倒刺型土钉抗拔试验及作用机理分析

贾涛

摘 要：本文针对普通土钉在工程应用中抗拔承载力较小的缺点提出了一种倒刺型土钉，在普通土钉杆体上焊接三段钢筋形成一组伞状倒刺。倒刺型土钉由于倒刺位置形成的端阻力以及倒刺与注浆体之间的咬合作用，使得其抗拔承载力相比普通土钉有一定程度的提高。通过对普通土钉和两种不同的倒刺型土钉进行的现场抗拔试验，分析了倒刺数量对土钉抗拔承载力的影响程度，同时对倒刺型土钉的受力破坏形式进行了分析，研究了其抗拔承载力作用机理，验证了伞状倒刺型土钉的可行性。在此基础上可以在实际工程中适当增大土钉之间间距，减少土钉和水泥砂浆的使用量，达到降低工程造价和节约资源的目的。

关键词：倒刺型土钉;抗拔试验;作用机理

0 引言

土钉抗拔承载力的作用机理主要有三个方面，其一为土钉钢筋的抗拉强度，其二为土钉与注浆体（常采用水泥砂浆）之间相互作用的强度，其三为注浆体与周围土体之间的相互作用。一般土钉的抗拔力是由注浆体与土体之间的摩阻力决定[1]。但是，土钉与注浆体之间的粘结作用也是土钉抗拔力的重要组成部分，其包括土钉与注浆体之间的物理粘结，钢筋的肋节、螺纹、凹凸等与注浆体形成的机械咬合以及它们之间的摩擦力。显然增加土钉表面的粗糙程度可以提高摩擦阻力，也同时提高了注浆体的剪切强度[2]。带外突缘的土钉与注浆体的结合力主要由机械作用决定，因此在进行抗拔试验时，有可能发生注浆体的开裂、破碎或土钉杆体的拉断，但此时的承载力也会有很大提高。

1 试验目的

本文通过对土钉焊接伞状倒刺，旨在采用倒刺型土钉与普通土钉的现场试验数据对比，得到不同倒刺数量下的荷载-位移曲线，研究土钉、注浆体与岩土体之间的界面特性，进而分析倒刺土钉支护系统的荷载传递机理和对岩土体的加固作用机理，验证倒刺型土钉支护的可行性与正确性，并探讨其承载力特性以及支护破坏形式。

2 现场试验概况

2.1 总体试验方案

本次土钉抗拔试验按照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）[3]的有关要求进行。为分析倒刺组数对伞状倒刺型土钉的极限拉拔力的影响程度，试验中采用了四种带不同倒刺组数的土钉进行检测抗拔承载力的现场试验，相应的设计参数如表1所示。

2.2 倒刺型土钉的制作方法

土钉采用HRB400钢筋。采用焊接弯折钢筋形成倒刺，焊接长度和弯折长度均为12.5 cm，弯折角度37°，倒刺直径为18 mm，同样采用HRB400钢筋。同一部位焊接3根倒刺，呈伞状120°夹角对称布置，如图1所示。第一组倒刺焊接在土钉尾部，间隔1.8 m焊接一组倒刺，如此分别制三组倒刺、两组倒刺、一组倒刺、无倒刺土钉共4种。

3 倒刺型土钉抗拔承载力试验结果分析

3.1 试验现象及破坏形式分析

倒刺型土钉的抗拔承载力主要由土钉杆体与注浆体的粘结力、注浆体与土体间的侧摩阻力以及倒刺的端阻力构成。当施加荷载时，抗拔承载力作用的具体过程为：

（1）施加荷载初期，拉拔力主要由注浆体与土体的侧摩阻力来平衡，土钉倒刺端发挥的作用有限。随着荷载增加，土钉的侧摩阻力沿着土钉杆体逐渐向内部发展，此时倒刺逐渐发挥作用。倒刺对前部注浆体产生挤压作用，将沿土钉主体向内部移动的拉拔力转移到注浆体内部，增强土钉与注浆体的整体强度。这一阶段的拉拔力荷载并未达到土钉抗拔承载力的峰值，土钉受力变化阶段为弹性阶段，Q-S变化曲线呈直线。

（2）随着荷载持续稳定的增加，土钉整体与土体间的侧摩阻力达到最大值，土钉内部不时会传来“嘣”的声音，同时加压油泵上的荷载值也会在加载过程中陡然下降。这表明土钉内部与注浆体间发生剪切破坏，土钉端部周围土体也发生松动，侧摩阻力开始下降，Q-S变化曲线上出现拐点。

