黏性土层中拉力型锚杆抗拔力现场试验研究

刘小斌 乔丽平 李韵迪

1. 深圳市建筑工程质量安全监督总站 广东 深圳 518030；2. 深圳市龙岗地质勘查局 广东 深圳 518172；3. 深圳市岩土综合勘察设计有限公司 广东 深圳 518172

注浆锚杆在边坡工程、基坑工程、隧道加固、水电站大坝等岩土工程领域运用广泛。注浆锚杆锚固体与岩土体之间的极限黏结强度是锚杆发挥其力学性能的关键。基于不同的注浆工艺，工程中最为常见的为一次注浆型锚杆（直筒型重力灌浆型锚杆）和二次注浆型锚杆（后高压灌浆型锚杆）。目前，针对两种锚杆锚固体与岩土体之间的极限黏结强度，各种规范给出的建议值变化范围较大，本文结合现场原型试验，重点分析探讨了注浆锚杆极限黏结强度[1-7]。

1 试验概况

深圳坪山锚杆大型综合试验项目是《深圳市锚杆试验与检测技术标准》编制组主导的一项以采用多种方法测试岩土锚杆（索）力学特性、长度为主要目的的大型综合型试验，试验锚杆有全黏结型、拉力型、压力分散型等9种（共计约180根），获得试验数据约400余组。本文主要以其中一次注浆型锚杆（B型）和二次注浆型锚杆（C型）试验成果为基础进行分析。试验采用分布式光纤测试锚固体应变，加卸载设备采用高精度自动控制系统，采用实时无线数据传输技术。

试验场地锚杆长度范围内地层单一，均为残积砂质黏性土，由中粒花岗岩风化残积而成，稍湿-湿，硬塑状态，标贯锤击数22.0击。天然重度18.0 kN/m3、黏聚力25 kPa、内摩擦角28°。钻孔旁压试验和标贯击数均表明，随深度增加，标贯击数和压力值均在逐渐增加，没有突变的情况，场地在深度方向均匀。

试验锚杆由6根强度等级1 860 MPa、直径15.2 mm的钢绞线组成，锚杆孔径180 mm，注浆采用P·O 42.5、水灰比0.5的水泥浆。本次分析选取一次注浆锚杆（B型）及二次注浆锚杆（C型）各16根，2种类型分别根据锚固长度分为4组，共8组。锚固长度分别是9、12、15和18 m，每组各4根，编号为a—d。锚杆试验方法为多循环加卸载极限试验，极限试验从加载到锚杆发生破坏为止，试验结果为锚杆锚固体均发生了拔出破坏。

2 锚杆极限抗拔力试验数据对比分析

2.1 试验数据

本项目极限试验加卸载采用多循环法，循环次数6～8次，分级荷载为预估最大试验荷载Pp的0.3、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9及1.0倍；加载至Pp后若未破坏，则继续分级加载至破坏，每级荷载增量取0.05Pp；初始荷载为0.1Pp且不大于50 kN。

一次注浆型锚杆（B型）4组试验中选择1组典型荷载-位移（P-s），如图1所示；二次注浆型锚杆（C型）4组试验中选择1组典型荷载-位移（P-s），如图2所示。

图1 一次注浆型锚杆（B型）典型多循环P-s曲线

图2 二次注浆型锚杆（C型）典型多循环P-s曲线

国内规范对于判别锚杆是否达到极限抗拔力状态有多种不同的标准，归纳起来主要有如下4种：锚头位移不收敛，锚头被拔出；锚头位移突变，破坏前、后级位移增量倍数关系2～5倍；锚头位移超过了限值；锚头在1 h内蠕变率不超过2.0 mm。

本次分析提取试验中锚头位移不收敛破坏级荷载作为极限抗拔力（即锚固体从岩土层中拔出时，对应荷载作为极限抗拔力），2种类型锚杆试验极限抗拔力汇总于表1。

表1 2种类型锚杆试验极限抗拔力

2.2 数据分析

为进一步分析2种类型锚杆极限抗拔力与锚固长度关系，将2种类型锚杆各4组（编号a—d）锚杆的极限抗拔力与相对应的锚固长度汇总，如图3所示。

图3 2种类型锚杆极限抗拔力与锚固长度关系曲线

从图3分析可知：

1）相同锚固长度，二次注浆型锚杆极限抗拔力普遍大于一次注浆型锚杆。在本次试验中的9～18 m锚固长度范围内，锚杆极限抗拔力基本都随锚固长度逐渐增加，但出现个别锚杆增加幅度到一定锚固长度后，再增加锚杆长度，其极限抗拔力基本不增加的现象（如b组试验）。

