预应力锚索锚固段界面力学特性试验研究

预应力锚索锚固段界面力学特性试验研究

1锚固体灌浆体锚固失效机理及救济形式岩石桩固结技术是应用锚杆或锚索对岩体进行加固。充分利用了岩石体本身的稳定能力。这是一种利用原岩干扰小、施工速度快、可靠性、经济有效的加固技术。广泛应用于水利水电、铁路运输、城市建设、地下工程、国防、采矿工程等行业。并取得了显著的成功，创造了良好的经济效益和社会效益。目前,锚固技术的发展正处于方兴未艾的时期,对锚固理论的深入探讨和研究,对推动岩土工程领域的发展有着极其重要的意义。岩土锚固技术最基本的要求就是埋设在岩土体中的锚固体必须提供足够的锚固力。随着岩土锚固技术的发展,对单根锚杆(索)的锚固力要求愈来愈高。因此,新型的锚固体形式也不断出现。不言而喻,锚固力的大小主要取决于锚固段的失效形式。分析锚固体的失效情况,不外乎有以下4种主要形式(见图1):(1)锚杆体的断裂,如图1(a)所示。当拉拔荷载大于锚固体抗拉强度时,锚固体产生断裂,使锚固失效。锚固体的断裂一般发生在锚固端头周围和以外部位,尤其是防腐处理的薄弱环节。另外,不合理的外锚结构,不平衡的张拉方法也容易引起锚固体断裂。(2)锚杆体与灌浆体产生滑脱,如图1(b)所示。当岩土体与灌浆体的交界面强度足够大时,这时如果荷载较高,可能出现锚固体与灌浆体之间产生滑脱面使锚固失效,这种破坏形式一般是从锚固头开始,逐渐向深部扩展,具有渐进破坏特征。如果锚固体比较长,一般不会出现失稳性破坏。锚固体与灌浆体的抗滑脱能力可以通过选择合理的锚固材料(如选用螺纹钢筋)或采用合理的锚固体结构(如将锚固段做成“串桃核”状等)得以改善。(3)岩土体与灌浆体界面的滑脱,如图1(c)所示。岩土体与灌浆体界面的滑脱主要取决于该界面的黏结强度。由于灌浆材料及岩土材料的特性所决定,这一界面往往是整个锚固体系的一个薄弱环节。通过试验可以发现,这一界面失效时形成具有一定厚度的薄层。如果岩土体的强度大于灌浆体的强度,则这一界面层发生在灌浆体一侧,在灌浆体柱上有明显的划痕现象,因此界面强度由灌浆体的力学物理特性所确定。相反,如果岩土体的强度小于灌浆体的强度时,则这一界面层发生在岩土体一侧,灌浆体被拔出后,带出一层砂碎屑,因此,此时界面层的强度与岩土体的力学特性有关。(4)岩土体破坏,如图1(d)所示。这种情况一般指的是表面锚固型锚杆的情况,内部锚固型则不会出现这种现象。如果岩土体为均质材料且强度较低,这时破坏形式表现为漏斗型,因此,此时锚固强度是由岩土体的材料强度所决定。根据现场试验发现,随着荷载的增加,首先在灌浆体周围的岩土体表面出现微小的环状,随后出现放射状裂纹,最后形成漏斗状锥体拔出。对于非均质或裂隙发育的岩土体,则破坏形式可能为不规则体。当然,也有复合型锚固失效形状,如上部表现为岩土体破坏,下部为岩土体与灌浆体界面滑脱等。大量的试验、现场试验以及工程实践表明,一般的锚固失效形式为岩土体与灌浆体之间的界面上滑脱使得锚固系统失效,因此,岩土体与灌浆体之间的界面是整个锚固系统的关键环节,对锚固系统的研究重点应该放在这一界面的力学性质上[2~5]。2界面层结构及其分布大量试验表明,岩土体–灌浆体界面上的力学性质与周围的岩土体或灌浆体是有很大的差异的。其力学参数既不是两者其中之一,也不是两者的平均值。试验结果表明,岩土体–灌浆体界面是一个薄弱的特殊区,即过渡区,又称界面层,界面层不是一个面,而是一个具有一定厚度的物体。这种界面,有类似混凝土中的水泥和集料形成的情况。根据Maso对集料–水泥基界面层形成机制的假说,在拌和过程中,集料表面形成一水膜层,其厚度仅有几个到几十个μm,而水泥颗粒在紧贴集料表面处的浓度接近于0,并且随着离纤维或集料表面的距离增大而提高。当水泥中的化合物溶于水后,溶解的离子扩散并进入水膜层中,按离子活泼程度依次向水膜层进入。