（3）继续增加荷载，土钉内部迸裂声加剧，周边土体持续松动，与注浆体发生相对滑移，侧摩阻力下降迅速，面层上部产生明显裂缝，此时不再增大荷载，土钉位移仍迅速增加，土钉周边土体发生失稳破坏，土钉承载力基本丧失。

3.2 倒刺对土钉抗拔承载力的影响因素分析

汇总的现场试验数据如表2所示，根据现场试验数据绘制三种土钉现场试验Q-S曲线，如图2所示。

3.2.1 普通土钉

1#土钉为无倒刺装置的普通土钉。在加载初期施加的抗拔承载力主要由注浆体体与周边土体的侧摩阻力承担，此时Q-S曲線呈直线状态（AB段），荷载数值为62.8 kN。当荷载超过62.8 kN，可以看出在B点具有明显的斜率变化。此时注浆体与周边土体的侧摩阻力已达到峰值，土钉内部发出清晰的迸裂声响。在迸裂声传出的同时荷载数值会发生滑坡式降低，持续加荷，当荷载增加到75.4 kN时，位移继续增大，继续增加荷载时，可以注意到荷载值会反复降低，表明土钉周围剪切破坏持续加剧。

3.2.2 带1组倒刺土钉

由1#土钉与2#土钉的现场试验Q-S曲线对比可知：1#土钉比2#土钉的位移变化曲线受荷载变化的影响更为明显，在75.4 kN拉拔荷载下2#土钉的累计位移为27.8 mm，同样条件下1#土钉累计位移则为29.8 mm，相差2.0 mm，可以粗略认为带1组倒刺的土钉极限承载力较高。

3.2.3 带3组倒刺土钉

由1#土钉与4#土钉的现场试验Q-S曲线可以看出两条曲线有较大差异，在D、B两拐点之前的弹性阶段倒刺为土钉支护系统的侧摩阻力所带来的增益已发挥出明显效用。在62.8 kN的荷载条件下，1#土钉的累计位移为21.5 mm，4#土钉为17.2 mm，相差4.3 mm，抗拔承载力有明显提高。4#土钉的极限承载力达到了88 kN，且在88 kN拉拔荷载下除却土钉内部传出较不集中的迸裂声所表明的土钉与注浆体的局部剪切破坏外，并未发生破坏土体完整性的相对位移，面层上部也未见明显裂缝。

3.2.4 伞状倒刺型土钉抗拔力与倒刺数量的关系

倒刺对土钉的最大抗拔力会产生一定程度的影响，土钉的抗拔承载力随着倒刺数量增加有比较明显提高。带1组倒刺土钉的抗拔力与普通土钉的抗拔力相比提高较低，带2组倒刺由于现场工况影响无法进行试验，但带3组倒刺较一组倒刺提升了16.7%。

3.2.5 倒刺土钉受力破环分析

倒刺型土钉受力破坏分为以下几个阶段：第一阶段为弹性阶段，此时抗拔承载力主要由注浆体与土体的侧摩阻力提供，荷载位移曲线为直线，位移随荷载呈线性变化;第二阶段为弹塑性阶段，随着荷载增加，土钉与注浆体的粘结力、摩擦力不断增加，此时倒刺对注浆体的挤压作用更加显著。倒刺通过对注浆体的咬合作用增加其整体稳定性，使土钉、注浆体能够作为一个整体去抵抗拉拔力。这一阶段，注浆体侧摩阻力逐渐逼近峰值，土钉在与注浆体产生粘结力的同时，自身也被注浆体约束，土钉钢筋受力不断增大;第三阶段为塑性区发展阶段，随着荷载持续增加，土钉位移出现大幅度增大，注浆体与土体剪切破坏加剧，侧摩阻力迅速下降，土钉失去抗拔力。

4 结束语

通过对普通土钉和两种不同的倒刺型土钉进行现场抗拔试验，并对试验结果进行分析，得出以下结论：土钉最大抗拔力受倒刺影响，倒刺会使土钉最大抗拔力显著提高，但与倒刺数量并非呈正比的线性关系，随着倒刺数量的增多，土钉的抗拔承载力增加比较明显。现场试验对倒刺型土钉的可行性进行了验证，为土钉墙支护的优化提出了合理的改良方法。

参考文献：

[1]李亚洲，张捷.表观粗糙度对灌浆土钉拉拔摩阻力的影响探究[J].汕头大学学报（自然科学版），2016，31（3）：3-15+85.

[2]张乐文，汪稔.岩土锚固理论研究之现状[J].岩土力学， 2002（5）：627-631.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ120-2012，建筑基坑支护技术规程[S].中国建筑工业出版社，2012.