隧道錨噴支護(hù)體系拉拔性能及破壞形態(tài)試驗(yàn)研究

徐 沖，郭佳奇，趙秋林

（1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），陜西西安 710043；3.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作 454000）

錨噴支護(hù)技術(shù)借助錨桿、混凝土噴層和圍巖形成共同作用體系，把一定厚度的圍巖轉(zhuǎn)變成自承拱，從而有效地加固圍巖［1］。錨桿的主要作用是提高圍巖的抗變形能力，使圍巖成為支護(hù)體系的組成部分。其次，混凝土噴層除具有充填黏結(jié)作用和封閉作用外，在共同作用體系中還起著更為重要的結(jié)構(gòu)作用。

近年來(lái)在新型錨桿開發(fā)、錨桿支護(hù)受力機(jī)制、錨桿錨固體與圍巖相互作用等方面取得了大量研究成果。史玲［2］研究了傳統(tǒng)噴層條件下圍巖性質(zhì)對(duì)噴層結(jié)構(gòu)的影響，并分析了應(yīng)力控制模式和結(jié)構(gòu)控制模式下噴層的作用。方樹林等［3］對(duì)井下后噴混凝土受力狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明后噴層在巷道軸向、徑向和切向均有應(yīng)力產(chǎn)生，且外噴層與初噴層的接觸壓力小于初噴層與圍巖的接觸壓力。項(xiàng)偉等［4］研究了凍融循環(huán)條件下圍巖與噴層的變形規(guī)律和相互作用機(jī)理。黃偉等［5］研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土噴層具有柔性讓壓功能。托盤在錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)體系各部分荷載傳遞過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。楊更社等［6］將托盤視為受集中力作用的自由邊圓形薄板，計(jì)算了圓形托盤和圍巖之間的相互作用力。王建智等［7］研究了托盤對(duì)錨桿內(nèi)力分布的影響?？导t普等［8］采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)井下監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)托板的應(yīng)力分布、變形狀況及對(duì)圍巖的支護(hù)作用進(jìn)行了研究。這些研究均是針對(duì)錨噴支護(hù)整體結(jié)構(gòu)體系中某一承載部分開展，而托盤與噴層間耦合作用下錨桿受力特征的研究十分少見。鑒于此，本文利用自制多功能錨桿受力測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行不同托盤形式與不同強(qiáng)度素混凝土噴層組合下錨桿拉拔性能試驗(yàn)，分析托盤與噴層耦合作用下錨桿受力狀態(tài)、噴層破壞特征。試驗(yàn)成果可為錨噴支護(hù)的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

自行設(shè)計(jì)了多功能錨桿受力測(cè)試系統(tǒng)，由反力架、錨具、加載裝置、測(cè)量裝置、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成，可提供的拉拔力最大可達(dá)600 kN、拉拔行程可達(dá)300 mm，可模擬錨桿與黏結(jié)材料界面、錨固體與圍巖界面相互作用，研究托盤與噴層耦合作用下錨桿軸心、偏心受拉力學(xué)性能，見圖1。

圖1 多功能錨桿受力測(cè)試系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)材料

采用室內(nèi)配制的C15、C20、C25 混凝土噴層。水泥采用32.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥；粗骨料選用粒徑20～35 mm 的碎石；細(xì)骨料采用優(yōu)質(zhì)河砂，細(xì)度模數(shù)為2.63，最大粒徑不大于5 mm，級(jí)配良好，干燥。

錨桿采用左旋帶肋高強(qiáng)錨桿，牌號(hào)為MG400，長(zhǎng)度為3 m，直徑為22 mm，屈服強(qiáng)度為400 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為540 MPa。試驗(yàn)中采用平板托盤、蝶形托盤、新型托盤3 種托盤形式。其中，新型托盤可利用自身圓鼓外殼形式實(shí)現(xiàn)壓力讓壓功能，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)用托盤

