拉力型錨桿錨固試驗研究

高德軍 曹杰雄 李元松

(三峽大學土木與建筑學院,湖北 宜昌 443002)

·巖土工程·地基基礎·

拉力型錨桿錨固試驗研究

高德軍 曹杰雄 李元松

(三峽大學土木與建筑學院,湖北 宜昌 443002)

采用改進型拉拔方式對錨桿進行拉拔試驗，從而研究砂漿強度和錨固深度對錨桿承載力的影響，通過在錨桿表面粘貼應變片，得到拉拔過程錨桿—砂漿截面剪應力沿錨桿全長分布規律,根據現場錨桿拉拔過程的破壞形式，分析對應破壞機理。

錨桿，錨固效果，荷載位移曲線，剪應力，破壞形式

錨固技術通過在地質體中埋設錨桿，將結構物與地質體聯鎖在一起，依靠錨桿與地質體間的相互作用，將結構物的荷載傳遞到地質體，或使地質體自身得到加固、增強其承載力或穩定性[1]。隨著社會發展和科學技術的進步，巖土錨固理論和錨固技術得到了很大發展，錨固技術在水電工程、道橋工程、建筑工程、礦山建設等工程領域得到廣泛應用，解決了許多重大工程加固的關鍵問題[2-5]。然而隨著錨固技術向更深、更廣的方面發展，錨固面臨高應力、大范圍、大噸位及耐久性等條件下的技術問題，同時錨桿錨固設計規范在工程實際中的應用滯后于理論研究，錨桿錨固機理沒有得到統一認識[6-8]，理論分析和數值分析的結果與實際工程的監測誤差較大[9,10]，在許多工程實際中，錨固技術是否得當往往成為工程建設成敗或影響進度的瓶頸之一[11]，由于工程地質條件的復雜性和錨固方式的多樣性，錨固作用機理的研究還處于初步發展階段，在工程應用中還受到許多約束，不能完全滿足工程實踐的需要。因此，研究錨固承載能力、錨固機理，錨固效果及錨固耐久性有著重大的科學價值和理論意義。本文針對拉力型錨桿的錨固機理進行了試驗研究，得到了不同錨固深度、灌漿體強度的錨固效果和主要破壞形式，并得到了錨桿—砂漿界面的剪應力分布形式；為錨桿加固工程設計提供參考。

1 試驗說明

1.1 試驗準備

本試驗通過控制錨固深度、砂漿強度兩個因素對拉力型錨桿錨固機理進行研究。圍巖體采用砂漿模擬，整體一次性澆筑在一個長為2.4 m，寬為1 m，深0.4 m的溝槽里。圍巖的砂漿強度采用M15的砂漿，灌漿體則分別采用M10的低強度砂漿和M20的高強度砂漿；錨固深度分別取100 mm和200 mm。砂漿配合比見表1。

表1 砂漿配合比 kg

試驗所用錨桿選取HPB300螺紋鋼，直徑10 mm，屈服強度300 N/mm2，屈服力23.55 kN，極限強度420 N/mm2，極限拉拔力32.97 kN。

為方便觀測錨桿—砂漿界面剪應力在拉拔過程中的變化規律，試驗中在鋼筋表面粘貼應變片，應變片為浙江臺州市黃巖雙立工程傳感器廠生產，應變片柵長為3 mm，柵寬2 mm，電阻約為120 Ω，靈敏系數2.06。測量應變的儀器為江蘇東華測試技術股份有限公司生產的DH3816N靜態應變測試分析系統。

1.2 試驗過程

圍巖體整體一次性澆筑在固定溝槽里，達到標準養護期28 d之后，通過在圍巖體上鉆孔的方式模擬實際施工過程，鉆孔直徑為30 mm，鉆孔深度分別為100 mm和200 mm；鉆孔完成后，進行清孔，再安設錨桿，進行注漿。達到標準養護28 d進行拉拔試驗。100 mm的錨桿在距端口10 mm，30 mm，70 mm處分別粘貼一個應變片；200 mm的錨桿在距端口的10 mm，30 mm，60 mm，110 mm，160 mm處分別粘貼一個應變片。

