新型碳丝维锚杆在治理边坡渐进式破坏工程中的应用

2020-09-01王秀蓉陈子君王邦民

矿产与地质 2020年3期

王秀蓉，陈子君，王邦民

(中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西桂林 541004)

0 引言

由于自然条件、地质构造、人类活动破坏等原因引起的滑坡灾害已经成为我国地质灾害防治领域的主要问题。每年发生的大型滑坡地质灾害给国家和地区造成了严重的人员伤亡和经济损失[1]，其中影响较严重的地区主要分布在广西、云南、贵州、四川、甘肃等地。由于滑坡地质灾害的突发性强，预防难度大，已严重威胁到建筑、道路等构筑物安全运营[2]。

长久以来边坡渐进式破坏问题一直困扰着工程建设及技术研究人员，成为岩土工程界研究难点问题。近年来有关学者在边坡的渐进破坏研究方面也取得了一些有益的成果[2-3]，薛海斌等[3]通过改进条分法对进行边坡稳定性分析，采用局部安全系数取代常规总体安全系数，模拟边坡的渐进式破坏过程；李小春、陈国庆等[1，4]在不平衡推力法中引入了Maxwell松弛模型，考虑了岩土体的应变软化特性，建立了土质边坡渐进破坏的演化模型。何忠明等[2]在传统瑞典条分法的基础上，引入了应变协调方程，提出了能够简化边坡稳定性分析方法，但该方法需要考虑土体的应变软化特性，此方法应用有一定的局限性。也有学者在传统的极限平衡法研究的基础上，考虑岩土体本构关系，引入强度折减法应用于边坡稳定性分析[5]，由于强度折减法包含了屈服度指标、区域破损强度参数等渐进破坏特性，更能合理模拟边坡的渐进破坏过程。

滑坡地质灾害治理方法较多，治理材料也日趋更新。传统的方法主要有抗滑桩、锚杆、锚索、挡土墙、排水沟等，其原理都是通过增加锚固力，减小下滑力，去除外界因素影响，从而使其稳定性增强，减轻其危害。滑坡地质灾害防治过程中，如何控制下滑力是治理成功的关键[5-6]，尤其是渐进式破坏滑坡治理，其隐伏式破坏面无法有效预测，边坡动态渐进破坏失稳是一个从量变到质变的过程，导致治理后的效果无法保障。因此滑坡治理需要高性能的锚固材料才能确保工程效果，一般情况下对于小型滑坡体(厚度5m～8 m)，可采用消坡卸荷方法治理，对于大型的高陡边坡必须提高材料性能，增强锚固力才能彻底解决渐进式破坏问题[3，7]。当滑坡体的厚度较大、高度较高时，传统的治理方法存在切坡卸荷工程量大、经济投入多、环境破坏大等诸多缺点，而不能广泛使用，如何开发经济、环保、可靠的锚固材料是亟待解决的问题。

渐进式滑坡破坏治理的关键是选择可靠的锚固材料，它是治理后滑坡稳定性的保障，直接决定工程治理效果与经济投入。国内外对于锚固材料的研发取得了较多有益的成果，Ugai K等[5]研发了碳纤维石墨微晶、高模量碳纤维等材料，具有良好的抗拉、抗弯、抗扭等优点，但由于刚度偏大、易脆裂、成本高等缺点而不能推广应用。Zienkiewicz O C等[6]通过钢筋基础原料，树脂锚固剂、碳纤维材料合成新型锚固材料，强度和稳定性都较好，因容易锈蚀，不满足渐进式破坏的治理要求。目前国内锚固材料多以传统钢筋材料为主，但材料锚固力较弱、稳定性较差、易锈蚀，边坡在治理后易发生应力松弛而引发二次破坏，治理效果无法保证。

基于此，为彻底解决渐进式滑坡的破坏问题，彻底根治持续破坏带来不利影响。本文通过分析滑坡渐进式破坏过程的特点，研发了具有低成本、高性能、耐腐蚀等优点的新型碳丝维锚固材料，通过强度试验等测试锚固材料的物理力学性能指标，并建立渐进式滑坡仿真模型与工程测试，验证锚固材料的工程可靠性。