2）极限抗拔力与锚固段长度并非完全成正比关系。从图3分析可知，锚固段长度超过15 m后，一次注浆型锚杆极限抗拔力增长速率明显变缓，甚至出现个别锚杆锚固力基本维持不变的情况。二次注浆型锚杆锚固段长度超过15 m后，极限抗拔力增长速率未出现明显变缓现象，a、c、d组试验曲线极限抗拔力增长速率增大，即二次注浆型锚杆锚固体有效锚固长度较一次注浆型锚杆有所提高。分析产生上述现象的原因，可能有两方面：一方面，注浆工艺本身的特点导致一次注浆型锚杆实际锚固段尚未达到其理论极限黏结强度，使得锚杆极限抗拔力未完全发挥出来，从而使其实际有效锚固长度较理论有效锚固长度偏小；另一方面，二次注浆型锚杆在对锚固段进行第1次注浆后，待注浆体具有一定强度后再施作第2次高压注浆，使浆液冲开原已形成的注浆体，向周围土体渗透扩散，形成水泥镶嵌体，即在相同锚固长度条件下，二次注浆型锚杆锚固体体积较一次注浆型锚杆增大，使得锚固体与周围土体接触更紧密，从而使锚固体周边的极限黏结强度得以提高，使二次注浆型锚杆锚固体的有效锚固长度明显增大。

3 黏结强度对比分析

从锚杆抗拔力P的表达式P＝πDLfmg可以看到，锚杆锚固灌浆体与岩土体之间的黏结强度fmg是影响锚杆极限抗拔力P的主要因素。

本次试验场地经精心挑选，锚杆长度范围内地层单一，均为残积砂质黏性土，由中粒花岗岩风化残积而成，稍湿-湿润，硬塑状态。根据上述极限抗拔力计算该试验场地的地层极限黏结强度见表2和表3，2种类型锚杆的极限黏结强度散点分布如图4所示。

图4 试验锚杆极限黏结强度分布散点

表2 一次注浆型锚杆极限黏结强度

表3 二次注浆型锚杆极限黏结强度

分析表2、表3数据可知：本场地一次注浆型锚杆锚固体的极限黏结强度平均值104.4 kPa，标准差23.97 kPa，变异次数0.23；二次注浆型锚杆锚固体的极限黏结强度平均值122.2 kPa，标准差16.28 kPa，变异次数0.13。

采用国家标准GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》（2009年版）中统计修正系数和标准值公式：

计算可得：一次注浆型锚杆统计修正系数γs＝0.897 8，极限黏结强度标准值为94 kPa；二次注浆型锚杆统计修正系数γs＝0.942 2，极限黏结强度标准值为115 kPa。

由表2、表3可知：本次试验一次注浆型锚杆（长度9～18 m）锚固体的极限黏结强度为90～110 kPa，二次注浆型锚杆（长度9～18 m）锚固体的极限黏结强度为115～135 kPa。其中，长9、12、15、18 m锚杆二次注浆后极限黏结强度分别增加约18%、18%、11%、27%；二次注浆型锚杆锚固体与地层极限黏结强度约为一次注浆型锚杆的锚固体极限黏结强度值的1.1～1.3倍。本场地二次注浆型锚杆锚固体与地层极限黏结强度标准值为一次注浆型锚杆极限黏结强度标准值的1.2倍。

深圳市工程建设标准SJG 05—2020《基坑支护技术标准》给出的土层（花岗岩残积土、硬塑）与锚固段注浆体间二次注浆后的极限黏结强度值为80～120 kPa。国家行业标准JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》给出的黏性土（0

1）在类似地层条件下，一次注浆型锚杆和二次注浆型锚杆极限黏结强度标准值均大大高于规范给出的参考值。

2）本次试验中一次注浆型锚杆极限黏结强度标准值约为JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》给出的参考值平均值的1.36倍。

3）本次试验中二次注浆型锚杆极限黏结强度标准值约为SJG 05—2020《基坑支护技术标准》给出的参考值平均值的1.15倍、JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》给出的参考值平均值的1.24倍。

4）本次试验中二次注浆型锚杆极限黏结强度标准值较一次注浆型锚杆极限黏结强度标准值的增量幅度小于JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》参考值的增量幅度。

4 结语

1）在相同地层条件下，相同锚固长度的二次注浆型锚杆极限抗拔力普遍大于一次注浆型锚杆，为一次注浆型锚杆极限抗拔力的1.1～1.3倍。在本次试验中的9～18 m锚固长度范围内，锚杆极限抗拔力基本都随锚固长度逐渐增加，但个别锚杆增加幅度到一定锚固长度后，再增加锚杆长度，其极限抗拔力基本维持不变。

2）极限抗拔力与锚固段长度并非完全成正比关系，锚固段长度超过一定值后，锚杆极限抗拔力增长速率明显变缓，甚至出现个别锚杆锚固力基本维持不变的情况。

3）在该场地硬塑状残积砂质黏性土中，一次注浆型锚杆锚固体极限黏结强度为90～110 kPa，二次注浆型锚杆锚固体极限黏结强度为115～135 kPa。二次注浆型锚杆锚固体与地层极限黏结强度标准值为一次注浆型锚杆极限黏结强度标准值的1.2倍。

4）在类似地层条件下，一次注浆型锚杆和二次注浆型锚杆极限黏结强度标准值均大大高于规范参考值。