基于注浆工艺的边坡岩体与锚固体间粘结强度试验对比分析

林福　阙陈燕　陈善良

摘 要：依托我国南部沿海地区的某大型锚杆试验场地，基于不同的注浆工艺，通过试验数据分析与对比，得出，一、二次注浆型锚杆这2种工况下的极限粘结强度情况，并与国家规范给出的建议值进行对比分析。结果表明：在同样的地层与锚固长度条件下，二次注浆工艺下的锚杆极限抗拔力约为一次注浆工艺时的1.1～1.3倍。当锚固长度逐渐变大时，极限抗拔力表现为非线性变大趋势，超过一定值后，一次注浆工艺的极限抗拔力缓慢增大；而二次注浆锚杆的极限抗拔力仍大幅提高。在呈硬塑状的残积砂质粘性土地层条件下，不管是一次注浆工艺还是二次注浆工艺，其相应锚杆的极限粘结强度标准值均远大于规范值。

关键词：注浆锚杆；锚固体；粘结强度；试验分析

中图分类号：TQ492；TU442文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0034-04

Experimental analysis of bond strength between slope rock mass and anchorage based on grouting technology

LIN Fu，QUE Chenyan，CHEN Shanliang

（Fujian Geotechnical Engineering Richa Research Institute Co.，Ltd.，Fuzhou 350108，China）

Abstract：Relying on a large-scale bolt test site in the southern coastal area of China，based on different grouting processes，through the analysis and comparison of test data，the ultimate bond strength of primary grouting bolt and secondary grouting bolt under these two working conditions is summarized，and compared with the recommended value given by the national code.The results show that under the same stratum and anchorage length，the ultimate pullout force of anchor bolt under the secondary grouting process is about 1.1～1.3 times  of that under the primary grouting process.When the anchorage length increases gradually，the ultimate pull-out force shows a nonlinear trend.When it exceeds a certain value，the ultimate pull-out force of the primary grouting process increases slowly，while the ultimate pull-out force of the secondary grouting bolt still increases greatly.Under the condition of hard plastic residual sandy cohesive soil layer，whether it is primary grouting process or secondary grouting process，the standard value of the ultimate bond strength of the corresponding anchor rod is far greater than the standard value.

Key words：grouting bolt;anchor solid;bond strength;experimental analysis

在實践中，当锚杆所受拉力大于抗拉强度时，锚索将会发生破坏。锚索的破坏方式一般表现为钢绞线断裂或从锚固体中被拔出，另外也可能表现为锚固体整体沿锚孔岩壁滑移。发生前两种破坏时，可采取室内试验以及理论计算等措施，实现对锚索构造的合理设计。而锚固体整体滑移时，起决定作用的是锚固体与岩土层的粘结强度，国内外专家学者对此均进行了较为深入的研究。

针对锚固体与岩土层之间的粘结强度值问题，认为可通过岩石强度等级获得相应的建议值［1］。为合理确定锚固体与岩土层之间的粘结强度值，结合结构面参数以及岩石强度等条件，得到了相应的计算公式［2-3］。依托我国西南某高速公路强-中风化花岗岩的高边坡防护案例，通过实际试验的方法确定了防护锚索的极限承载力，得到了相应土层中的锚索破坏形式［4］。基于预应力锚索支护坡面情况，通过设置试验孔获得了锚固体与土层间的极限粘结强度［5］。则为研究确定岩石锚杆的P-S曲线，尝试将指数与双曲线2种拟合模型进行了对比分析［6］。在GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》中，认为涉及新工艺与新材料的锚索工程，或缺乏锚固案例的岩土条件工程以及一级边坡项目，粘结强度值应经由现场锚固试验进行确定［7］。

由此可知，目前针对岩土层与锚固体之间极限粘结强度的相关研究，大多集中在岩石强度、结构面特征以及锚固体强度等方向，而关于不同注浆工艺对极限粘结强度的影响研究则相对较少。

