土遺址的錨固性能測試與分析

0土遺址加固中木錨桿錨固系統的應用絲綢之路沿線分布著大量的當地人遺址，包括古城、佛教遺址、陵墓、長城等。這是中國的優秀文化遺產。保護好、利用好、傳承好的遺產對提高中國的文化軟實力具有重要意義。然而,受到自然作用和人類活動的影響,多數土遺址發生了不同程度的破壞,亟待搶險加固。自20世紀80年代以來,干旱區半干旱區土遺址開展加固試驗和工程實踐,逐漸認識到錨固技術不僅僅滿足力學穩定性控制的需求,還可以較好地遵循文物保護的理念和準則。因此,錨固材料、工藝及其機理的研究成為土遺址保護加固領域的熱點之一。已有的土遺址加固試驗與實踐表明,對于遺址本體的加固盡量采用傳統的工藝和方法,可以達到“最大兼容、最小干預”的目的。中國西北地區土遺址如長城烽燧、佛塔、高聳墻體等建造中,木材作為加筋體起到了重要的作用,很多西漢時期的木筋體仍保存完好,至今仍發揮其力學作用。同時,隨著傳統工藝科學化研究的深入,學者們也意識到單純的金屬錨桿和水泥漿體不符合土遺址保護的要求,開始轉向傳統竹木錨桿及其二次研發。在此背景下,木錨固系統作為土遺址本體的主要錨固措施成為研究的重點。現代工程中,木材作為錨桿,曾在煤礦開采巷道的臨時支護中發揮了重要作用,但隨著新型桿材的出現,逐漸退出歷史舞臺。受土遺址加固研究歷史的限制,木錨桿錨固基本處于經驗型設計與施工階段。白蠟桿選材容易,強度高,韌性大,抗彎曲能力強等特點,成為土遺址本體錨固理想的桿材,采用PS-(C+F)漿液也成為共識,錨固方式為全長黏結型。目前在土遺址加固中,木錨桿錨固系統設計仍然沿用現行的“平均剪應力”方法,已有全長黏結式錨桿錨固機理研究表明,該方法有一定的缺陷性。此外,白蠟桿除材質不同于其他錨桿,因自然選材其結構非標準是最大特點,相應的錨固機理比標準桿體構件復雜。因此,木錨桿錨固機理研究對于傳統工藝的科學化與傳承、錨固系統的優化具有重大價值。本文通過現場錨固基本試驗,結合受力過程中界面各點應變變化監測,研究了木錨桿錨固性能和界面力學分布傳遞特征,初步揭示了木錨桿錨固機理。1錨固系統工藝目前大面積應用中國西北地區土遺址加固中的木錨桿錨固系統的結構形式與施作工藝如下:(1)錨固結構形式錨固材料包括桿體和漿液兩部分,結構形式為非預應力全長黏結式,通過遺址體–漿體–錨桿3個界面的力學作用實現外側瀕危遺址體的穩定。屬于被動式錨固系統,只有外側被加固遺址體相對于母體的位移,錨固系統才會發揮作用。桿體長度0.5~2.0m,粗端直徑3~6cm,細端直徑2~4cm。桿體為白蠟桿經過兩端切削后制作而成,一般從白蠟桿的粗端、中部選材,同時保證所制作的白蠟桿順直,無疤痕。孔徑5~7cm,斜插角5°~10°。漿液采用PS-(C+F)(模數為3.7~3.8的硅酸鉀溶液與當地粉土、粉煤灰的混合,水灰比0.4~0.6,C∶F=1)。(2)錨固工藝錨固工藝為:(1)采取穩定措施臨時支護被錨固遺址體;(2)根據瀕危遺址體的實際,采用電鉆成孔或人工鉆成孔,成孔過程中密切注意被錨固遺址體的性狀,采取適當的沖擊力,嚴禁出現遺址體塌落;(3)利用注漿泵或人工傾倒等方式進行注漿;(4)漿液飽滿后立即插入桿體,粗端在里,細端在外,插入過程中要控制錨桿桿體盡量保持在錨孔的中間;(5)二次補漿及封孔;(6)錨固部位進行表面處理以與周圍遺址體外觀兼容。2現場錨定試驗方案2.1應變采集系統錨桿拉拔儀器采用中煤產LSS50H型錨桿拉拔儀,油缸中心孔徑60mm,油缸工作行程120mm,測量范圍0~500kN。應變采集采用東華測試產DH3816應變測量系統Ver3.0.1版,測量范圍-20000~20000uf06duf065。應變片采用中航電測產型號BF350-3BB(11)-X(電阻值350.3±0.3?,靈敏度2.10%±1%),可以監測軸向和弦向2個方向的應變狀態。2.2錨固參數錨固試驗系統參數如表1所示。2.3錨固的末端木錨桿長度1500mm,細端作為錨固的起始端,粗端作為錨固的尾端。從起始端0~500mm作為拉拔試驗預留桿體,500~1500mm間隔200mm黏貼1個應變片,共計6處應變監測點(圖1),用以監測軸向和弦向的應變狀態。