李亞洲，張　捷

（汕頭大學(xué)土木與環(huán)境工程系，廣東　汕頭　515063）

表觀粗糙度對(duì)灌漿土釘拉拔摩阻力的影響探究

李亞洲，張捷

（汕頭大學(xué)土木與環(huán)境工程系，廣東汕頭515063）

鉆孔灌漿土釘?shù)目拱纬休d力直接影響著邊坡以及擋土墻等支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全.抗拔承載力主要來(lái)自釘體與周圍土體之間的摩阻力，而界面處的粗糙情況更是影響摩阻力的關(guān)鍵因素之一.以往的研究并未把粗糙度的概念引入到土釘拉拔研究中.本研究提出了一種具有工程可操作性的新型土釘模型，通過(guò)在釘體表面制作不同尺寸的偏直角三角形螺紋來(lái)改變釘體表面的粗糙度.通過(guò)定義一個(gè)更為合理的表觀粗糙系數(shù)，并建立表觀粗糙度系數(shù)與表觀摩擦系數(shù)的關(guān)系，提出了考慮土體剪脹作用與土釘制作方式而產(chǎn)生的裝配后應(yīng)力，以及表觀粗糙度參數(shù)的鉆孔灌漿土釘拉拔承載力的計(jì)算模型.最后，通過(guò)有限元分析軟件ABAQUS模擬粗糙土釘?shù)氖覂?nèi)拉拔試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了表觀粗糙度對(duì)土釘極限抗拔承載力的影響.通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果表明，在釘體表面制作規(guī)則螺紋，可以顯著提升釘體極限抗拔承載力；土釘極限抗拔承載力與表觀粗糙角并非是線性關(guān)系.

土釘；抗拔承載力；表觀粗糙度；剪脹；數(shù)值分析

0　引言

邊坡失穩(wěn)破壞，作為全球性三大地質(zhì)災(zāi)害之一，已嚴(yán)重危及到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全.僅我國(guó)香港地區(qū)每年花費(fèi)在邊坡工程的加固費(fèi)用就達(dá)到約100億元.隨著邊坡失穩(wěn)問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，邊坡支護(hù)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用迫在眉睫.自20世紀(jì)70年代以來(lái)，土釘技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)、可靠且施工便捷的優(yōu)勢(shì)而在邊坡、基坑等支護(hù)工程中得到了迅速的推廣.我國(guó)的大部分地基基礎(chǔ)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、擋土墻、邊坡等結(jié)構(gòu)中都涉及到土釘以及類似加固技術(shù)的應(yīng)用.

土釘是置入現(xiàn)場(chǎng)原位土體中以較密間距排列的細(xì)長(zhǎng)桿件，如鋼筋、鋼管或其他新型材料桿件，如GFRP（Glass Fiber Reinforced Polymer）桿等，外裹水泥砂漿或者水泥凈漿漿體.應(yīng)用最為廣泛的是鉆孔灌漿土釘.周圍土體發(fā)生變形時(shí)，土釘通過(guò)與土體接觸界面間的粘結(jié)力和摩擦力使土體被動(dòng)受拉從而達(dá)到加固土體的作用［1］.

過(guò)去的研究表明，土釘釘體的表觀粗糙度對(duì)土釘?shù)睦文ψ枇τ兄匾绊懀?-10］.在巖土領(lǐng)域里，界面粗糙情況也是土體與不同材料之間的界面摩擦的關(guān)鍵因素之一［11-22］.室內(nèi)試驗(yàn)多用取芯鉆頭，而現(xiàn)場(chǎng)用的是常規(guī)錨桿鉆頭，鉆頭類型的不同會(huì)導(dǎo)致孔壁的粗糙度不同.所以探究這種可以人為制造的規(guī)則螺紋對(duì)土釘拉拔摩阻力的影響具有很高的可行性和現(xiàn)實(shí)研究意義.

