土中錨桿臨界錨固長度的試驗研究

張福明，梁仕發(fā)，林大路，趙　健

(1.總參工程兵 科研三所，河南 洛陽 471023；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049)

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土中錨桿臨界錨固長度的試驗研究

張福明1，梁仕發(fā)2，林大路1，趙健1

(1.總參工程兵 科研三所，河南 洛陽 471023；2.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049)

[摘要]基于近幾年來關(guān)于臨界錨固長度理論，研究分析了黃土中拉力型和壓力型錨桿臨界錨固長度的試驗條件、方法、結(jié)果和判別臨界錨固長度的方法，并且與其他研究成果作了對比分析。結(jié)果表明，此次試驗條件下拉力型和壓力型錨桿臨界錨固長度的存在和其長度，以及錨桿錨固段第一和第二界面局部破壞轉(zhuǎn)移、峰值剪應(yīng)力轉(zhuǎn)移、零值剪應(yīng)力轉(zhuǎn)移大體是同時發(fā)生的，此時峰值和零值點間的空間距離就是臨界錨固長度。

[關(guān)鍵詞]錨桿；臨界錨固長度；判別方法；試驗；研究

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.026

[引用格式]張福明，梁仕發(fā)，林大路，等.土中錨桿臨界錨固長度的試驗研究[J].煤礦開采，2015，20(5)：97-100.

錨桿的臨界錨固長度是指一定巖土介質(zhì)中錨固類結(jié)構(gòu)桿體的極限錨固長度。這一概念的含義在于：在任一巖土介質(zhì)中，錨固類結(jié)構(gòu)桿體長度都存在一個極限值，未達此值，錨固潛力即未充分發(fā)揮；超過此值，超出部分就將做無用功。

自從提出臨界錨固長度的問題之后，國內(nèi)圍繞此問題已開展了許多研究，見參考文獻[1]～[21]。國外也開展了相近的研究，見參考文獻[22]～[25]，只是提法各不相同。研究所采用的方法大體可歸為4類：數(shù)值分析方法、解析方法、現(xiàn)場監(jiān)控和輔助試驗方法、綜合方法。這些方法能從不同側(cè)面反映或揭示出錨固類結(jié)構(gòu)桿體臨界錨固長度的本質(zhì)，但如何結(jié)合工程現(xiàn)場測得臨界錨固長度，還沒有統(tǒng)一有效的方法。

為此，在河南洛陽某山地黃土中進行了旨在研究錨桿臨界錨固長度的現(xiàn)場試驗的條件、方法、結(jié)論和判別臨界錨固長度的方法，并對比分析了其他相關(guān)研究成果，指出臨界錨固長度的存在是一個普遍現(xiàn)象。

1試驗條件

1.1　土層條件

試驗場地選擇在河南洛陽某單位的野外綜合試驗場黃土塬下部(見圖1)。該場地土層堅硬致密，表面風(fēng)化層較薄，屬Q(mào)2黃土。土層主要物理力學(xué)參數(shù)：含水率w=25.4%，天然重度γ=18.9kN/m3，液限wL=41.5.0%，塑性指數(shù)Ip=15.45，孔隙比e=0.817，壓縮系數(shù)a1-2=0.11，濕陷系數(shù)δs= 0.013，黏聚力c=46.8kPa，內(nèi)摩擦角φ=24.7°。

