水泥灌浆养护龄期对筋-浆及浆-土锚固界面剪切力学特性的影响机制试验研究

《Case Studies in Construction Materials》：Experimental study on the effect of cement curing age on shear mechanical properties of anchorage interfaces

　　

本研究通过约束法向边界条件下两种锚固界面的系列拉拔试验与直剪试验，研究了水泥灌浆养护龄期对锚固界面剪切力学性能的影响，并阐明了剪切过程中筋-浆（tendon-grout, T-G）界面与浆-土（grout-soil, G-S）界面的破坏演化机制。

在岩土工程领域，锚固技术凭借成本低、承载力高的优势，已广泛应用于水利、交通、建筑、市政工程及采矿项目的岩土支护与结构加固。锚固体系通常由筋体、灌浆体和 surrounding 土体三部分组成，外荷载通过筋体传递至灌浆体，再经灌浆体传递至 surrounding 土体并 mobilization（发挥）作用。该体系的荷载传递特性与宏观力学行为主要受两个关键界面控制：一是连接筋体与灌浆体的筋-浆（tendon-grout, T-G）界面，二是连接灌浆体与 surrounding 土体的浆-土（grout-soil, G-S）界面。T-G与G-S界面的剪切力学特性直接决定锚固体系的整体工作性能。尽管国内外学者围绕锚固界面剪切性能已开展大量拉拔与直剪试验并取得了丰富成果，但关于界面力学行为演化机制与破坏模式的认识仍不充分，这在很大程度上制约了锚杆设计理论与分析方法的发展。

现有研究中，T-G界面拉拔与剪切试验多在恒定围压或恒定法向刚度（constant normal stiffness, CNS）条件下进行。其中，传统恒定围压难以反映 surrounding 土体有限刚度对界面的实际约束作用，而CNS条件虽能较好模拟实际受力状态，但针对不同灌浆龄期下界面全剪切过程的演化规律研究仍显不足。对于G-S界面，直剪试验多针对预制结构或混凝土与土体的接触，而实际工程中现场浇筑形成的灌浆-土体水泥土混合区力学机制尚不明确，且细观剪切破坏过程缺乏直接观测。此外，灌浆体作为荷载传递的核心介质，其刚度与强度随养护龄期显著增长，进而影响界面黏结强度与锚固性能，但不同龄期下T-G与G-S界面剪切力学行为的演化规律及细观破坏机制仍不清楚。因此，有必要在统一框架下系统揭示水泥灌浆养护龄期对两类锚固界面剪切力学行为的影响，以期为锚杆锚固体系的设计理论与工程实践提供支撑。

针对上述问题，研究人员开展了系统的试验与理论分析。通过不同养护龄期下T-G界面的CNS拉拔试验和G-S界面的恒定法向荷载（constant normal load, CNL）直剪试验，同步测试了灌浆的基本力学性能，并借助数字图像相关（digital image correlation, DIC）技术捕捉界面细观变形。研究旨在评估灌浆龄期对两种锚固界面剪切性能的影响，揭示T-G界面的破坏模式与剪胀失效机制，阐明G-S界面的细观剪切特征与破坏演化规律，为完善锚杆锚固体系的设计理论提供依据。

研究人员采用的核心技术方法包括：在CNS约束边界下开展T-G界面拉拔试验，利用聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate, PMMA）套筒的弹性变形提供径向约束以模拟土体刚度；在CNL条件下对G-S界面实施直剪试验，采用高透明度PMMA可视化剪切盒；结合DIC技术追踪土体颗粒位移场与应变场；基于弹性力学平面应变理论建立T-G界面剪胀应力与初始开裂压力的解析关系；通过单轴压缩、循环加载及直剪试验测定灌浆强度与变形参数；土体基本力学性能测试所用土样取自中国沈阳地铁9号线曹仲站周边，以中粗砂、砾砂及卵石为主，粒径范围0.1 mm至10 mm。