1 试验概况

某大型锚杆试验场地位于我国南部沿海地区，场地内锚杆长度范围的地层类型较为单一，现场勘探均显示为残积砂质粘性土［8］。经勘查，场地地层粘性土一般为稍湿-湿状态，呈硬塑，在深度方向分布均匀，无突变，天然重度为18 kN/m3，常规经花岗岩残积形成，标准贯入试验为22击。粘性土的内摩擦角为28°，粘聚力为25 kPa。在该试验场中，锚杆孔径为18 cm，锚杆大多由1 860 MPa级别的6根钢绞线绕制而成，其直径为15.2 mm。注浆时采用0.5水灰比的普通水泥浆。

本次试验拟进行2种类别的注浆工艺对比分析，分别为一次注浆锚杆（S型）及二次注浆锚杆（D型），各自选取16根试验锚杆，每种类型按锚固长度9、12、15、18 m均分为4组，每组4根，编号为1～4，如编号“S9-1”，表示该锚杆为一次注浆型，是锚固长度为9 m组中的第1个试样。锚杆采取多循环加卸载试验法开展，直至发生破坏［9］。本次试验中的所有锚杆最后均为拔出破坏。试验采取高精度自动控制体系实施加卸载，试验过程中的锚固体变形则以分布式光纤测得［10］。

2 锚杆极限抗拔力试验数据对比分析

2.1 试验数据

对试验锚杆实施多循环加卸载，一般循环7次左右。初始荷载设置为最大载荷（Fmax）的10%以及50 kN二者中的较小值，分级载荷依次取为Fmax的30%、50%、60%、70%、80%、90%与100%。达到最大施加载荷值后，若锚杆仍未发生破坏，则继续施加载荷直至破坏，分级加载大小为Fmax的5%。

对于试验过程中的锚杆极限抗拔力状态，我国标准中存在不同的推定方法，一般有如下几种方式：（1）是锚头应变剧增，超出了规定范围；（2）是锚头应变不收敛，被拔出；（3）是锚头应变突然改变，其值在破坏前后存在一定的倍数差；（4）是锚头蠕变缓慢，1 h内小于2 mm。在本次锚杆试验中，拟采取第2种推定方法，即锚头应变不收敛时，将极限抗拔力取为锚头被拔出时的相应荷载值，此时锚固体从岩土层中被拔出［11-12］。如表1所示，分别为一次注浆和二次注浆工艺下的锚杆极限抗拔力值。

2.2 数据分析

对于本次试验中基于一次注浆和二次注浆工况下的锚固体与岩土层极限抗拔力，为更准确地研究其与锚固长度之间的函数关系，将试验锚杆中不同工艺条件、相同锚固长度的试验数据进行对比分析，具体如图1所示。

从图1可知，（1）在同样的锚固长度条件下，相比一次注浆，锚杆采取二次注浆工艺时一般可获得更大的极限抗拔力。当锚固长度区间为9～18 m时，极限抗拔力一般与锚固长度呈正相关；但也有部分锚杆在达到一定的极限抗拔力值后，锚固长度继续增加时，其值基本保持稳定，如图1（b）所示。（2）随着锚固长度的不断增加，极限抗拔力表现为非线性变大趋势。当锚固长度大于15 m时，一次注浆锚杆的抗拔力缓慢增大，部分则保持平稳趋势。而二次注浆锚杆的极限抗拔力仍增长较快，且图1（a）、（c）、（d）中的增长速率明显大于前几种锚固长度，表明二次注浆能较大程度上提升极限抗拔力[13-14]。

针对上述数据规律，经分析认为可能原因如下：一是注浆工艺采取仅一次成型时，实际中的锚杆锚固体可能受注浆质量影响未能完全达到理论长度，因此锚固体长度比设计值偏低，由此导致锚杆的极限抗拔力不满足设计要求；二是二次注浆时大多为高压注浆，其主要是在一次注浆液体凝固形成一定强度后再展开注浆，不仅能弥补一次注浆所存在的缺陷，而且能使高压浆液向周围土层深处不断渗透，从而使土层形成水泥镶嵌体，更有利于锚固体与土层之间紧密结合，无形中也相当于增大了有效的锚固段区域，最终提高了锚固体与岩土层之间的极限粘结强度[15-16]。

