壓力型錨桿錨固界面力學(xué)特性試驗研究

賀陽輝++蘇杭

摘 要：錨固系統(tǒng)宏觀上是由巖土體、黏結(jié)材料和錨桿桿體三種介質(zhì)組成。錨桿和巖土體之間通過它們之間的接觸界面完成相互作用。通過開展室內(nèi)剪切蠕變試驗，并且考慮錨固界面的蠕變特性對錨固系統(tǒng)的影響和作用，得出界面應(yīng)變隨時間、荷載大小和錨桿長度的變化規(guī)律，分析錨固界面的蠕變特性并討論桿長方向分布的界面應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律。試驗分析的結(jié)果表明，試驗件分級蠕變量與加載階段密切相關(guān)。低應(yīng)力水平階段，荷載恒定前期錨固體的蠕變變形量較大，后期蠕變量較小，呈現(xiàn)衰減蠕變趨勢；高應(yīng)力水平階段試件蠕變特性較大，并在破壞前期出現(xiàn)速率短暫急速增大過程。

關(guān)鍵詞：錨固界面；蠕變；剪切蠕變試驗；錨固系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.233

1 引言

錨固技術(shù)作，已成為為一種巖土加固技術(shù)，已廣泛應(yīng)用到各大工程建設(shè)中，因其加固效果明顯、經(jīng)濟效益顯著解決巖土工程穩(wěn)定性問題最有效的方法之一。已有的研究表明，錨固界面的力學(xué)特性對錨固工程長期穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要。關(guān)于錨固系統(tǒng)錨固界面力學(xué)特性，國內(nèi)外學(xué)者曾做過大量試驗研究。錨桿與注漿體界面即第一界面剪應(yīng)力，注漿體和巖土界面即第二界面剪應(yīng)力的變化規(guī)律，不少學(xué)者也得到一些公認的定性結(jié)論。苪瑞[1]等進行了現(xiàn)場拉拔試驗，通過預(yù)埋自制的應(yīng)變磚測得靠近孔壁的注漿體界面的切向剪應(yīng)力，來表示錨固界面粘結(jié)力分布，并分析了軸向和切向剪應(yīng)力分布規(guī)律。趙同彬[3]等進行室內(nèi)錨固系統(tǒng)拉拔蠕變試驗，選取不同等級強度混凝土為等效巖土體，并選取樹脂、砂漿等作為黏結(jié)材料，獲得全長黏結(jié)型軸力、兩個界面的剪應(yīng)力沿軸向方向的分布規(guī)律和隨時間的變化規(guī)律?？偠灾^桿發(fā)揮作用在圍巖體上是依靠錨固界面來完成的，而對于整個錨固系統(tǒng)，錨固界面是錨固系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)有效統(tǒng)計，錨固系統(tǒng)的破壞70%是發(fā)生在界面上的，因此錨固界面特性強弱決定了錨固系統(tǒng)的強弱。

錨桿發(fā)揮作用在圍巖體上是依靠錨固界面來完成的，整個錨固系統(tǒng)中，錨固界面是錨固系統(tǒng)中的相對薄弱環(huán)節(jié)，因此錨固界面的強弱決定了錨固系統(tǒng)的強弱。如何通過錨固界面剪切蠕變試驗來分析不同荷載下錨固界面的力學(xué)特性，諸如不同荷載下應(yīng)變分布規(guī)律，以及錨桿軸力，錨桿與注漿體界面剪力，注漿體和被加固體界面應(yīng)力變化規(guī)律顯得尤為重要[4]。本文在前人剪切流變理論基礎(chǔ)上進行室內(nèi)錨固系統(tǒng)拉拔蠕變試驗，分析錨固界面在不同荷載作用下應(yīng)力應(yīng)變分布形式及隨時間變化形式，并探究蠕變對錨固界面應(yīng)力傳遞的影響。

2 錨固界面蠕變試驗研究

2.1 試件制備

室內(nèi)試驗裝置以RYL—600型微機控制三軸流變試驗機為基礎(chǔ)，通過改變原有的連接部件等技術(shù)措施，來實現(xiàn)錨固系統(tǒng)蠕變拉拔試驗。本文共制得4個壓力型錨固試件，其中編號為SJ-1和SJ-2的錨固試件為全長粘結(jié)型試件，編號為SJ-3和SJ-4的錨固試件為半長粘結(jié)型試件。錨固試件由基體、錨桿、黏結(jié)材料三部分組成。其中，基體采用混凝土材料制作，混凝土強度為C30，其設(shè)計配合比按規(guī)范為水：水泥：砂：碎石=220：449：615：1116。錨桿選用直徑為16mm的四級螺紋鋼，桿體長度為550mm。灌漿材料選用M20的砂漿，砂漿配合比為水：水泥：砂=0.6：1：5.27。試件制備完畢，放入恒溫恒濕室養(yǎng)護28天。錨固試件力學(xué)模型如下：

2.2 加載方式

根據(jù)錨桿試驗的規(guī)定，錨桿拉拔的加載采用分級加載法[5]，本文采用分級加載法中的單體分級增量加載方式，此法既簡單又經(jīng)濟。根據(jù)常規(guī)拉拔試驗所得荷載結(jié)果推知此種由C30基體和M20灌漿體組成的錨固系統(tǒng)極限拉拔荷載在90KN左右。具體加載方案如表1如下：

