玻璃鋼錨桿支護錨固力的試驗分析*

張 杰 葉義成 王文杰 吳健飛 李丹青 鄒常富

(1.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院;2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室;3.中煤科工集團重慶研究院)

錨桿作為巖體工程的主要支護材料，廣泛應用于巖土與地下工程中。錨桿加固的實質(zhì)是對巖體施加錨固力，以提高巖體的穩(wěn)定性。錨桿的錨固力是指錨桿對支護體產(chǎn)生的約束力，是巖體支護工程設計中的一個關鍵因素，是反映錨桿支護效果的重要指標。然而，錨固力的鎖定值隨巖體條件、錨固長度、水、溫度及施工質(zhì)量等因素的變化而變化［1］。錨桿錨固力損失超過一定值時，將導致其錨固功能減弱或支護失效，給工程帶來極大危害。因此有必要對錨桿錨固力和錨固效果的影響因素進行分析和研究。

由于錨桿在巖石介質(zhì)中受力狀態(tài)復雜多變，錨桿的錨固力難以直接通過試驗獲得，錨固力的計算也相對較困難。因此，工程中常用拉拔試驗來間接測定錨桿錨固力，通過拉拔試驗測得拉拔力來分析錨桿與錨固體(如混凝土)之間的錨固效果［2-7］。本研究選用的玻璃鋼錨桿屬于黏結型錨桿，其與巖體之間的錨固性能是通過黏結作用實現(xiàn)的。因此，影響玻璃鋼錨桿錨固力大小的因素有很多，除了錨固材料的黏結強度、錨固長度、錨固時間等這些明顯的因素外，溫度、圍巖條件、錨桿質(zhì)量等因素對玻璃鋼錨桿的錨固力也有較大的影響。為了深入分析玻璃鋼錨桿的錨固機理和合理設計玻璃鋼錨桿支護參數(shù)，本研究進行了室內(nèi)拉拔試驗以分析其錨固力和錨固效果的影響因素和規(guī)律［8］。在結合現(xiàn)場調(diào)研的基礎上，針對錨固長度、錨固時間、錨固材料等主要影響因素，設計進行了3種對比試驗方案，通過室內(nèi)玻璃鋼錨桿拉拔試驗來研究它們對玻璃鋼錨桿錨固力的影響規(guī)律。

1 試驗概況

試驗采用的玻璃鋼錨桿是以玻璃纖維(GFRP)為增強材料，以合成樹脂為基體材料，并摻入適量的輔助劑，采用拉擠成型技術和特殊的表面處理所形成的一種新型復合材料錨桿，基本參數(shù)為:直徑18 mm，桿體抗拉力140 kN，桿體抗拉強度650 MPa，連接部分及螺紋承載力50 kN。樹脂錨固劑基本參數(shù)見表1。

表1 樹脂錨固劑藥卷參數(shù)

試驗過程中，采用水泥砂漿制作的混凝土塊模擬現(xiàn)場巖體，混凝土塊的尺寸為2 000 mm×200 mm×200 mm(長×寬×高)。水泥砂漿采用325#水泥及細粒沙子制作而成，水沙比為1∶2.5，水的用量為2.2 m3/kg。水泥砂漿作錨固材料時，直接在制作而成的模型中插入玻璃鋼錨桿;樹脂錨固劑作錨固材料時，需在模型中預留直徑30 cm的鉆孔，以塞入錨固劑對錨桿進行錨固。試驗采用ZY型錨桿拉拔儀測定玻璃鋼錨桿的最大抗拉拔力。試驗裝置如圖1所示。

2 試驗方案和結果

圖1 玻璃鋼錨桿拉拔試驗裝置

試驗主要從錨固長度、錨固時間、錨固材料3個方面對錨固力的影響進行分析研究。受試驗工作量影響，采用單因素對比分析方法，即在分析某一影響因素時，將其他因素統(tǒng)一，從而分析該因素的變化對于拉拔力大小的影響程度。為此，分別設計了3個對比試驗方案。

