隧道工程新型吸能錨桿力學(xué)性能試驗(yàn)研究

張恩橋

(中鐵二十五局集團(tuán)第四工程有限公司 廣西柳州 545007)

1 引言

地下深部巖體開挖時(shí)，由于特殊巖體如穩(wěn)定性較差、破碎程度較大的隧道圍巖往往容易誘發(fā)大變形、塌方、巖爆等工程事故[1-2]，錨桿支護(hù)逐漸成為改善隧道巖體穩(wěn)定性的重要措施。傳統(tǒng)錨桿由于伸長(zhǎng)量小、承載力低以及容易發(fā)生失效的不足，其支護(hù)能力已逐漸無(wú)法滿足工程巖體穩(wěn)定性需求，因此急需研發(fā)新型工程錨桿以提高圍巖工程施工的安全性和可靠性。

相比傳統(tǒng)錨桿，新型吸能錨桿可以在承受較大變形的同時(shí)而不會(huì)發(fā)生破斷，降低了圍巖失穩(wěn)的可能性。根據(jù)工作機(jī)理，吸能錨桿大體可分為材料變形型和結(jié)構(gòu)變形型兩類。材料變形型吸能錨桿主要依靠桿體材料的塑性變形從而提供一定的位移能力，減緩圍巖變形；結(jié)構(gòu)變形型吸能錨桿主要依靠特殊設(shè)計(jì)的吸能結(jié)構(gòu)的變形從而提供位移能力。Conebolt吸能錨桿首次應(yīng)用到采礦支護(hù)工程中[3-4]；Varden等[5-7]研制了Garford dynamic bolt并基于動(dòng)力試驗(yàn)得到了125 kN-275 mm的荷載位移數(shù)據(jù)；Wang等[8]發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的Garford dynamic bolt在高荷載水平下的變形能力和能量吸收能力得到提高；Li等[9-10]對(duì)D-bolt錨桿進(jìn)行試驗(yàn)表明，D-bolt最終可延伸13%～15%。

由此可見，高延伸率和高支護(hù)阻力是吸能錨桿的兩個(gè)顯著特征。如今雖然已經(jīng)提出了各種各樣的吸能錨桿，但大多數(shù)都更適合于礦山巷道且其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。基于既有研究，本研究提出一種可用于隧道工程巖體的新型吸能錨桿，可以提供較高的恒定阻力和位移能力?；谑覂?nèi)靜力拉伸試驗(yàn)探討新型吸能錨桿的荷載-位移曲線形態(tài)特征、錨桿吸收能演化特征及吸能原理。

2 新型吸能錨桿結(jié)構(gòu)原理分析

新型吸能錨桿結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以看出，結(jié)構(gòu)部件包括錨桿體、錐形塊、外管體、限位環(huán)、錨桿墊板及緊固螺母。限位環(huán)位于外管體底部，可以防止新型吸能錨桿在巖體變形過(guò)程中產(chǎn)生的位移過(guò)大從而失效破壞，也能有效阻止注漿進(jìn)入錨桿前部吸能結(jié)構(gòu)中影響錨桿正常工作。圍巖產(chǎn)生變形時(shí)，錐形塊會(huì)在圍巖壓力下進(jìn)入外管體中，從而使外管體發(fā)生膨脹。錐形塊和外管體之間的相對(duì)滑動(dòng)將與圍巖的變形相協(xié)調(diào)，從而達(dá)到吸能支護(hù)的效果；變形量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，限位環(huán)作用下新型錨桿將轉(zhuǎn)化為剛性支護(hù)，從而有效阻止圍巖繼續(xù)變形。

圖1 新型吸能錨桿結(jié)構(gòu)示意

3 新型吸能錨桿力學(xué)試驗(yàn)

3.1 吸能錨桿試樣

為測(cè)試新型吸能錨桿的力學(xué)性能，制作了新型錨桿試驗(yàn)試件，如圖2所示，紅色框中為錨桿端部的吸能結(jié)構(gòu)。錨桿試樣由上拉桿、鋼套筒、外管體、錨桿體、上下卡扣構(gòu)成。鋼套筒兩端的內(nèi)表面螺紋可以與上卡扣、下卡扣外表面的螺紋相配合，從而使試件組裝成一個(gè)整體，便于進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)錨桿結(jié)構(gòu)

錨桿結(jié)構(gòu)的上部、中部和下部尺寸分別為120 mm、350 mm和120 mm。其中:(1)鋼套筒高度為350 mm，外徑尺寸為60 mm，上下套筒管口內(nèi)壁均設(shè)置有30 mm的螺紋；(2)錨桿體高度為395 mm，外徑尺寸為28 mm；(3)上拉桿高度為180 mm，上端與下端外徑尺寸分別為25 mm和45 mm；(4)外管體高度為200 mm，內(nèi)半徑為15 mm，壁厚為5 mm；(5)上下卡扣高度為50 mm，螺紋寬度為30 mm，內(nèi)半徑為15 mm，壁厚為15 mm。

