不同材質(zhì)錨桿體加固石窟圍巖的適用性研究★

王捷 王逢睿 楊濤

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000)

石窟寺所在的坡體大多數(shù)處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，坡體局部崩塌病害及局部存在的較多小型危巖塊體是著重研究治理的對象。同時，文物的不可再生性決定了文物保護工程的特殊性，錨固工程實施時，應(yīng)根據(jù)巖體的應(yīng)力狀態(tài)及危巖塊體的破壞模式盡量選用輕型、耐久的錨固方式，減少對文物本體的擾動。近年來，由于強力膠結(jié)劑和新材料加工水平的提高、檢測手段的增多使錨桿的品種發(fā)展很快，國內(nèi)現(xiàn)有楔縫、脹殼錨桿、鋼絲繩或鋼筋砂漿錨桿、木錨桿、竹錨桿、樹脂錨桿、快硬水泥卷錨桿等十幾個系列品種［1-4］。由于各種錨桿桿體材料及構(gòu)造不同，錨桿作用機理差別較大［5，6］。對于石窟圍巖的加固，應(yīng)從石質(zhì)文物保存的特點出發(fā)［7］，對不同錨固方式進行測試，以確定其加固石窟圍巖的適用性，使錨桿體錨固效果達到既能長效穩(wěn)定加固，又能盡量減少對文物本體擾動的目的。因此，文中就幾種輕型錨桿包括玻璃鋼錨桿、中空注漿錨桿等加固石窟危巖的適用性進行研究，通過現(xiàn)場試驗與傳統(tǒng)螺紋鋼錨桿加固進行比較，從而對錨桿體材料性能改進及設(shè)計施工過程中錨桿體材料的選用提供指導(dǎo)及試驗依據(jù)。

1 工程試驗區(qū)域概況

工程試驗在世界文化遺產(chǎn)地——云岡石窟進行。云岡石窟屬于較為典型的砂巖石窟。

在云岡石窟保護區(qū)3.6 km2的范圍內(nèi)，地貌類型較簡單。按成因可分為兩大單元:1)云岡頂部高臺地與構(gòu)造剝蝕低山丘陵，高程為1 163 m～1 218 m，地面坡角4°～9°，較平緩;2)十里河侵蝕堆積階地，高程為1 124 m～1 140 m，河床兩側(cè)為河漫灘。一級階地較發(fā)育，二、三級階地只有部分殘存，云岡鎮(zhèn)坐落在一級階地上，石窟開鑿在三級基座階地的砂巖透鏡體中。

試驗區(qū)地層巖性以粗粒長石砂巖為主，其間夾有泥巖夾層及泥巖與砂質(zhì)泥巖互層。新鮮粗粒長石砂巖的顆粒密度為2.63 g/cm3、天然密度約 2.33 g/cm3～2.44 g/cm3、吸水率約 2.95% ～4.17%、單軸抗壓強度介于57 MPa～68 MPa、抗拉強度介于2.7 MPa～3.3 MPa、無法向荷載時的抗剪強度為8.1 MPa、正應(yīng)力為11 MPa時的抗剪強度約19 MPa、彈性模量介于1.5 GPa～3.3 GPa、泊松比0.17 ～0.19。

試驗區(qū)巖層產(chǎn)狀平緩，傾角3°～4°、傾向北西—北東向。區(qū)內(nèi)以構(gòu)造裂隙為主，亦發(fā)育有風化裂隙，裂隙發(fā)育方向主要有305°～355°，287°和40°～80°，其中走向40°～80°的節(jié)理裂隙較發(fā)育，傾角一般為78°～85°，有的甚至直立。風化裂隙發(fā)育不規(guī)則，多呈不規(guī)則的網(wǎng)狀或雜亂無形的狀態(tài)，裂隙面不平整。此外，受爆破震動的影響，試驗區(qū)巖體表面較松動。

