泥质砂岩边坡加固锚杆黏结疲劳特征原位试验

魏荣华

中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100097

锚杆防护在现代工程建设领域已取得广泛应用，其在边坡加固等方面都发挥了较好的作用。为了验证锚杆的加固质量，可通过合理的试验方式来验证。对于特殊施工条件，应根据此时锚杆防护工程的基本特点，探讨相适应的试验检测方法，从而准确反映出锚杆防护应用效果。

1 工程概况

某互通立交E 匝道EK0+200 ～EK0+460 段右侧边坡原采取五级边坡设计方案。E 匝边坡施工涉及大范围开挖作业，由此形成稳定性欠佳的临空面，且施工期间正值汛期，岩体逐步趋于饱水状态并伴有失稳现象，随之滑坡。坡面包含大量滑动松散体，该部分因人员、现场环境等原因而未得到有效的清方处理，卸载、防排水等相关防护措施未及时落实到位，大量地表水逐步汇聚至坡体凹形低洼区域。随强降雨天气的持续延长，坡体的下滑现象愈发明显，抗剪强度大幅下降，最终引发滑坡事故。

2 现场地质条件

该工程边坡地表以残坡积层为主，覆盖层呈自北向南厚度逐步加大的变化趋势，滑动前厚度约3.0 ～18.0m，发生滑动后的厚度约4.0 ～10.0m。边坡地形呈现出东高西低的变化趋势，横向仅存在微小的变化。边坡前后缘高程差较大约82m。现场地形伴有较明显的起伏现象，为典型的剥蚀中低山地貌，坡向约290°，以斜坡地形居多。该工程边坡的坡体物质成分主要为碎石（块石）含黏土、粉质黏土含碎石及全-强风化砂岩、泥岩，因开挖原因以及岩层产状的原因，坡体覆盖层厚度不均，由北向南渐厚，覆盖层厚度为3.8 ～8.5m。潜在滑动带主要由碎石含黏土层、粉质黏土含碎石及软化后的全-强风化岩组成。

该区下伏基岩主要为泥岩、砂质泥岩等，强风化岩层节理裂隙发育，遇水易软化崩解。中风化岩节理裂隙相对不发育，此次勘察钻孔揭露边坡区中风化岩体较完整，稳定性较好，未见滑动迹象；由于岩体结构呈现砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩互层状，因抗风化能力存在差异，易导致隔层风化的特点，在钻探及挖孔过程中易出现土、石交替的情况[1]。

3 试验试件制作

3.1 锚杆

根据试验要求严格控制杆体力学参数，锚杆钢筋力学指标具体见表1，表面性状见图1。

表1 锚杆钢筋力学指标

图1 锚杆钢筋表面性状（单位：mm）

3.2 光纤光栅传感器

确定杆体装置后，在其表面沿轴线依次开槽作业，全程均采取1mm×1mm 的尺寸控制标准，成槽后利用酒精清理干净，再对其采取风干处理措施，将光纤光栅传感器置于其中，形成的凹槽区域使用环氧树脂填补平整。

3.3 试验装置

为顺利完成试验，应配置钢垫板、位移计、测力计等相关装置。其中，测力计选用性能良好的三弦式荷载传感器，配置振弦式频率读数仪以便快速完成数据采集工作，传感器产生的各项数据均通过SM125 解调仪完成采集。穿心千斤顶作用于夹片上，目的在于发挥出夹片的传递作用，实现拉力向锚杆的高效传递。

4 试验方法及控制条件

考虑到试验结果应具有可比性的要求，均在相同的锚杆上组织试验。根据现场情况分为4 类试验，具体如下：（1）试验Ⅰ。通过预应力锚杆的作用可达到加固围岩的效果，试验分析此时锚杆所具有的承载性能。（2）试验Ⅱ。锚杆应用于岩质边坡高度≤30m、土质边坡高度≤15m 的条件中，试验分析此时锚杆所具有的承载性能。（3）试验Ⅲ。锚杆在各类型水利水电工程中发挥出支护作用，试验分析锚杆在此条件下所具有的承载力。（4）试验Ⅳ。试验内容为一般地质条件下锚杆所具有的承载性能。

5 试验结果及分析

5.1 锚杆界面黏结损伤与循环荷载的关系

有序组织各项试验，采集锚杆在各深度条件下所形成的应变值，完整记录此部分数据。以弹性模量为依据，经计算后求得锚杆体的轴力分布特点。此处涉及有效锚固深度的概念，将其视为杆体轴力减小至零后所对应的杆体深度。通常而言，若杆体界面黏结效果良好，此时受黏结力的影响，杆体轴力将呈现持续下降的变化趋势，并在某个节点衰减至零。当轴力为零时，其对应的深度即有效锚固深度。根据既有规律可知，将有效锚固深度替代黏结破坏深度是较安全的。