為研究錐角對(duì)新型吸能錨桿力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)考慮錐角(α)為5°、7°、10°、15°的工況，錨桿錐形塊的參數(shù)h、l恒定。試驗(yàn)錨桿錐形塊的詳細(xì)幾何參數(shù)見表1。

表1 錐形塊的詳細(xì)幾何參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方案

新型吸能錨桿的靜力拉伸試驗(yàn)在西安科技大學(xué)GWE-600B力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上完成。試驗(yàn)方案:(1)將吸能錨桿與試驗(yàn)機(jī)組裝，固定上拉桿和光滑鋼筋，將夾具鎖死防止脫落；(2)以0.10 mm/s的速度施加軸向拉伸載荷，直到位移達(dá)到200 mm。

由于設(shè)置的位移量與外管體長(zhǎng)度相同，故錨桿錐形塊與下?lián)鯄K將不發(fā)生接觸，從而不會(huì)出現(xiàn)剛性階段。

4 結(jié)果與分析

4.1 荷載-位移曲線形態(tài)

圖3為不同錐角下新型吸能錨桿的載荷-位移曲線。其中:Fmax、Fmin分別為最大、最小恒定阻力；載荷-位移曲線的階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別為線彈性、短暫下降和恒定阻力階段?？梢钥闯觯煌腻^桿錐角將導(dǎo)致恒定阻力大小具有顯著差別。

圖3 不同錐角下新型錨桿荷載-位移曲線

當(dāng)錐角α＝5°時(shí)，荷載-位移曲線包括線彈性階段、瞬時(shí)下降階段及恒定阻力階段三個(gè)演化階段。加載初期，階段Ⅰ的荷載-位移曲線隨著位移增大近似線性增長(zhǎng)。當(dāng)錐形塊的位移達(dá)到57.60 mm時(shí)，拉伸荷載出現(xiàn)峰值點(diǎn)，峰值荷載為126.20 kN。隨著位移的增大，荷載-位移曲線出現(xiàn)小幅下降而進(jìn)入階段Ⅱ，階段Ⅱ持續(xù)路徑相對(duì)較短；隨后荷載-位移曲線進(jìn)入恒定阻力階段，該階段的荷載曲線隨著位移增加總體出現(xiàn)緩降趨勢(shì)，荷載在81.10 kN和112.30 kN之間波動(dòng)，平均恒定阻力為95.64 kN。

當(dāng)錐角α＝7°時(shí)，載荷-位移曲線同樣包括線彈性、瞬時(shí)下降及恒定阻力階段三個(gè)相似演化階段。當(dāng)錐形塊位移為63.30 mm時(shí)，峰值荷載為129.60 kN，相比錐角α＝5°的阻力峰值提高了2.69%，其增幅并不顯著。恒定阻力階段的荷載-位移曲線具有相似的震蕩趨勢(shì)，但緩增現(xiàn)象逐漸消失且最大恒定阻力具有增大趨勢(shì)。錐角α＝7°時(shí)恒定阻力在98.60 kN和130.40 kN間波動(dòng)，平均恒定阻力為112.85 kN，提高17.99%，新型吸能錨桿的錨固效果相對(duì)提高。

當(dāng)錐角為α＝10°和15°時(shí)，拉伸荷載-位移曲線只經(jīng)歷了線彈性階段及恒定阻力階段兩階段，瞬時(shí)下降階段逐漸消失，拉伸載荷-位移曲線震蕩起伏特征逐漸消失，最大恒定阻力(Fmax)變化相對(duì)緩和。當(dāng)錐角為α＝10°，彈性階段錐形塊位移為62.30 mm時(shí)的荷載峰值為153.40 kN，恒定阻力階段的荷載波動(dòng)范圍為34.70 kN，平均恒定阻力達(dá)到136.7 kN。當(dāng)錐角為α＝15°時(shí)，彈性階段錐形塊位移為69.20 mm時(shí)荷載峰值為207.70 kN，恒定阻力的荷載波動(dòng)范圍為49.70 kN，平均恒定阻力為186.3 kN。相比錐角α＝5°時(shí)，錐角為α＝10°和15°時(shí)的峰值荷載分別提高21.55%、64.58%，平均恒定阻力分別提高42.93%、94.79%?？梢钥闯?，通過(guò)提高錐角可有效提高新型吸能錨桿的工作性能。

