圍巖堅(jiān)硬程度影響下隧道砂漿錨桿拉拔試驗(yàn)

付 銳， 毛宗嬌, 張卓涵， 熊 穎

(西南交通大學(xué)，四川成都610031)

錨固技術(shù)在邊坡加固、基坑支護(hù)以及公路交通等工程中得到了廣泛應(yīng)用[1]，全長粘結(jié)型錨桿作為地下工程中最為常用的支護(hù)手段之一，其承載特性、受力特征成為了國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。

目前錨固體系研究方向主要包括錨固系統(tǒng)力學(xué)傳遞機(jī)制[2]、巖體加固理論[3-4]、圍巖穩(wěn)定性分析[5]。郭鋼等[6-7]通過模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)擴(kuò)體錨桿較普通錨桿在極限承載力、承載比與安全性等方面均有大幅度提高，通過增大擴(kuò)體錨固段直徑可顯著提高抗拔承載力。同時，為探究錨固長度對錨固能力的影響，王洪濤等[8]建立了不同錨固長度下巷道力學(xué)分析模型，分析了錨桿應(yīng)力分布規(guī)律，研究表明隨著錨固長度的增加，距離拉拔端距離越遠(yuǎn)，錨桿桿體所受的軸向應(yīng)力、界面剪應(yīng)力越小。王東華[9]對土遺址全長黏結(jié)拉力型錨固系統(tǒng)常用類型錨桿的錨固性能進(jìn)行了對比研究，探究了各類錨桿幾何錨固參數(shù)對錨固系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，闡釋了不同錨固參數(shù)的影響機(jī)制。孟波等[10]利用通過石英砂、石膏材料模擬巖體，反復(fù)加卸載水平圍壓、持續(xù)增加豎向軸壓的方法對進(jìn)行預(yù)裂，然后對破裂巖體進(jìn)行錨固壓縮試驗(yàn)，最終基于試驗(yàn)結(jié)果，分析破裂圍巖錨固體以及錨桿變形破壞特征。張波等[11]通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)，對含交叉裂隙節(jié)理巖體錨固效應(yīng)及破壞模式進(jìn)行了研究，研究表明錨桿增強(qiáng)了含交叉裂隙節(jié)理巖體抵抗裂隙擴(kuò)展的能力，降低了含交叉裂隙節(jié)理巖體劈裂破壞出現(xiàn)的突然性。

以上研究表明，錨桿承載能力受桿體形狀、桿體直徑、錨固長度等因素影響較大。現(xiàn)有研究卻忽略了地質(zhì)條件對錨固系統(tǒng)承載能力的影響，錨桿拉拔試驗(yàn)是檢測錨桿施作質(zhì)量、分析其工作原理的重要手段。有鑒于此，本文開展了錨桿拉拔室內(nèi)試驗(yàn)，研究了圍巖堅(jiān)硬程度對隧道砂漿錨桿拉拔荷載-端頭位移關(guān)系。

1 砂漿錨桿模擬方法

1.1 工況設(shè)置

錨固系統(tǒng)主要由“三體兩面”構(gòu)成，其中“三體”指圍巖體、灌漿體、錨桿桿體；“兩面”指圍巖體—灌漿體界面和灌漿體—錨桿桿體界面。

本次試驗(yàn)為探究堅(jiān)硬程度對隧道砂漿錨桿錨固系統(tǒng)極限拉拔力和端頭極限位移的影響，開展了節(jié)理巖體全長粘結(jié)型錨桿拉拔室內(nèi)試驗(yàn)，具體工況設(shè)置如表1所示。

表1 工況設(shè)置

TB10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[12]中根據(jù)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度將圍巖堅(jiān)硬程度劃分為極硬巖、硬巖、較軟巖、軟巖、極軟巖，根據(jù)表1所述工況和TB10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》較軟巖、軟巖、極軟巖的模擬擬采用不同單軸飽和抗壓強(qiáng)度的混凝土(或砂漿)進(jìn)行模擬，其中較軟巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度在15～30MPa范圍內(nèi)，軟巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度在5～15MPa范圍內(nèi)，極軟巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度低于5MPa。巖體完整程度主要受到節(jié)理的控制，本文以預(yù)制節(jié)理的方式，通過控制節(jié)理?xiàng)l數(shù)模擬完整巖體。