本文從宏觀角度提出了表觀粗糙度的定義以研究不同表觀粗糙度對(duì)灌漿土釘拉拔摩阻力的影響，進(jìn)行了土體與土釘釘體界面間制造規(guī)則螺紋的新型探索，提出了考慮表觀粗糙度的土釘拉拔理論模型.這對(duì)提高土釘?shù)募庸绦什⑦M(jìn)行相應(yīng)工程設(shè)計(jì)與評(píng)估，為工程設(shè)計(jì)提供理論與試驗(yàn)支持有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1　表觀粗糙度描述

摩擦學(xué)中，表觀粗糙度的概念被廣泛應(yīng)用于解決界面摩擦，接觸變形，熱電傳導(dǎo)，定位精度等問(wèn)題中.Gadelmawla et al.［22］總結(jié)了摩擦學(xué)里用來(lái)描繪表面粗糙程度的59種常用參數(shù)，將這些參數(shù)主要分為三大類：振幅參數(shù)，間距參數(shù)和混合參數(shù).在這三種參數(shù)中，振幅參數(shù)主要描繪了垂直于主線方向上表面輪廓的粗糙度，若用于本文中土釘表面，即土釘表面徑向的粗糙程度.間距參數(shù)主要描繪了平行于主線方向表面輪廓的粗糙度，若用于本文中土釘表面，即土釘表面軸向的粗糙程度.混合參數(shù)則兼顧了以上兩種參數(shù)的特征，對(duì)兩個(gè)方向都有考慮.最常用的混合參數(shù)即表面粗糙單元坡度的tan值，從而更準(zhǔn)確完整地描述表面的粗糙程度，這對(duì)本研究很有借鑒意義.

若要研究表面粗糙對(duì)土釘拉拔摩阻力的影響，如何定量地描述表面粗糙，即如何恰當(dāng)?shù)囟x表面粗糙參數(shù)是關(guān)鍵點(diǎn)之一.一些關(guān)于表面粗糙度對(duì)土與不同介質(zhì)間界面摩擦的研究中，表面粗糙的定量定義見(jiàn)表1.這些定義采用摩擦學(xué)中對(duì)表面粗糙的振幅參數(shù)的定義，并結(jié)合了土體粒徑的影響，然而這些定義都屬于微觀方面（μm級(jí)），即由于介質(zhì)材料表面的粗糙，沒(méi)有對(duì)具有規(guī)則螺紋方面的研究.

表1　界面表觀粗糙度的定義總結(jié)

不同于以上對(duì)表觀粗糙度的微觀定義，螺紋幾何學(xué)則從宏觀角度對(duì)具有規(guī)則螺紋表面的粗糙程度進(jìn)行了描述，這些參數(shù)主要包括螺距，螺紋深度，螺紋形狀等［23］.Eraslan &Inan［23］研究中提到了三種常用的表面螺紋，即：用于將兩部分吻合的V字形螺紋，用于拉拔力傳導(dǎo)的偏直角三角形螺紋，和用于傳導(dǎo)壓縮荷載的矩形螺紋.顯然，對(duì)主要承受拉拔荷載的土釘而言，偏直角三角形螺紋更適合被采用.Hong［4］和Wu［7］將具有規(guī)則形狀的表面引入了土釘研究中，并給出了其研究中的表觀粗糙度定義（表2）.定義中引用了螺紋幾何學(xué)中一些常見(jiàn)參數(shù)，也考慮了土體平均粒徑的影響.

表2　土釘研究中對(duì)表觀粗糙度的定義

遺憾的是，兩個(gè)研究中螺紋表面采用的都是V字型，并不適合承受拉拔荷載的土釘，而且其粗糙參數(shù)直接由試驗(yàn)結(jié)果擬合得到，并未給出相關(guān)物理意義，也缺乏相關(guān)力學(xué)模型的支持.

2　新型土釘表觀粗糙度定義

基于過(guò)去的研究，本文提出一種具有人造規(guī)則偏直角三角形螺紋的新型土釘理論模型（圖1），擬通過(guò)實(shí)際鉆孔過(guò)程中改變鉆頭形狀，制造這種具有規(guī)則螺紋的土釘，達(dá)到增大其表觀粗糙度的目的.

圖1　具有人造規(guī)則螺紋的新型土釘縱向剖面圖

其中，Td為螺紋深度，Sp為螺距，L為土釘有效釘長(zhǎng)，Dex為釘體外直徑，Din為釘體內(nèi)直徑.

假定不考慮土釘表面螺紋的螺紋升角，取其中一個(gè)螺紋單元（圖2）進(jìn)行分析，i為實(shí)際螺紋傾角.

