壓力型錨桿錨固界面力學特性試驗研究

2017-09-05 05:09:33賀陽輝蘇杭

山東工業技術 2017年15期

賀陽輝++蘇杭

摘要：錨固系統宏觀上是由巖土體、黏結材料和錨桿桿體三種介質組成。錨桿和巖土體之間通過它們之間的接觸界面完成相互作用。通過開展室內剪切蠕變試驗，并且考慮錨固界面的蠕變特性對錨固系統的影響和作用，得出界面應變隨時間、荷載大小和錨桿長度的變化規律，分析錨固界面的蠕變特性并討論桿長方向分布的界面應力隨時間的變化規律。試驗分析的結果表明，試驗件分級蠕變量與加載階段密切相關。低應力水平階段，荷載恒定前期錨固體的蠕變變形量較大，后期蠕變量較小，呈現衰減蠕變趨勢；高應力水平階段試件蠕變特性較大，并在破壞前期出現速率短暫急速增大過程。

關鍵詞：錨固界面；蠕變；剪切蠕變試驗；錨固系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.233

1 引言

錨固技術作，已成為為一種巖土加固技術，已廣泛應用到各大工程建設中，因其加固效果明顯、經濟效益顯著解決巖土工程穩定性問題最有效的方法之一。已有的研究表明，錨固界面的力學特性對錨固工程長期穩定性和安全性至關重要。關于錨固系統錨固界面力學特性，國內外學者曾做過大量試驗研究。錨桿與注漿體界面即第一界面剪應力，注漿體和巖土界面即第二界面剪應力的變化規律，不少學者也得到一些公認的定性結論。苪瑞[1]等進行了現場拉拔試驗，通過預埋自制的應變磚測得靠近孔壁的注漿體界面的切向剪應力，來表示錨固界面粘結力分布，并分析了軸向和切向剪應力分布規律。趙同彬[3]等進行室內錨固系統拉拔蠕變試驗，選取不同等級強度混凝土為等效巖土體，并選取樹脂、砂漿等作為黏結材料，獲得全長黏結型軸力、兩個界面的剪應力沿軸向方向的分布規律和隨時間的變化規律。總而言之，錨桿發揮作用在圍巖體上是依靠錨固界面來完成的，而對于整個錨固系統，錨固界面是錨固系統中的薄弱環節，據有效統計，錨固系統的破壞70%是發生在界面上的，因此錨固界面特性強弱決定了錨固系統的強弱。

錨桿發揮作用在圍巖體上是依靠錨固界面來完成的，整個錨固系統中，錨固界面是錨固系統中的相對薄弱環節，因此錨固界面的強弱決定了錨固系統的強弱。如何通過錨固界面剪切蠕變試驗來分析不同荷載下錨固界面的力學特性，諸如不同荷載下應變分布規律，以及錨桿軸力，錨桿與注漿體界面剪力，注漿體和被加固體界面應力變化規律顯得尤為重要[4]。本文在前人剪切流變理論基礎上進行室內錨固系統拉拔蠕變試驗，分析錨固界面在不同荷載作用下應力應變分布形式及隨時間變化形式，并探究蠕變對錨固界面應力傳遞的影響。

2 錨固界面蠕變試驗研究

2.1 試件制備

室內試驗裝置以RYL—600型微機控制三軸流變試驗機為基礎，通過改變原有的連接部件等技術措施，來實現錨固系統蠕變拉拔試驗。本文共制得4個壓力型錨固試件，其中編號為SJ-1和SJ-2的錨固試件為全長粘結型試件，編號為SJ-3和SJ-4的錨固試件為半長粘結型試件。錨固試件由基體、錨桿、黏結材料三部分組成。其中，基體采用混凝土材料制作，混凝土強度為C30，其設計配合比按規范為水：水泥：砂：碎石=220：449：615：1116。錨桿選用直徑為16mm的四級螺紋鋼，桿體長度為550mm。灌漿材料選用M20的砂漿，砂漿配合比為水：水泥：砂=0.6：1：5.27。試件制備完畢，放入恒溫恒濕室養護28天。錨固試件力學模型如下：

2.2 加載方式

根據錨桿試驗的規定，錨桿拉拔的加載采用分級加載法[5]，本文采用分級加載法中的單體分級增量加載方式，此法既簡單又經濟。根據常規拉拔試驗所得荷載結果推知此種由C30基體和M20灌漿體組成的錨固系統極限拉拔荷載在90KN左右。具體加載方案如表1如下：