1 新型碳丝维锚杆的制备

1.1 材料选择

锚固材料选取依据经济性、实用性、可靠性原则，主要由碳丝维复合材料和钢筋材料组成，其中碳丝维复合材料(图1)主要为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维，沥青基碳纤维主要原料为石油沥青和煤沥青。钢筋材料为热轧带肋钢筋，牌号可依据锚固力需求大小选取，一般选取HRB235、HRB400、HRB500等牌号，外径为Φ15～25 mm。材料最优配比方案可通过试验确定。

图1 碳丝维锚杆结构图Fig.1 Structure diagram of carbon wire anchor rod

除此之外锚固材料还包含固化剂、促进剂和锚固剂外加剂材料等。其中固化剂为间苯二胺(MPD)或二氨基二苯基甲烷(DDM)；促进剂为氧化锌或氧化镁和氧化铅；锚固剂为Z2850树脂。

1.2 制备方法

锚固材料可按常规方法制备，具体如下：

1)对碳丝维复合材料进行张拉之后，表面沉积涂抹防氧化层，形成无裂纹表面涂层。

2)对钢筋材料施加张拉应力，表层镀促进剂，防止氧化。

3)升高温度，将张拉后碳丝维复合材料与钢筋材料捻股组合，得到碳丝维锚杆初始复合材料。

4)降温后，对初始复合材料再次张拉，而后卸除张拉应力，表面涂覆固化剂，即得到碳丝维锚杆。

5)在治理滑坡地质灾害使用前，采用锚固剂涂抹在碳丝维锚杆的表面，即可得到完整的滑坡锚固材料。

2 新型碳丝维锚杆性能试验

2.1 抗拉性能试验

碳丝维锚固材料按配比方案要求制备，长度为350 mm，直径为Φ20 mm，制作6根。传统锚杆材料为螺纹钢筋，型号HRB235钢筋(Φ20 mm)，规格为350 mm标准试件，制作6根。测试设备为WEW-300B锚杆抗拉强度试验机，试验后，测定抗拉强度Rm，测试结果见图2。

由图2可知，传统钢筋锚固材料试件应力峰值强度约180 MPa，新型碳丝维锚杆材料应力峰值强度接近240 MPa，高于传统钢筋锚固材料应力峰值强度近35%，另外由图2应力-应变关系曲线变化也可以看出，新型锚固材料线性变化规律性较好，未见应力集中现象，而传统钢筋锚固材料应力应变曲线规整性较差，应力集中现象较明显。试验结果表明，碳丝维聚合物材料在强、弱动态键的协同作用下，可大大提高其拉伸倍数，一般钢筋材料的拉伸通常不超过10倍，而新型材料拉伸倍数可达30倍以上，大大提高了锚固材料的抗拉性能。在工程使用中可有效增加锚固力，防止因抗拉性能不足而引发滑坡的二次破坏。

图2 抗拉试验结果曲线Fig.2 Result curve of tensile test

2.2 抗弯性能试验

碳丝维锚固材料按配比方案要求制备长度为400 mm、直径Φ22 mm的标准试件2根。采用同样的方法制作传统钢筋锚杆，材料为Φ22的HRB235钢筋，长度为400 mm，制作标准试件2根，制备过程保持环境干燥，防止生锈。试验设备为QX-W700锚杆弯曲强度测试仪，试验开始后缓慢施加应力，每次弯曲角度达到180°后，反向加载，弯曲数次后进行扰度测试，试验结果见图3。

图3 抗弯性能试验结果Fig.3 The result of bending resistance test

由图3可知，传统钢筋锚杆试件经3次弯曲试验后，表面出现明显裂裂纹，峰值强度达到最大，经5次弯曲试验后，钢筋进入塑性阶段，弯曲面几乎断裂，出现塑性破坏，此时强度逐渐降低；新型碳丝维锚固材料试件经3次加载弯曲后，表面几乎无裂缝，整个材料仍处于弹性变形范围，此时峰值强度逐渐增大。经10次弯曲试验后，峰值强度达到最大，试件表面有明显裂纹出现，但峰值强度依旧保持较高水平，试件仍表现出极好的韧性。以上试验结果表明新型碳丝维锚固材料相比于传统钢筋锚固材料具有良好的抗弯性能，在治理滑坡工程中能够有效抵抗滑体带来的弯曲破坏。