通過拉拔試驗(yàn)測試系統(tǒng)可以直接獲得不同圍巖堅(jiān)硬程度下錨桿的極限拉拔力。通過記錄組合體破壞時的端頭位移，直接確定錨桿破壞時的極限位移。本次室內(nèi)試驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 錨桿室內(nèi)拉波試驗(yàn)測試系統(tǒng)

1.2 節(jié)理巖體的模擬

在錨桿室內(nèi)拉拔試驗(yàn)中，我們需要選擇合適的模型，根據(jù)不同工況對圍巖堅(jiān)硬程度和巖體完整程度進(jìn)行模擬，以保證此次試驗(yàn)的精確性。

在對巖石堅(jiān)硬程度的模擬中，我們采用單軸飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，通過對混凝土試塊進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測試，經(jīng)壓力測試機(jī)確定混凝土制備的混凝土試塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度。通過調(diào)整粗骨料、細(xì)骨料、水泥、水等參數(shù)，直至滿足擬定的工況要求。RC具體模擬過程：

(1)用150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)模具制備混凝土試塊。

(2)將標(biāo)準(zhǔn)塊放入水浴箱中直至試塊飽和。

(3)通過微機(jī)控制電伺服萬能試驗(yàn)機(jī)確定各混凝土試塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度。

(4)選取滿足工況要求的試件，記錄配合比。

材料配合比具體如表2所示。

表2 混凝土(或砂漿)材料配合比

考慮拉拔過程的邊界效應(yīng)，制備長×寬×高=100cm×20cm×20cm的“巖體”。巖體完整程度主要受到巖體體積節(jié)理數(shù)(JV)控制，當(dāng)JV<3條/m3時，則判定為完整巖體。根據(jù)本文圍巖模擬的圍巖體積，各工況均設(shè)置了1條節(jié)理，與錨桿垂直。

圖2 完整巖體木質(zhì)模具制作流程

根據(jù)擬定的工況和單軸飽和抗壓強(qiáng)度的模擬結(jié)果確定的混凝土材料配合比，用0.8mm厚的鋼片預(yù)制單條節(jié)理，在節(jié)理交接處采用半搭接式連接，并用定位卡槽固定，待混凝土初凝后將鋼片拔出。木質(zhì)模具相比于鋼制模具，木質(zhì)模具有操作簡單，重量輕，易于拆卸，損壞的零件方便替換等優(yōu)點(diǎn)。故本次試驗(yàn)節(jié)理巖體模具選用木質(zhì)模具，完整巖體木質(zhì)模具制作流程詳情如圖2所示。完整巖體模具制作成品如圖3所示。

圖3 完整巖體模具

1.3 錨桿-灌漿體模擬

按錨桿室內(nèi)試驗(yàn)擬定的工況，選用PO42.5型水泥、機(jī)制砂和水按2.38∶4.56∶0.014∶1質(zhì)量配合比制備M20型水泥砂漿模擬灌漿體，錨桿桿體選用φ22mm螺紋鋼筋。在混凝土試塊澆筑前沿中軸線分別預(yù)留直徑為45mm的PVC管作為錨桿—灌漿體組合結(jié)構(gòu)的施作空間(圖4)。

圖4 普通砂漿錨桿(單位：mm)

