錨桿粘結(jié)性能與灌漿密實性能試驗研究

武志軍

(中鐵十局集團有限公司，山東濟南　250000)

?

錨桿粘結(jié)性能與灌漿密實性能試驗研究

武志軍

(中鐵十局集團有限公司，山東濟南250000)

摘要：針對辛泰鐵路電氣化改造工程中錨桿的實際設(shè)計情況，在試驗室模擬實際設(shè)計和灌漿施工的錨桿粘結(jié)性能與密實性能試驗。典型荷載-滑移曲線分析結(jié)果表明，錨桿錨固長度和粘結(jié)力滿足工程使用要求，具有很大的可靠性。時域信號分析結(jié)果表明，錨桿灌漿密實度大于90%，滿足錨桿錨固質(zhì)量等級要求。

關(guān)鍵詞：錨固長度；粘結(jié)性能；荷載-滑移曲線；密實度

錨桿與水泥漿的粘結(jié)性能直接決定了錨桿錨固長度的設(shè)計，錨桿與水泥漿的粘結(jié)力主要由錨桿與水泥漿接觸面上的化學(xué)膠著力、摩擦力及機械咬合力3部分組成[1-5]。錨桿的灌漿密實度嚴(yán)重影響錨桿的粘結(jié)力，因此，對于工程用錨桿一般需要進行錨桿拉拔檢測和錨桿無損密實度檢測[6-10]。只有在滿足錨桿密實度合格的前提下，才能保證錨桿的粘結(jié)力。辛泰鐵路電氣化改造工程共有21座既有隧道需要改造，所有隧道均在20世紀(jì)70年代修建，隧道內(nèi)存在嚴(yán)重漏水現(xiàn)象，為錨桿灌漿施工帶來極大不便。為了保證錨桿的施工質(zhì)量，針對辛泰鐵路電氣化改造工程錨桿的實際設(shè)計情況和施工工藝要求，在試驗室進行了模擬實際設(shè)計和施工的錨桿粘結(jié)性能試驗和錨桿灌漿密實度的無損檢測，為設(shè)計和施工提供理論依據(jù)。

1試驗

1.1試件設(shè)計

表1粘結(jié)試驗試件一覽表單位：mm

錨桿直徑粘結(jié)錨固長度l0251250150020002500321600192025603200

試件采用的錨桿為Φ25 mm和Ф32 mm 2種帶肋鋼管，粘結(jié)錨固長度l0分別為50d、60d、80d和100d(d為鋼筋直徑)，試件參數(shù)如表1所示。

首先預(yù)制8個不同高度的混凝土長方體[11-15]，根據(jù)錨固長度預(yù)留錨孔，混凝土長方體底端與地錨采用螺栓連接?；炷吝_到設(shè)計強度后插入錨桿，然后按實際施工工序進行灌漿，錨桿頂端焊接30 mm厚的鋼板，將鋼板與MTS作動器連接，連接完成后如圖1所示。

1.2加載制度及測試內(nèi)容

本次試驗采用中心拔出試驗方法，試驗在山東交通學(xué)院結(jié)構(gòu)試驗室進行，試驗裝置為美國MTS公司生產(chǎn)的六通道MTS結(jié)構(gòu)加載系統(tǒng)。MTS結(jié)構(gòu)加載系統(tǒng)是一款精密液壓伺服系統(tǒng)，完全由計算機實現(xiàn)加載和數(shù)據(jù)采集，主要由5部分組成：1)冷卻塔。提供冷卻的循環(huán)水，將液壓油溫控制在工作溫度范圍內(nèi)。2)液壓系統(tǒng)。由液壓油源、管路和分油器組成。3)數(shù)字控制系統(tǒng)。由控制器、計算機和試驗控制軟件組成。4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由應(yīng)變應(yīng)力采集、力位移采集系統(tǒng)組成。5)加載系統(tǒng)。由6個作動器組成，內(nèi)有高精度力、位移傳感器，是直接與結(jié)構(gòu)模型連接的部位。MTS結(jié)構(gòu)加載系統(tǒng)加載制度主要有位移控制加載、力控制加載、力-位移混合控制加載3種。