在基本力学性能方面，研究人员首先通过直剪试验确定了试验土体的强度参数。结果表明，土体抗剪强度随相对密度（relative density, Dr）增大而显著提高，当Dr由0.4增至0.8时，内部摩擦角（internal friction angle, φ）由约36°增至41°，黏聚力（cohesion, c）由7 kPa增至14 kPa，这主要归因于颗粒形状及砂粒间的嵌挤咬合作用。对于灌浆体，其单轴抗压强度（uniaxial compressive strength, UCS）与弹性模量随养护龄期呈双曲线型增长，28天抗压强度经拟合确定为26.5 MPa；弹性模量增长速率明显快于抗压强度，7天龄期弹性模量已达28天龄期的约85%，而抗压强度仅为约76%。灌浆抗剪强度随龄期逐渐增加，黏聚力由约4.4 MPa增至6.4 MPa，内摩擦角介于35.8°至38.7°，但7天龄期峰值抗剪强度已接近28天极限值的90%，残余抗剪强度受龄期影响较小。

在T-G界面力学性能方面，拉拔试验结果显示，随着轴向位移增加，不同龄期试件的刚度均发生退化。T-G界面破坏模式可分为局部破碎、线裂缝和三条裂缝三类，后两者均属灌浆径向断裂。界面峰值剪应力并未随龄期单调递增，而是呈先增后降趋势，这主要受灌浆开裂时间控制；随着龄期增长，灌浆弹性模量迅速提升并伴随收缩应力累积，使得裂缝发展提前，导致峰值强度增长趋缓甚至下降。界面残余强度随龄期略有增加，且14天龄期试件的峰值与残余强度变异系数均低于3.3%，表明试验结果具有良好的可重复性。界面荷载-位移曲线形态随龄期逐渐由双曲线型向应力衰减型过渡，且与破坏模式密切相关。

在剪胀破坏机制方面，研究人员将锚固灌浆简化为平面应变问题，利用弹性力学轴对称应力状态求解，推导了T-G界面径向膨胀压力与外侧套筒约束应力之间的关系。分析表明，T-G界面剪切膨胀在筋体与灌浆体之间产生径向压力，使灌浆环向拉应力增大；当最大环向拉应力超过灌浆抗拉强度时，界面发生径向开裂。据此建立初始开裂压力与套筒侧向约束刚度的理论模型，发现外侧约束刚度越高，初始开裂压力越大，从理论上阐释了CNS约束对界面抗裂性能的影响。

在G-S界面力学性能方面，直剪试验表明，在不同正应力（100 kPa至400 kPa）作用下，界面峰值抗剪强度与残余抗剪强度均随正应力增大而提高，整体符合Mohr-Coulomb准则。随养护龄期增长，G-S界面初始剪切刚度由3天的0.15 MPa/mm显著增至约0.7 MPa/mm（7天与28天）；但7天与28天龄期的峰值强度差异不大，且均高于3天龄期。界面残余强度受龄期影响较小。剪切引起的法向位移变化以剪胀为主，且剪胀程度随龄期增长更加显著，但随正应力增大而减弱。

在界面剪切变形与DIC分析方面，研究人员利用DIC技术对剪切过程进行细观观测，通过选取感兴趣区域（region of interest, ROI）获取位移云图与应变场。结果表明，剪切应变高度集中于界面附近的一个带状区域，即剪切滑移区（shear slip zone），该区域存在土-浆混合带；当龄期由3天增至7天时，剪切滑移区高度由约11.7 mm（约9 d₅₀）缩减至4.7 mm（约3.6 d₅₀），但其高度不随正应力增加而变化。在滑移区外侧，土体主要发生整体平移，剪切应变几乎不受影响。这说明G-S界面的剪切力学特性主要由剪切滑移区控制，细观上该区域因灌浆强度提高而收缩，导致界面整体抗剪性能随龄期增强。

综上所述，本研究得出以下结论：灌浆抗压强度与弹性模量随养护龄期呈双曲线增长，且弹性模量增长速率更快；T-G界面峰值剪应力随龄期先增后降，残余应力轻微上升，界面破坏模式由局部破碎向径向断裂转变，界面荷载-位移曲线由双曲线型向应力衰减型过渡；G-S界面剪切行为主要受峰值前阶段控制，随龄期增长影响减弱，7天与28天界面峰值强度较为接近且高于3天，残余强度受龄期限制，界面剪胀随龄期更显著；G-S界面剪切滑移区高度受龄期显著影响，由3天的约9倍平均粒径缩减至7天的3.6倍平均粒径，且不随正应力变化，界面剪切力学特性主要由剪切滑移区控制。