2 試驗結果分析

2.1 不同參數下的拉拔力分析

根據現行錨桿(索)技術規程，在工程實際過程中設計錨桿的最大拉拔力均采用剪應力沿錨桿全長均勻分布假定，實驗測得其相同砂漿強度下不同錨固深度的錨桿在破壞時記錄的最大拉拔力見表2。

表2 試驗測得的最大拉拔力

從表2可以看出，在相同的砂漿強度條件下，增加錨固深度是可以有效提高錨桿的承載力的，但二者并不呈線性的關系，即錨固深度只在一定范圍內對承載力有提高，超出某個范圍，增大錨固深度，錨桿承載力的增加不再明顯，在工程實際中通過一味增加錨固深度來提高承載力的方式是不可取的。同時，在相同的錨固深度下，不同的灌漿材料，其錨固承載力也不同，具體表現為：對于短錨，灌漿砂漿強度較高的，其承載力也較大，但增加的效果不明顯，根據實測結果顯示，在錨固深度為100 mm時，M20砂漿比M10砂漿的拉拔力只增加了8%；對于長錨，增加砂漿強度對錨桿拉拔力的增幅效果是比較明顯的，試驗數據表明，在錨固深度為200 mm時，M20砂漿比M10砂漿的拉拔力增加了65.4%。因此，在錨固深度、圍巖體強度一定的情況下，通過提高灌漿體強度是可以有效提高錨固承載力的。

2.2 拉拔過程中記錄的P—S曲線

本試驗在拉拔過程中繪制了不同錨固深度、不同砂漿強度下的荷載位移曲線，選取了其中三條加以分析，具體見圖1。

通過觀察圖1中的P—S曲線，可以發現，在拉拔力很小的時候，位移變化很小，其變化趨勢近似線性變化，可認為其處于彈性變化階段，這與規范中采用的荷載位移曲線趨勢基本相同；當拉拔力達到一定值時，位移逐漸增大，但比規范參考的P—S曲線要更平緩，錨桿受力進入塑性階段，通過試驗實測P—S曲線可以看出，實際拉拔過程中錨桿進入塑性階段的過程要早，這說明錨固體受力形式比規范設計中的要更復雜，更符合實際情況。因此，在錨桿設計中要充分考慮錨固體塑性區的發展，有效利用錨固的塑性變形，對優化錨桿設計具有一定的參考意義。

2.3 錨桿剪應力沿全長變化規律

錨桿剪應力變化規律一直是學術界研究的重點和難點，主要包括灌漿體與錨桿界面和灌漿體與圍巖體界面剪應力兩種，根據相關假設，很多學者做了大量的研究與分析[6-8]，但都沒有得到統一的共識。本試驗在鋼筋表面粘貼應變片，用靜態應變儀測得錨桿拉拔過程中錨桿—砂漿界面的應變變化，由此可得到錨桿—砂漿界面剪應力沿全長的分布規律。根據實測數據選取錨固深度為200 mm的不同砂漿強度下的應變曲線，見圖2。

通過實測的不同砂漿強度下的應變曲線可知：在加載過程中，在靠近錨桿端部的應變數值最大，其應力沿錨固深度依次遞減，在接近錨桿底部時，應力非常小，接近為零，并進一步發現，大部分剪應力集中在錨桿全長1/2左右，隨著拉拔荷載的增加，界面應力也隨著增大由此推證規范設計中的錨桿剪應力沿全長分布假定是不合理的。在工程實際中，為合理設計錨桿的錨固力及其錨固效果，應對靠近桿端部分錨固體進行加固設計，這樣可以有效提高錨桿的錨固力及其錨固效果。

2.4 破壞形式

為確定錨桿在拉拔過程中的破壞形式，估計其可能出現的破壞范圍，相鄰錨桿間距為300 mm，墊板距錨桿中心大于150 mm。通過實驗發現，錨桿的破壞形式呈多樣性，錨桿鋼筋都沒有出現屈服破壞。其破壞形式主要有兩種：一種為拉拔破壞，錨桿鋼筋與灌漿體之間產生了滑移，鋼筋從灌漿體中拔出；另一種為錐形破壞，錨桿帶著灌漿體從圍巖體整體拔出，錐形破壞面的最大直徑為272 mm，錐形體的深度為60 mm，如圖3所示。