本次試驗采用力控制加載方式，加載速率為0.1 kN/s。在拔出面處對稱設(shè)置2個位移傳感器，由計算機自動采集錨桿滑移，錨桿拉拔力和位移由MTS內(nèi)置力、位移傳感器采集。

2試驗結(jié)果與分析

2.1荷載-滑移曲線

圖1為Ф25 mm錨桿不同錨固長度下的荷載-滑移(F-s)曲線圖，圖2為Φ32 mm錨桿不同錨固長度下的F-s曲線圖。

a)l0=50d　　　　　　　　b)l0=60d　　　　　　　　　c)l0=80d　　　　　　　d)l0=100d圖1　Ф25 mm錨桿不同錨固長度下F-s曲線

a)l0=50d　　　　　　　　　b)l0=60d　　　　　　　　　c)l0=80d　　　　　　　d)l0=100d圖2　Ф32錨桿不同錨固長度下F-s曲線-滑移曲線

本次試驗錨桿的F-s曲線沒有出現(xiàn)下降段，均隨拉拔力的增加，最終錨桿被拉斷。這是因為錨桿錨固長度比較大，導(dǎo)致粘結(jié)力比較大，破壞模式為錨桿拉斷而不是拔出破壞，符合錨固長度設(shè)計思想。若減小錨固長度，F(xiàn)-s曲線將出現(xiàn)下降段，也會產(chǎn)生粘結(jié)滑移(拔出)破壞。通過試驗現(xiàn)象和F-s曲線分析，可以看出錨桿粘結(jié)破壞過程主要分為以下3個階段：

1)微滑移階段

當(dāng)荷載較小時，錨桿滑移很小，此時F-s曲線近似為線性關(guān)系，荷載約為拉斷荷載的10%，滑移位移小于0.2 mm。

2)有滑移階段

繼續(xù)增加荷載，錨桿端部發(fā)生微小轉(zhuǎn)動，這是帶螺紋錨桿特有的顯著特點。此時F-s曲線進入非線性狀態(tài)，滑移位移隨加載荷載的增加逐漸變大。

3)錨桿拉斷階段

當(dāng)荷載達到錨桿抗拉極限荷載后，錨桿發(fā)生斷裂破壞。

2.2錨固長度對錨桿粘結(jié)性能的影響

理論研究表明，錨桿粘結(jié)力隨錨固長度的增大而變大，但粘結(jié)強度起初隨錨固長度的增大而增大，當(dāng)達到某一臨界錨固長度后，粘結(jié)強度隨錨固長度的增大而變小。由于本次試驗錨桿均被拉斷，無法準(zhǔn)確計算錨桿粘結(jié)強度，但通過分析試驗數(shù)據(jù)，可以得到如下結(jié)論：1)隨錨固長度的增大，錨桿拉斷前的滑移逐漸減小，F(xiàn)-s曲線斜率越大，說明粘結(jié)力隨錨固長度的增大而變大。2)F-s非彈性階段的位移隨錨固長度的增大而減小。

3錨桿密實度的無損檢測

3.1檢測原理

檢測設(shè)備采用武漢巖土所生產(chǎn)的RSM-RBT型錨桿無損檢測儀，其工作原理為[16-19]：利用聲頻應(yīng)力波(簡稱聲波)快速檢測，在錨桿外露的端頭，利用超磁震源激發(fā)高頻高能量聲波或手錘敲擊，同時接收錨桿體內(nèi)的反射信息。利用聲波在受邊界條件約束的一維桿狀體內(nèi)傳播的運動學(xué)與動力學(xué)規(guī)律，尤其是對邊界條件變化產(chǎn)生的特征反射和桿體內(nèi)波動能量的外泄(即衰減)特征，進行頻譜分析和能量衰減分析，快速檢測與分析錨桿長度、錨固狀態(tài)(一般指灌漿飽滿度)。