圖1　試驗現(xiàn)場

1.2　試驗方法

試驗錨孔位于地面以上1 m、坡頂以下20 m處，在設(shè)計錨孔處，削除厚度約200～300mm的表面風(fēng)化土層，使之露出新鮮、未經(jīng)擾動的土層面。按照設(shè)計錨桿間距為1m，錨孔直徑為120mm，下傾角為15°，用電動麻花鉆機成孔，見圖1。從圖的左側(cè)到右側(cè)，錨桿編號分別為：1號、2號、3號、4號、5號、6號、7號、8號。其中1號、3號、5號、7號錨桿為拉力型；2號、4號、6號、8號錨桿為壓力型。錨孔深度分別為12m，12m，9m，9m，6m，6m，3m，3m。錨桿桿體為直徑22mm HRB400螺紋鋼筋，預(yù)留錨桿外端張拉長度為M30×900的45號鋼螺桿，螺桿和螺紋鋼的搭接長度為300mm。壓力型錨桿的承壓板直徑為100mm。為了試驗施工安全和便于張拉，坡面采用噴射混凝土鋼筋網(wǎng)支護。噴射混凝土設(shè)計參數(shù)為：δ150mm(采用32.5R水泥)；配合比為水泥∶砂∶石子=1∶2∶2；水灰比0.5；鋼筋網(wǎng)φ12mm-200mm×200mm；用m30的水泥砂漿抹平張拉架支腿底面。注漿采用純水泥漿，水泥為P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥。注漿方式一律為普通壓力注漿(0.5MPa)；漿液配合比為水∶水泥=0.45∶1，28d強度為36.2MPa，養(yǎng)護時間為7d。養(yǎng)護時間一到即開始進行張拉試驗。

1.3　測點布置

測點設(shè)置應(yīng)變片和應(yīng)變磚2種。

(1)應(yīng)變測點按第1，2界面分別安置在錨桿桿體和水泥漿與孔壁的接觸面上。第1界面上的應(yīng)變測點是將應(yīng)變片直接粘貼在經(jīng)處理的桿體表面。第2界面的應(yīng)變測點為微型應(yīng)變磚(其漿液材料、水泥標(biāo)號、水灰比均與注漿漿液相同)，由固定在錨桿上的彈簧鋼絲將其安放在注漿體和孔壁之間。

(2)1～6號錨桿的應(yīng)變片和應(yīng)變磚的間距為1m，7號和8號錨桿的應(yīng)變片和應(yīng)變磚的間距為0.5m。

1.4　錨桿張拉等級

錨桿加載等級見表1。

表1　錨桿加載等級

2試驗結(jié)果

2.1　拉力型錨桿試驗結(jié)果

3號拉力型錨桿的長度和應(yīng)變值關(guān)系曲線見圖2，5號錨桿的長度和應(yīng)變值關(guān)系曲線見圖3，由于1號錨桿的長度和應(yīng)變值關(guān)系曲線與3號錨桿相似，7號錨桿的長度和應(yīng)變值關(guān)系曲線與5號錨桿相似，篇幅有限，在此不再贅述。

圖2　3號錨桿長度與應(yīng)變值的關(guān)系

圖3　5號錨桿長度與應(yīng)變值的關(guān)系

2.2　壓力型錨桿試驗結(jié)果

4號、6號和8號拉力型錨桿的長度和應(yīng)變值關(guān)系曲線見圖4～6，2號錨桿的長度和應(yīng)變值關(guān)系曲線同4號錨桿，在此不再贅述。

圖4　4號錨桿長度與應(yīng)變值的關(guān)系

圖5　6號錨桿長度與應(yīng)變值的關(guān)系

3臨界錨固長度判定方法

在綜合分析文獻[1]～[25]以及國內(nèi)外30多年來對臨界錨固長度研究成果，研究者普遍認可的觀點如下：

(1)錨桿臨界錨固長度效應(yīng)是一個普遍的客觀存在現(xiàn)象。

(2)在一定介質(zhì)中，在設(shè)計參數(shù)完全相同條件下，臨界錨固長度值大體是一個常數(shù)或定值。

(3)在不同介質(zhì)中，或在設(shè)計參數(shù)有差異(如桿徑、孔徑、漿液配合比、注漿壓力、巖土介質(zhì)等不同)條件下，臨界錨固長度值是不同的。

(4)了解和掌握各種巖土介質(zhì)中錨固類結(jié)構(gòu)的臨界錨固長度值，既可避免盲目浪費，又可消除工程潛在安全隱患，達到優(yōu)化設(shè)計之目的。

