压力注浆土钉冻融土中抗拔机理的理论与试验研究

项目的背景：本项目拟考虑土钉在冻融土中峰值摩阻力的计算为主要科学问题，主要考虑数学解析建立注浆压力和上覆土压力改变条件下的土钉-土接触面模型，并进行室内外大量的试验验证，分析多个参数的变化对土钉峰值摩阻力与显摩擦系数的影响。研究内容：本项目拟针对土中压力注浆土钉的峰值摩阻力为主要研究对象，根据土钉周围的压力注浆大小分析土钉与土的界面接触机理，结合室内和现场试验研究不同注浆压力对土钉拉拔峰值摩阻力的影响，系统的分析不同饱和度与土钉峰值摩阻力的关联性，分析压力注浆和上覆土压力的变化对峰值摩阻力及显摩擦系数的影响性。重要结果：研究发现，基于小孔扩张理论和土钉-土破坏面的概念可以进行土钉峰值摩阻力计算的解析模型，结合历史试验和本项目的室内外模型试验验证，得到了不同工况下土钉峰值摩阻力和显摩擦系数随注浆压力、上覆土压力的关联规律，并发现注浆压力会和上覆土压力相互作用影响土钉的峰值摩阻力。土钉的摩擦系数对于饱和度的依赖性要明显低于对灌浆压力与上覆土压力的依赖性。土钉表面粗糙度的增加利于调动更多的土钉摩阻力，土钉的峰值摩阻力随着土钉的粗糙度因的增加而呈现线性增大。关键数据：在所有试验在松散和压实的土体重摩擦系数值随着饱和度的增加而显著地减少，饱和度的增加会减少钉土之间的粘结力，导致土钉峰值摩阻力显著降低。土钉表面粗糙度的增加利于调动更多的土钉摩阻力，土钉的峰值摩阻力随着土钉的粗糙度因的增加而呈现线性增大。结合室内试验进行了多种适合岩土工程监测的不同种类的传感器研发，包括测量土压力、小位移、温度、倾角等的传感器，其中传感器的分辨率最高达到0.01kPa，位移传感器的分辨率达到0.01mm，压力传感器的最高分辨率达到0.002kPa，科学意义：基于本项目的土钉-土的界面接触模型，工程师可以根据基本的现场土体的力学性能参数进行不同压力注浆条件下的土钉峰值摩阻力计算，该计算模型比较简单实用，同时可以考虑利用提高土钉钉孔的粗糙度、高压力注浆来充分提高土钉的峰值摩阻力。 2100433B

春季我国北方地区土钉支护系统多因土体冻融作用可能发生破坏，冻土地区压力注浆可以增强土的密实性和抗剪强度，而提高抗拔摩阻力对土钉是采用压力注浆的核心目标。本项目拟使用理论分析与模型试验方法探索冻融土中压力注浆土钉的抗拔机理，根据室内模型试验结果分析压力注浆时长对土钉钉孔内水泥残余压力幅值的影响、土体颗粒级配与土体压实度变化对冻土中土钉峰值摩阻力的影响、冻土融化前后土钉峰值摩阻力的变化特征；使用理论分析方法建立冻土中的土钉抗拔模型，辅助以小孔扩张理论分析压力注浆土钉周围土体的应力，最终利用土钉拉拔试验结果与理论模型进行相互验证。项目成果对于明确压力注浆时土钉与冻土的接触变化机理，理解土体冻融作用对压力注浆土钉摩阻力的影响，对冻土地区的土钉系统设计具有重要的应用前景。

土钉支护技术在永久支护工程中已得到广泛的应用。但是，国内外对永久性土钉支护的抗震性能研究开展甚少。我国是地震多发地区，研究土钉支护结构体系的抗震性能和设计理论显得尤为重要。本项目旨在通过振动台模型试验揭示土钉支护结构体系在地震荷载作用下的变形和破坏机理；考虑土钉支护结构和土体的动力相互作用，采用合理的土体动力本构模型，寻求适当方案合理预测土钉支护结构体系破裂带的产生、宽度和倾角，消除因破裂带产生造成的计算时的病态网络依赖性后，开发相应的有限元计算程序，并利用振动台试验验证和完善此方法。建立土钉支护结构体系的强度、稳定性和变形的分析方法，提出稳定分析的时变安全系数计算方法，建立基于地震永久变形的安全评价方法。针对几种典型形状的边坡，统计地震作用下破坏面的地震反应规律，提出简便的抗震稳定性分析方法。对推动土钉支护结构抗震设计理论发展具重要意义。 2100433B

融土物理特性

孔隙特性：冻融作用降低松散土体的孔隙比，增加密实土体的孔隙比，经多次冻融循环后土体的干容重趋于某一定值，即孔隙特征趋于稳定，且这一定值与土体的初始干容重无关，而与土体的种类有关。

渗透性：冻融循环作用使得土的结构变化，经常导致渗透率变化几个数量级。研究发现已融黏土的渗透系数比同样成分的原状土要大3～10 倍。试验研究证明，这种现象是由于在冻融过程中土体中的细颗粒增多，土体中产生纵向裂隙所致。

融土力学特性

强度特性：在温度荷载作用下原状土受到扰动，其力学性能发生变化，主要表现为黏聚力和摩擦角的变化。原状土及不同解冻条件下的融土固结排水剪切试验发现冻融后，黏聚力降低，内摩擦角增大，且融化温度对融土的强度影响很小。在不同冻结温度和融化温度、不同冻融循环次数、开放和封闭体系条件下对冻融饱和原状粉黏土试样进行了不固结、不排水剪切试验也得到了以上结论，并且发现随着冻融循环次数的增加，5～7 次冻结循环后黏聚力和内摩擦角逐渐趋于稳定。

压缩特性：冻融作用下土体的孔隙特征发生变化，从而压缩特性也将发生变化。研究发现冻融后土体的压缩性增大，土体发生软化。同一冻结条件下( 冷端温度-10℃) 初始干重度对冻融前后土的力学性质有一定的影响。

冻融作用对土体的物理力学特性产生了明显影响，主要从其基本的物理力学指标进行着手，但涉及的土质较少，尤其缺少对河相和海相软土的研究。

通过对粉质黏土冻融后微观结构特征的研究发现，土样经过一个冻融循环后矿物成分并无明显变化; 内部的孔隙大小发生了变化，土样冻融后比表面积、孔隙率较冻前增大。以上海原状和冻融后的暗绿色粉质黏土为研究对象，结合该土体冻结前后的微结构电镜扫描图片，对比分析土体冻融后动力特性变化的微观机理，表明土体强度削弱来自冻结时水分膨胀对土体微观结构的破坏。以上海第四层淤泥质黏土为研究对象，研究土体冻结温度对孔径、孔隙形状、定向性、面孔隙度和面孔隙比变化的影响。通过补水条件下的冻融循环试验，对不同冻融循环次数的压实黄土进行定量分析，发现随着冻融循环次数的增加，土样内部冰晶的生长及冷生结构的形成导致土样中孔隙体积增加，土颗粒受到挤压并形成新的土骨架结构，证实了冻融对黄土结构的削弱作用。随着冻融循环次数的增加，土孔隙排列向均匀化发展，圆形度呈上升趋势。 2100433B