对波特兰水泥而言,离子的扩散能力依次为Na+>K+>SO42->Ca2+>Si4+。对不溶性分散相(钢纤维或集料),其离子浓度分布如图2所示;若分散相中是部分可溶的,则溶出离子在表面处浓度最大。在上述2种情况中,水膜层中最先生成的水化产物是由先扩散到水膜层的离子组成的晶相。对波特兰水泥而言,则可能形成的是钙矾石AFt(3CaO·Al2O3·CaSO4·32H2O)和氢氧化钙(Ca(OH)2)相,经水化与硬化过程,即形成了界面层。通常,钢纤维–水泥基、普通集料–水泥基间以及本问题的钻孔壁水泥基基本上无化学反应,故它们间的界面结合属物理结合。灌浆体在钻孔中硬化前,尤其在锚固结构形成过程中,因固体粒子下沉、水分上浮,从而在钻孔表面的界面层中,其组成结构是不均匀的;界面层各点的厚度不一,其间离子浓度及其分布与水膜层厚度有关,且在很大程度上取决于水灰比(w/c)的大小、外掺物的类型和数量。界面层的主要特点是:(1)有比灌浆体高的水灰比。灌浆体的水灰比越高,界面层的水灰比相应增大,水膜层变厚,离子浓度降低,硬化后界面网络结构越疏松。界面层中离子浓度分布不均匀,通常是离钻孔表面大离子浓度高,当过渡到基体后,水灰比和离子浓度均为常数。(2)有比灌浆体高的孔隙率。由于界面层中水灰比比基体高,故钙矾石和氢氧化钙晶体有充足空间无约束地长大。氢氧化钙晶体在靠近钻孔表面处定向排列,其取向指数高,取向范围大。对普通水泥基体而言,界面层中氢氧化钙晶体含量比灌浆体的高20%~40%。因此,界面层是氢氧化钙晶体的富集区,从而增大了其孔隙率。(3)有比灌浆体疏松的网络结构。因界面层中孔隙率比基体高,有碍于C-S-H凝胶(水化硅酸钙)与钻孔表面的接触,同时因界面层中离子浓度低,水化生成C-S-H凝胶的数量也相对减少,从而使水泥凝胶与钻孔表面的接触点减少,故界面层结构是疏松的网络形式。(4)根据混凝土材料研究表明,界面层厚度一般为50~100μm,其数值随界面组成结构而变。在界面层中有一个最薄弱区,称为弱谷。在该区内原始裂缝增多变大,是受力后首先引起破坏的薄弱区。3在对锚固定界面力学特性的研究中3.1锚固体界面力学分析(1)通过试验,了解锚固体变形破坏的主要形态和规律。(2)获得锚固体在荷载作用下变形的主要特征,从而分析锚固体界面的力学性态,从变形到失效经历的主要过程,为锚固体界面力学模型的建立提供依据。(3)研究锚固体长度对锚固系统的锚固界面失效的影响。(4)灌浆材料的强度和含砂率对锚固系统的锚固力的影响。3.2预应力锚固结构和试验装置采用室内实验室试验方法,将锚固体部分做成试件,采用将锚固体从基体拔出试验方案。试验设计不同的锚固长度和不同的灌浆材料配比,研究其产生的锚固效应。界面力学性质试验试件和试验台上的试件分别如图3,4所示。试件由圆柱形的混凝土基体、预埋螺栓、锚杆、灌浆材料组成,下部通过预埋螺栓与承拉板连接,因此,试验可以在拉伸试验机上进行。试件的主要参数:(1)混凝土基体:采用混凝土等级强度C40。外径为φ160mm,H=150~350mm。预留钻孔直径为φ40mm。采用镀锌管在成型时预留,试件采用特制的钢制模具进行浇灌。(2)预埋螺栓:采用φ12mm的I级光面钢筋,l=200~400mm,配置普通粗牙螺帽。预埋螺栓的作用有二:其一是使与承拉板连接,其二是作为混凝土基体的钢筋作用,防止混凝土基体被拉断。(3)灌浆材料:采用纯水泥浆(1∶0),1∶1和1∶3水泥砂浆3种灌浆材料,灌浆时将锚杆定位后在振动台上进行。(4)锚索体:采用φ16mm的II级螺纹钢筋来代替,由于研究锚固体界面的力学行为,因此是可行的。为了使试验在界面失效,取锚固长度l=150~300mm,外露长度为50mm,试件的主要参数和失效状态如表1所示。锚固界面力学效应试验采用WDW–100A型电子万能试验机,该系统采用美国MTS公司20世纪90年代先进的测量、控制系统,并配以MTS最新版的TestWorks4计算机软件。