(5)錨固段諸界面剪應(yīng)力的轉(zhuǎn)移特性包括：當(dāng)施加于桿體的荷載達到極限值條件下，緊靠錨頭部位的峰值剪應(yīng)力發(fā)生向桿體深部轉(zhuǎn)移；遠離錨頭部位的零值剪應(yīng)力發(fā)生向桿體深部轉(zhuǎn)移；錨固體及其界面局部破壞發(fā)生向桿體深部轉(zhuǎn)移，其空間位置與峰值剪應(yīng)力相對應(yīng)；上述三個轉(zhuǎn)移在時間上基本同時發(fā)生；峰值剪應(yīng)力與零值剪應(yīng)力之間的空間距離大體為常數(shù)。

(6)臨界錨固長度值的誤差，是相鄰2個測點之間的距離。

4試驗結(jié)果分析

4.1　拉力型錨桿

從圖2和圖3中可以看出，錨桿應(yīng)變值在錨固段口部具有最大值，在錨固段內(nèi)具有較小值。隨著荷載增大，錨固段口部應(yīng)變值呈增大趨勢，錨固段內(nèi)的應(yīng)變值呈增大趨勢，但隨著錨固段向內(nèi)延伸，應(yīng)變值逐漸減小。從圖2看出，1號和3號錨桿隨著荷載的增加，錨固段口部的應(yīng)變值最大，錨固段內(nèi)部的應(yīng)變值0點隨荷載的增加而向深處轉(zhuǎn)移，分別在第8級和第7級荷載時錨固段口部的應(yīng)變值達到最大(在試驗中，當(dāng)荷載達到第9級和第8級時，錨固段口部注漿體開裂，桿體上的應(yīng)變片已破壞，在圖中顯示為0。其他圖同樣)，同時其0點位于8m處，隨后荷載繼續(xù)增加，0值點也繼續(xù)向錨固段深部轉(zhuǎn)移。從圖3中看出，5號和7號錨桿應(yīng)變峰值雖然在第10級荷載時出現(xiàn)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，在3m處，各級荷載下的應(yīng)變值均接近于0，卻不是真正的零值點，并且長度在3～6m范圍內(nèi)，應(yīng)變值隨著荷載的增加也在增加，因此，峰值點和零值點未同時發(fā)生轉(zhuǎn)移，由此判定錨桿臨界錨固長度將大于6m。根據(jù)臨界錨固長度的應(yīng)變峰值點和零點同時轉(zhuǎn)移觀點，此試驗條件下的拉力型錨桿臨界錨固長度為8m。

3號錨桿為拉力型，在此錨桿上分別安裝了應(yīng)變片和應(yīng)變磚2種應(yīng)變值量測點，在第6級荷載時，口部應(yīng)變磚的應(yīng)變值達到最大值，此時的0值點在錨固段內(nèi)的8m處，而應(yīng)變磚的應(yīng)變值在8m前，隨荷載的增加，0值點逐漸向內(nèi)移動，在8m以后，0值點繼續(xù)向內(nèi)移動，因此也進一步證明了此條件下的錨桿臨界錨固長度為8m。

從3號錨桿的試驗結(jié)果可以看出，錨固段的第1界面和第2界面應(yīng)力峰值基本上是同時達到的，而且0值點也是同一數(shù)值。

4.2　壓力型錨桿

從圖4～6中可以看出，應(yīng)變值(應(yīng)變磚)錨桿在錨固段底部具有最大值，在錨固段內(nèi)具有較小值。隨著荷載增大，錨固段底部應(yīng)變值呈增大趨勢，錨固段內(nèi)的應(yīng)變值呈增大趨勢，但隨著錨固段向口部延伸，應(yīng)變值逐漸減小。從圖4和圖5中看出，2號、4號和6號錨桿應(yīng)變峰值雖然分別在第4級、第6級和第6級達到最大值，在下一級荷載時出現(xiàn)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，此荷載時的應(yīng)變0值點分別位于錨固段內(nèi)7m，4m和1.8m處，由此判定其臨界錨固長度分別為5m，5m和4.2m。而從圖6中看出，8號錨桿隨著荷載的增加，錨固段底部的應(yīng)變值最大，錨固段內(nèi)部的應(yīng)變值隨荷載的增加向口部逐漸減小，雖然在第7級荷載時，底部應(yīng)變值達到最大，但此時的應(yīng)變值并不為0，因此可以判斷其臨界錨固長度大于3m。