4.2 新型錨桿吸收能演化特征

由圖3中錨桿吸能量曲線可以看出，不同錐角下吸能錨桿的吸能量隨加載位移增加大致經(jīng)歷了無(wú)明顯增幅、線性快增兩個(gè)階段，階段分界點(diǎn)的位移值大致為30 mm。階段Ⅰ至階段Ⅲ的吸能量呈線性增長(zhǎng)，錐角越大，吸能量增幅越顯著。經(jīng)積分計(jì)算可知，錐角為 5°、7°、10°、15°時(shí)最大吸收能分別為14.70 kJ、18.20 kJ、22.50 kJ和 33.40 kJ，隨著錐角增加而增大。由此可知，新型錨桿吸收能特征與錨桿受拉變形與失效規(guī)律具有相關(guān)性。

圖4為拉伸試驗(yàn)后的套筒管形態(tài)特征，從錨桿拉伸失效形態(tài)可以看出，新型吸能錨桿的套管只發(fā)生膨脹變形，而并未發(fā)生軸向壓縮或屈曲變形，這與圖3中載荷-位移曲線出現(xiàn)明顯起伏波動(dòng)響應(yīng)特征相對(duì)應(yīng)。

圖4 拉伸試驗(yàn)后的套筒管形態(tài)特征

4.3 新型錨桿吸能機(jī)理分析

為直觀展現(xiàn)峰值荷載及平均恒定阻力隨錐角的變化，繪制不同錐角下新型吸能錨桿的峰值荷載、平均恒定阻力與錐角的分布關(guān)系，見圖5。隨著錐角增大，峰值荷載、平均恒定阻力分別呈指數(shù)和線性函數(shù)增加，這說(shuō)明峰值荷載、平均恒定阻力與錐角的正相關(guān)性，錨固效果逐漸增強(qiáng)。

圖5 錨桿峰值荷載、平均恒定阻力與錐角間的關(guān)系

針對(duì)新型吸能錨桿的吸能機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，新型錨桿的承載力主要來(lái)自于:(1)錐形塊與外管體之間的摩擦力；(2)外管體膨脹產(chǎn)生的力。由于錐形塊的長(zhǎng)度保持不變，導(dǎo)致錐形塊的直徑和表面積隨著錐角α的增大而逐漸增大，所以錐角增大時(shí)錐形塊和外管體間的摩擦提供了更大的承載力。同時(shí)，隨著錐角的增大，外管體的膨脹比k也逐漸增大。由此可以看出，錨桿外管體的膨脹比越大，膨脹過(guò)程中提供的承載力越強(qiáng)。因此，在這兩個(gè)因素的共同作用下錨桿峰值載荷和平均恒定阻力均隨錐角的增大而增大。

由圖3和圖5可以看出，錐角α＝15°時(shí)，錨桿的恒定阻力為186.30 kN，最大吸收能為33.40 kJ。吸能能力相較于普通錨桿有了很大提高。值得注意的是，錐角并不能無(wú)限制增加，蔡錦達(dá)等[11-12]指出，對(duì)于膨脹管而言，為了減少破裂風(fēng)險(xiǎn)故其膨脹比最好保持在1.60以內(nèi)。通過(guò)對(duì)膨脹比1.60進(jìn)行反算，可以得到新型吸能錨桿所能設(shè)置的最大錐角為19.70°，與本試驗(yàn)中的最大錐角相差4.70°。從實(shí)際工程應(yīng)用角度講，為提高新型吸能錨桿結(jié)構(gòu)的可靠性，本研究中錐角α取15°較為合適且試驗(yàn)結(jié)論具有可靠性。

5 結(jié)論

本文提出了一種新型吸能錨桿結(jié)構(gòu)，可以提供較高的恒定阻力和位移能力，并基于靜力拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證了錨桿結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的可靠性。主要得到以下結(jié)論:

(1)靜力拉伸試驗(yàn)表明，新型吸能錨桿錐角為5°和7°時(shí)荷載-位移曲線大致經(jīng)歷線彈性階段、短暫下降階段、恒定阻力階段；錐角為10°和15°時(shí)錨桿拉伸荷載-位移曲線只經(jīng)歷線彈性階段及恒定阻力階段，瞬時(shí)下降階段逐漸消失。隨著錐角增大，平均恒定阻力、峰值荷載分別呈指數(shù)和線性函數(shù)增長(zhǎng)。

(2)新型吸能錨桿的吸能量-位移曲線經(jīng)歷無(wú)明顯增幅和線性快增兩個(gè)階段，分界點(diǎn)位移值大致為30 mm，線彈性至恒定阻力階段的吸能量與位移呈線性相關(guān)。錐角為15°時(shí)，平均恒定阻力為186.32 kN，最大吸收能為33.40 kJ，錨固和吸能效果最為顯著。

(3)為減小外管體破裂的可能性，建議新型吸能錨桿的最大錐角取15°，此時(shí)新型錨桿的外管體只會(huì)發(fā)生膨脹變形而不會(huì)破裂；外管體厚度設(shè)置為5 mm時(shí)具有更高的工程可靠性。