錨固長(zhǎng)度及錨固劑種類(lèi)對(duì)錨桿錨固強(qiáng)度的影響研究

吳培林

(潞安化工集團(tuán) 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

錨固支護(hù)是一種廣泛應(yīng)用于巖土工程的圍巖加固技術(shù)，錨固體系的承載能力取決于錨桿的桿體承載能力、錨固劑與錨桿的結(jié)合強(qiáng)度、錨固劑與圍巖的結(jié)合強(qiáng)度、托盤(pán)的強(qiáng)度等[1]。在上述因素中，錨固劑與錨桿、圍巖的結(jié)合強(qiáng)度是極為重要的一項(xiàng)[2]。目前，在巖石工程中通常出現(xiàn)的錨固破壞形式往往為錨固強(qiáng)度不足而發(fā)生的錨固段失效破壞，從而引起工程生產(chǎn)安全性不高和不經(jīng)濟(jì)[3]。

為此，許多學(xué)者對(duì)錨固段的錨固強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)研究。其研究核心主要聚焦在不同水質(zhì)條件下錨固劑的力學(xué)性能[4]、溫度對(duì)錨固劑力學(xué)性能的影響[5]、巖性對(duì)錨固強(qiáng)度的影響[6]、圍巖完整度對(duì)錨固強(qiáng)度的影響[7]、錨固劑與錨桿粘接強(qiáng)度特性[8]等研究。這些研究都在不同程度上推動(dòng)了錨固支護(hù)技術(shù)的提高。

錨固長(zhǎng)度和錨固劑的性質(zhì)是影響錨固體系承載能力的主要因素，在實(shí)際工程中經(jīng)常會(huì)因?yàn)殄^桿與錨固劑粘結(jié)失效而引發(fā)錨固系統(tǒng)的破壞。本文將采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方式，分別對(duì)錨固長(zhǎng)度、錨固劑性質(zhì)對(duì)錨桿錨固強(qiáng)度的影響進(jìn)行深入研究。

1 錨固長(zhǎng)度對(duì)錨固強(qiáng)度的影響

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試件制備

試驗(yàn)所用錨桿為左旋螺紋鋼錨桿，見(jiàn)圖1。錨桿直徑20 mm、肋高1.7 mm、肋間距13.7 mm、橫肋底寬4.5 mm、頂寬3.3 mm，材質(zhì)為20 MnSi。本次采用混凝土錨固劑，完全固化時(shí)間約為8 h，與螺紋錨桿的粘接強(qiáng)度為20 MPa，界面抗剪剛度為300 MPa/m。試驗(yàn)中錨固劑的配比方法見(jiàn)圖2。試驗(yàn)中采用鋼管作為套筒模擬現(xiàn)場(chǎng)中的圍巖及鉆孔，鋼管的外徑為100 mm、壁厚4 mm、長(zhǎng)度為1 600 mm。

圖1 試驗(yàn)所用左旋螺紋鋼錨桿圖

圖2 錨固劑混合圖

試驗(yàn)中采用SY-40型錨桿承載力測(cè)試試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行錨固力測(cè)試，該試驗(yàn)臺(tái)由液壓油泵對(duì)錨桿施加軸向拉力，并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行加載和控制，最大試驗(yàn)力300 kN，見(jiàn)圖3。

試驗(yàn)錨固長(zhǎng)度分別為10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm，120 cm和140 cm，試驗(yàn)共設(shè)置8組試樣，每組試樣數(shù)量10個(gè)，共80個(gè)試件。試件制作時(shí)，首先將鋼套筒固定在試驗(yàn)攪拌設(shè)備的平臺(tái)上，將試驗(yàn)錨桿夾置于攪拌設(shè)備上部夾具上，用天平量取90 g膠泥放置于事先準(zhǔn)備好的容器中，將準(zhǔn)備好的鐵絲段按量加入膠泥中并混合攪勻，并將混合物倒入鋼套筒中，利用準(zhǔn)備好的注射器抽取3 mL固化劑注入鋼套筒中，開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)并設(shè)定轉(zhuǎn)速500 r/min，推力50 kN，攪拌時(shí)間25 s進(jìn)行模擬錨桿安裝，待錨固劑固化后取下試件，放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中靜置養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間20 d，見(jiàn)圖4。

