行或長(zhǎng)期有效地維持。其更適合坡度較大的高陡土質(zhì)邊坡［4］。

今結(jié)合坡度較緩的土質(zhì)邊坡的特點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)了一種基于資源節(jié)約型材料的塑料錨索。相比傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索，塑料錨索采用聚丙烯材料(PP 塑料打包帶)，其價(jià)格低廉、施工方便，在經(jīng)濟(jì)上有較大優(yōu)勢(shì);采用倒刺結(jié)構(gòu)，大幅提高塑料錨索與土體之間的摩擦力與咬合力;倒刺處于不同位置時(shí)其作用效果不同，可優(yōu)化布置倒刺位置，以提高承載力。

綜上所述，在土質(zhì)緩坡中用塑料錨索對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行補(bǔ)充，若周邊地質(zhì)條件允許，則能創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

1 塑料錨索設(shè)計(jì)

塑料錨索的主要部件有錨頭、PP 塑料打包帶、倒刺等，示意圖和實(shí)物圖見(jiàn)圖1、圖2。其作用機(jī)理為:在土質(zhì)緩坡(坡度＜40°)情況下，一般相隔1.5 m 確定錨索的打入位置;將塑料帶與擴(kuò)大端錨頭通過(guò)上下扣板連接牢固后，用頂推鋼筋頂住錨頭的圓弧形卡槽，借助頂推鋼筋將整個(gè)錨具打入土體;將錨索打入土體內(nèi)理想深度后，將錨索塑料帶適當(dāng)回拔一定距離，使錨索塑料帶上的倒刺張開(kāi)，增大其抗拔力，抑制邊坡的變形和松動(dòng)?；谫Y源節(jié)約型材料的錨索相對(duì)于傳統(tǒng)錨索，其主要區(qū)別和特點(diǎn)是采用資源節(jié)約型PP 材料和設(shè)置倒刺結(jié)構(gòu)。

圖1 錨索示意圖

圖2 錨索實(shí)物圖

1.1 PP 材料

資源節(jié)約型材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)是強(qiáng)度較高、韌性好、低松弛，既有一定的剛度和柔度，可盤(pán)成卷便于運(yùn)輸及快速安裝?？紤]以上諸多因素，選取了聚丙烯(PP)材料作為錨索主體，部分規(guī)格聚丙烯(PP)材料物理力學(xué)性能見(jiàn)表1［5］。PP 材料能夠滿足穩(wěn)固坡度較緩的土質(zhì)邊坡的力學(xué)性能要求，同時(shí)耐久性強(qiáng)，能完全滿足資源節(jié)約型理念。

表1 部分規(guī)格塑料打包帶物理力學(xué)性能表

1.2 錨頭

組合式錨頭能緊固PP 塑料帶，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便拆卸的特點(diǎn)。包括用于套設(shè)在PP 塑料帶連接區(qū)的四棱錐結(jié)構(gòu)，增大錨索在土體中的抗拔力;錨頭中心留有一個(gè)圓弧卡槽以便外部施加壓力，便于頂推錨索。組合式錨頭與PP 塑料帶錨索實(shí)行機(jī)械咬合，拼裝便捷、易于攜帶。見(jiàn)圖3。

圖3 錨索擴(kuò)大頭結(jié)構(gòu)詳圖

1.3 倒刺

倒刺采用小段聚丙烯(PP)塑料帶制作，由耐腐蝕性能強(qiáng)、可塑性良好的夾緊鋁片分別等距離地固定于兩端錨索上。倒刺連接處采用三段式連接，使其預(yù)留有一定空隙，便于錨索回拔時(shí)土的部分回填。由于土體的自重應(yīng)力使其張開(kāi)一定角度，增大與土體之間的摩擦力，從而增大錨索整體的錨固能力。其倒刺結(jié)構(gòu)放大圖見(jiàn)圖4，其普通錨索與塑料錨索的錨固形式見(jiàn)圖5、圖6。塑料錨索由于其倒刺作用，使其與周?chē)馏w的粘結(jié)力高于普通錨索;同時(shí)由于土體的填充在倒刺附近形成類似樹(shù)根形的土體，使具有倒刺的錨索體形成比普通錨索更大的抗拔力。