產生這兩種破壞面的主要原因與加載速率、振搗是否密實和砂漿強度、錨固深度有關。經過現場試驗發現，高強度砂漿與錨固深度200 mm的錨桿出現錐形面破壞的居多，其余為拉拔破壞。通過分析這兩種破壞形式，為錨桿錨固效果的理論研究提供試驗參考。

3 結論

通過對不同灌漿砂漿強度和不同錨固深度的錨桿進行改進型拉拔試驗，結果表明：1)通過提高灌漿砂漿強度和錨固深度對增大錨桿錨固力是可行的，但是對于短錨，增大砂漿強度對提高錨固力效果不明顯；在相同灌漿砂漿強度下，錨固力沿錨固深度表現為非線性分布。2)根據實測荷載位移曲線與規范對比，發現在拉拔力較小時，增長趨勢相同；當拉拔力達到一定值時，增長趨勢比規范上的緩慢，并通過數據擬合，發現其整個過程符合對數函數的關系。3)錨桿剪應力沿全長并非均勻分布，沿錨固深度呈遞減趨勢，并主要集中在錨固深度1/2左右，在設計錨桿時，通過對錨桿桿端錨固體進行加固，可以有效提高錨桿的錨固力，達到較好的錨固效果。4)現場試驗拉拔破壞形式為滑移破壞和錐形破壞，對這兩種破壞形式加以理論分析，為錨固理論提供試驗參考。

[1] 程良奎,范景倫,韓 軍,等.巖土錨固[M].北京:中國建筑工業出版社,2003.

[2] 戴會超,蔣定國.三峽永久船閘高邊坡綜合錨固技術研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(3):468-476.

[3] 袁從華,周 健,楊明亮.高速公路膨脹土邊坡整治[J].巖石力學與工程學報,2007,26(sup):3073-3078.

[4] 朱光宇,丁 毅,劉功勛.沈陽市某深基坑支護改擴建實例分析[J].巖石力學與工程學報,2010,32(S2):367-370.

[5] 郭靈飛,康天合,柴肇云,等.綜放孤島工作面順槽錨固技術研究[J].煤炭技術，2011,30(2):60-62.

[6] 曾華明,李 祺,岳向紅.張拉荷載下砂漿錨固巖石錨桿的力學分析[J].巖石力學與工程學報，2006,25(S2):3982-3986.

[7] 朱訓國,楊 慶,欒茂田.全長注漿錨桿的解析本構模型研究[A].第九屆全國巖石力學與工程學術大會論文集[C].2011：765-772.

[8] 劉紅軍,李洪江.基于能量法的錨桿失效模糊判別方法研究[J].巖石力學與工程學報，2013,35(8):1435-1441.

[9] 江文武,徐國元,馬長年.FLAC-3D的錨桿拉拔數值模擬試驗[J].哈爾濱工業大學學報，2009,41(10):129-133.

[10] 張 凱,楊 慶,蔣景彩,等.全長粘結巖石錨桿拉拔數值模擬[J].大連理工大學學報，2013,53(5):710-714.

[11] 曾憲明,李世民,陸衛國，等.制約錨固類結構發展應用的若干問題概論[J].巖土工程學報，2010,32(S1):57-62.

The anchoring test research on tensile type anchor

Gao Dejun Cao Jiexiong Li Yuansong

(ArchitectureandCivilEngineeringCollege,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

In order to study the influence of mortar strength and anchorage length on the bearing capacity of anchor, the modified methods were adopted for anchor pullout test. Strain gauges were pasted on the anchor surface and the shear stress distributions along anchor full-length were obtained, the corresponding failure mechanism was analyzed according to the bolt failure modes.

anchor, anchoring effect, load-displacement curve, shear stress, failure mode

1009-6825(2015)02-0041-03

2014-11-05

高德軍(1970- )，男，博士，副教授； 曹杰雄(1988- )，男，在讀碩士； 李元松(1989- )，男，在讀碩士

TU472

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