圖2　單個(gè)粗糙單元示意圖

利用螺紋幾何學(xué)中常用的螺紋參數(shù)對(duì)表觀粗糙單元進(jìn)行描述，采用摩擦學(xué)中混合參數(shù)的定義思路，并考慮土體平均粒徑（D50）的影響，本文提出了一個(gè)適用于此粗糙單元的修正后的表觀粗糙度定義-R：

其中，R定義為無(wú)量綱的表觀粗糙度參數(shù)，α為無(wú)量綱的粗糙度修正系數(shù)（由數(shù)值模擬或者實(shí)驗(yàn)室拉拔試驗(yàn)得到），Td為螺紋深度（單位為mm），Sp為螺距（單位為mm），D50為土的平均粒徑（單位為mm），將θ定義為考慮土體平均粒徑影響的修正后的表觀粗糙角（單位為度）.即將實(shí)際的表觀粗糙形態(tài)（即實(shí)際表觀粗糙傾角為i的偏直角三角形螺紋表面），考慮土體粒徑影響，得到了一個(gè)理論的修正后的表觀粗糙角θ.

若將R的定義式簡(jiǎn)單變形可得：

3　表觀粗糙度對(duì)表觀摩擦系數(shù)的影響

為了探究由于人造規(guī)則螺紋而產(chǎn)生的不同表觀粗糙度對(duì)表觀摩擦系數(shù)的影響，取修正后的單個(gè)螺紋斷面建立力學(xué)模型進(jìn)行受力分析（圖3）.其中N為法向受力，F(xiàn)為平行受力.

設(shè)為接觸面的摩擦角，則無(wú)表面傾角情況（圖3a）的平衡方程為：

由于修正的表觀粗糙角θ的存在，情況變?yōu)閳D（3b）.對(duì)其進(jìn)行受力分析：

化簡(jiǎn)后可得：

由公式（3.3）可得，由于θ的存在，表觀摩擦系數(shù)由原來(lái)的μ=tanφ變?yōu)棣?=tan（φ+θ）.

圖3　無(wú)螺紋情況受力分析圖（a）及粗糙角為θ情況受力分析圖（b）

當(dāng)土釘承受拉拔荷載，釘體與周圍土體發(fā)生相對(duì)位移，土釘周圍的土體會(huì)出現(xiàn)剪切區(qū).影響此剪切區(qū)厚度h與土體平均粒徑的關(guān)系一般為2D50～10D50［20］（圖4）.

圖4　簡(jiǎn)化后的土釘拉拔模型

而且過(guò)去的研究得出［16，20，24］，對(duì)于足夠粗糙的土釘表面，滑動(dòng)面不是在釘體與土體的界面上，而是發(fā)生在土釘表面的土體內(nèi).對(duì)于本文中研究的鉆孔灌漿釘，水泥漿硬化時(shí)，釘體表面會(huì)有土顆粒粘結(jié)，這種土釘?shù)谋砻孢h(yuǎn)比這種情況粗糙，過(guò)去的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果也證明最后的摩擦都發(fā)生在土體內(nèi).故這種情況下φ不再是接觸面的摩擦角，而應(yīng)該是土體的內(nèi)摩擦角.則若想得到土釘拉拔時(shí)的最大表觀摩擦系數(shù)，應(yīng)用Taylor屈服準(zhǔn)則，可得剪應(yīng)力峰值狀態(tài)時(shí)：

即由于修正后的粗糙角θ的存在，土釘拉拔力達(dá)到最大時(shí)，其中最大表觀摩擦系數(shù)可以表示為：

其中，μp為最大表觀摩擦系數(shù)，φcs為土體的臨界摩擦角，ψp為最大剪脹角.即由公式（3.5），得到了由于這種偏直角三角形螺紋產(chǎn)生的表觀粗糙度對(duì)土釘拉拔時(shí)的表觀摩擦系數(shù)的關(guān)系.

4　簡(jiǎn)化的土釘拉拔理論模型

為了定量認(rèn)識(shí)土釘?shù)睦涡?yīng)、科學(xué)描述土釘?shù)募庸虣C(jī)理，必須通過(guò)建立合理的土釘拉拔模型，來(lái)分析土釘在拉拔過(guò)程中所能承受的極限拉拔力.過(guò)去的研究者提出了基于不同假定的土釘拉拔模型［3，24-25］，這些模型研究了部分影響土體與釘體之間剪應(yīng)力的關(guān)鍵因素，如剪脹作用，灌漿壓力，上覆土壓力等，但對(duì)界面表觀粗糙度對(duì)釘土界面剪應(yīng)力的影響并未充分探究.本文基于對(duì)規(guī)則螺紋的表觀粗糙度的定量定義，提出了考慮表觀粗糙度的簡(jiǎn)化的土釘拉拔模型（圖4）.