2.1 錨固長度對錨固力的影響

試驗過程中，設計進行了8組不同錨固長度的玻璃鋼錨桿錨固試驗，錨固長度分別為18、36、54、72、90、108、126、144 cm，每種錨固長度對應1件試驗模型，通過8組試驗模型分析錨固長度對錨固力大小的影響。錨固劑的長度為18 cm，試驗通過增減錨固劑的數(shù)量改變錨固長度研究不同錨固長度對拉拔力的影響規(guī)律。其中，第1－1件模型錨固長度18 cm，采用1根錨固劑端頭錨固;第1－2件模型錨固長度為36 cm，采用的是2根錨固劑端頭錨固;……，第1－8件模型錨固長度為144 cm，采用全長錨固的形式。試驗方案和試驗結果見表2。

表2 不同錨固長度對錨固力的影響

從表2中的試驗數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象對比可以看出，當錨固長度較小時，即采用端頭錨固形式時，玻璃鋼錨桿出現(xiàn)松動，甚至被拔出的現(xiàn)象，且所測拉拔力很小，如第1－1、1－2、1－3件模型;當錨固長度繼續(xù)增加，錨固力也開始增大，表現(xiàn)為拉拔力逐漸增大，玻璃鋼錨桿未出現(xiàn)松動，但錨桿被拔出4 cm左右，如第1－4、1－5件模型;當錨固長度增加到總長的1/2以上時，玻璃鋼錨桿未出現(xiàn)松動，拉拔過程中伴隨著“吧吧”的響聲，錨桿拉拔力也開始增大，平均拉拔力大小超過支護工程要求的拉拔力大小，但錨桿仍被拔出3 cm左右，如第1－6、1－7件模型;當進行全長錨固時，玻璃鋼錨桿未被拔出，測得錨桿拉拔力也較大，滿足工程支護的要求，如第1－8件模型［9］。

根據(jù)玻璃鋼錨桿拉拔力與錨固長度的關系曲線(本文從略)，隨著錨固長度的增加，錨桿拉拔力也增大，但不存在線性關系，錨桿拉拔力大小受錨固長度影響較顯著。玻璃鋼錨桿拉拔試驗過程中錨固長度不同時，玻璃鋼錨桿、錨固劑、混凝土塊界面之間的黏結摩阻力不同，導致玻璃鋼錨桿抗拉拔力隨著錨固長度的增加而增大。

實驗室開展拉拔試驗時，玻璃鋼錨桿抗拉拔力的大小主要取決于錨桿桿體材料強度、錨固劑與桿體間的黏結摩擦力及錨桿與錨固劑組成的錨固體與混凝土塊間的黏結摩擦力。試驗選用的玻璃鋼錨桿桿體材料強度一致，而錨固體與混凝土塊之間的黏結摩擦力由3部分組成:①水泥膠體與混凝土塊表面的化學膠著力。②錨固體外表面與混凝土塊接觸面上的摩擦力。③錨固體外表面粗糙產(chǎn)生的機械咬合作用［10］。其中，化學膠著力很小，發(fā)生相對滑動時，黏結力主要由摩擦力和咬合力提供，當錨固劑數(shù)量越多，錨固長度越長時，錨固體與混凝土塊間的摩擦力和咬合力越大，黏結力越大，錨桿的抗拉拔力越大。

另一方面，錨固劑與錨桿桿體之間的黏結摩擦力實際上也由3部分組成:①錨固劑凝結形成膠凝體對玻璃鋼錨桿表面產(chǎn)生的膠結力。②錨固劑收縮將桿體裹緊而產(chǎn)生的摩擦力。③桿體表面凹凸不平與錨固劑之間產(chǎn)生的機械咬合作用力。當錨固長度越長時，錨固劑對錨桿的膠結力越大，且錨桿桿體與錨固劑接觸面積越大，錨固劑與桿體間的摩擦力和機械咬合力越大，錨桿的抗拉拔力越大。因此，玻璃鋼錨桿的抗拉拔力隨著錨固長度的增加而增大。

采用端頭錨固時，錨桿拉拔力為22.1 kN(模型1)、29.1 kN(模型2);采用全長錨固時，錨桿拉拔力為89.7 kN(模型8)。而一般工程支護過程中，錨桿拉拔力要求不低于50 kN。因此，端頭錨固時的玻璃鋼錨桿拉拔力不滿足支護要求;當錨固長度處于端頭錨固和全長錨固之間時，玻璃鋼錨桿的拉拔力雖然滿足支護要求，但玻璃鋼錨桿出現(xiàn)被拔出的現(xiàn)象，整個支護體系出現(xiàn)松動，不能有效地滿足巷道支護的要求;全長錨固時，玻璃鋼錨桿的平均拉拔力達到90 kN，且沒有出現(xiàn)松動現(xiàn)象，可以適應圍巖松軟破碎地質(zhì)條件復雜的支護環(huán)境，故宜進行全長錨固。

