注浆压力对土钉抗拔力的影响研究

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土钉与周围土体的相互作用机理一般可以通过室内拉拔试验进行研究。在实验室试验中，可以系统地改变参数，以评估其对土钉拉拔行为的影响。与室内试验相比，现场试验较好地反映了不同影响参数在现场的影响效果[1-3]，因此，所得到的拉拔阻力与一定参数之间的关系更适合现场设计。文章对香港某天然斜坡土钉的抗拔性进行了系统的研究，目的是评价注浆压力和土体深度对土钉抗拔性能的影响。现场对土钉的灌浆长度和灌浆压力进行了精确控制，对典型的试验结果进行了比较和讨论，以提高对土钉现场拉拔性能的理解。

1 现场工况

试验项目位于香港一个均匀的天然斜坡，地盘勘测工程显示，最大斜坡高度为12m，坡长为26.5m。水平方向的坡度角从15°到48°不等。现场土钉位置如图1所示。从图1中可以看出，这些土钉在现场涉及4个不同的土壤深度（2m、4m、6m、8m）。

图1 现场土钉位置示意图

2 拉拔试验结果

土钉-土界面最大剪应力是土钉支护设计中的一个重要参数。对于水泥灌浆土钉，发现最大剪应力受灌浆压力的显著影响，也可能受上覆土压力或土壤深度的影响。如上文所述，土钉的现场试验涉及4种不同的灌浆压力（0kPa、40kPa、80kPa和140kPa）和4种土壤深度（2m、4m、6m、8m）。

将最大拔出力除以土钉与土钉的接触面积，可直接求得土钉-土界面的最大剪应力。土层钉-土界面最大剪应力与灌浆压力的关系如图2所示，图2显示了两个土壤深度处的最大剪应力和灌浆压力之间的关系。当土层深度一定时，钉-土界面的最大剪应力一般随注浆压力的增大而增大。在土层深度2m处，当没有灌浆压力时，钉-土界面的最大剪应力约为80kPa，但随着灌浆压力的增加，剪应力几乎呈线性增加。当灌浆压力为140kPa时，这些最大剪应力的最大值约为120kPa。在土层深度6m处，钉-土界面的最大剪应力仍随着灌浆压力的增加呈线性增加。这些最大剪应力的最大值在灌浆压力为140kPa时达到，因此，注浆压力显著提高了钉-土界面的剪应力，最大剪应力似乎与灌浆压力的增加成线性关系。

图2 土层钉-土界面最大剪应力与灌浆压力的关系

边坡开挖时，土钉通常是韧性的。土钉支护系统的蠕变特性允许在钉-土界面上产生一定的相对位移，因此，研究特定拔出位移下钉-土界面的动剪应力也很重要。不同拔出位移下钉头平均剪应力对比如图3所示，显示了不同拔出位移下，钉-土界面的剪应力随灌浆压力的变化。结果表明，拉拔位移为10mm时的剪应力最大，随着拔出位移的进一步增大，钉-土界面的平均剪应力略有减小。此外，随着注浆压力的增大，无论拔出位移大小，平均剪应力都有较大幅度的提高。

图3 不同拔出位移下钉头平均剪应力对比

图3还显示了不同拔出位移下平均剪应力与土钉深度之间的关系，即剪切应力与土层深度之间没有明显的相关性。这表明钉-土界面的平均剪应力似乎与土壤深度（或上覆土压力）无关。此外，虽然覆土压力变化很大，但拔出位移为10mm时的剪应力仍然是最大的。

3 计算结果与试验数据比较

在给定上覆土压力、注浆压力等基本参数和土的表观黏聚力、摩擦角等土性参数的基础上，直接求出相应的抗拔力。假定表观土壤黏聚力为10kPa，摩擦角为29.9°，破坏面间距离和临界拉拔位移分别为10mm和8mm。安装后的正应力通常很小，约为5kPa，在已知灌浆压力、覆土压力和极限压力的情况下，经验系数M值如下：

基于现场试验结果和计算结果比较土钉的抗拔力如图4所示。图4显示了典型的土钉试验结果和简单模型与香港设计方法的计算结果，土钉的抗拔力与覆土压力无关。该方法的计算结果与现场试验结果吻合性较好。

图4 基于现场试验结果和计算结果比较土钉的抗拔力

假定临界拉拔位移为6mm，单位重量为20kN/m3。根据现场测量，土钉直径为122mm，钢筋直径为40mm。水泥浆和钢筋的模量分别为30GPa和200GPa。因此，有效土钉模量计算如下：

式中：Ac和As分别为水泥和钢筋的横截面积，mm2；Ec和Es为相应的材料弹性模量，kPa。室内试验结果表明，覆盖层压力（OP）和灌浆压力（GP）对钉-土界面的剪应力有交互作用，因此使用经验系数计算不同灌浆压力和土壤深度（覆盖层压力）下的刚度系数k，如下所示：

式中：k0为初始刚度值，假定为15kPa/mm（对于无灌浆压力的情况）。式（3）为经验拟合，因此这种关系在各种测试条件下可能不成立。

4 结论

在香港某边坡上进行了一系列拉拔试验，研究了覆土压力和注浆压力对土钉抗拔力的影响。根据现场拉拔试验结果和试验观察，得出以下结论：

（1）对于压力注浆土钉，出水管的水泥浆压力远低于注浆管的水泥浆压力。主要原因有两个：水泥浆不断渗入钻孔周围的土壤孔隙中，导致水泥浆产生一定的压力损失；水泥浆需要克服自重接近出水管，产生压力损失。

（2）从钻孔中拔出后的土钉表面可分为两个典型层：浆土混合层和薄土层。破坏面似乎出现在土壤内部，而不是灌浆-土壤界面，此外，拔出试验后土钉表面不规则。

（3）由于水泥浆硬化过程吸收了周围土壤中的水分，土钉表面土样的含水量一般低于原钻孔试件。土钉拔出后的土钉直径与原钻孔直径相比有明显增加。

（4）在无灌浆压力的情况下，钉-土界面的平均拔出剪应力对土层深度不敏感。当采用注浆压力时，钉-土界面的剪应力有较大幅度的提高。