3 粘结强度对比分析

假设锚杆抗拔力取为P，D为锚杆锚固段直径，锚固段长度为L，锚固体与岩土层之间的粘结强度为Fn，则锚杆抗拔力P=πDLFn。在工程实践中，锚固段直径与长度一般为设定值，则对于现场的锚杆极限抗拔力，其值主要取决于粘结强度Fn[17-18]。本次大型锚杆试验场地的土层性质稳定，经勘探均为呈硬塑态的残积砂质粘性土（锚杆涉及范围内）。根据表1中各锚杆的极限抗拔力，并将相应参数代入所述的錨杆抗拔力计算公式中，可分别得到不同注浆工艺条件下的锚杆锚固体与岩土体之间的粘结强度值如表2所示，进一步将粘结强度数值做成分布图，如图2所示。

对不同注浆工艺条件下，锚杆锚固体与岩土体之间的粘结强度数据进行计算可知，对于本次试验场地的锚杆锚固体与岩土层之间粘结强度，采取一次注浆工艺时，平均值为104.39 kPa，标准差为23.98 kPa，变异次数0.22；采取二次注浆工艺时，平均值为122.215 kPa，标准差为16.30 kPa，变异次数0.14。根据《岩土工程勘察规范》中的相应计算式（1）、式（2），可得不同注浆工艺条件下的锚杆统计修正系数（γs）与极限粘结强度标准值（φk）。其中，一次、二次注浆工艺条件下的γs值分别为0.898 8、0.942 1，极限粘结强度标准值φk分别为94、115 kPa。

在《建筑基坑支护技术规程》中，对于液限指数大于0但不超过0.25的粘性土而言，规定了相应的锚杆极限粘结强度数据参考区间，采取一次注浆工艺时，标准值为65～73 kPa；采取二次注浆工艺时，标准值为85～100 kPa。基于此，由不同注浆工艺条件下的粘结强度数据分析，可得到如下几点规律：

（1）对于本次试验长度区间为9～18 m的锚杆而言，采取一次、二次注浆工艺时，获得的锚固体与岩土层极限粘结强度值分别为90～110、115～135 kPa。其中，相较于一次注浆工艺，4种不同长度锚固段采取二次注浆后的粘结强度值分别提升了17%、17%、10%和26%左右；

（2）相较于一次注浆工艺，二次注浆工艺的极限粘结强度为前者的1.1～1.3倍。经统计数据修正后，本次试验场地的实际标准比值约为1.2；

（3）在粘性土地层条件下，不管是一次注浆工艺还是二次注浆工艺，其相应锚杆的极限粘结强度标准值均远大于规范值。其中，一次注浆工艺为规范值的1.36倍，二次注浆工艺为规范值的1.24倍；

（4）在采取二次注浆工艺后的极限粘结强度增幅方面，本次试验的增幅小于相应规范值[19]。

4 结语

（1）在同样的地层与锚固长度条件下，二次注浆工艺下的锚杆极限抗拔力约为一次注浆工艺时的1.1～1.3倍。当锚固长度为9～18 m时，极限抗拔力一般与锚固长度呈正相关。但也有部分锚杆在达到一定的极限抗拔力值后，锚固长度继续增加时，其值基本保持稳定；

（2）极限抗拔力随锚固长度表现为非线性增加。当锚固长度超过一定值后，一次注浆工艺的极限抗拔力缓慢增大，部分则保持平稳趋势。而二次注浆工艺的极限抗拔力仍增大较快；

（3）在本次大型试验场地的残积砂质粘性土中，采取一次、二次注浆工艺时，获得的锚固体与岩土层极限粘结强度值分别为90～110 kPa和115～135 kPa；

（4）在粘性土地层条件下，不管是一次注浆工艺还是二次注浆工艺，其相应锚杆的极限粘结强度标准值均远大于规范值。

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收稿日期：2022-04-19；修回日期：2023-04-10

作者简介：林 福（1988-），男，本科，研究方向：岩土工程;E-mail：1370776832@qq.com。

引文格式：林 福，阙陈燕，陈善良.基于注浆工艺的边坡岩体与锚固体间粘结强度试验对比分析[J].粘接，2023，50（6）：34-37.