圖4 倒刺結(jié)構(gòu)放大圖

圖5 改進(jìn)前的錨固形式

圖6 改進(jìn)后的錨固形式

2 塑料錨索試驗(yàn)研究

在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，僅針對(duì)錨索長(zhǎng)度、倒刺設(shè)置等主要影響因素，通過(guò)室內(nèi)錨索拉伸實(shí)驗(yàn)，錨索抗拔實(shí)驗(yàn)來(lái)研究它們對(duì)基于資源節(jié)約型材料的塑料錨索錨固力的影響大小和規(guī)律。

2.1 錨索拉伸實(shí)驗(yàn)

通過(guò)拉伸試驗(yàn)探討塑料錨索的強(qiáng)度等因素對(duì)抗拉能力損失的影響，為同種類型邊坡錨固工程的設(shè)計(jì)提供合理的參數(shù);根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中錨索的變形情況分析錨索的剛度，為某些坡面抑制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的變形計(jì)算和控制提供剛度參數(shù)。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)方案

錨索拉伸實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 錨索拉伸實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)錨索采用PP13507J 低松弛型PP 材料，PP材料寬度為10 mm，倒刺采用同種PP 材料，倒刺長(zhǎng)度為20 mm，經(jīng)試驗(yàn)得其與錨索搭接拉力為1482 kN。錨索編束前，要確保每根PP 打包帶順直，不扭不叉，倒刺排列均勻，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)尺寸下料。

為測(cè)量錨索受力狀態(tài)，分析錨索的彈塑性變形情況，部分錨索沿長(zhǎng)度方向間隔100 mm 貼應(yīng)變片。拉伸試驗(yàn)在微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖7。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)加載到極限荷載時(shí)，PP 塑料帶被拉斷，所以此時(shí)值應(yīng)大于由破壞荷載算出的值;每個(gè)試件拉伸過(guò)程中，荷載-位移曲線可直觀反映錨索抗拉性能。

錨索的理論伸長(zhǎng)值可根據(jù)胡克定律并由公式計(jì)算。

式中:Δl—PP 材料的理論伸長(zhǎng)量(mm);

ΔP—對(duì)每一級(jí)單元錨索施加的荷載增量(N);

圖7 錨索拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

L—單元錨索張拉長(zhǎng)度(mm);

A—PP 材料截面積(mm2);

E—PP 材料彈性模量(N/mm2)。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，錨索極限抗拉力見(jiàn)表3，典型錨索拉拔實(shí)驗(yàn)荷載-位移曲線圖見(jiàn)圖8。

表3 PP 塑料帶拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

從錨索拉伸試驗(yàn)荷載-位移曲線圖與理論值分析可以看出:

(1)隨著荷載增加，錨索PP 材料段逐漸伸長(zhǎng)至斷裂，PP 材料延伸率良好，在邊坡支護(hù)中不易發(fā)生脆性斷裂。

(2)隨著PP 塑料帶長(zhǎng)度的增加，其極限抗拉強(qiáng)度有所降低，但總體的極限抗拉強(qiáng)度仍然良好，即基于資源節(jié)約型錨索長(zhǎng)度控制適宜，則完全滿足組合式塑料錨索體系的抗拉要求。

此試驗(yàn)反映了不同因素對(duì)錨索抗拉力的不同影響規(guī)律，因此在錨索機(jī)理研究和參數(shù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用條件重點(diǎn)考慮主要的影響因素。

圖8 錨索1-3 極限抗拉承載力-位移曲線

2.2 錨索抗拔實(shí)驗(yàn)