2.3 試驗結(jié)果分析

在對自制壓力型錨固系統(tǒng)試件SJ-1，SJ-2，SJ-3，SJ-4進行拉拔試驗過程中，分別歷時大約287、243、190、243個小時，最終錨固試件破壞。如圖2所示SJ-1，SJ-3錨固系統(tǒng)分別在80kN，80kN的恒定荷載下，歷時大約2， 2個小時后出現(xiàn)蠕變破壞。破壞部位為試件基體和灌漿體的接觸界面，破壞現(xiàn)象基本包括沿基體粘結(jié)面開裂，裂縫幾乎貫穿整個界面，灌漿體下部局部被壓壞；灌漿體上移一小段距離等。其中SJ-2，SJ-4也是在80kN，80kN的恒定荷載下破壞。如圖所示SJ-1，SJ-3位移——時間曲線，可知加載瞬間，錨固界面會產(chǎn)生很大的瞬時變形，幾乎占試驗過程位移的80%左右。

錨固系統(tǒng)在分級荷載作用下應(yīng)力分布規(guī)律，注漿體和被加固體界面應(yīng)變變化規(guī)律如圖3所示：

由圖3曲線可知，本文采用的是有代表性和較為完整的監(jiān)測點進行了試驗的分析。其中包括全長粘結(jié)性試件SJ-1第二錨固界面上中間位置的監(jiān)測點1-4及離端口最遠的監(jiān)測點1-12， SJ-2第二錨固界面上離端口最遠的監(jiān)測點1-12；半長粘結(jié)性試件SJ-3第二錨固界面上離端口最近的監(jiān)測點1-1，SJ-4第二錨固界面上中間偏下部位的監(jiān)測點1-4和1-6。通過分析第二錨固界面上布置的監(jiān)測點對第二錨固界面上的應(yīng)變影響，并且進行實時的測定，最后得出監(jiān)測點1-1最靠近端口，在該處錨桿的應(yīng)變最大，沿著桿長向端尾，錨桿的應(yīng)變逐漸衰減，在端尾達到最小值。監(jiān)測點1-1在荷載施加的一瞬間產(chǎn)生較大的變形，荷載恒定后，隨著時間的增長監(jiān)測點1-1表現(xiàn)出了剪切蠕變特性，即應(yīng)力不變的情況下，應(yīng)變隨時間連續(xù)增長，但是應(yīng)變的速率較小。當(dāng)荷載在25 kN等較低應(yīng)力水平以下時，應(yīng)變隨時間增長也不大，即達到第二錨固界面的長期強度[6]后的衰減蠕變階段；當(dāng)荷載在一個中等應(yīng)力水平下，瞬時變形后錨固界面表現(xiàn)蠕變特征不是很明顯，其變化的速率趨于一恒定的值；當(dāng)荷載達到75 kN或80kN這樣的高應(yīng)力水平以上時，錨固界面便開始失效，失效前期速率變化有一個急增過程直到試件破壞。同理監(jiān)測點1-4，1-6靠近中部偏下的位置，在低應(yīng)力水平時也表現(xiàn)出了衰減蠕變階段，以及在較高應(yīng)力水平時的穩(wěn)定蠕變階段，界面的剪切效應(yīng)是由端口向端尾傳遞發(fā)展的，即端口發(fā)展快，端尾發(fā)展慢，故1-12監(jiān)測點未能表現(xiàn)出這樣明顯的蠕變階段中的前兩個蠕變階段。因此當(dāng)端尾附近的監(jiān)測點快要達到極限時，此時端口附近的監(jiān)測點已經(jīng)破壞，此時錨固系統(tǒng)已經(jīng)失效。endprint

3 結(jié)論

本文通過進行室內(nèi)剪切流變試驗，基于試驗數(shù)據(jù)的分析，就全長粘結(jié)性錨固體與半長粘結(jié)性錨固體的注漿體和巖土界面（第二界面）剪切蠕變特性的分析結(jié)果，得出其流變特性發(fā)展趨勢結(jié)論如下：

（1）試驗件分級蠕變量與加載階段密切相關(guān)。低應(yīng)力水平階段，荷載恒定前期錨固體的蠕變變形量較大，后期蠕變量較小，呈現(xiàn)衰減蠕變趨勢；高應(yīng)力水平階段試件蠕變特性較大，并在破壞前期出現(xiàn)速率短暫急速增大過程。

（2）錨固體蠕變試驗得出的破壞強度值明顯低于常規(guī)拉拔試驗，就本文所提錨固體其長期強度與短期加載瞬時強度相比，降低約10%～20%。

（3）在不同恒定加載水平下，通過對不同錨固端上的蠕變曲線的分析，錨固體界面蠕變經(jīng)歷粘彈、粘塑、粘脫三個蠕變階段。

參考文獻：

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基金項目：湖南省研究生創(chuàng)新基金資助項目（CX2015B493）

作者簡介：賀陽輝，男，碩士，研究方向：頁巖儲層評價。endprint