该系统采用MTS公司的交流无刷伺服电机和智能化的负荷、变形量测系统,具有较高的准确度和稳定性。量测的主要数据:(1)锚固系统失效的主要形式。(2)锚杆拉拔条件下的全荷载–位移曲线。(3)锚固体的极限荷载。(4)锚固体的极限荷载的位移量。3.3试验结果与分析3.3.1基浆体开裂情况从试验总的情况看,试件的失效形式主要为锚杆与灌浆体被完整地从混凝土基体拔出,说明锚固系统的失效是由于锚固体界面首先出现失效。图5为试件2–1灌浆体完整地从基体拔出的情况。有些试件在锚杆与灌浆体被拔出前首先出现混凝土基体开裂现象,锚固体拔出后基体开裂的情况如图6所示,随着拔出位移的加大,裂缝迅速扩展,最后导致基体开裂而失效,这种情况说明锚固体没有达到应有的拉拔力。图7为根据表1所得的最大荷载与锚固长度的关系曲线。应该注意的是,试件1–1,1–3,2–3和3–3的破坏形式首先是基体出现开裂引起的,因此这些试件并没有达到最大的锚固力。图8为最大荷载与灰砂比的关系曲线。图9为试验机记录的试件4–3和试件2–0的全荷载–位移曲线。3.3.2有实际的试验结果主要表现为锚固体失效状态分试件的锚固体失效与破坏状态,从宏观上表现为3种类型:(1)基体产生劈裂破坏后,锚固体被拔出产生劈裂破坏,这一类试件有:1–1(l=300mm;s∶c=1∶1),1–3(l=300mm;s∶c=3∶1),2–3(l=250mm;s∶c=3∶1)和3–3(l=200mm;s∶c=3∶1)等。(2)基体保持完好,锚固体被完整地拔出,并且在荷载–位移曲线中,过了荷载峰后,曲线的荷载值急速下降,这一类试件有:1–0(锚固度l=300mm;s∶c=0∶1),3–0(l=200mm;s∶c=0∶1),4–0(l=150mm;s∶c=0∶1),4–1(l=150mm;s∶c=0∶1)和4–3(l=250mm;s∶c=0∶1)等。这种锚固体的失效状态称之为不稳定失效。(3)基体保持完好,锚固体被完整地拔出,但是在荷载–位移曲线中,过了荷载峰后,曲线的荷载值较为平稳地下降。这一类试件有:2–0(l=250mm;s∶c=0∶1),2–1(l=250mm;s∶c=1∶1)和3–1(l=200mm;s∶c=0∶0)等。这种锚固体的失效状态称之为稳定失效,试件的破坏和失效状态如图10所示。试件的基体产生的劈裂破坏说明在锚固体被拔出的同时,试件基体的锚固孔中受到一定量的径向压力的作用,如图11所示。当径向压力达到一定时基体就出现开裂破坏,而这时锚固体保持完整。因此,从宏观意义上可以认为,基体产生的劈裂破坏是由于锚固体界面在变形的过程中产生的体胀引起的,这对研究界面的力学行为有重要意义。试验成果表明:(1)灌浆体和岩土体之间的界面的失效是最主要的形式,因此,深入研究这一界面的力学特性,对建立锚固设计理论,提高锚固系统的锚固力有及其重要的意义。(2)锚固力的大小与锚固长度有关,但不是成比例关系,当锚固长度达一定值时,再进一步增加锚固长度,锚固力的增大是非常有限的。其力学机制是当锚固长度较大,随着荷载的增加,虽然锚固段的剪应力分布可以向荷载远端转移,但在锚固段荷载的近端的界面上由于超过强度极限而出现脱黏,使脱黏段的剪应力下降至摩阻力,因此整体锚固力增加不大。(3)锚固力的大小与灌浆体的力学特性有关,尤其与灌浆体的砂浆含砂量有关,这一点在以往的研究和工程实践中没有注意到。在保证砂浆的一定强度条件下,含砂量越高的锚固体,其锚固力越大。其力学机制是,含砂率越高的锚固体界面层变形时产生越大的体胀,由于基体材料的约束,获得更高的摩阻力,因此锚固力越大。(4)锚固体的界面在荷载作用下的变形到失效经历弹性变形阶段、塑性滑移阶段和脱黏残余摩擦阶段,这对锚固体界面力学模型的建立有着重要的意义。