2.3 抗扭性能试验

碳丝维锚固材料按配比方案要求制备长度为350 mm、直径Φ22 mm的标准试件2根。采用同样的方法制作传统钢筋锚杆，材料为Φ22的HRB235钢筋，长度为350 mm，制作标准试件2根。制备过程保持试件的直线形状，不存在损伤、扭曲等瑕疵。试验设备为NZ500型全自动扭转试验机，加载过程控制速度，缓慢施加扭力，记录扭转次数。

由图4可知，传统钢筋锚杆材料试件扭转3.5次后，抵抗扭矩达到最大值7.5 kN·m，试件表面开始出现裂纹；新型锚固材料试件扭转8.5次后，抵抗扭矩达到最大值12.5 kN·m，且试件表面仅出现轻微裂纹，抗扭性比传统钢筋材料提高了60%以上。试验表明在弯曲过程中，表面附着的碳丝维高聚合物材料双键键能较高，具有很好弹性，能够在扭曲变形中增加钢筋的回弹性能，在扭转后易于回弹到初始状态，因此极大地增加了抗扭性能。

图4 抗扭性能试验结果Fig.4 The result of torsion resistance test

2.4 腐蚀性试验

碳丝维锚固材料按配比方案制备，制做长度1500 mm，直径Φ22 mm的标准试件5根；传统钢筋锚杆采用HRB235钢筋(Φ22 mm)，长度为1500 mm，制作标准试件5根，制备过程在密闭、干燥环境中进行，防止生锈。试验在潮湿模型箱中进行，并注入SO2等腐蚀性气体，自然锈蚀150d后，用UJ25型电位差计测定试样的电位水平Esce。具体结果见图5。

由图5可见，传统钢筋材料电位水平Esce为-0.6～-0.4，整个材料全段面出现锈蚀，且随着时间的增加，锈蚀度越来越高；新型锚固材料电位水平Esce为-0.8～-0.6，基本未有锈蚀现象，且随着时间的增加抗锈蚀能力还不断提高。可见新型锚固材料在制备过程中有效融合了高聚合物低碳极吸附特性，降低了钢筋材料的电位水平，在潮湿环境下可抑制钢材发生腐蚀性化学反应的进程，增加了材料的耐腐蚀性，因而在工程使用中使用寿命长。

图5 电位水平Esce结果曲线Fig.5 Result curve of potential level Esce

2.5 锚固效果试验

试验采用传统钢筋锚固材料、新型碳丝维锚固材料两种方案进行，其中传统钢筋锚固材料为HRB335钢筋锚杆(Φ20 mm)，锚固剂为水泥砂浆，新型锚固材料是由碳丝维与HRB235 (Φ15 mm)钢筋制备的锚杆，表面涂抹固化剂。

试验场地为桂林市龙胜县体育路2个相似滑坡，1号滑坡高度约14.9 m，宽度13 m，滑体厚度8 m，采用传统钢筋锚杆治理；2滑坡高度约15.3 m，宽度13.7 m，滑体厚度7.9 m，采用新型碳丝维锚杆治理。

采用QZJ100B高压钻机分别对1号滑坡、2号滑坡钻孔，钻孔倾角控制约35°，两种方案施工均按《土层锚杆设计与施工规范》(CECS22：90)要求进行，滑坡治理稳定后一个水文年内进行检测，检测仪器采用SIR-2型检测仪。检测结果见图6、图7。

图6 传统锚固材料检测结果Fig.6 Test result of traditional anchorage material

图7 新型锚固材料检测结果Fig.7 Test result of new anchorage material

由图6、图7检测结果可知，传统材料治理后的锚固区出现较弱的反射波，且随着深度的增加，反射频率越来越低，后期几乎没有波形信号，表明锚固区完整性效果不佳；反观新型锚固材料治理后的锚固区，反射波形信号较强，波形规整，仅在局部地段信号表现弱，表明锚固后的滑体整体性较好。另外在材料使用方面，传统材料所用钢筋多，质量大，施工过程困难，治理后滑坡上缘还出现明显的裂缝，最大裂缝近5 cm，且锚固端钢筋有明显锈蚀，锚固效果不好；而新型锚固材料使用钢筋材料数量仅为传统材料40%，重量为传统钢筋材料的20%，且施工方便，治理后滑坡上缘未有明显裂缝，锚固端钢筋未见明显锈蚀，未见滑动位移，治理后滑坡整体稳定性较好。