當(dāng)土釘承受拉拔荷載時(shí)，釘體與周圍土體發(fā)生剪切行為.隨著釘體拉拔的進(jìn)行，釘體與周圍土體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，土顆粒滾動(dòng)和位置變化，并產(chǎn)生體積變化，即周圍土體發(fā)生了剪脹.這種體積變化被外圍土體所限制，由于土體剪脹，產(chǎn)生了額外的正應(yīng)力，作用在土釘釘體表面，這部分正應(yīng)力在土釘拉拔過(guò)程中起著很重要的作用.

理論分析通常將土釘釘體考慮為一個(gè)剛性（相對(duì)于土體）的圓柱體以作簡(jiǎn)化，所以在這種假定下土釘在拉拔過(guò)程中軸向和徑向都不會(huì)發(fā)生變形.假設(shè)附著在釘體表面的土顆粒在剪切過(guò)程中也不會(huì)發(fā)生變形，土體按各向同性均勻介質(zhì)的彈性材料考慮.土釘拉拔過(guò)程中，釘體與周圍土體發(fā)生剪切行為，釘體表面的剪應(yīng)力沿軸向方向均勻分布.預(yù)先制孔后的注漿過(guò)程中，對(duì)滲透系數(shù)較小的土體不考慮水泥漿的滲透作用［26］.

4.1釘體表面的裝配后正應(yīng)力計(jì)算

4.2由于土體剪脹產(chǎn)生的附加正應(yīng)力

剪脹作用在土釘理論模型中正應(yīng)力的計(jì)算中扮演著重要的角色.對(duì)于樁、土釘?shù)葓A柱形構(gòu)件，基于小孔擴(kuò)張理論的彈性解被很多研究者所采用來(lái)計(jì)算由于土體剪脹引起的附加正應(yīng)力［3］.基于前面的假定，即土釘周圍土體按各向同性均勻介質(zhì)的彈性材料考慮，并且將其簡(jiǎn)化為具有無(wú)限大厚度（a→∞）的中空的圓柱體.將土釘釘體簡(jiǎn)化為半徑為r0的圓柱體，并且假定其邊界與周圍土體完全結(jié)合，即所有的力和位移在界面處是連續(xù)的.故可將計(jì)算由于土體剪脹引起的附加正應(yīng)力問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為求孔壁受內(nèi)壓p1，無(wú)窮遠(yuǎn)處外壓p2（p2=0）的柱形厚壁圓筒，在無(wú)限介質(zhì)擴(kuò)張的各向同性介質(zhì)小孔擴(kuò)張問(wèn)題（圖5）.

圖5　厚壁圓筒小孔擴(kuò)張問(wèn)題示意圖

由此問(wèn)題的小孔擴(kuò)張彈性解［27］得到徑向位移與正應(yīng)力的關(guān)系式：

其中σr為徑向應(yīng)力，G為土的剪切模量，ur0為徑向位移，r0為土釘?shù)陌霃?即在此轉(zhuǎn)化和假定下，由土體剪脹引起的徑向位移，可以得到由于剪脹引起的作用在土釘表面的附加正應(yīng)力.Luo［3］建議用臨界剪切位移uc來(lái)代替上式中試驗(yàn)較難量測(cè)的土釘徑向位移ur0.臨界剪切位移，即達(dá)到峰值剪應(yīng)力所需要的相對(duì)軸向位移，此時(shí)剪脹引起的附加正應(yīng)力σr也是最大值.臨界剪切位移通常較小并可以假設(shè)為常數(shù).此軸向位移和徑向位移的關(guān)系可由剪脹角建立：