3.2典型檢測數(shù)據(jù)分析

圖3為Φ25 mm錨桿不同錨固長度下的聲波反射曲線圖，圖4為Φ32 mm錨桿不同錨固長度下的聲波反射曲線圖。

a)l0=50d　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b)l0=60d

c)l0=80d　　　　　　　　　　　　　　　　　　　d)l0=100d圖3　Φ25 mm錨桿不同錨固長度下波速-時間曲線

通過圖3、4可以看出，聲波反射曲線具有如下特點：1)波形比較規(guī)則，呈指數(shù)快速衰減，持續(xù)時間較短，符合灌漿密實度大于90%的判定標(biāo)準(zhǔn)。2)時域信號2L/Cm(其中L為錨桿長度，Cm為同類錨桿平均波速)時刻前無缺陷反射波，桿底反射波信號微弱，符合灌漿密實度大于90%的判定標(biāo)準(zhǔn)。

試驗結(jié)束后對錨固體進行破碎觀察，實際錨桿灌漿質(zhì)量與檢測結(jié)論吻合較好，從而驗證了錨桿灌漿施工工藝的可靠性和檢測方法的準(zhǔn)確性。

4結(jié)論

通過本次試驗研究，可以得到如下結(jié)論：1)由于錨固長度較大，保證了錨桿發(fā)生拉斷破壞而非粘結(jié)失效破壞，符合設(shè)計要求。2)錨桿粘結(jié)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計荷載，能保證錨桿在使用過程中的受力性能要求。3)錨桿灌漿施工工藝能保證灌漿施工質(zhì)量。4)錨桿錨固長度主要根據(jù)錨桿設(shè)計使用荷載和錨桿粘結(jié)強度確定，錨桿粘結(jié)強度可通過拉拔試驗確定。

a)l0=50d　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b)l0=60d

c)l0=80d　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　d)l0=100d圖4　Φ32 mm錨桿不同錨固長度下波速-時間曲線

參考文獻：

[1]解偉，李樹山，牟曉光.螺旋狀高強預(yù)應(yīng)力鋼筋粘結(jié)性能試驗研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2007,33(5):40-45.

XIE Wei,LI Shushan,MOU Xiaoguang.Experimental study of bond behavior between helical high strength prestressed reinforcement and concrete[J].Sichuan Building Science,2007,33(5):40-45.

[2]金芷生，朱萬福，龐同和．鋼筋與混凝土粘結(jié)性能試驗研究[J]．南京工學(xué)院學(xué)報，1985，15(2):73-85．

JIN Zhisheng,ZHU Wanfu,PANG Tonghe.Experimental study of bond behavior between steel bars and concrete[J]. Journal of Nanjing Engineering University,1985,15(2):73-85.

[3]宋玉普，趙國藩．鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移性能研究[J]．大連工學(xué)院學(xué)報，1987，26(2)：93-100．

SONG Yupu,ZHAO Guofan.Experimental study of bond behavior between steel bars and concrete[J].Journal of Dalian Engineering University,1987,26(2):93-100.

[4]徐有鄰，沈文都，汪洪．鋼筋混凝土粘結(jié)錨固性能的試驗研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1994，15(3):26-37.

XU Youlin,SHEN Wendu,WANG Hong.Experimental study of bond behavior between steel bars and concrete[J].Journal of Building Structure,1994,15(3):26-37.

[5]方志，張洪僑，賀紹華.高性能注漿體與巖錨結(jié)合面粘結(jié)性能的試驗研究[J].鐵道學(xué)報，2014,36(12):104-109.

FANG Zhi,ZHANG Hongqiao,HE Shaohua.Experimental research on bond performance of bond face between high-performance grouting materials and rock anchor[J].Journal of the China Railway Society,2014,36(12):104-109.

[6]張發(fā)明，陳祖煜，劉寧．巖體與錨固體間粘結(jié)強度的確定[J]．巖土力學(xué)，2001,22(4):470-473．

ZHANG Faming,CHEN Zuyu,LIU Ning．Determination of cohesive strength between rock mass and anchors[J].Rock and Soil Mechanics，2001,22(4):470-473．

[7]王傳志，滕智明.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1985.