将以上试验结果与传统钢筋材料试验结果进行对比验证，结果如下：在抗拉强度性能方面传统钢筋锚固材料试件应力峰值强度约180 MPa，新型碳丝维锚杆材料应力峰值强度接近240 MPa，高于传统钢筋锚固材料应力峰值强度近35%，且具有较高的拉伸弹性模量；在弯曲试验中新型碳丝维锚杆材料进入塑性变形阶段的进程明显慢于传统钢筋材料，抵抗塑性破坏的能力远大于传统钢筋材料，抗弯性能提高了近50%；在抗扭性能方面传统钢筋材料抵抗扭矩最大值为7.5 kN·m，新型锚固材料抵抗扭矩最大值为12.5 kN·m，抗扭性比传统钢筋材料提高了60%；在耐腐蚀性能方面，传统钢筋材料电位水平Esce为-0.6～-0.4，电位水平值相对较低，材料易发生锈蚀现象，新型锚固材料电位水平Esce为-0.8～-0.6，相对较高，抗锈蚀能力更强；在锚固效果方面新型锚固材料使用钢筋材料数量仅为传统材料五分之二，重量仅为传统钢筋材料的1/5，相对于传统钢筋材料具有轻质高强的特点，未来在工程使用中可有效节约材料，显著降低治理费用。

3 边坡渐进式破坏数值模拟验证

3.1 计算模型及边界条件

根据渐进式滑坡的特征，确定计算模型形状及尺寸[6，10]。模型具体参数：坡高H为30 m，坡肩为60 m，坡角为45°坡脚至左边界距离为1.5H，坡顶至右边界距离为2.5H，坡顶部到底部边界距离为3H。模型计算单元划分为15 674个，节点15 714个，计算模型见图8。

图8 边坡计算模型Fig.8 Slope calculation model

模型法向约束边界为两侧边缘，全约束边界条件为底部界限范围内。

3.2 计算参数及计算方案

根据Mohr- Coulomb 应变软化本构模型及库伦强度准则确定计算参数[8，10]，具体参数选取见表1。

表1 计算参数Table 1 Calculated parameters

为了对比验证治理前后滑坡的稳定性效果，不同材料锚固后的性能。本文采用三种研究方案进行了对比验证。方案A为新型碳丝维锚固材料，方案B为传统钢筋锚固材料，方案C为无锚固措施的自然滑坡。在模型计算中大多数参数会保持不变。只有黏聚力、等效塑性应变阈值个别计算参数会发生变化，针对这些会发生变化的计算参数可根据黏聚力-等效塑性应变曲线确定，具体参数选取见图9。

图9 黏聚力-等效塑性应变变化曲线Fig.9 Cohesive force-equivalent plastic strain curve

3.3 不同锚固材料治理后边坡的特征分析

边坡渐进式破坏过程包括剪切带扩展过程、治理材料参数时空演化过程、滑坡特征点运动学变量变化过程；通过Bishop 法确定静态安全系数[7，11]，对锚固材料参数时空分布、边坡动态安全系数分析，验证边坡渐进破坏仿真模型合理性及锚固材料可靠性。

3.3.1剪切带渐进破坏过程及锚固效果描述

根据建立的计算模型，对自然滑坡及采用两种锚固材料治理后方案的可靠性进行验证，在滑坡渐进式破坏过程中，随着时间变化，会先在软弱滑动面形成剪切带，剪切带不断加宽后形成塑性区，塑性区延伸后形成整条滑带。整个滑动面由滑体(D)、滑带(E)、滑床(F)组成。计算结果见图10。