2.4級配不良種社會主義3g試驗地點選擇在絲綢之路重鎮——交河故城崖體中下部,土體為第四系沖積而成的粉質黏土,天然密度1.65g/cm3,天然含水率0.34%,級配不良,抗壓強度4.38MPa,抗拉強度0.25MPa。由于自然白蠟桿材的尺寸非標準,力學性能與巖土體差異巨大等特點,試驗步驟不能嚴格按照(CECS22∶90)《土層錨桿設計與施工規范》中錨桿基本試驗要求進行,這也是木錨固系統不同于其他筋體錨固系統之處,但在試驗步驟上仍參考了上述標準。3試驗結果與分析3.1加載中錨固段應變的特征根據已有的研究成果和實踐經驗,預估承載力為P=30kN,第一循環按照10%P→30%P→50%P→30%P→10%P的順序進行加卸載。當加荷至初始荷載10%P(3kN)過程中,發現加壓非常輕松,而且壓力上升非常緩慢,位移量為12.157mm;當加荷至30%P(9kN)進程中,無法到達穩定荷載,孔口漿體發生破裂,而且桿體軸向位移量急劇增加,錨桿被拔出。(2)試驗結果與分析試驗現象表明錨固系統失效發生在桿體–漿體界面,機制為界面脫黏后在外荷載下發生滑動而拔出。從拉拔過程中可以看出,桿體–漿液界面經歷了彈性變形—塑性變形—脫黏—滑動等過程,其他界面處于彈性變形階段。本錨固系統極限抗拔荷載小于9kN。圖2反映了桿體L=0.4,0.8,1.0m(加載端為L=0m,以下類同)處在加載進程中軸向拉應變應變值的變化特征,在加荷至3kN的過程中,L=0.4,1.0m處在加荷的起始出現拉應變的增加,隨后基本保持恒值,L=1.0m處的拉應變值小于L=0.4m處的拉應變值;L=0.8m處在加荷的起始出現拉應變減小的現象,隨后也基本保持恒值。在加荷至5kN的過程中,桿體L=0.4,0.8m處基本保持恒值,L=1.0m處在加荷中突然增大,超過L=0.4m處的應變值。圖3反映了桿體L=0.4,0.6,0.8m處在加載進程中弦向拉應變值的變化特征,在加荷至3kN的過程中,L=0.6,0.8m處在加荷的起始出現壓應變的增加,隨后基本保持恒值,L=0.6m處的壓應變小于L=0.8m處的壓應變;L=0.4m處在加荷的起始出現壓應變的增加,隨后也基本保持恒值。在加荷至5kN的過程中,L=0.4,0.8m處基本保持恒值,L=0.6m處在加荷中突然轉變為拉應變,并呈現遞增趨勢。從應變時程曲線和沿桿體應變分布(圖4,5)的特征及分析,可以得知:(1)在軸向拉拔荷載作用下,錨固段不同深度點的界面剪應力不是均一的,基本具有距離起始端處比遠離起始端處的剪應力值大的特征,即存在剪應力傳遞的特點。錨桿經歷了彈性階段—塑性階段—黏滑階段等變形過程,具體表現在各點應變值增長—恒定的過程。在黏滑過程中殘余剪應力存在,而不是完全的脫黏。L=1.0m處點監測最遲出現拉應力增長足以說明隨著荷載的增加剪應力從錨固段起端逐漸傳遞向末端的特點。此外局部點軸向會出現壓應力的特點,這與桿體非直線、軸向受力方向與桿體有偏差有關。(2)在軸向拉拔荷載作用下,各監測點弦向應力也是隨著加荷的進程呈現增加—恒定的特征。即在受力過程中,弦向應力可表現為拉應力或壓應力,主要為壓應力,說明界面會出現剪漲現象。在同一荷載下,各點的弦向應力也具有極大的差異,受桿體表面形態差異,沒有明顯規律性。3.2在受力進程中的應變(1)試驗過程根據BL1的試驗成果,預估極限錨固力10kN,經歷了2個循環荷載進程后,錨固系統在拉拔荷載7kN時處于正常受力狀態,在隨后加載采用了單級加荷方式,每級增量10kN,當加載至100kN時,因空心千斤頂達到最大量程無法繼續加荷而結束試驗。值得注意的是,在90kN荷載下仍可以獲得穩定的位移值。(2)試驗結果與分析圖6反映了拉拔試驗的荷載–位移曲線和彈塑性位移,可以看出,在第一循環進程中,木錨桿產生的位移量高達68mm,而在后續循環的進程中木錨桿產生的位移量極小。絕大多數位移量均發生在第一循環進程中。圖7反映了在拉拔進程中,彈性位移量相對于塑性位移量較小。這種現象說明木錨桿系統在低荷載下完成彈性變形狀態而進入塑性變形狀態,即出現蠕變現象。圖8反映了木錨桿各測點隨受力進程的軸向應變變化特征,可以看出:(1)L=0m處的測點一直處于受壓狀態,在第一、二循環進程中,出現受壓波動但具有增大的趨勢,在后續的單級加荷進程中,測點處于受壓波動但具有減小的趨勢。