圖3 錨固力測(cè)試機(jī)

圖4 部分試件養(yǎng)護(hù)

1.2 試驗(yàn)步驟

在試件養(yǎng)護(hù)28 d后，檢查錨固端錨固劑是否有開(kāi)裂情況，若沒(méi)有，將鋼筋端頭位置車(chē)出螺紋，并進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的具體步驟為：開(kāi)啟拉拔試驗(yàn)機(jī)，將制備完成的錨固試件置于拉拔試驗(yàn)設(shè)備平臺(tái)上，底部套筒和錨桿上部利用夾具固定，設(shè)定加載方式為拉拔位移閉環(huán)控制，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)錨桿逐級(jí)加載，拉拔荷載每分鐘增加1 kN，恒載時(shí)間10 s，待其穩(wěn)定地持載后，觀測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)象，并記錄試驗(yàn)過(guò)程中的最大拉拔力和荷載-位移曲線。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)本次試驗(yàn)制作的80個(gè)錨桿試件依次進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，直到將每個(gè)錨桿拉脫出錨固體系為止，見(jiàn)圖5，從而得到每一個(gè)錨桿的最大承載力及每組錨固長(zhǎng)度的極限承載力平均值。錨固長(zhǎng)度與極限承載力的關(guān)系見(jiàn)圖6。由圖6得知，錨桿錨固體系的極限承載力并不是與錨固長(zhǎng)度成正比的，雖然錨固長(zhǎng)度越長(zhǎng)，錨固質(zhì)量越好，但錨固長(zhǎng)度大于100 cm后，極限承載力隨錨固長(zhǎng)度的增大，增長(zhǎng)率變小，存在一個(gè)最優(yōu)錨固長(zhǎng)度，使得此錨固狀態(tài)下的極限承載力不低，而需要的成本更小。

圖5 試驗(yàn)完成后的部分破壞試件

圖6 錨固強(qiáng)度隨錨固長(zhǎng)度的變化曲線

從上述分析中可以得到下面公式，即假設(shè)錨固劑的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均為線性，則錨桿最大承載能力與錨固劑-錨桿界面的抗剪強(qiáng)度、純錨固劑錨固強(qiáng)度、錨桿直徑、彈性模量、長(zhǎng)度均存在著關(guān)系，通過(guò)分析總結(jié)，得到錨桿最大承載能力與他們的關(guān)系為：

(1)

式中：[τ]為錨固劑-錨桿界面的抗剪強(qiáng)度，MPa；R0為純錨固劑錨固強(qiáng)度，kN；K為錨固劑和錨桿界面的剪切剛度，MPa/m；d為錨桿直徑，mm；Eb為錨桿的彈性模量，MPa；Lb為錨固長(zhǎng)度，m。

2 錨固劑對(duì)錨固強(qiáng)度的影響

錨桿錨固系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的受力系統(tǒng)，它是由錨桿-錨固劑-圍巖界面間的相互力共同作用形成的，合理的力學(xué)傳遞機(jī)制有助于錨固質(zhì)量的提高。在這個(gè)系統(tǒng)中，錨固劑作為一個(gè)中介物質(zhì)，緊密地將錨桿和圍巖黏結(jié)在一起。

2.1 模型的建立

本文首先建立了錨桿、錨固劑和圍巖的模型。錨桿選用SOLID95實(shí)體單元，將錨桿長(zhǎng)度設(shè)為120 mm，桿體直徑為20 mm。為了簡(jiǎn)化計(jì)算模擬模型，錨桿桿體表面橫肋呈對(duì)稱(chēng)式分布，參數(shù)與實(shí)驗(yàn)部分一致，即肋高1.7 mm、肋間距13.7 mm。圍巖和錨固劑同樣采用SOLID65實(shí)體單元，在模擬過(guò)程中將錨固劑所包裹的錨桿桿體長(zhǎng)度設(shè)定為100 mm。模擬中，錨桿、錨固劑和圍巖的具體力學(xué)屬性參數(shù)見(jiàn)表1。在完成建模后，還對(duì)錨桿、錨固劑和圍巖的實(shí)體幾何模型采用四面體單元進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，并且重點(diǎn)對(duì)兩橫肋間錨桿-錨固劑和圍巖接觸面的網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行了局部細(xì)化，建立了3種錨固劑模型，分別為無(wú)添加錨固劑、含細(xì)添加物錨固劑、含粗添加物錨固劑。