由图10可见，边坡发生渐进式破坏过程先从坡脚开始，随着时间的增加，塑性区逐渐向上发展，延滑动面不断延伸，此时滑动面塑性应变增大，黏聚力减小，进入塑性状态的点越来越多，塑性应变也逐渐增大，黏聚力峰值强度急剧减小，最终达到残余黏聚力最小值，渐进式破坏过程结束，整个滑动面的塑性区完全贯通，边坡处于完全破坏状态。此外，两种材料方案锚固后的滑坡，其渐进破坏的程度不同。传统材料锚固后的滑坡，其塑性区处于完全贯通状态，而反观采用新型碳丝维锚杆材料加固边坡的方案，渐进式破坏进程持续到边坡的中上缘处即停止，整个塑性面没有实现贯通，表明碳丝维锚固材料能有效限制边坡渐进式破坏的进程，对滑坡治理的可靠性更高。

图10 边坡的渐进破坏过程及锚固效果

3.3.2滑体内特征点运动学变量描述

滑动面每个特征点在空间的运动学变量变化过程都表现的各不相同。各特征点运动学特征量与时间关系曲线见图11。

图11 滑动面特征点运动学特征量与时间关系

由图11a可知，滑体D中特征点在水平方向的加速度呈直线状态，大小基本趋向于0；而滑带E特征点、滑床内F特征点从开始都有上下方向的加速度，且随着时间的变化，在局部地段还出现加速度的跳跃点，表明在竖直方向边坡破坏的趋势更为突出，这也充分说明滑体自重的荷载作用是引发滑坡破坏的主要因素。

由图11b可知，滑体(D)、滑带(E)、滑床(F)在开始阶段水平向速度为0，随着时间增加，0～4 s内水平速度向负向增大，此时整个滑坡体在自重作用下开始向下滑移破坏，5～12 s水平向速度开始转向正向增大，此时滑坡开始出现拉裂破坏，12 s以后水平速度方向又转向负向，表明滑体与滑床基本脱离，完全处于滑动状态，此时滑坡状态最危险，随时可能发生大规模破坏。

由图11c可知，初始阶段滑坡体的水平向位移变化较小，此时滑坡体内各点处于蠕滑阶段，从12 s后开始，水平位移负向逐渐增大，尤其是方案C中自然滑坡增长幅度变化明显，方案B增长幅度次之，方案A增长幅度最小，这也充分说明采用碳丝维锚杆治理后滑坡，其位移变形得到了充分的约束，与传统的钢筋锚固材料相比，碳丝维锚固材料在治理渐进式滑坡变形破坏方面更具优势。

3.4 锚固后滑动面的安全系数影响分析

安全系数在评价渐进式破坏滑坡的治理效果方面是至关重要的，是评价边坡稳定的重要指标。本文中滑坡锚固前后安全系数安全系数变化过程曲线见图12。

图12 边坡渐进破坏过程中不同方案的安全系数变化曲线Fig.12 The variation curve of safety coefficient ofdifferent schemes in the process of slope progressive failure

由图12可见，边坡在锚固前后，不同方案的安全系数有明显变化，方案A的安全系数在渐进式破坏过程中，变化曲线最为优越，始终保持较高地安全系数指标，即使在后期残余黏聚力较小的时候，依然保持着1.0以上的水平，此时的边坡安全性依然很高，不会发生滑塌破坏；方案B初期安全系数比较高，但随着时间增加开始逐渐降低，尤其在20 s以后，急剧降低，此时滑坡体的残余黏聚力达到最小值，但由于锚固作用遭到渐进式破坏的影响较大，因为无法抵抗下滑力的冲击，此时滑坡较为危险，随时可能发生大规模的垮塌，随后边坡安全系数逐渐减小，最终达到和天然滑坡一样的状态，说明传统钢筋锚固材料在治理渐进式滑坡破坏方面存在较大的缺陷；方案C边坡安全系数变化相比较锚固材料治理的结果而言，变化更加明显，仅仅在前期保持了较短时间的安全稳定系数，而后安全系数急剧降低，无缓冲的空间，残余黏聚力呈现最低水平，等效塑性应变阈值增大，安全系数快速减小阶段较其他两种方案提前，快速减小阶段时间短，在滑坡体稳定后的安全系数也比其他两种方案低。由以上分析可知，碳丝维锚固材料在治理渐进式滑坡中有较好的适宜性，能够充分结合滑坡体的变形特征，治理效果也能得到有效保证。