2 錨桿參數(shù)設(shè)計及其應(yīng)用效果

2.1 玻璃鋼錨桿錨固參數(shù)設(shè)計及適用性分析

2.1.1 玻璃鋼錨桿結(jié)構(gòu)及材質(zhì)特點

全螺紋玻璃鋼錨桿結(jié)構(gòu)由桿體、錨尾、托板、螺母組成。材質(zhì)特點是桿體的增強材料采用電絕緣性能低的中堿玻璃纖維無捻粗紗，加入阻燃劑、抗靜電劑等，以滿足輕質(zhì)、高強、阻燃、抗靜電等優(yōu)點。顯著特點是桿體輕(為同體積鋼材重量的1/4);易于安裝施工，減輕勞動強度;耐環(huán)境性強，可滿足永久支護要求;比強度高;桿體通體全螺紋，握裹力強，錨固力大;易于切割，根據(jù)支護要求，可任意調(diào)整截取錨桿桿體長度。錨桿在安裝后，通過擰緊螺母而具有一定的預(yù)緊力，能防止巖體的早期破壞。

2.1.2 玻璃鋼錨桿錨固設(shè)計及安裝

1)玻璃鋼錨桿錨固參數(shù)設(shè)計。

出廠的成品玻璃鋼錨桿的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 玻璃鋼錨桿力學(xué)參數(shù)表

因此，針對玻璃鋼錨桿以上力學(xué)參數(shù)，通過對現(xiàn)場小型危巖塊所需的錨固力進行計算，設(shè)計玻璃鋼錨桿的錨固參數(shù)如表2所示。

表2 玻璃鋼錨桿錨固參數(shù)設(shè)計

2)玻璃鋼錨桿施工工法。

通過現(xiàn)場試驗，總結(jié)出玻璃鋼錨桿在錨固小危巖塊時適宜的施工操作方法為:

a.在危巖塊附近根據(jù)其受力特點確定合理的鉆孔位置。b.用電動鑿巖機鑿孔，孔深為2.5 m，略小于桿體長度。c.注入2支φ23×500 mm樹脂錨固劑或2支快硬水泥卷錨固劑?？煊菜嗑淼淖⑷敕椒?水泥卷浸水。先在水泥卷上用細鐵絲刺5個～6個小孔后浸入清水中，懸置約1 min，待水泥卷上小孔無連續(xù)冒泡后將其取出。用鋼筋把所需的水泥卷一個接一個分別推入孔底。d.電鉆帶動桿體旋轉(zhuǎn)攪拌注入錨桿孔，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)動拌合10 s以上，使樹脂錨固劑或快硬水泥漿均勻混合。e.待錨桿錨固后安裝托盤、上緊螺母，使錨桿具有預(yù)應(yīng)錨固力。

2.1.3 玻璃鋼錨桿錨固性能分析

在現(xiàn)場采用錨桿綜合參數(shù)測定儀對所有試驗錨桿進行了拉拔試驗(見圖1)。對玻璃鋼錨桿的極限抗拔力和破壞失效機理進行了分析。

1)玻璃鋼錨桿在云岡石窟砂巖地層中28 d齡期最大錨固力可達86.4 kN。2)玻璃鋼錨桿的破壞形式大部分為桿體被扭開，發(fā)生劈裂性破壞(見圖2)，以及托盤被壓裂，分析桿體的構(gòu)成材料及構(gòu)成形式，由于各束纖維是經(jīng)機械式壓制而結(jié)合成桿體，纖維間粘結(jié)強度低，成為桿體抗扭強度不高的薄弱環(huán)節(jié)。

通過分析其破壞機理，后期可以從桿體纖維增強和桿體制作過程中適當改進，可以考慮采用碳纖維材料作為增強纖維，且在纖維壓制過程中加入增強粘結(jié)劑，以整體提高桿體內(nèi)部的結(jié)合強度及桿體本身的抗剪抗扭性能。從而在桿體輕質(zhì)高強、易于安裝施工且可永久支護的性能基礎(chǔ)上更加改善其力學(xué)性能，以利于在文物保護工程中發(fā)揮出更大的作用。

2.2 中空注漿錨桿錨固參數(shù)設(shè)計及適用性分析

2.2.1 中空注漿錨桿結(jié)構(gòu)及材質(zhì)特點

中空注漿錨桿是集鉆孔、注漿、錨固等多功能的新型高科技支護產(chǎn)品。其中空的桿體兼做鉆桿和注漿管。注漿前可作吹塵管，即排除鑿巖形成的粉塵，注漿時漿液通過中空錨桿從鉆頭噴出，填充錨桿周圍的鉆孔和地層裂隙，使錨桿與周圍土質(zhì)凝固成一體，起到加固的作用。

