红层锚杆抗拔力学性质模型试验研究
2013-04-29赵明华王海波刘晓明张玲
赵明华 王海波 刘晓明 张玲
摘 要：为了解红层软岩的崩解特性对锚杆力学性质影响的规律，设计了红层软岩中锚杆抗拔试验和红层软岩的耐崩解试验.首先通过红层锚杆抗拔试验，得到了红层锚杆在循环荷载下的荷载
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位移曲线（PS）和荷载
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弹/塑性位移曲线（PSe，PSp）的演化规律，然后通过耐崩解试验得到红层软岩的耐崩解指数Id2，最后将锚杆的力学性质与红层软岩的耐崩解指数Id2联合起来进行分析.分析表明，随着耐崩解指数的降低，红层锚杆抗拔力学性质变差.
关键词：红层；锚杆；抗拔；力学性质；模型试验
中图分类号：TU458 文献标识码：AModel Test Research on the Red Layer Anchors Mechanical
Properties of Pullout Resistance
ZHAO Minghua，WANG Haibo，LIU Xiaoming，ZHANGling
（College of Civil Engineering，Hunan Univ，Changsha， Hunan 410082，China） Abstract：Slopes with red beds are often reinforced by anchors. But the disintegration characteristics of the red sandstone have direct influence on the mechanical properties of the anchors. Thus， it is required to study the laws between the disintegrating resistance characteristics of the red sandstone and the mechanical properties of the anchors. In this paper， anchor pullout tests in red sandstone layers and disintegrating resistance tests of red sandstone were carried out. Firstly， the evolution rules of the loaddisplacement curves and the loading elasticplastic displacement curves of the anchors in red beds under cycling loads were obtained through anchor pullout tests. Secondly， the disintegrating resistance index was acquired under the disintegrating resistance tests. At last， the laws between the disintegrating resistance characteristics of the red sandstone and the mechanical properties of the anchors were combined. The analysis shows that， with the reduction of disintegrating resistance index， the mechanical properties of the resistance of pullout become poor.
Key words：red beds；anchors； pullout resistance；mechanical properties； model test
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近十幾年来，我国高速公路、铁路等基础设施建设取得了辉煌的成就，在工程建设中时常遇到红层.红层中含有大量的沉积类岩石，由于这些岩石强度不高，大多低于30 MPa，所以称之为红层软岩＼[1＼].红层软岩大多具有遇水崩解的不良工程特性.Cassell＼[2＼]对软岩切方在27～70年后发生滑坡的现象进行了研究，发现软岩滑坡的滑动面处岩土材料的抗剪强度下降为原来的1/5～1/26.Engin＼[3＼]通过大量试验建立了肯塔基软岩岩石耐崩解指标与单轴抗压强度之间的关系.赵明华等＼[1，4，5＼]根据浸水崩解特性将红层软岩分为3类，并对Ⅰ类、Ⅱ类红层软岩进行处理，成功地将其用作路基填筑材料.苏永华＼[6＼]等利用稳定分数维作为软岩路基、堤坝修筑施工工艺控制性指标，指导某高速公路路堤工程的施工，获得了质量优良的路基.刘晓明＼[7-8＼]等对红层软岩崩解的主要影响因素以及Ⅰ类红砂岩崩解抑制措施进行了相关研究，发现水理特性不稳定的矿物含量是影响软岩崩解的主要因素，而Ca（OH）2对Ⅰ类红砂岩的崩解性抑制作用最强.
红层软岩的崩解会对其工程性质产生不良影响，若不采取防范措施，将给工程带来严重危害.在工程建设中，由于切方形成的红层边坡大多采用系统锚杆对其进行加固＼[9＼]，因而，对红层软岩的崩解特性与锚杆力学性质之间的影响规律进行研究显得尤为重要.本文对几组红层软岩试样设计了模型锚杆并进行了抗拔试验，再对该红层软岩进行了耐崩解试验，利用耐崩解试验得到的耐崩解指数反映其崩解特性，从而得到其崩解特性与锚杆抗拔力学性质之间的关系，以期供工程参考.
1 试验方案
本次试验的目的是得到红层软岩崩解特性对红层锚杆力学性质的影响规律，即耐崩解性指数与荷载
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位移曲线之间的关系，参照已有模型试验，采用实际材料的缩尺模型.将红层软岩编号为1#， 2#， 3#.首先在岩块上钻孔，制作锚杆，养护足够时间后，根据现行《岩土锚杆（索）技术规程》＼[10＼]进行抗拔试验，得到锚杆荷载
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位移（PS）曲线；然后将岩块破碎，选取合适的岩样，根据《公路工程岩石试验规程》＼[11＼]进行岩石耐崩解试验，得到岩块的耐崩解指数Id2（即崩解物中大于2 mm顆粒占固体总质量的百分数）；最后将PS曲线和耐崩解指数Id2联合起来进行分析，得出两者之间的规律.