錨桿-灌漿體施作過程主要包括，PVC管預(yù)留錨桿-灌漿體組合結(jié)構(gòu)的施作空間和灌漿體澆筑2個步驟。錨桿-灌漿體施作如圖5所示。

圖5 PVC管施作過程

1.4 錨桿拉拔

利用空心千斤頂施加拉拔力。安裝時保證空心千斤頂、錨頭鎖具和百分表中心對齊，中心保持在同一高度，位移傳感器固定在側(cè)面裝置上，嚴(yán)禁在試驗(yàn)過程中移動。測力錨桿應(yīng)變片用導(dǎo)線連接在靜態(tài)應(yīng)變儀之上，對各測點(diǎn)進(jìn)行編號，試驗(yàn)之前，千斤頂要有一個預(yù)緊的過程，開動油泵，千斤頂向前運(yùn)動待錨索鎖具完全緊固之后停止加壓，然后對力-位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和應(yīng)力采集系統(tǒng)分別進(jìn)行調(diào)零操作，實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)的靜態(tài)平衡，待準(zhǔn)備就緒后，操作空心千斤頂液壓油泵，對錨桿進(jìn)行穩(wěn)定加壓。本次試驗(yàn)在錨桿拉拔過程中，以8.8kN為梯度逐級加載的方式對砂漿錨桿施加拉拔力，每次加載后記錄拉拔力和端頭百分表讀數(shù)。錨桿拉拔模擬過程中，具體操作過程：

(1)將液壓油缸穿過鋼筋，鋼筋必須穿過油缸并露出5cm以上，如果鋼筋長度不夠，可進(jìn)行焊接。

(2)選擇相應(yīng)的錨具，將錨環(huán)穿過鋼筋并平放在鋼筋上方，再將夾片夾住鋼筋并放入錨環(huán)中。

(3)連接手動泵和液壓油缸，順時針旋轉(zhuǎn)泄壓閥并擰緊，連接并打開儀表。

(4)慢慢下壓手動泵，使油缸慢慢收緊，直到錨具慢慢夾住鋼筋，此時儀器按峰值鍵使儀表進(jìn)入測量峰值狀態(tài)，再按清零鍵使儀表數(shù)值清零，然后進(jìn)行測量。

(5)勻速下壓手動泵，慢慢加壓，每下壓一次，利用數(shù)顯儀表保存鍵保存壓力值，并記錄，同時讀取自制的百分表讀數(shù)，測量完成。

(6)重復(fù)步驟(4)、(5)，直至前后3次數(shù)顯儀表讀數(shù)不再變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)本文所述的工況試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計分析了各工況下，砂漿錨桿的極限拉拔力和端頭極限位移。在圍巖堅(jiān)硬程度的影響下，隨著圍巖堅(jiān)硬程度的增加，水泥砂漿錨桿的極限拉拔力和端頭極限位移逐漸增加，極軟巖和較軟巖的極限拉拔力相差了174.53kN，端頭極限位移相差了0.98mm。工況1的極限拉拔力為180.4kN，端頭極限位移為5.87mm；工況2的極限拉拔力為140.8kN，端頭極限位移為5.51mm；工況3的極限拉拔力為44kN，端頭極限位移為4.89mm。試驗(yàn)結(jié)果詳情如表3所示。

表3 錨桿極限拉拔力、端頭極限位移匯總

在錨桿極限拉拔力和端頭極限位移分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步繪制各工況下錨桿拉拔過程的P—S曲線，不同圍巖堅(jiān)硬程度下隧道砂漿錨桿拉拔過程中的P—S曲線如圖6所示。

圖6 不同圍巖堅(jiān)硬程度下錨桿拉拔過程中的P-S曲線

綜合分析圍巖堅(jiān)硬程度對極限拉拔力和極限位移的影響，可以看出，巖體不同堅(jiān)硬程度對最終巖體破壞形式、破壞形態(tài)、極限拉拔力都有影響。在砂漿錨桿拉拔過程中，錨固系統(tǒng)經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形和失效3個階段。由圖6可知，隨著圍巖堅(jiān)硬程度越高，錨固系統(tǒng)在彈性變形階段曲線斜率越大，在塑性變形階段圍巖的塑性變形越緩慢，在失效階段錨固系統(tǒng)的殘余強(qiáng)度更高。

3 結(jié)論

本文通過不同強(qiáng)度的混凝土和鋼片模擬了不同巖體堅(jiān)硬程度的圍巖，選用φ22mm螺紋鋼筋和M20型水泥砂漿模擬了錨桿-灌漿體組合結(jié)構(gòu)。以室內(nèi)試驗(yàn)為研究手段確定了不同圍巖堅(jiān)硬程度影響下砂漿錨桿的極限拉拔力和極限位移，以及拉拔過程中的錨固系統(tǒng)的變形規(guī)律。