表1 數(shù)值模型的力學(xué)參數(shù)

在錨固系統(tǒng)的數(shù)值模擬之中，最為重要的一點(diǎn)就是當(dāng)錨桿受到拉拔作用時(shí)，接觸面將會(huì)出現(xiàn)相對(duì)滑移的情況，而產(chǎn)生的這種滑移效應(yīng)就會(huì)引起錨桿錨固段力學(xué)傳遞機(jī)制的改變，從而影響整個(gè)錨固系統(tǒng)的極限承載力。在假定各個(gè)接觸面不發(fā)生破壞的前提下，為了保證錨桿、錨固劑和圍巖之間的粘結(jié)-滑移效果，以錨桿與錨固劑的接觸界面和錨固劑與圍巖的接觸界面為研究重點(diǎn)。上述兩種接觸面都采用綿綿接觸單元，單元的類(lèi)型分別為CONTA174和TAGER170。不同的是，前者謙和的接觸方式選擇的是Standard，而后者則采用了Bonded，并且將Bonded的接觸類(lèi)型設(shè)置為自動(dòng)閉合間隙減少滲透。建成的3種模型剖面如圖7所示。

圖7 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 模擬結(jié)果分析

圖8為施加拉力為100 kN的情況下，3種錨固劑沿錨桿軸向方向的位移等值云圖。從圖中能夠發(fā)現(xiàn)，無(wú)論錨固劑的種類(lèi)如何，錨固劑沿錨桿軸向方向的位移變化規(guī)律始終相同，即錨固劑靠近圍巖的區(qū)域，沿錨桿軸向方向的位移最小，并逐漸變大，在錨固劑靠近鋼筋的區(qū)域時(shí)達(dá)到最大值。與此同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在相同的拉力下，無(wú)添加的錨固劑沿錨桿軸向方向的位移較大，當(dāng)錨固劑中添加細(xì)料添加物時(shí)，錨固劑沿錨桿軸向方向的位移變小，并且隨著添加物的尺寸變大，錨固劑沿錨桿軸向方向的位移卻隨之變小。這說(shuō)明在錨固劑中適當(dāng)添加添加物，可以明顯增強(qiáng)錨固體系的整體耐受強(qiáng)度，增強(qiáng)最大承載能力，且這種增幅會(huì)隨著添加物尺寸的變大而變大。

圖8 錨固劑沿錨桿軸向方向的位移等值云圖

、

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值模擬分別針對(duì)錨固長(zhǎng)度和錨固劑種類(lèi)兩個(gè)因素，對(duì)其與錨桿錨固系統(tǒng)的極限承載力間的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)研究，通過(guò)分析得到以下結(jié)論：

1) 極限承載力與錨固長(zhǎng)度不成正比，存在一個(gè)最優(yōu)錨固長(zhǎng)度，使得此錨固狀態(tài)的極限承載力相對(duì)較大，而需要的成本相對(duì)較小。

2) 若錨固劑的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線性，那么錨固劑-錨桿界面的抗剪強(qiáng)度、純錨固劑錨固強(qiáng)度、錨桿直徑、長(zhǎng)度等參數(shù)與錨固極限承載力存在函數(shù)關(guān)系。

3) 錨固劑沿錨桿軸向方向的位移變化規(guī)律與錨固劑的種類(lèi)無(wú)關(guān)，在錨固劑中適當(dāng)添加顆粒物可以明顯增強(qiáng)錨固體系的整體耐受強(qiáng)度，增強(qiáng)最大承載能力，且這種增幅隨著添加物尺寸的變大而變大。