本试验所采用红层软岩来自湖南某高速公路修建现场，其天然单轴抗压强度在10～30 MPa之间不等.本试验胶结材料采用水泥砂浆，其中水泥为山水牌P·O42.5R级水泥，砂为粒径≤2 mm的河砂，砂浆配合比按规程推荐的灰砂比1∶0.5～1∶1.为了得到较好的流动性，本次试验取配合比水∶灰∶砂为0.4∶0.8∶1.一般锚杆的破坏形式有3种：①杆体破坏，②杆体与胶结体之间破坏，③胶结体与岩土之间胶结面破坏.本试验希望得到红层软岩崩解特性对锚杆力学性质的影响规律，故参考规程中推荐的取值范围，对红层软岩与水泥砂浆的粘结强度取值为0.8 MPa，试验锚孔直径为32 mm，孔深为30 cm，胶结抗拔力为24.1 kN.且试验设计锚杆杆体的极限抗拔能力必须大于砂浆与软岩的胶结抗拔力.故采用HRb400精轧螺纹钢模拟锚杆杆体，直径为10 mm，极限承载力为31.4 kN.在标准条件下养护28 d.为使试验结果具有可比性，将锚杆极限抗拔能力均定为20 kN，参照《岩土锚杆（索）技术规程》，最大拉力荷载为极限抗拔力的80%，即16 kN .
抗拔试验采用穿心式千斤顶，试验张拉装置简图与仪器架设如图1所示.锚杆极限抗拔试验采用分级循环加载，加载等级和位移观测时间均遵循现行《岩土锚杆（索）技术规程》中的规定.加荷速率及注意事项：①第五循环前加荷速率为100 kN/min，第六循环的加荷速率为50 kN/min.②在每级加荷等级观测时间内，测读位移不少于3次.③在每级加荷等级观测时间内，锚头位移增量小于0.1 mm时，方可施加下一级荷载，否则延长观测时间，直至锚头位移增量在2 h内小于2 mm，方可施加下一级荷载.
湖南大学学报（自然科学版） 2013年
第8期 赵明华等：红层锚杆抗拔力学性质模型试验研究
图1 装置简图与仪器架设
Fig.1 Diagram of device and erection of instruments
锚杆抗拔试验完成后，将软岩破碎，根据《公路岩石试验规程》选取合适的岩样，每块试样质量为40～60 g，外形为浑圆块状，每组试验试件的数量为10个.试验过程中烘干的岩样如图2所示，耐崩解试验如图3所示.
图2 烘干的岩样
Fig.2 Ovendried red sandstone
图3 耐崩解试验
Fig.3 Experiment of slaking
2 试验结果及分析
2.1 试验结果
耐崩解试验结果见表1.由表可知，1#软岩在2次循环崩解试验中的崩解量并不大，耐崩解指数为87.6%，为碎屑岩类中的粉砂岩；3#软岩在2次循环崩解试验中的崩解量很大，耐崩解指数为56.3%，为粘土岩类中的砂质泥岩.而2#软岩在2次循环崩解试验中的崩解量介于两者之间，耐崩解指数为67.9%.一般情况下，粘土性矿物是软岩崩解的主要原因＼[12＼]，本试验也证实了这一点.碎屑岩类中的粉
表1 红层软岩耐崩解试验结果
Tab.1 Results of red sandstone on disintegrating
resistance test
岩样 编号 m0/g ms/g mr2/g Id2i/% Id2/%
A 1 452.1 1 998.6 1 921.6 85.9
1# B 1 452.3 1 983.4 1 933.7 90.6 87.6
C 1 452.3 2 005.6 1 929.8 86.3
A 1 452.4 1 978.4 1 834.3 72.6
2# B 1 452.2 1 987.3 1 805.9 66.1 67.9
C 1 452.3 1 993.1 1 803.8 65.0
A 1 452.2 2 034.8 1 777.9 55.9
3# B 1 452.3 2 012.7 1 784.1 59.2 56.3
C 1 452.2 2 001.3 1 748.3 53.9
砂岩崩解后在水中的沉积物很粗糙、扎手；粘土岩类中的砂质泥岩崩解后在水中的沉积物细腻、光滑，沉淀所需时间比粉砂岩长.
锚杆极限抗拔试验结果按照荷载对应的锚头位移列表整理，并绘制锚杆荷载
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位移（PS）曲线如图4所示.