[8]趙衛(wèi)平，范玉輝，李剛.高強混凝土與鋼筋粘結(jié)—滑移的數(shù)值模擬[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010,29(6):20-24.

ZHAO Weiping,FAN Yuhui,LI Gang.Numerical simulation of bong-slip between HSC and steel bar[J].Journal of Lanzhou Jiaotong University(Natural Sciences),2010,29(6):20-24.

[9]王海龍，李朝紅，徐光興.帶肋鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的細(xì)觀數(shù)值模擬[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2011,46(3):365-372.

WANG Hailong,LI Chaohong,XU Guangxing.Mesoscopic numerical simulation of bond behavior of ribbed bars and concrete[J].Journal of Southwest Jiaotong University,2011,46(3):365-372.

[10]王依群，王福智．鋼筋與混凝土間的黏結(jié)滑移在ANSYS中的模擬[J]．天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)，2006，39(2)：209-213．

WANG Yiqun．WANG Fuzhi．Simulation of bond-slip relationship between concrete and reinforcing bar in ANSYS[J]．Journal of Tianjin University(Science and Technology)，2006,39(2):209-213．

[11]牟曉光，王清湘，司炳君．鋼筋與混凝土粘結(jié)試驗及有限元模擬[J]．計算力學(xué)學(xué)報，2007，24(3)：379-384.

MOU Xiaoguang，WANG Qingxiang，SI Bingjun．Bond test between reinforcement and concrete and FEM simulation[J]．Chinese Journal of Computational Mechanics，2007,24(3):379-384．

[12]高向玲，李杰．鋼筋與混凝土粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系的數(shù)值模擬[J]．計算力學(xué)學(xué)報，2005，22(1)：73-77．

GAO Xiangling，LI Jie．Numerical simulation of bond constitutive relation between reinforcement and concrete[J].Chinese Journal of Computational Mechanics，2005,22(1):73-77．

[13]RUIZ G．Propagation of a cohesive crack crossing a reinforcement layer[J].International Journal of Fracture,2001,111(3):265-282．

[14]GAMBAROVA P G，ROSATI G．Bond and splitting in reinforced concrete:test results on bar pull-out[J].Materials and Structures，1996,29(5):267-276．

[15]FINCK F，GROSSE C U，REINHARDT H W．Integrated interpretation and visualization of a pull-out test using finite element modelling and quantitative acoustic emission analysis[J]．Journal of Nondestructive Testing，2002,7(9):1-10．

[16]廖振鵬.工程波動理論導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[17]寇惠．故障診斷的振動理論基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社．1989．

[18]吳佳曄，高峰.錨桿無損檢測規(guī)程對比研究[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011,24(6):691-693.

WU Jiaye,GAO Feng.Compressive research of NDT procedures for rock bolt[J].Journal of Sichuan University of Science & Engineering(Natural Science Edition),2011,24(6):691-693.

[19]長江大學(xué).JGJ/T182—2009錨桿錨固質(zhì)量無損檢測技術(shù)規(guī)程[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

收稿日期：2015-05-11

作者簡介：武志軍(1975—)，男，山東菏澤人，高級工程師，主要研究方向為橋隧施工技術(shù)，E-mail：wzj5516@sina.com.

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.02.008

中圖分類號：TU375

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)02-0044-05

Experimental Study of Bolt Bond Behavior and Grouting Compaction Property

WUZhijun

(ChinaRailway10thGroupCo.,Ltd.,Jinan250000,China)

Abstract:According to the actual design of the bolt in the electrification engineering of Xintai railway, the experiments of the actual simulation design, the bolt bond behavior and compaction property in the grouting construction are conducted in the laboratory. The analytical result of the typical load-slip curve shows that the anchor length and bond strength of the bolt can meet the requirements of engineering application and they are very reliable. In addition, the analytical result of the time domain signals shows that the grouting compactness of the bolt is more than 90%, and the bolt can meet the requirements of the bolt anchorage quality levels.

Key words:anchorage length; bond behavior; load-slip curve; compactness