這與拉拔測試系統直接相關,因為無法完全保證拉拔力與桿體的軸向完全吻合,造成在桿體的起端出現受壓狀態,但隨著拉力的增加,這種受壓狀態會減弱。(2)L=0.2,0.4,0.8,1.0m的測點在受力進程中均處于軸向受拉狀態,除了L=1.0m測點外,其余測點在起始加荷過程中有局部波動外,后續基本處于穩定變形狀態;L=1.0m測點在受力進程中總體處于應變增加的趨勢,但變化進程與加荷進程具有較高的吻合,即加載時應變增加,卸載應變減小的特點。L=0.6m測點一直處于受壓狀態,而且壓應變值基本穩定不變。以上各測點在受力進程中的應變變化特征說明了木錨桿錨固系統受力不均,在極小荷載下完成彈性變形后,木錨桿和漿體界面即步入黏滯狀態,界面局部出現壓應力與桿體非直線、軸向受力方向與桿體有偏差有關。(3)從前文分析可知,桿體–漿體界面的黏結力較小,但界面的摩阻力非常大,加之桿體粗端在里細端在外(桿體直徑不均)的特點,木錨桿系統也具有壓力型和拉力型復合類型的錨固系統特點,進而增加了木錨桿系統的性能。圖9反映了各測點隨受力進程的切向應變變化特征,除L=0m處測點處于受拉狀態下,其余各測點均處于受壓狀態,而且隨著軸向拉力的增加,受壓程度緩慢地增加。說明在桿體–漿體界面脫黏后,在界面處出現了剪脹作用,而這種作用無疑增加了錨固系統的錨固力。對于L=0m處測點,因軸向受壓,相應切向會出現受拉狀態。圖10反映了不同加載作用下軸向應變隨桿長的變化特征,可以看出:(1)沿著錨固長度應變是變化的,即錨桿受力過程中,桿體剪應力不是均等的;(2)剪應力的峰值不在起端,而在L=0.4m處;除L=0m處測點在不同荷載下應變值變化較大外,其他測點變化不大。以上現象說明桿體–漿體界面完成彈性變形步入黏滑狀態后,各點的受力變化幅度較小,進而揭示了在較大荷載作用下木錨桿錨固系統出現全長受力的狀態;沒有出現峰值的轉移現象,表明隨著軸向荷載的增加,界面全面受力,剪脹作用也在增強。圖11反映了不同加載作用下弦向應變隨桿長的變化特征,可以看出:(1)弦向壓力沿著桿長也是不均勻的,L=0m處測點出現拉應力,前文已經做過分析;(2)隨著荷載的增加,桿體內部各點的壓應力值在增加,即界面的弦向壓應力在增加,實質是剪脹作用在增強;(3)末端L=1.0m處測點的壓應力較大,說明應力已傳遞到末端,同時與桿體的不均勻也有極大的關系。4討論4.1孔口與錨固系統的特點(1)平行試驗表明木錨桿錨固系統失效于桿體–漿體界面,以桿體拔出的形式出現。(2)受桿體規格、灌漿質量的影響,相應的錨固力差異較大;BL-2錨固系統錨固力之所以如此大,究其原因,灌漿質量優于BL-1,此外桿體的粗細段直徑差別較小,加之粗端在孔的底部,吸收漿液中的水分發生膨脹,加大了錨固末端桿體的直徑,造成該錨固系統不僅僅是受拉傳力機制,在末端存在受壓傳力機制,這無疑增強了錨固性能;由此可知只要保證灌漿質量和桿體的規格,木錨固系統可以提供非常大的錨固力,這也是古代加木構件土遺址仍穩定至今的科學性所在。(3)界面剪應變沿著錨固深度表現含有單峰值先增后減的變化趨勢,即最大剪應變在距離孔口一定距離的位置,在受力過程中界面出現剪漲作用。(4)錨固系統具有非常強大的延性,雖然界面彈性變形量較小,但可以承受較大的塑性變形;從加荷到破壞,宏觀現象和監測數據均表明桿體—漿體界面經歷了彈性變形—塑性變形—脫黏—黏滑—破壞等力學過程。4.2桿材對土體的黏結作用從以上試驗結果分析與討論可知,木材–漿體–土體錨固系統可以提供較為理想的錨固力。擴展至土遺址建造中添加的木筋體,不同于錨固系統之處,在于其在建造過程中直接埋入,桿體被土體直接包裹,隨著時間的推移,土體自身固結作用,桿體周圍土體越來越密實,相應桿體與土體之間的黏結力和握裹力越大,其界面黏結作用遠大于試驗木錨桿系統,因此桿材對于遺址體的穩定起到了巨大的作用,這也是具有木材構件的土遺址體保存狀態遠好于無木構件土遺址原因之一。5錨固本構模型的特點(1)中國干旱區半干旱區土遺址建造中,木材作為加筋體在穩定性控制方面作用突出,對遺址體保存至今貢獻巨大。(2)木錨桿錨固現場試驗表明,在確保注漿質量的前提下,木錨固系統在土遺址加固中可