普通中空注漿錨桿結(jié)構(gòu)中不包括鉆頭，桿體為中空，錨固段帶有螺道，增大了與巖壁的摩擦作用。在端部帶有螺母和墊板。自鉆式中空注漿錨桿結(jié)構(gòu)由鉆頭、中空桿體、墊板和螺母組成。鉆頭的大小可控制鉆孔的大小，一般鉆孔的尺寸約為錨桿直徑的2倍。自鉆式中空注漿錨桿典型的結(jié)構(gòu)及各部件如圖3所示。

2.2.2 中空注漿錨桿錨固設(shè)計及安裝

1)中空注漿錨桿錨固參數(shù)設(shè)計如表3所示。

表3 中空注漿錨桿錨固參數(shù)設(shè)計

2)中空注漿錨桿施工安裝。

中空注漿錨桿的施工選在巖質(zhì)破碎、裂縫發(fā)育且部分呈軟塑狀態(tài)的地層中。因此，錨固成孔是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在現(xiàn)場試驗過程中，有部分孔出現(xiàn)鉆進到約1 m深度就嚴重塌孔。在這種情況下，必須選用自鉆式鉆進方式及將桿體本身作為注漿管從管內(nèi)注漿方式，因為嚴重塌孔已造成無法從孔內(nèi)注漿，所以中空注漿技術(shù)尤其適用于破碎地層巖體加固。

在破碎地層鉆進時，若采用先打孔再錨固的方式，應(yīng)采用跟管鉆進工藝來完成。但有的地層的地質(zhì)條件非常復(fù)雜，即便用跟管鉆進也很難達到目的，易發(fā)生鉆具的劇烈跳動、鉆進負荷加大、塌孔、埋鉆、卡鉆、活動石塊無法鉆進等，使鉆進施工無法進行。在這種情況下，應(yīng)采用注漿固結(jié)破碎巖層及孔壁，注漿材料應(yīng)使用快速固結(jié)、早強、流動性好的材料，注漿后，待固結(jié)達到一定強度時，方可繼續(xù)鉆進。

2.2.3 中空注漿錨桿錨固性能分析

圖4是采用錨桿綜合參數(shù)測定儀測定的拉拔過程中自鉆式中空注漿錨桿的典型力—位移曲線。該錨桿的錨固形式為下傾15°錨于坡體堆積層及砂巖層中，錨入深度2.5 m，其極限拉應(yīng)力可達65.38 kN。錨固體的破壞形式為桿體被拔出，漿體錨固失效。分析應(yīng)力—位移曲線，上升階段斜率較大，表明合金鋼材料彈模較高。曲線下降部分較為陡峭，表明桿體脆性較大。

圖5是對垂直向下錨于坡頂?shù)亩逊e層及砂巖層中的自鉆式中空注漿錨桿的力—位移曲線。桿體直徑為30 mm，壁厚5 mm。在拉力增大至187.35 kN時，發(fā)生注漿體松動，桿體拔出破壞。試驗結(jié)果表明垂直向下錨于巖層中比下傾15°錨于巖層中抗拔力明顯提高，即錨固質(zhì)量提高。

圖6是對錨固于山坡巖質(zhì)較破碎且部分呈軟塑狀態(tài)地層中非自鉆式中空注漿錨桿的力—位移曲線。φ28 mm和φ25 mm的桿體極限錨固力分別為23.1 kN和26.8 kN，表明極限錨固力的大小與桿體的粗細沒有直接關(guān)系，但是與錨固地層的性質(zhì)、注漿的密實程度等有關(guān)。在現(xiàn)場施工中，可根據(jù)被加固巖體的體積大小選用合適的桿徑。分析力—位移曲線，上升階段斜率較低，且達到最大拉力后應(yīng)變?nèi)岳^續(xù)增加，該現(xiàn)象與所錨固地層為軟塑狀態(tài)的性質(zhì)有關(guān)。桿體的失效是由于外露部分螺母脫絲造成，而桿體仍保持原有強度，未發(fā)生破壞。表明要改善該類型的錨桿結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，必須加深頭部螺絲深度和長度及加強螺母的質(zhì)量。