试验研究显示了锚固体界面传力机制和受力破坏的全过程,对以后的进一步分析有重要的意义。4骨料的细观力学模型当锚固试件中的锚固体从基体拉拔出来时,有2个有趣的现象值得注意:(1)锚固体的灌浆材料为纯水泥砂浆(即砂灰比为0)锚固体拔出时,随之带出的是水泥胶结体极细的粉末颗粒,而含砂子的灌浆材料锚固体拔出时带出的是颗粒状的砂子和水泥胶结材料的细砂。(2)锚固体的灌浆材料为纯水泥浆拔出后的锚固体表面和基体孔壁表面都非常光滑平整;而含有砂子的灌浆材料的锚固体表面和基体孔壁表面粗糙,有较深的刻痕、犁槽现象。尤其是砂灰比越大,这种现象越严重。图12为试件3–0(灌浆材料为纯水泥浆)和3–3(灌浆材料1∶3水泥砂浆)锚固体被拔出后表面的情况。图12显示,试件3–0表面平整光滑,而试件3–3表面粗糙、划痕严重,锚固体中下部直径明显缩小。为了比较形象地描述问题,建立如图13所示的有骨料的灌浆材料的界面细观力学模型,由于相比而言,一般的岩体材料(试验研究中的基体材料采用的是C40混凝土)的强度和硬度均高于灌浆体,表现为当锚固体被拔出后灌浆体的界面上根据骨料的不同产生不同程度的划痕。从上面的试验分析可以看出,锚固体被拉拔失效可分为弹性变形阶段、滑移变形阶段和脱黏滑动阶段。下面从细观力学角度上探讨这3个阶段的形成过程:(1)弹性变形阶段,如图13(a)所示。在拉拔荷载的最初阶段,随着荷载的界面层的变形处于弹性变形阶段。从宏观上,这一阶段为一较陡的直线,弹性极限数值上有2个显著的特性。其一,各试件弹性极限荷载较低,相当于极限荷载(峰值荷载);其二,各试件不论锚固长度大小和含砂量多少,弹性极限荷载比较稳定,一般为3~5kN。(2)滑移变形阶段,如图13(b)所示。随着拉拔荷载的增加,在界面上由水泥包裹的骨料周围开始产生塑性变形。在变形的后方骨料与水泥胶体之间出现拉脱裂缝,而变形的前方产生挤压塑性区,而且随着荷载的加大,塑性区不断扩大,形成挤压楔状堆积,形成新的挤压滑移面。(3)脱落阶段,如图13(c)所示。如果拉拔荷载进一步加大,骨料的变形前方的塑性区转变为破碎,那么水泥胶体碎屑将脱落,这时骨料有产生滚动的趋势,出现显著的体胀,即对岩体产生较大的侧向压力。拉拔荷载越大,则侧向压力就越大,当试件的基体不能承受这么大的径向压力时,基体就开裂破坏。使得灌浆体界面的侧向压力下降。因此锚固力突然下降,锚固体失效。另一方面,如果基体能够承受锚固体界面产生的径向压力,骨料将达到滚动的临界状态,此时的锚固力达到峰值。显然,锚固力的峰值大小,主要取决于骨料的含量和颗粒的大小,这就是为什么在试验中,锚固力的峰值与灌浆体的含砂率有关。灌浆体的含砂率越高,则锚固力的峰值就越大。其次,可以想象,增大骨料的粒径也是提高锚固力的一种途径。笔者曾经在巴基斯坦从事路桥的设计与咨询工作时,采用锚杆群代替反力桩作桩基静载试验时,用φ25mm的螺纹钢筋,锚固长度仅为1.5m的锚杆作锚固力测试,结果杆体被拉断而锚固体没有产生失效。此试验结果的锚固力要比设计值高出一个数量级,这充分证明了这一结论。(4)脱黏摩擦变形阶段,如图13(d)所示。当拉拔荷载达到极限状态时,这时骨料的粒径产生滚动,因此界面力学性质产生急速变化。界面上由应力应变状态急转为滚动位移阶段。锚固力急速下降为滚动摩擦阻力,即称之为残余荷载,而且随着拉拔位移的加大,锚固长度减小,残余荷载也随之逐渐减少。5界面层变形结构分析图9给出了锚固段界面力学性质试验中当锚固长度较小时的一个典型的拉拔荷载–位移曲线。结合图9,13,得到锚固段拉拔变形(见图14),这样将锚固段从加载到破坏可分为以下几个阶段:(1)弹性变形阶段(见图15中的OA段)。当荷载P较小时,界面层的变形处于弹性范围。在这一阶段中,锚固段的剪应力分布和轴力的分布形式服从弹性规律可以由表面锚固)或内部锚固型[8~17]确定。