结合试验数据展开分析，若选用长度为0.5m 的锚杆，在经过多级循环张拉处理后其承受的最大张拉荷载为91kN。随着后续作业的持续推进，若张拉荷载达到81kN，发现此时锚杆的有效锚固深度发生变化，由原本的1.2m 增加至2.15m。由此表明，经过多次加卸荷载操作后，锚杆界面将存在较为明显的黏结度疲劳损伤现象，且随着张拉循环的持续推进，该黏结状态将逐步趋于恶化，虽然仅存在相对微弱的荷载，但此时的荷载影响深度依然较为明显。对此，可以对锚杆界面的黏结破坏深度形成更准确的认识，即该指标与所受荷载大小表现出正相关的特点，并且也与疲劳效应正相关[2]。选取多种锚杆体深度，分别分析此时应变值和施加荷载两项指标间所呈现出的关系，主要规律如下：

（1）随着锚固深度的增加，杆体应变呈现逐步下降的趋势。

（2）在荷载相近的条件下，相较于前期加载效果而言，后续循环加载所造成的杆体应变明显更大，且循环次数增加时杆体应变呈现同步增加的变化趋势。

（3）随着后一循环加荷作业的持续推进，当其达到前一循环的加载最大值后，此时两个阶段的杆体应变几乎相同，因此若不存在较大的荷载，相同荷载的循环加载虽然会在一定程度上对杆体界面造成黏性损伤，但较为微弱。

随着锚杆承受荷载的增加，其形成的锚固深度逐步加大，而黏结损伤与荷载值表现出正相关的特性；若未超过前期承载，此时经过循环加荷后会导致杆体界面的黏结损伤更为明显；加载次数虽然会加剧黏结损伤，但幅度较为微弱，更为主要的影响因素应是前期荷载的大小。

5.2 锚杆界面黏结损伤与持荷时间的关系

根据试验结果展开分析，可知在张拉荷载增加的情况下，锚杆体弹性伸长量也呈现出同步增加的变化规律，两者具有显著的线性关系，且随着试验方法的改变，线性系数随之发生变化。完成试验Ⅰ后再组织试验Ⅱ，在此顺序下线性系数呈大幅下降的变化规律，表明锚杆体弹性伸长量对加载较为敏感；经过试验Ⅱ后再进入试验Ⅲ，此时虽然存在线性系数增加的情况但其幅度较小；此后再组织试验Ⅳ，可知线性系数依然减小且降幅更大。因此，从试验Ⅰ至试验Ⅱ，将带来分级荷载持荷时间延长的情况，同时其弹性伸长量则大幅度增加；从试验Ⅱ至试验Ⅲ，明显缩短了分级荷载持荷时间，此时的弹性伸长量增速放缓；从试验Ⅲ至试验Ⅳ，此时具有分级荷载持荷时间延长的特点，因此其弹性伸长量也同步增加。总体上，随着持荷时间的增加，线性系数将呈现逐步下降的变化趋势。

这表明，张拉荷载与弹性伸长量两项指标间呈现出明显的线性关系，随着加载方式的变化，锚杆体弹性伸长量的增速随之改变，而在持荷时间延长的情况下，其增速同步加大，锚杆体界面的黏结损伤愈发明显。

5.3 试验结果

锚杆承担荷载增加的条件下，其具有的有效锚固深度逐步加大，由于荷载的增加或减小，锚杆体界面黏结损伤也呈现同步增加或减小的变化趋势；前期荷载的主要影响对象为黏结损伤，尽管加载次数为影响因素，但其影响幅度较为微弱；持荷时间延长之下，锚杆弹性伸长量逐步增加。此外，张拉过程荷载作用下锚杆结构整体没有发生塑性变形，说明荷载作用全部转换成弹性能蓄存在结构内部[3]。

6 结论

在泥质砂岩围岩环境下，可通过锚杆锚固的方式改善其受力状态，在试验检测锚杆锚固效果时应选择合适的方法，具体应考虑杆体界面黏结损伤特性和围岩强度两方面。缩短分级荷载持荷时间后，能够缓解杆体界面黏结损伤；而且采取分级卸载的方式后，黏结体将表现出更为良好的黏结状态，其与围岩界面的黏结效果更佳。相比之下，文章提出的试验Ⅰ更具科学性，仅需一个加荷循环即可。