在壓力型錨桿試驗結(jié)果曲線中出現(xiàn)的錨固段口部應(yīng)變值為正值，并且其數(shù)值較大的原因是為了體現(xiàn)試驗錨桿與實際工程中的錨桿所處環(huán)境相同，在完成錨桿的所有應(yīng)變片和應(yīng)變磚的安裝和注漿后，在土體的表面掛了一層鋼筋網(wǎng)并噴射了一層100mm厚的混凝土，在錨桿張拉時，張拉架壓在了噴射混凝土之上，從而導(dǎo)致口部應(yīng)變磚受到表面噴射混凝土傳來的力和錨桿本身所受力的影響。

4.3　試驗條件下錨桿臨界錨固長度值

據(jù)2.1，3和4.1節(jié)的描述和分析，此次試驗的拉力型錨桿臨界錨固長度分別為8m，8m，>6m和>3m。綜合以上4根拉力型錨桿的試驗情況分析，可確定此條件下拉力型錨桿的臨界錨固長度為8m。因此，考慮測試誤差和一定安全系數(shù)后，此條件下拉力型工程錨桿的設(shè)計不宜超過11～12 m。

據(jù)2.2，3和4.2節(jié)的描述和分析，此次試驗的壓力型錨桿臨界錨固長度分別為5m，5m，4.2m和>3m，綜合以上4根壓力型錨桿的試驗情況分析，可確定此條件下壓力型錨桿的臨界錨固長度為5m。因此，考慮測試誤差和一定安全系數(shù)后，此條件下壓力型工程錨桿的設(shè)計不宜超過7.5m。

5結(jié)論

(1)拉力型和壓力型錨桿的臨界錨固長度是普遍存在的，采用以臨界錨固長度為依據(jù)進行工程設(shè)計是科學(xué)合理的。

(2)臨界錨固長度與錨桿所處的地質(zhì)條件、注漿材料、注漿方式、桿體材料和錨桿結(jié)構(gòu)等有關(guān)，因此，在實際應(yīng)用中，只能是各種條件都一致時才能在試驗的基礎(chǔ)上取一相同的安全值。

(3)此次試驗條件下的拉力型錨桿臨界錨固長度為8m，壓力型錨桿的臨界錨固長度為5m。而在山西某地的黃土中所做的試驗研究中[5]，其拉力型錨桿的臨界錨固長度也為8m。因此，在此地質(zhì)條件下，在錨桿結(jié)構(gòu)、桿體材料、注漿方式、注漿材料等一致時，拉力型錨桿的臨界錨固長度建議為8m，壓力型錨桿的臨界錨固長度建議取5m。

(4)兩個測點間的距離是臨界錨固長度的試驗誤差值，在實踐中應(yīng)予以考慮。

(5)臨界錨固長度的判斷應(yīng)以錨固體及其界面局部破壞、峰值剪應(yīng)力和零值剪應(yīng)力同時出現(xiàn)時，峰值剪應(yīng)力與零值剪應(yīng)力之間的空間距離大體是常數(shù)。

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[責(zé)任編輯：王興庫]

Test of Critical Anchorage Length of Anchored Bolt for Soil

ZHANG Fu-ming1，LIANG Shi-fa2，LIN Da-lu1，ZHAO Jian1

(1.3rdResearch Institute of Engineering Corps，Headquarters of the General Staff，Luoyang 471023，China； 2.Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

Abstract：Based on theories of critical anchorage length in recent years，test conditions，methods，results and judgment methods of critical anchorage length of tensing- and pressing- anchored bolt in loess was analyzed and compared.Results showed that local failure transformation，summit-value shearing stress transformation，zero-value shearing stress transformation were generally simultaneous.The space distance between summit value and zero-value was the critical anchorage length.

Keywords：anchored bolt；critical anchorage length；judgment method；test；research

[作者簡介]張福明(1964- )，男，山西忻州人，總參工程兵科研三所副研究員，主要從事巖土工程與防護工程方面研究工作。

[基金項目]國家自然科學(xué)基金項目(51278492)

[收稿日期]2015-05-14

[中圖分類號]TD350.1

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0097-04