1.3 試驗(yàn)方法與方案

托盤與噴層體系制作方法：拉拔試驗(yàn)采用的混凝土噴層尺寸為500 mm（長(zhǎng)）×500 mm（寬）×150 mm（高），將噴層中央預(yù)留直徑為50 mm 的圓孔作為錨桿錨固預(yù)留鉆孔。首次澆筑60 mm 作為初噴層，而后澆筑厚度為90 mm 的復(fù)噴層，復(fù)噴層澆筑時(shí)中間緊靠初噴層預(yù)留安裝托盤的尺寸為160 mm×160 mm的方孔。

拉拔試驗(yàn)方法：首先將加工的可拆卸模具固定在試驗(yàn)系統(tǒng)的一端，模擬圍巖的基底、混凝土噴層依次放入模具內(nèi)鎖定，模具對(duì)基底和噴層起到約束作用；然后將錨桿通過(guò)預(yù)留孔錨固在拉拔端和噴層端，其中拉拔端為錨固端，采用直徑為21 mm 的球形錨具錨固。錨噴支護(hù)體系安裝就位后，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄拉拔荷載和錨桿伸長(zhǎng)量。當(dāng)加載系統(tǒng)達(dá)到最大行程或噴層嚴(yán)重破壞或錨桿尾部破壞時(shí)停止試驗(yàn)。本文共進(jìn)行3 種托盤和3 種強(qiáng)度噴射噴層組合下的9組拉拔試驗(yàn)。

圖3 不同組合下錨桿應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

2 不同情況下錨桿拉拔力位移

托盤和混凝土噴層不同組合情況下錨桿拉拔力—變形關(guān)系曲線見圖3。

由圖3可知：①托盤與素混凝土噴層耦合下的錨桿拉拔力與伸長(zhǎng)量關(guān)系曲線具有大致相同的變化趨勢(shì)，曲線可分為彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段3 個(gè)階段，且每階段特征十分明顯。②相同托盤形式時(shí)，混凝土噴層本身強(qiáng)度對(duì)錨桿屈服強(qiáng)度影響不大?；炷羾妼訌?qiáng)度對(duì)線性彈性階段的錨桿剛度有明顯的影響，該階段錨桿剛度隨混凝土噴層強(qiáng)度的增大而增大。如采用蝶形托盤時(shí)，混凝土噴層強(qiáng)度由C15提高至C25，錨桿剛度隨之由4.45 MN/m 增大到4.86 MN/m；反映出錨噴支護(hù)中過(guò)高的混凝土噴層強(qiáng)度不利于圍巖壓力釋放和自身承載能力的發(fā)揮。③相同混凝土噴層強(qiáng)度時(shí)，平板托盤條件下的錨桿拉拔曲線在線性彈性階段的曲線斜率高于蝶形托盤和新型托盤，故平板托盤不具有讓壓功能，不利于錨噴支護(hù)體系彈性階段的充分發(fā)展，進(jìn)而影響隧洞開挖初期圍巖應(yīng)力釋放。④采用平板托盤時(shí)，隨混凝土噴層強(qiáng)度的增加錨桿屈服強(qiáng)度變化不大，屈服平臺(tái)寬度均為42 mm；但屈服時(shí)的絕對(duì)伸長(zhǎng)量隨混凝土噴層強(qiáng)度的增加而略微延長(zhǎng)。⑤采用蝶形托盤時(shí)，不同混凝土噴層強(qiáng)度錨桿屈服狀態(tài)時(shí)的伸長(zhǎng)量和屈服強(qiáng)度基本相同，但隨混凝土噴層強(qiáng)度的降低，屈服平臺(tái)寬度逐漸增長(zhǎng)。說(shuō)明蝶形托盤條件下混凝土噴層強(qiáng)度的提高不利于錨桿的讓壓。⑥采用新型托盤時(shí)，錨桿屈服強(qiáng)度隨混凝土噴層強(qiáng)度的增大先增大后減小，C20 時(shí)錨桿屈服平臺(tái)寬度達(dá)到47 mm，進(jìn)入屈服狀態(tài)時(shí)不同混凝土噴層強(qiáng)度下錨桿的伸長(zhǎng)量基本相同。