2.2 錨固時間對錨固力的影響

考慮到水泥砂漿凝固受時間影響較大，試驗選用水泥砂漿作為錨固材料來研究錨固時間與錨固力之間的關系。試驗方案和試驗結果見表3。

表3 不同錨固時間對錨固力的影響

從表3可以看出，錨固時間為1～5 d時，拉拔力隨著錨固時間的增加而增大，但平均拉拔力只有17.3 kN;錨固時間為5～7 d時，平均拉拔力增加至94.4 kN，且7 d以后，拉拔力不再顯著增加，表明要保持較大的拉拔力，錨固時間至少需要7 d。

錨固時間在7 d以內(nèi)時拉拔力很小，分別為7 kN、19 kN、26 kN，而一般工程支護設計中，錨桿支護拉拔力要求不低于50 kN，因此，錨固時間較短時(小于7 d)，錨固力不滿足工程支護要求。但當錨固時間達到7 d及以上時，玻璃鋼錨桿的平均拉拔力達到92 kN，變化較大，且7 d以后錨桿的拉拔力不再顯著變化。分析其主要原因，是因為錨固時間過短，未達到水泥砂漿的初凝時間。水泥砂漿的初凝時間一般為7 d，當錨固時間未達到7 d時，水泥砂漿沒有完全凝固，混凝土塊也沒有達到相應的錨固強度，導致水泥砂漿黏結力過小，錨固強度不足，拉拔力較小。因此，巷道支護時宜采用速凝水泥，縮短水泥砂漿的凝固時間，避免錨固系統(tǒng)在還未發(fā)揮其全部錨固效果時，錨桿由于錨固力過小而失效，發(fā)生冒頂、偏幫等安全事故。

2.3 錨固材料對錨固力的影響

試驗選用水泥砂漿和樹脂錨固劑作為錨固材料。試驗方案和試驗結果見表4。

表4 不同錨固材料對錨固力的影響

錨固過程中，采用不同的錨固材料，錨固力大小也會相應地發(fā)生變化，目前錨固過程中一般較多采用錨固劑和水泥砂漿錨固。由表4可得，在錨固長度和錨固時間相同的條件下，采用水泥砂漿進行全長錨固時，玻璃鋼錨桿的平均拉拔力為93.4 kN;采用錨固劑進行全長錨固時，玻璃鋼錨桿的平均拉拔力為89.7 kN，表明采用水泥砂漿作為錨固材料時，其錨固力略大于錨固劑錨固時的錨固力。但是，水泥砂漿在實際巷道支護應用過程中，存在水泥、沙子等材料搬運困難、施工安裝困難等問題，而采用錨固劑安裝方便，而錨固劑安裝過程中由于與錨桿之間、以及孔壁之間存在一定的間隙，不能充分發(fā)揮玻璃鋼錨桿的抗拉拔力，其錨固面積較水泥砂漿小，錨固力也較小。因此，在選擇何種錨固材料進行錨固時，應該充分考慮施工難易、錨固效果、經(jīng)濟成本等各種因素。

3 結論

(1)玻璃鋼錨桿的錨固力隨著錨固長度增加而增大，全長錨固的錨固作用效果優(yōu)于端頭錨固，在圍巖松軟破碎地質(zhì)條件復雜的支護環(huán)境下，宜選用錨固力較大的全長錨固進行支護。

(2)錨固時間對玻璃鋼錨桿錨固力的影響主要是影響水泥砂漿作為錨固材料時的凝固時間。在標準的錨固時間下，錨固時間對錨固力的大小影響不大。而當錨固時間過短時，未達到水泥砂漿的初凝時間，錨固強度不夠，錨固力較小。因此，支護時需采用速凝水泥，縮短水泥砂漿的凝固時間。

(3)在選擇何種錨固材料進行玻璃鋼錨桿錨固時，應充分考慮施工難易、錨固效果、經(jīng)濟成本等各種因素，選擇合適的錨固材料。

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