压力注浆土钉冻融土中抗拔机理的理论与试验研究

Soil nailing system may fail due to the freezing and thawing effect of soils in the north area of our country in spring, pressure grouting adopted in frozen region could strengthen the density and shear strength of soils, and the object of using pressure grouting is to increase the pullout resistance of soil nails. This project aims to study the pullout mechanism of pressure grouted soil nails in frozen and thawed soils based on theoretical analysis and model tests, including effect of duration of pressure grouting on the magnitude of residual grouting pressure inside drillholes using laboratory model tests; influence of particle size distribution and degree of compaction of frozen soils on the peak pullout resistance of soil nails; variation of peak pullout resistance of soil nails before and after frozen soil has thawed; establishment of interaction model between pressure grouted soil nails and frozen and thawed soils based on theoretical models, and use of expansion of cavity for the analysis the stress distribution around soil nails. Project outcomes can be used to investigate the interaction mechanism between pressure grouted soil nails and soils, understand freezing/thawing effect on the pullout resistance of soil nails, and can be applied for the design of soil nailing system in frozen areas.

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。

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。