S/10-2mm
（a） 1#锚杆总位移
S/10-2mm
（b） 2#锚杆总位移
S/10-2mm
（c） 3#锚杆总位移
图4 锚杆基本试验荷载
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总位移曲线
Fig.4 PS curves on basic test of anchors
从上述耐崩解试验结果与锚杆基本试验荷载
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总位移曲线可知：1#軟岩的耐崩解指数Id2为87.6%，在循环荷载下，最大的锚头位移为0.50 mm；2#软岩的耐崩解指数Id2为67.9%，在循环荷载下，最大的锚头位移为0.72 mm；3#软岩的耐崩解指数Id2为56.3%，在循环荷载下，最大的锚头位移为1.26 mm.分析可知：随着耐崩解指数的降低，锚头位移增大.然而，仅得到其耐崩解指数对锚头总位移的影响是不够的，本文还将分别从弹性位移、塑性位移两方面进行分析.
2.2 崩解特性对锚杆弹性位移与塑性位移的影响
由循环荷载下锚头的荷载
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位移曲线可得出其弹性位移Se与塑性位移Sp，在荷载
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总位移曲线中有：
S=Se+Sp.
其中每个循环中荷载恢复到2 kN时锚头不能恢复的位移量为塑性位移Sp，于是也可以得出弹性位移Se.图5为各锚杆的荷载
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弹性位移曲线，图6为各锚杆的荷载
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塑性位移曲线.
Se/10-2mm
图5 锚杆荷载
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弹性位移
Fig.5 PSe curves on basic test of anchors
Sp/10-2mm
图6 锚杆荷载
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塑性位移
Fig.6 PSp curves on basic test of anchors
由图5中曲线可知，在拉力荷载作用下，各锚杆产生的弹性位移基本呈线性变化，同时耐崩解指数大的红层软岩，在相同荷载作用下其锚杆产生的弹性位移小，即该软岩中的锚杆的抗拔刚度大.最大弹性位移值分别为0.19 mm，0.21 mm，0.25 mm.
由图6中曲线可知，当第一级荷载（6 kN）作用后，锚杆即产生塑性位移，可知第一级荷载大小已超过其弹性极限.在拉力荷载作用下，锚杆每级荷载作用下产生的塑性位移越来越大.不同软岩中的锚杆在相同荷载作用下的塑性位移差别很大，各锚杆产生的最大塑性位移分别为0.31 mm，0.51 mm，1.01 mm.红层软岩耐崩解指数的降低，使得锚杆塑性位移急剧增大.
2.3 荷载
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总位移曲线的拟合分析及能量关系
对荷载
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总位移曲线进行分析可知，曲线可采用二次三项式拟合，即
P=aS2+bS+c.
拟合曲线如图7所示.
总位移S/10-2mm
图7 荷载
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总位移拟合曲线
Fig.7 Fitting PS curves on basic test of anchors
拟合曲线的相关系数见表2.
表2 拟合曲线的相关系数
Tab.2 Correlation coefficients of fitting curves
1#锚杆 2#锚杆 3#锚杆
Id2/% 87.6 67.9 56.3
a 2.980 04 2.372 32 2.231 68
b 0.511 84 0.356 69 0.214 30
c -0.005 18 -0.002 36 -0.000 85
相关度 0.970 64 0.994 00 0.992 24
各锚杆拉伸的过程即是能量吸收的过程，而能量吸收的多少能够反映出锚杆力学性质的好坏.将锚杆视为轴心受拉杆件，略去加载和卸载过程中的能量损耗后，外力所做的功在数值上就等于积蓄在锚杆内的应变能.记锚杆在拉伸过程中吸收的能量为W，则有：
以下所计算的能量为各锚杆产生的位移从0到0.50 mm过程中锚杆所吸收的能量，各积分函数为拟合得到的多项式.1#， 2#， 3#锚杆在拉伸过程中吸收的能量分别为：
显见，W1>W2> W3，随着耐崩解指数的降低，相同位移条件下，锚杆吸收的能量减少，力学性能变差.现有标准及规程没有考虑岩石耐崩解强度对锚杆力学性能的影响，但根据上述分析可知，在红层锚杆的设计中应考虑软岩崩解对锚杆性质的影响.
3 结 论
本文进行了红层软岩锚杆抗拔模型试验与红层软岩的耐崩解试验，得到不同耐崩解指数红层软岩中锚杆的荷载
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位移（PS）曲线.根据本次试验研究，从锚头位移以及吸收的能量2个方面进行分析，得到以下结论，可供红层边坡的加固锚杆设计和施工参考.
1）随着拉力荷载的增大，锚杆弹性位移呈线性增长，塑性位移呈非线性增长.各锚杆产生的弹性位移差别不大，但随着耐崩解指数降低，产生的塑性位移增大，抗拔力学性能变差.
2）耐崩解指数不同的红层软岩中锚杆在产生相同位移时所吸收的能量不同.随着红层软岩耐崩解指数的降低，各锚杆能够吸收的能量降低，抗拔力学性能变差.
3）当红层边坡受雨水冲刷时，红层软岩将会出现不同程度的崩解，耐崩解强度越小，受到的影响越大.应在设计红层锚杆时考虑耐崩解强度对锚杆后期的抗拔力学性能的影响.
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