其中，ua為相對(duì)軸向位移，ψ為剪脹角.在此假設(shè)tanψ與軸向位移是線性關(guān)系，即tanψ=bua，b為常數(shù).則有：

又由公式（4.1）和公式（4.5）可得用在釘體表面上的最大有效正應(yīng)力：

4.3土釘極限抗拔力的計(jì)算

由摩爾庫(kù)倫定律，作用在釘體表面的最大剪應(yīng)力可以表示為：

將公式（3.5）和公式（4.6）代入公式（4.7）得：

公式（4.8）即為用來(lái)計(jì)算考慮土體剪脹、上覆土壓力和表觀粗糙度的釘體表面最大剪應(yīng)力計(jì)算公式.相應(yīng)地，可以得到整根土釘?shù)目偪拱瘟椋?/p>

公式（4.9）考慮了釘體表觀粗糙度和土體剪脹的影響，并未考慮壓力灌漿情況，所關(guān)注的焦點(diǎn)在鉆孔灌漿釘與剪脹土體界面處的最大剪應(yīng)力而非土釘抗拔摩阻力的發(fā)展過(guò)程

5　土體拉拔試驗(yàn)有限元模擬

ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬有限元軟件，能夠解決從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題，有著強(qiáng)大的巖土本構(gòu)模型功能，因此非常適合于巖土工程研究.本研究基于過(guò)去室內(nèi)抗拔試驗(yàn)的基礎(chǔ)，應(yīng)用通用的有限元計(jì)算程序ABAQUS，建立了一個(gè)二維有限元模型，并通過(guò)改變表觀粗糙角的大小，進(jìn)而研究表觀粗糙角對(duì)土釘極限拉拔力的影響.

5.1土釘拉拔有限元模型建立

本研究中采用ABAQUS/Explicit顯式分析程序以克服接觸面復(fù)雜產(chǎn)生的不收斂問(wèn)題.土體的本構(gòu)模型選用了適用于ABAQUS/Explicit顯式分析程序的線性Drucker-Prager模型，相關(guān)模型參數(shù)及材料參數(shù)見(jiàn)表3.其中K為材料參數(shù)，為三軸拉伸強(qiáng)度與三軸壓縮強(qiáng)度之比.

表3　本研究模型中采用的材料參數(shù)

為了方便計(jì)算、分析問(wèn)題，在建立模型過(guò)程中，對(duì)模型做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，采用了常用的小型室內(nèi)拉拔試驗(yàn)箱的尺寸.有限元模型尺寸示意圖如圖6.拉拔試驗(yàn)箱模型尺寸為0.5 m×0.5 m，土釘釘體的直徑為40 mm，長(zhǎng)為0.6 m，位于試驗(yàn)箱正中間處.釘體周圍設(shè)置5 mm厚的剪切帶，通過(guò)后期材料參數(shù)的改變，來(lái)模擬實(shí)際情況中，由于釘體與周圍土釘產(chǎn)生滑移時(shí)出現(xiàn)的剪切帶.在后期網(wǎng)格劃分的過(guò)程中，剪切帶部分也會(huì)被著重網(wǎng)格細(xì)化.

釘體與土體之間的接觸切向模型選用罰接觸，將土釘表面設(shè)為主控面，整個(gè)剪切帶節(jié)點(diǎn)域設(shè)為從屬面；法向模型選用硬接觸.模型左右邊界約束X方向位移，模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓昂蟮脑囼?yàn)箱邊界；底部約束X方向和Y方向的位移，模擬試驗(yàn)箱的底部支撐；上表面約束Y方向位移，模擬試驗(yàn)箱的上邊界.在拉拔未進(jìn)行時(shí)的初始步和重力施加步，約束土釘X、Y方向的位移和轉(zhuǎn)角，拉拔步解除釘體X方向的約束.本研究中對(duì)拉拔模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，不研究上覆土壓力的影響，即對(duì)土體上邊界處不施加上覆壓力，僅在第一步對(duì)整個(gè)模型施加重力荷載.在拉拔步模擬拔出土釘?shù)倪^(guò)程中，將整個(gè)土釘X方向的約束釋放，并在土釘頭施加一個(gè)X負(fù)方向的非零位移邊界條件來(lái)模擬土釘拔出過(guò)程.本研究中采用的位移荷載大小為20 mm.

圖6　本研究中采用的有限元模型尺寸示意圖

5.2數(shù)值模擬結(jié)果及結(jié)果分析

本研究共設(shè)計(jì)了九組土釘拉拔有限元模擬試驗(yàn)，改變釘體表面粗糙單元的螺紋深度，從而規(guī)律性的改變表面的粗糙情況.每組土釘?shù)穆菁y尺寸及最后極限拉拔力最大值見(jiàn)表4.