3 托盤與噴層耦合作用下噴層應(yīng)變

C20 素混凝土噴層與3 種托盤不同組合情況下噴層應(yīng)變與錨桿拉拔力的關(guān)系曲線，見圖4。

由圖4可知：①混凝土噴層的應(yīng)變隨著錨桿拉拔力的增加而增大；在鉆孔周圍，加載后期混凝土噴層表現(xiàn)出明顯的屈服特征。②在相同拉拔力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)距鉆孔形心相同距離條件下，初噴層與圍巖接觸面處比初噴層與復(fù)噴層接觸面處應(yīng)變稍大。說(shuō)明初噴層與圍巖接觸面應(yīng)力大于初噴層與復(fù)噴層接觸面應(yīng)力，且同一層面上的應(yīng)變片，距離鉆孔越遠(yuǎn)處應(yīng)變?cè)叫?。③采用新型托盤時(shí)，復(fù)噴層外表面鉆孔外20 mm處曲線斜率局部突增。隨荷載增加，新型托盤發(fā)生變形，對(duì)噴層產(chǎn)生壓力，阻止應(yīng)變?cè)龃?，體現(xiàn)出限制噴層過(guò)度變形的性能。

圖4 噴層應(yīng)變-錨桿拉拔力關(guān)系曲線

4 不同情況下的噴層破壞形態(tài)

素混凝土具有明顯的脆性，且隨著其強(qiáng)度的增大脆性愈加明顯，即在托盤傳遞來(lái)的荷載作用下噴層表面裂紋由微裂紋迅速發(fā)展成裂縫、長(zhǎng)裂縫、寬裂縫直至貫通噴層表面。以C20素混凝土噴層為例，托盤與噴層耦合作用下錨桿軸心拉拔試驗(yàn)中噴層的破壞形態(tài)見圖5。

圖5 C20素混凝土噴層破壞形態(tài)

由圖5可知：①平板托盤、蝶形托盤與素混凝土噴層耦合作用下噴層破壞特征基本相同，裂紋由初噴層鉆孔周邊向噴層四周及復(fù)噴層延伸，直至噴層破壞，裂紋呈以鉆孔為中心向外發(fā)散的輻射狀。②新型托盤與素混凝土噴層耦合作用下，裂紋在初噴層上以鉆孔為中心向外單軸輻射，復(fù)噴層上裂紋貫通于一個(gè)方向。這是由于托盤隨著錨桿拉拔力的增大而發(fā)生變形，對(duì)噴層產(chǎn)生一定的壓力，阻止其裂紋的產(chǎn)生，說(shuō)明新型托盤有阻止噴層破壞的功能。

5 結(jié)論

1）混凝土噴層強(qiáng)度對(duì)錨桿屈服強(qiáng)度影響不大，但對(duì)彈性階段的錨桿剛度有明顯的影響，該階段錨桿剛度隨混凝土噴層強(qiáng)度的增大而增大。

2）平板托盤條件下，錨桿的屈服強(qiáng)度受混凝土噴層強(qiáng)度影響不大，但錨桿進(jìn)入屈服時(shí)的伸長(zhǎng)量隨混凝土噴層強(qiáng)度的增加而略微增大；蝶形托盤條件下，屈服平臺(tái)寬度隨混凝土噴層強(qiáng)度的降低逐漸增加；新型托盤條件下，進(jìn)入屈服狀態(tài)時(shí)不同混凝土噴層強(qiáng)度下錨桿的伸長(zhǎng)量基本相同。蝶形托盤和新型托盤具有讓壓性能。

3）采用平板托盤和蝶形托盤時(shí)，裂紋呈以鉆孔為中心向外發(fā)散的輻射狀；采用新型托盤時(shí)，裂紋在初噴層上以鉆孔為中心向外輻射，復(fù)噴層上裂紋貫通于一個(gè)方向，在一定程度上表現(xiàn)出阻止噴層破壞的性能。