模型試驗(yàn)主要研究錨固邊坡因錨索而引起的邊坡破壞情況，故要求模型材料的重度與原型材料完全相同［6］。其中，原型工程材料取自寧波高速公路某邊坡，此邊坡屬于均質(zhì)土邊坡，巖土體類型為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與淤泥質(zhì)黏土，上覆松散堆積體［7］。原型工程材料布置于一試驗(yàn)槽內(nèi)，試驗(yàn)槽尺寸為510 mm ×480 mm ×360 mm，試驗(yàn)槽內(nèi)土體處于長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)，為新鮮淤泥質(zhì)黏土，錨索布置于該試驗(yàn)槽中。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)錨索數(shù)量為4 根，長(zhǎng)度均為500 mm，寬度為10 mm，倒刺長(zhǎng)度為20 mm，兩側(cè)PP 塑料帶上對(duì)稱等間距分布，間距為100 mm，按倒刺布置情況對(duì)錨索進(jìn)行分組，錨索編號(hào)分別為MS1、MS2、MS3、MS4，各試驗(yàn)體的性質(zhì)見(jiàn)表4。錨索的承載力試驗(yàn)圖見(jiàn)圖9。

表4 錨索倒刺布置形式

圖9 錨索倒刺形式——承載力試驗(yàn)圖

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

倒刺承載力效果試驗(yàn)采用分級(jí)循環(huán)加荷，當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，可判定錨索被拉出:后一級(jí)荷載產(chǎn)生的錨頭位移增量達(dá)到或超過(guò)前一級(jí)荷載產(chǎn)生的位移增量的2 倍;錨頭位移連續(xù)增長(zhǎng);錨索被完全拉出。減去無(wú)倒刺時(shí)的拉力值即為倒刺增加的承載力。錨索極限抗拔實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 倒刺承載力效果

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，可得到錨索的軸力分布。從測(cè)試情況來(lái)看，在最大荷載下錨固體處于彈性狀態(tài)，因此可以利用胡克定律計(jì)算各個(gè)測(cè)點(diǎn)處截面上的軸力。

式中:Nx—錨索內(nèi)某測(cè)點(diǎn)處的軸力(N);

εx—錨索內(nèi)某測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變值(με);

E—錨索的彈性模量(MPa);

A—錨索的承壓面積(mm2)。

由表5 中可以看出，倒刺的設(shè)置具有以下特點(diǎn):

(1)錨索在實(shí)際的承載狀態(tài)下，在長(zhǎng)度方向隨著倒刺數(shù)量增長(zhǎng)，錨索的極限抗拔力呈非線性增加;

(2)倒刺埋深與錨索抗拔力呈正相關(guān)。靠近地底、處于錨索端端的倒刺受到土壤自重力較大，對(duì)錨索抗拔力的貢獻(xiàn)也越大。

3 結(jié) 語(yǔ)

近幾年邊坡錨索支護(hù)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，資源的節(jié)約化使用是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。利用新型材料、開(kāi)發(fā)新型結(jié)構(gòu)將對(duì)社會(huì)資源合理利用及邊坡綠化等起到關(guān)鍵作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)效果分析，基于資源節(jié)約型的塑料錨索抗拉承載力保持在可控范圍內(nèi)，該塑料錨索在土質(zhì)邊坡當(dāng)中起到很好的支護(hù)效果，錨索作用后提高了邊坡的穩(wěn)定性;采用可回收利用的PP 材料、造價(jià)低、不易腐蝕、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn);塑料錨索施工過(guò)程中對(duì)邊坡及周邊環(huán)境影響小，能夠保證施工安全和達(dá)到加固工程的預(yù)期目的，應(yīng)得到大力推廣應(yīng)用。

［1]楊明.路塹類土質(zhì)邊坡錨固技術(shù)研究［D］. 成都:西南交通大學(xué)，2002.

［2]盧黎.壓力型巖錨內(nèi)錨固段錨固性能及工程應(yīng)用研究［D］. 重慶:重慶大學(xué)，2010.

［3]何思明，王全才，羅渝.鋼絞線銹蝕對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索荷載傳遞特性的影響［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào):工程科學(xué)版，2010(1):1 -4.

［4]肖世國(guó)，周德培.巖石高邊坡一種預(yù)應(yīng)力錨索框架型地梁的內(nèi)力計(jì)算［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2002(4):479 -482.

［5]周鑫.機(jī)用PP 塑料打包帶生產(chǎn)工藝及設(shè)備之簡(jiǎn)單探討［J］.塑料，1991(4):44 -48.

［6]中冶集團(tuán)建筑研究總院.CECS 22∶2005 巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2005.

［7]《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.4 版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.