表4　實(shí)驗(yàn)組單元參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）單根土釘拉拔承載力位移曲線分析

圖7為表面無(wú)螺紋組（第一組）土釘拉拔數(shù)值模擬拉拔力與拉拔位移曲線.由圖可見(jiàn)，由數(shù)值模擬得到的曲線與實(shí)驗(yàn)室土釘拉拔試驗(yàn)得到的曲線趨勢(shì)是相同的：初始時(shí)拉拔荷載隨著拉拔位移的增大而增大，當(dāng)拉拔荷載達(dá)到峰值后（此時(shí)對(duì)應(yīng)的拉拔位移為ua），拉拔荷載隨著拉拔位移的增大出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，最后達(dá)到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的殘余拉拔力狀態(tài).

（2）粗糙土釘極限抗拔承載力位移曲線分析

圖7　單根土釘拉拔位移與拉拔力曲線（第一組）

圖8為本研究中，九組實(shí)驗(yàn)組拉拔力與拉拔位移曲線的匯總圖.圖中，uc1為第一組（無(wú)螺紋組）土釘拉拔試驗(yàn)中土釘拉拔力達(dá)到極值時(shí)對(duì)應(yīng)的拉拔位移，約為6 mm，其結(jié)果在表觀無(wú)螺紋的土釘常規(guī)實(shí)驗(yàn)室拉拔試驗(yàn)的臨界剪切位移值的合理范圍內(nèi).在表面制造規(guī)則螺紋后，釘體極限拉拔力增大，其臨界剪切位移也相應(yīng)地變大，達(dá)到了10～18 mm.由表4也可以得到，臨界拉拔位移的變化趨勢(shì)和極限拉拔力的變化趨勢(shì)是一致的.這也表明，釘體極限抗拔承載力的大小與最大拉拔力出現(xiàn)時(shí)的拉拔位移有關(guān)，這也驗(yàn)證了上節(jié)中理論模型的合理性.

圖8　土釘拉拔位移與拉拔力曲線匯總（共9組）

（3）粗糙土釘極限抗拔承載力位移曲線分析

圖9為九組土釘數(shù)值模擬拉拔試驗(yàn)得到的極限拉拔力匯總圖.由圖9及表4可見(jiàn)，表面粗糙的釘體（第2～9組）拉拔得到的極限拉拔力相對(duì)于表面無(wú)螺紋的光滑土釘（第1組）有了明顯的提高.在本研究設(shè)置的九組試驗(yàn)中，隨著釘體表面螺紋深度的增大，粗糙單元的表觀粗糙角i也在相應(yīng)地增大.通過(guò)對(duì)九組不同表觀粗糙角的土釘拉拔試驗(yàn)中的極限拉拔力總結(jié)，可以將表觀粗糙角對(duì)土釘極限抗拔力的影響分為三個(gè)階段：

圖9　不同粗糙度土釘?shù)臉O限拉拔力匯總曲線

（1）Stage-1：初始時(shí)，隨著粗糙角的增大，土釘?shù)臉O限拉拔力隨之增大.極限拉拔力的峰值出現(xiàn)在第三組（Td=2 mm，i=14.04°）和第四組（Td=3 mm，i=20.56°），相應(yīng)地其最大拉拔力分別達(dá)到了21.14 kN和20.96 kN，比表面無(wú)螺紋土釘?shù)模ǖ?組）極限拉拔力提高了約150%.

（2）Stage-2：Stage-1中土釘極限拉拔力達(dá)到一個(gè)峰值后，隨著粗糙角的繼續(xù)增大，土釘?shù)臉O限拉拔力反而出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)（第5組和第6組）.

（3）Stage-3：在出現(xiàn)Stage-2中的下降趨勢(shì)后，土釘?shù)臉O限拉拔力不會(huì)隨著粗糙角的增大一直減小，而是達(dá)到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段，粗糙角的繼續(xù)增大對(duì)土釘極限拉拔力的影響相對(duì)不大，土釘?shù)臉O限拉拔力變化幅度穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi).此階段的粗糙土釘最大極限拉拔力比表面無(wú)螺紋土釘極限拉拔力提高了50%～100%，即相對(duì)于表面無(wú)螺紋的土釘，其對(duì)極限抗拔承載力的提高仍是可觀的.

