錨桿加固散粒體室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

摘要：錨桿加固在土木工程領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，是一種有效的加固方法。散粒體是一種常見的土體類型，其穩(wěn)定性直接影響工程結(jié)構(gòu)的安全性。通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，探究錨桿加固對散粒體的加固效果，為工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。首先，詳細(xì)分析了散粒體特性與錨桿加固技術(shù)。其次，探討了錨桿支護(hù)機(jī)理與特性研究。然后，設(shè)計了錨桿加固散粒體室內(nèi)模型試驗(yàn)。最后，通過不同監(jiān)測點(diǎn)驗(yàn)證了錨桿加固技術(shù)。結(jié)果表明，錨桿加固是一種有效的散粒體加固方法，能夠提高其穩(wěn)定性和承載能力。

關(guān)鍵詞：錨桿加固；散粒體；室內(nèi)模型試驗(yàn)

錨固技術(shù)是應(yīng)用錨桿對巖土體進(jìn)行加固的技術(shù)手段，對原巖擾動小、施工速度快、安全可靠。周偉等對于錨固聯(lián)合支護(hù)技術(shù)提出了核心觀點(diǎn)：只提高支護(hù)體的剛度是不能夠控制圍巖的變形的，因此需要先采用柔性支護(hù)措施，再逐步引入剛性支護(hù)措施，達(dá)到剛?cè)嵯酀?jì)、穩(wěn)定支護(hù)的效果［1］。周海娟等以煤礦巷道掘進(jìn)為工程背景，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用了聯(lián)合支護(hù)方案，其中采用了桁架錨索、安裝邁步式W型鋼帶以及超前管棚注漿技術(shù)，取得了顯著的應(yīng)用成果［2］。馬剛等對比了常規(guī)支護(hù)、強(qiáng)幫支護(hù)以及強(qiáng)幫強(qiáng)角3種錨桿支護(hù)在圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化方面的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)施加幫部和角部錨桿支護(hù)可以提高頂板的自身承載能力，具有良好的效果［3］。但是研究者目前對散粒體錨固作用機(jī)制認(rèn)識還不夠深入，施工技術(shù)尚不成熟，導(dǎo)致錨固技術(shù)在散粒體中的應(yīng)用研究較少。

1散粒體與錨桿加固技術(shù)

1.1錨桿加固技術(shù)

錨桿加固技術(shù)是一種常用的土木工程加固方法。通過對文獻(xiàn)資料的綜述和分析可以發(fā)現(xiàn)，錨桿加固技術(shù)在不同土體類型和工程條件下都取得了顯著的加固效果。其原理是利用錨桿在土體中的承載和固定作用，增強(qiáng)土體的整體穩(wěn)定性和抗壓能力，從而減小土體的變形和破壞可能性。在實(shí)際工程中，錨桿加固技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于巖石體、土體和散粒體等不同類型的地基加固和邊坡防護(hù)工程中，取得了良好的效果。同時，隨著施工技術(shù)和材料的不斷改進(jìn)，錨桿加固技術(shù)在工程實(shí)踐中也不斷得到完善和推廣，為各類地下工程和邊坡工程提供了可靠的技術(shù)支持。

1.2散粒體的特性

散粒體是一種復(fù)雜的土體類型，其特性對工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性具有重要影響。首先，散粒體常常存在顆粒間的間隙較大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠緊密的特點(diǎn)，使得其整體穩(wěn)定性較差。此外，散粒體在承受外部荷載時容易發(fā)生松動、沉降等現(xiàn)象，導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)受力不均勻，進(jìn)而加劇了其穩(wěn)定性問題。另外，由于散粒體的顆粒大小、形狀以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)會受到多種因素的影響，使得工程對散粒體的加固技術(shù)要求相對較高［4］。傳統(tǒng)的加固方法往往難以在散粒體中發(fā)揮出良好的作用，需要針對其特殊性進(jìn)行定制化加固方案的研究與探索。

2錨桿支護(hù)設(shè)計機(jī)理分析

目前錨桿加固機(jī)理是研究熱點(diǎn)之一，其中包括懸吊、復(fù)合梁和加固拱等方法。錨桿支護(hù)一般由桿體、托板、螺母等組成。在巷道開挖后，由于工作面支撐作用，頂板下沉量和兩幫收斂量相對較小。這時可以利用錨桿技術(shù)對淺部巖體進(jìn)行加固，以控制巖體的離層和滑動。因此，錨桿加固技術(shù)可以有效地控制巷道變形，提高其穩(wěn)定性和安全性［5］。在相鄰巖體層中錨桿提供的約束抗力為：σ0=nPbB（1）由于錨桿的支護(hù)使得相鄰巖體層中增加的抗剪力為：τ0=nbBμP+πd2τ4（2）式中：τ為錨桿固定抗剪強(qiáng)度；n為錨桿數(shù)量；b為錨桿排距；B為巖土支護(hù)跨度；μ為巖土摩擦系數(shù)；P為錨桿預(yù)應(yīng)力；d為錨桿直徑。

為了確保巷道的穩(wěn)定性，需要施加足夠大的錨桿預(yù)應(yīng)力，如圖1所示。如果錨桿沒有施加預(yù)應(yīng)力或者預(yù)應(yīng)力不足會導(dǎo)致頂板失去完整性和穩(wěn)定性，從而威脅到巷道的安全。

錨桿支護(hù)是一種有效的技術(shù)，它可以調(diào)整桿體來改善圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而增強(qiáng)圍巖的力量，構(gòu)成一種穩(wěn)固的承載圈，與圍巖共同作用，有效地保護(hù)巷道的安全，進(jìn)而大大提高巷道的壽命和安全系數(shù)?？梢婂^固作用增強(qiáng)了巖體的屈服強(qiáng)度，使巖體破壞后仍然具有承載作用［6］。

