圍巖堅硬程度影響下隧道砂漿錨桿拉拔試驗

付 銳， 毛宗嬌, 張卓涵， 熊 穎

(西南交通大學，四川成都610031)

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

目前錨固體系研究方向主要包括錨固系統力學傳遞機制[2]、巖體加固理論[3-4]、圍巖穩定性分析[5]。郭鋼等[6-7]通過模型試驗發現擴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分析模型，分析了錨桿應力分布規律，研究表明隨著錨固長度的增加，距離拉拔端距離越遠，錨桿桿體所受的軸向應力、界面剪應力越小。王東華[9]對土遺址全長黏結拉力型錨固系統常用類型錨桿的錨固性能進行了對比研究，探究了各類錨桿幾何錨固參數對錨固系統性能的影響規律，闡釋了不同錨固參數的影響機制。孟波等[10]利用通過石英砂、石膏材料模擬巖體，反復加卸載水平圍壓、持續增加豎向軸壓的方法對進行預裂，然后對破裂巖體進行錨固壓縮試驗，最終基于試驗結果，分析破裂圍巖錨固體以及錨桿變形破壞特征。張波等[11]通過室內單軸壓縮試驗，對含交叉裂隙節理巖體錨固效應及破壞模式進行了研究，研究表明錨桿增強了含交叉裂隙節理巖體抵抗裂隙擴展的能力，降低了含交叉裂隙節理巖體劈裂破壞出現的突然性。

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。現有研究卻忽略了地質條件對錨固系統承載能力的影響，錨桿拉拔試驗是檢測錨桿施作質量、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試驗，研究了圍巖堅硬程度對隧道砂漿錨桿拉拔荷載-端頭位移關系。

1 砂漿錨桿模擬方法

1.1 工況設置

錨固系統主要由“三體兩面”構成，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。

本次試驗為探究堅硬程度對隧道砂漿錨桿錨固系統極限拉拔力和端頭極限位移的影響，開展了節理巖體全長粘結型錨桿拉拔室內試驗，具體工況設置如表1所示。

表1 工況設置

TB10003-2016《鐵路隧道設計規范》[12]中根據巖石單軸飽和抗壓強度將圍巖堅硬程度劃分為極硬巖、硬巖、較軟巖、軟巖、極軟巖，根據表1所述工況和TB10003-2016《鐵路隧道設計規范》較軟巖、軟巖、極軟巖的模擬擬采用不同單軸飽和抗壓強度的混凝土(或砂漿)進行模擬，其中較軟巖單軸飽和抗壓強度在15～30MPa范圍內，軟巖單軸飽和抗壓強度在5～15MPa范圍內，極軟巖單軸飽和抗壓強度低于5MPa。巖體完整程度主要受到節理的控制，本文以預制節理的方式，通過控制節理條數模擬完整巖體。

通過拉拔試驗測試系統可以直接獲得不同圍巖堅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。本次室內試驗測試系統如圖1所示。

圖1 錨桿室內拉波試驗測試系統

1.2 節理巖體的模擬

在錨桿室內拉拔試驗中，我們需要選擇合適的模型，根據不同工況對圍巖堅硬程度和巖體完整程度進行模擬，以保證此次試驗的精確性。

在對巖石堅硬程度的模擬中，我們采用單軸飽和抗壓強度試驗，通過對混凝土試塊進行力學參數測試，經壓力測試機確定混凝土制備的混凝土試塊單軸飽和抗壓強度。通過調整粗骨料、細骨料、水泥、水等參數，直至滿足擬定的工況要求。RC具體模擬過程：

(1)用150mm×150mm×150mm的標準模具制備混凝土試塊。

(2)將標準塊放入水浴箱中直至試塊飽和。

(3)通過微機控制電伺服萬能試驗機確定各混凝土試塊單軸飽和抗壓強度。

(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，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理數(JV)控制，當JV<3條/m3時，則判定為完整巖體。根據本文圍巖模擬的圍巖體積，各工況均設置了1條節理，與錨桿垂直。

圖2 完整巖體木質模具制作流程

根據擬定的工況和單軸飽和抗壓強度的模擬結果確定的混凝土材料配合比，用0.8mm厚的鋼片預制單條節理，在節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。木質模具相比于鋼制模具，木質模具有操作簡單，重量輕，易于拆卸，損壞的零件方便替換等優點。故本次試驗節理巖體模具選用木質模具，完整巖體木質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

按錨桿室內試驗擬定的工況，選用PO42.5型水泥、機制砂和水按2.38∶4.56∶0.014∶1質量配合比制備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留直徑為45mm的PVC管作為錨桿—灌漿體組合結構的施作空間(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管預留錨桿-灌漿體組合結構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面裝置上，嚴禁在試驗過程中移動。測力錨桿應變片用導線連接在靜態應變儀之上，對各測點進行編號，試驗之前，千斤頂要有一個預緊的過程，開動油泵，千斤頂向前運動待錨索鎖具完全緊固之后停止加壓，然后對力-位移數據采集系統和應力采集系統分別進行調零操作，實現兩系統的靜態平衡，待準備就緒后，操作空心千斤頂液壓油泵，對錨桿進行穩定加壓。本次試驗在錨桿拉拔過程中，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。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，可進行焊接。

(2)選擇相應的錨具，將錨環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中。

(3)連接手動泵和液壓油缸，順時針旋轉泄壓閥并擰緊，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入測量峰值狀態，再按清零鍵使儀表數值清零，然后進行測量。

(5)勻速下壓手動泵，慢慢加壓，每下壓一次，利用數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，測量完成。

(6)重復步驟(4)、(5)，直至前后3次數顯儀表讀數不再變化。

2 試驗結果分析

根據本文所述的工況試驗結果，統計分析了各工況下，砂漿錨桿的極限拉拔力和端頭極限位移。在圍巖堅硬程度的影響下，隨著圍巖堅硬程度的增加，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。試驗結果詳情如表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上，進一步繪制各工況下錨桿拉拔過程的P—S曲線，不同圍巖堅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 不同圍巖堅硬程度下錨桿拉拔過程中的P-S曲線

綜合分析圍巖堅硬程度對極限拉拔力和極限位移的影響，可以看出，巖體不同堅硬程度對最終巖體破壞形式、破壞形態、極限拉拔力都有影響。在砂漿錨桿拉拔過程中，錨固系統經歷了彈性變形、塑性變形和失效3個階段。由圖6可知，隨著圍巖堅硬程度越高，錨固系統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的殘余強度更高。

3 結論

本文通過不同強度的混凝土和鋼片模擬了不同巖體堅硬程度的圍巖，選用φ22mm螺紋鋼筋和M20型水泥砂漿模擬了錨桿-灌漿體組合結構。以室內試驗為研究手段確定了不同圍巖堅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的變形規律。