2.3 螺紋鋼錨桿錨固參數(shù)設(shè)計及適用性分析

2.3.1 螺紋鋼錨桿結(jié)構(gòu)及材質(zhì)特點

螺紋鋼錨桿是一種具有廣闊應(yīng)用前景的支護材料。桿體由軋制的全長連續(xù)右旋螺紋鋼材料制成，具有以下特點:1)其任何一端都可以直接擰螺母而成緊固端，另一端可直接與錨固劑粘結(jié)而成錨固端;2)由于桿體全長范圍內(nèi)具有連續(xù)的螺紋，其錨固長度可根據(jù)實際需要確定，這種錨桿既可以作為端頭錨固，也可作為全長錨固;3)錨桿的螺紋牙形為梯形，其抗剪強度略高于桿體的抗拉強度，具有桿體全長等強度、無弱面的特點。

據(jù)有關(guān)文獻，砂漿與圓鋼粘結(jié)強度為2.5 MPa左右，而砂漿與螺紋鋼粘結(jié)強度為5.0 MPa左右。圓鋼錨桿與粘結(jié)物粘結(jié)強度主要由粘聚力及摩擦力決定，而螺紋鋼錨桿與粘結(jié)物之間強度不僅包括前面兩部分，還包括因螺紋起伏與砂漿之間產(chǎn)生擠壓、剪脹、剪斷等作用產(chǎn)生的等效強度，這在總體上較大地提高了其粘結(jié)強度［8］。所以，螺紋鋼錨桿的錨固力很大，錨固性能好。

通過設(shè)計螺紋鋼砂漿錨桿，與玻璃鋼錨桿、中空注漿錨桿等在極限抗拔力、粘結(jié)砂漿變形破壞、錨固失效等方面進行比較，以深入了解各類型錨桿工作機理及錨固效果，合理進行錨固工程設(shè)計計算。

2.3.2 螺紋鋼錨桿錨固參數(shù)設(shè)計

螺紋鋼錨桿錨固參數(shù)設(shè)計如表4所示。

表4 螺紋鋼錨桿錨固參數(shù)設(shè)計

2.3.3 螺紋鋼錨桿錨固性能分析

圖7中的錨桿錨固深度為2.0 m，錨固地層為砂巖地層，其28 d齡期錨固力達到273.8 kN。圖8中的錨桿錨固深度為5.4 m，地層條件同圖7中的錨桿，其28 d齡期錨固力達到242.127 kN，破壞形式均為錨桿與砂漿界面滑移破壞，表明對于危巖體加固來講，錨桿的支護作用并非是單一的，還與巖土體條件、漿體條件密切相關(guān)，必須多種作用共同協(xié)調(diào)才能發(fā)揮出高的錨固性能。螺紋鋼錨桿在工作條件相同時極限錨固力大于玻璃鋼錨桿及中空注漿錨桿。但由于鉆孔孔徑較大，對文物本體擾動較大。

3 結(jié)語

1)研究發(fā)現(xiàn)，對于石窟寺崖壁上小型傾倒式危巖體可采用玻璃鋼錨桿加固，通過旋進托盤可施加20 kN～30 kN的預(yù)應(yīng)力。但桿體抗剪及抗扭斷強度不高，不宜應(yīng)用于滑塌式危巖的治理。進一步努力的方向應(yīng)是采用碳纖維材料作為增強纖維，且在纖維壓制過程中加入增強粘結(jié)劑，從而整體提高桿體內(nèi)部的結(jié)合強度及桿體整體的抗剪抗扭性能，并加強托盤和螺帽的力學(xué)強度，從而在治理石窟危巖體時發(fā)揮更全面的性能。2)在軟弱圍巖、斷層破碎帶較多及塑性流變巖層中可采用自鉆式中空注漿錨桿。鉆桿錨桿兩者合一，鉆進后不需退出，避免錨桿鉆孔后出現(xiàn)坍孔、卡鉆及插不進桿體等情況。且通過中空桿體注漿，能保證錨桿伸入范圍內(nèi)的巖體都得到有效加固。錨固角宜設(shè)置在20°～35°。對于墜落型危巖上部巖體的加固，可采用豎直向下打入自鉆式錨桿的方法。該錨固技術(shù)能加固危巖體上部巖土層，且能發(fā)揮出較大的錨固力。3)文物的不可再生性決定了文物保護工程的特殊性，在選用合理錨固體系時應(yīng)盡量減少對文物本體的擾動，并還應(yīng)對特定的窟區(qū)危巖體進行錨固體系工作性能的長期觀察和監(jiān)測。

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