國內(nèi)外常用的錨桿支護(hù)設(shè)計方法可以大致歸納為4類：（1）工程類比法，也稱為工程比較法，是錨桿支護(hù)常用的設(shè)計方法，它以實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、地質(zhì)條件和提出的設(shè)計方法為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行類比分析，以確定最佳的設(shè)計方案，從而達(dá)到最佳的錨桿支護(hù)效果；（2）理論計算法，這種設(shè)計方法是根據(jù)實(shí)測分析計算圍巖力學(xué)參數(shù)和錨桿支護(hù)理論，確定錨桿支護(hù)的設(shè)計參數(shù)和方案；（3）數(shù)值模擬法，由于科技的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于錨桿支護(hù)設(shè)計中，能夠模擬礦山巷道挖掘后支護(hù)圍巖的變化、應(yīng)力和穩(wěn)定性，從而更多地適應(yīng)工程建設(shè)要求，進(jìn)一步提高施工效率和質(zhì)量；（4）信息監(jiān)測法，一種基于地應(yīng)力測試的錨桿支護(hù)設(shè)計方法，通過對地應(yīng)力進(jìn)行測試，結(jié)合地質(zhì)力學(xué)評估和數(shù)值計算模擬等手段，制定出合理的支護(hù)設(shè)計方案。

3錨桿加固散粒體模型試驗(yàn)

3.1測試方案

錨固劑采用環(huán)氧樹脂、水泥砂漿或植筋膠等黏結(jié)材料，通過粘貼應(yīng)變片測量錨桿變形，此類測試裝置一般存在錨固拉拔結(jié)構(gòu)不可視和拉拔易偏心等問題。錨固拉拔試驗(yàn)裝置，包括有用于制備并固定半體錨固結(jié)構(gòu)的加載固定裝置即內(nèi)外置擋板、作為離面位移約束且相互平行的固定裝置即上下?lián)醢濉Ｍ庵脫醢鍨榘雸A柱狀殼體，內(nèi)壁高度400 mm、內(nèi)徑250 mm、厚度120 mm，試驗(yàn)前可于其中填入制備錨固基體的所需材料并養(yǎng)護(hù)獲取半體錨固結(jié)構(gòu)試件，上端部通過螺桿與萬能試驗(yàn)機(jī)連接緊固，下端部預(yù)置半圓孔、半圓孔孔徑與半體錨固試件中的錨桿匹配，拉拔時錨桿穿過半圓孔并被萬能試驗(yàn)機(jī)夾頭夾緊，錨桿伸出半圓柱狀殼體長度為150 mm，萬能試驗(yàn)機(jī)夾頭夾持錨桿長度≥50 mm。拉拔過程中的監(jiān)測設(shè)備可放置在半體錨固結(jié)構(gòu)的正對面，可直接觀察錨桿拉拔試驗(yàn)中錨固結(jié)構(gòu)表面變形場的演化過程。

3.2基體制作

現(xiàn)場取樣條件難以滿足半體錨固測試所需400 mm×250 mm×120 mm的巖石尺寸，且大尺寸巖石運(yùn)輸過程中更易發(fā)生損壞和改性，因此以弱膠結(jié)粉砂巖為相似材料配比對象。類巖石材料需滿足性質(zhì)上與弱膠結(jié)巖石相近、力學(xué)性能穩(wěn)定且離散性小的條件。

如圖2所示，類巖石基體制作步驟如下：（1）混合物倒入預(yù)先放置在振動臺上的內(nèi)徑為125 mm、高度為400 mm的半圓柱鋼筒模具中；（2）利用振動臺對混合材料進(jìn)行消除氣泡處理，待水泥混合物中無微小氣泡溢出后結(jié)束振動，在模型中預(yù)埋錨桿PVC管，并預(yù)留添加錨固劑孔道，在24 h澆筑完成后，取出錨桿PVC管；（3）將錨桿放入預(yù)留孔道中，注入錨固劑，等待48 h錨固劑凝結(jié)，并打磨箱形模塊。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為測試獲取的不同拉拔力作用下，沿錨桿軸向分別距錨固起始端5 mm、55 mm、105 mm、155 mm、205 mm、255 mm、305 mm和355 mm的A、B、C、D、E、F、G和H共8個測區(qū)對應(yīng)的豎向應(yīng)變演化曲線，將其換算成錨桿軸力后可獲取錨桿軸力分布特征曲線，也可以視作錨固界面豎向變形的演化規(guī)律。分析圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉拔力lt;16.3 kN時，8個對應(yīng)測區(qū)的錨桿拉拔力軸向應(yīng)變曲線呈線性趨勢升高，其中C-H測區(qū)對應(yīng)的應(yīng)變值≤0.01×10-3；當(dāng)拉拔力達(dá)到16.3 kN時，拉拔力已經(jīng)傳遞到H測區(qū)所在位置（距離錨固起始端355 mm），各測區(qū)拉拔力應(yīng)變曲線出現(xiàn)第一次轉(zhuǎn)折，整體變形處于加速階段。

5結(jié)論

通過室內(nèi)模型試驗(yàn)揭示了錨桿加固對散粒體的重要意義，為相關(guān)工程領(lǐng)域提供了有益的參考和借鑒。未來可進(jìn)一步拓展研究，探討更多加固方案的效果和機(jī)制，為散粒體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供更為科學(xué)可靠的依據(jù)。

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