在这一阶段中,随着荷载的增大,锚固段的位移比例增大。(2)滑移变形阶段(见图15的AB段)。当荷载进一步加大,最大剪应力达到一定的数值时,界面将部分塑性滑移变形。随着荷载的加大,塑性滑移区将不断扩展。而弹性变形区向锚固远端移动。在上述阶段中,由于界面层两侧的岩土体和灌浆体产生相对滑动,而且上面研究表明,界面层具有一定的厚度。因此,界面层区域将产生体胀,其结果在界面层上出现法向应力。法向应力的大小与界面层上的剪应变大小有关。这一法向应力增加了界面层上的滑阻力。因此,随着滑移变形区的加大,界面层上的剪应力也有进一步加大的趋势。表现为,塑性流动的硬化特征。在这一阶段中,是锚固力得到发挥的重要阶段,也是岩土锚固的主要工况。(3)脱黏出现与发展阶段(见图15中的BC段)。当荷载进一步加大,界面层两侧的岩土体和灌浆体相对位移加大,达到一定程度,界面层上的黏结力失效。因此,界面层上只剩下了与法向力有关的摩阻力。这种现象在复合材料中称为脱黏,在滑移区和脱黏区间,由于黏结力突然消失,因此剪应力出现跳跃。表现为突然下降,表现为剪应力软化现象。随着剪胀区的扩大,滑移区和弹性区向锚固体远端移动。而脱黏区又继续扩展,这时锚固力下降。在试验中,表现为“失稳”现象。这就是图15中的BC段突然下降的机制。(4)完全脱黏阶段(见图15中的CD段)。当脱黏区继续扩展,弹性区和滑移区相续消失,剩下的就全部为脱黏区。从滑移区减小、消失,锚固力突然下降,只剩下脱黏区的摩阻力,即锚固体的残余强度。如果试验继续进行,锚杆体向上移动,锚固长度逐渐减小,残余锚固力还会减小,表现为CD段随位移增加,荷载逐渐减小。因此,图15给出的锚固段界面层剪应力–位移的本构关系能很好地描述锚固体在拉拔条件下的荷载位移关系,为进一步研究预应力锚索锚固段的力学效应提供了依据。6弹塑性变形阶段由图9可以看出,不同的锚固长度的全应力–应变曲线不同,主要表现在不同的失稳方式。图9中,由于锚固长度较小(150mm),当拉力达到峰值时,锚固突然失效,称为不稳定失效。当锚固长度较长时(250mm),当拉力达到峰值时,锚固不会出现突然失效现象,而是锚固力逐渐下降,最后失效,这种现象称为稳定失效。可以想象,如果锚固长度到达一定值时,则不会出现失效现象。锚固体的稳定失效形式可通过图16进行初步解释:(1)锚固长度较短,如图16(a)所示。在荷载的作用下,首先产生弹性变形,随着荷载的加大,在剪应力最大处产生滑移,即进入弹塑性变形阶段,之后继续发展,使的达到完全塑性阶段,此时为锚固荷载的峰值,达到极限状态,如果荷载进一步加大,在锚固段荷载的近端首先产生脱黏现象,所谓的脱黏是锚固体与基体的界面上黏结力丧失,只剩下摩擦力,因此荷载P就得下降下来,荷载P的下降,使的储存于试验机的部分能量和试件上的能量将释放出来,加速了脱黏段的发展,因此产生了锚固体的不稳定失效,在荷载位移图上表现为荷载P急速下降,最后只得保留摩擦阻力,这就是锚固体界面产生不稳定失效的力学机制。(2)锚固体长度较大时,如图16(b)所示。随着荷载的增加,首先经历弹性变形和弹塑性变形阶段,但是,如果荷载继续增大,锚固体的界面上没有出现完全塑性变形,即在锚固段荷载的远端仍然有变形段,这时在锚固段荷载的近端出现脱黏现象,因此塑性区将继续向下扩展,使的锚固力逐渐下降,但是不至于如图16(a)所示的那种急剧下降,因此产生稳定失效。(3)当锚固体的长度较大时,如图16(c)所示。和前面情况一样,随着荷载的加大,经历弹性阶段,弹塑性阶段,并且继续发展,在锚固体荷载的近端产生脱黏现象,这时,弹塑性区和弹性将继续向锚固体荷载远端平移,弹塑性区和弹性区的锚固力(剪应力分布沿锚固体表面积的积分)没有下降,而且增加了脱黏段的摩擦阻力,因此在这一阶段中,锚固力不但没有下降,而且略有提高,只有当塑性区接近锚固体荷载的远端,才会出现图16(b)