2.3 試驗結果分析

在對自制壓力型錨固系統試件SJ-1，SJ-2，SJ-3，SJ-4進行拉拔試驗過程中，分別歷時大約287、243、190、243個小時，最終錨固試件破壞。如圖2所示SJ-1，SJ-3錨固系統分別在80kN，80kN的恒定荷載下，歷時大約2， 2個小時后出現蠕變破壞。破壞部位為試件基體和灌漿體的接觸界面，破壞現象基本包括沿基體粘結面開裂，裂縫幾乎貫穿整個界面，灌漿體下部局部被壓壞；灌漿體上移一小段距離等。其中SJ-2，SJ-4也是在80kN，80kN的恒定荷載下破壞。如圖所示SJ-1，SJ-3位移——時間曲線，可知加載瞬間，錨固界面會產生很大的瞬時變形，幾乎占試驗過程位移的80%左右。

錨固系統在分級荷載作用下應力分布規律，注漿體和被加固體界面應變變化規律如圖3所示：

由圖3曲線可知，本文采用的是有代表性和較為完整的監測點進行了試驗的分析。其中包括全長粘結性試件SJ-1第二錨固界面上中間位置的監測點1-4及離端口最遠的監測點1-12， SJ-2第二錨固界面上離端口最遠的監測點1-12；半長粘結性試件SJ-3第二錨固界面上離端口最近的監測點1-1，SJ-4第二錨固界面上中間偏下部位的監測點1-4和1-6。通過分析第二錨固界面上布置的監測點對第二錨固界面上的應變影響，并且進行實時的測定，最后得出監測點1-1最靠近端口，在該處錨桿的應變最大，沿著桿長向端尾，錨桿的應變逐漸衰減，在端尾達到最小值。監測點1-1在荷載施加的一瞬間產生較大的變形，荷載恒定后，隨著時間的增長監測點1-1表現出了剪切蠕變特性，即應力不變的情況下，應變隨時間連續增長，但是應變的速率較小。當荷載在25 kN等較低應力水平以下時，應變隨時間增長也不大，即達到第二錨固界面的長期強度[6]后的衰減蠕變階段；當荷載在一個中等應力水平下，瞬時變形后錨固界面表現蠕變特征不是很明顯，其變化的速率趨于一恒定的值；當荷載達到75 kN或80kN這樣的高應力水平以上時，錨固界面便開始失效，失效前期速率變化有一個急增過程直到試件破壞。同理監測點1-4，1-6靠近中部偏下的位置，在低應力水平時也表現出了衰減蠕變階段，以及在較高應力水平時的穩定蠕變階段，界面的剪切效應是由端口向端尾傳遞發展的，即端口發展快，端尾發展慢，故1-12監測點未能表現出這樣明顯的蠕變階段中的前兩個蠕變階段。因此當端尾附近的監測點快要達到極限時，此時端口附近的監測點已經破壞，此時錨固系統已經失效。endprint

3 結論

本文通過進行室內剪切流變試驗，基于試驗數據的分析，就全長粘結性錨固體與半長粘結性錨固體的注漿體和巖土界面（第二界面）剪切蠕變特性的分析結果，得出其流變特性發展趨勢結論如下：

（1）試驗件分級蠕變量與加載階段密切相關。低應力水平階段，荷載恒定前期錨固體的蠕變變形量較大，后期蠕變量較小，呈現衰減蠕變趨勢；高應力水平階段試件蠕變特性較大，并在破壞前期出現速率短暫急速增大過程。

（2）錨固體蠕變試驗得出的破壞強度值明顯低于常規拉拔試驗，就本文所提錨固體其長期強度與短期加載瞬時強度相比，降低約10%～20%。

（3）在不同恒定加載水平下，通過對不同錨固端上的蠕變曲線的分析，錨固體界面蠕變經歷粘彈、粘塑、粘脫三個蠕變階段。

參考文獻：

[1]苪瑞，夏元友，顧金才，陳澤松.壓力分散性錨索錨固段受力特性分析[J].巖石力學與工程學報，2012，34（05）：917-923.

[2]葉根飛.巖土錨固荷載傳遞規律與錨固特性試驗研究[J].西安科技大學，2012.

[3]趙同斌，譚云亮.巖體錨固理論與技術研究的進展[J].山東科技大學學報（自然科學版），2010，29（04）：1-7.

[4]尤春安.錨固系統應力傳遞機理理論及應用研究[D].泰安：山東科技大學，2004.

[5]劉保國，崔少東.泥巖蠕變損傷試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2010，29（10）：2127-2133.

[6]孫鈞.巖石流變力學及其工程應用研究的若干進展[J].巖石力學與工程學報，2007，26（06）：1018-1106.