經(jīng)過(guò)以上的分析可得，通過(guò)在釘體表面制造規(guī)則螺紋，可以顯著提升土釘極限抗拔承載力，這與之前的預(yù)期也是一致的.然而，土釘極限抗拔力與表觀粗糙角并非是線性關(guān)系，釘體極限抗拔承載力初始時(shí)會(huì)隨著粗糙角的增大而增大，直到達(dá)到一個(gè)峰值.可以將此峰值對(duì)應(yīng)的粗糙角定義為極限粗糙角ip，本研究中峰值對(duì)應(yīng)的ip在14°至20°之間.當(dāng)粗糙角繼續(xù)增大，超過(guò)了極限粗糙角后，土釘?shù)臉O限拉拔力開(kāi)始減小，最后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的水平.即此時(shí)繼續(xù)增大粗糙角，對(duì)土釘極限抗拔力的影響不大.可見(jiàn)，若通過(guò)改變土釘表面的粗糙情況來(lái)增大土釘極限抗拔承載力，并不能一味的增大其摩擦角.對(duì)粗糙單元選取合適的粗糙角（極限粗糙角），可以將表觀螺紋對(duì)土釘極限抗拔力的提升作用發(fā)揮到最大化.

6　結(jié)論

本文提出了一種具有新型土釘模型，通過(guò)改變鉆孔過(guò)程中的鉆頭，在預(yù)制孔壁制造規(guī)則螺紋，以制作具有規(guī)則螺紋的土釘，從而達(dá)到增大界面粗糙程度的目的.通過(guò)對(duì)過(guò)去研究者對(duì)土與不同材料間表觀粗糙度對(duì)界面摩擦的影響總結(jié)，結(jié)合摩擦學(xué)與螺紋幾何學(xué)中對(duì)粗糙的定義，提出了一種新的表觀粗糙參數(shù)，并探究了粗糙度對(duì)界面摩擦系數(shù)的關(guān)系.基于此提出了考慮粗糙度和土體剪脹的土釘拉拔模型.最后通過(guò)ABAQUS有限元軟件建立了室內(nèi)土釘拉拔試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)此新型土釘進(jìn)行了拉拔模擬.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)在釘體表面制作規(guī)則螺紋得到的表面粗糙，可以顯著提升釘體極限抗拔承載力，土釘極限抗拔力與表觀粗糙角并非是線性關(guān)系.所以，通過(guò)選擇合適的螺紋尺寸，制作帶有表觀規(guī)則螺紋的新型土釘是可行的，能夠提高土釘加固效率，對(duì)工程應(yīng)用有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義.

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Analysis of Surface Roughness on the Pullout Resistance of Cement-Grouted Soil Nails

LI Yazhou，ZHANG Jie
（Shantou UniversityDepartment of Civil and Environmental Enginering，Shantou 515063，Guangdong，China）

Pullout resistance of cement-grouted soil nails is a key factor affecting the stability of slopes，retaining walls and other retaining structures.The pullout resistance mainly comes from the friction at the interface between the nail body and the surrounding soils，which is influenced by many factors，while the roughness condition is a critical one.Past studies only focus on how the roughness condition affect the interface friction between the soil and different materials.In this study，a new type of soil nail which can be easily applied in engineering practice is proposed.By varying the configuration of buttress thread on the surface of soil nail，we can get different surface roughness.A reasonable surface roughness factor was also defined by applying soil mechanics theories.Then the relationship between the surface roughness factor and the coefficient of apparent friction is established quantitatively.The numerical simulation shows that by manufacturing different sizes of buttress thread on the surface of soil nail，the pullout capacity of soil nail can be improved significantly.The relationship between the limit pullout capacity of soil nail and the surface roughness factor is nonlinear.

soil nail；pullout resistance；surface roughness；dilation；numerical analysis

A

1001-4217（2016）03-0003-13

2016-06-13

李亞洲（1990—），男，河南省濮陽(yáng)市人，碩士研究生，研究方向：土釘粗糙度影響.

張捷（1970—），男，山西省太原市人，博士，教授.研究方向：巖土工程、環(huán)境工程、交通工程.E-mail：jiezhang@stu.edu.cu