錨桿加固散粒體室內模型試驗研究

摘要：錨桿加固在土木工程領域中被廣泛應用，是一種有效的加固方法。散粒體是一種常見的土體類型，其穩定性直接影響工程結構的安全性。通過室內模型試驗，探究錨桿加固對散粒體的加固效果，為工程實踐提供參考依據。首先，詳細分析了散粒體特性與錨桿加固技術。其次，探討了錨桿支護機理與特性研究。然后，設計了錨桿加固散粒體室內模型試驗。最后，通過不同監測點驗證了錨桿加固技術。結果表明，錨桿加固是一種有效的散粒體加固方法，能夠提高其穩定性和承載能力。

關鍵詞：錨桿加固；散粒體；室內模型試驗

錨固技術是應用錨桿對巖土體進行加固的技術手段，對原巖擾動小、施工速度快、安全可靠。周偉等對于錨固聯合支護技術提出了核心觀點：只提高支護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措施，再逐步引入剛性支護措施，達到剛柔相濟、穩定支護的效果［1］。周海娟等以煤礦巷道掘進為工程背景，在實際生產中應用了聯合支護方案，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，取得了顯著的應用成果［2］。馬剛等對比了常規支護、強幫支護以及強幫強角3種錨桿支護在圍巖應力狀態變化方面的規律，發現施加幫部和角部錨桿支護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制認識還不夠深入，施工技術尚不成熟，導致錨固技術在散粒體中的應用研究較少。

1散粒體與錨桿加固技術

1.1錨桿加固技術

錨桿加固技術是一種常用的土木工程加固方法。通過對文獻資料的綜述和分析可以發現，錨桿加固技術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，增強土體的整體穩定性和抗壓能力，從而減小土體的變形和破壞可能性。在實際工程中，錨桿加固技術已經成功應用于巖石體、土體和散粒體等不同類型的地基加固和邊坡防護工程中，取得了良好的效果。同時，隨著施工技術和材料的不斷改進，錨桿加固技術在工程實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支持。

1.2散粒體的特性

散粒體是一種復雜的土體類型，其特性對工程結構的穩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、內部結構不夠緊密的特點，使得其整體穩定性較差。此外，散粒體在承受外部荷載時容易發生松動、沉降等現象，導致工程結構受力不均勻，進而加劇了其穩定性問題。另外，由于散粒體的顆粒大小、形狀以及內部結構會受到多種因素的影響，使得工程對散粒體的加固技術要求相對較高［4］。傳統的加固方法往往難以在散粒體中發揮出良好的作用，需要針對其特殊性進行定制化加固方案的研究與探索。

2錨桿支護設計機理分析

目前錨桿加固機理是研究熱點之一，其中包括懸吊、復合梁和加固拱等方法。錨桿支護一般由桿體、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對淺部巖體進行加固，以控制巖體的離層和滑動。因此，錨桿加固技術可以有效地控制巷道變形，提高其穩定性和安全性［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為錨桿固定抗剪強度；n為錨桿數量；b為錨桿排距；B為巖土支護跨度；μ為巖土摩擦系數；P為錨桿預應力；d為錨桿直徑。

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

錨桿支護是一種有效的技術，它可以調整桿體來改善圍巖內部結構，進而增強圍巖的力量，構成一種穩固的承載圈，與圍巖共同作用，有效地保護巷道的安全，進而大大提高巷道的壽命和安全系數。可見錨固作用增強了巖體的屈服強度，使巖體破壞后仍然具有承載作用［6］。

國內外常用的錨桿支護設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，是錨桿支護常用的設計方法，它以實際經驗、地質條件和提出的設計方法為基礎，結合實際情況進行類比分析，以確定最佳的設計方案，從而達到最佳的錨桿支護效果；（2）理論計算法，這種設計方法是根據實測分析計算圍巖力學參數和錨桿支護理論，確定錨桿支護的設計參數和方案；（3）數值模擬法，由于科技的發展，數值模擬技術已經被應用于錨桿支護設計中，能夠模擬礦山巷道挖掘后支護圍巖的變化、應力和穩定性，從而更多地適應工程建設要求，進一步提高施工效率和質量；（4）信息監測法，一種基于地應力測試的錨桿支護設計方法，通過對地應力進行測試，結合地質力學評估和數值計算模擬等手段，制定出合理的支護設計方案。

3錨桿加固散粒體模型試驗

3.1測試方案

錨固劑采用環氧樹脂、水泥砂漿或植筋膠等黏結材料，通過粘貼應變片測量錨桿變形，此類測試裝置一般存在錨固拉拔結構不可視和拉拔易偏心等問題。錨固拉拔試驗裝置，包括有用于制備并固定半體錨固結構的加載固定裝置即內外置擋板、作為離面位移約束且相互平行的固定裝置即上下擋板。外置擋板為半圓柱狀殼體，內壁高度400 mm、內徑250 mm、厚度120 mm，試驗前可于其中填入制備錨固基體的所需材料并養護獲取半體錨固結構試件，上端部通過螺桿與萬能試驗機連接緊固，下端部預置半圓孔、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機夾頭夾緊，錨桿伸出半圓柱狀殼體長度為150 mm，萬能試驗機夾頭夾持錨桿長度≥50 mm。拉拔過程中的監測設備可放置在半體錨固結構的正對面，可直接觀察錨桿拉拔試驗中錨固結構表面變形場的演化過程。

3.2基體制作

現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，且大尺寸巖石運輸過程中更易發生損壞和改性，因此以弱膠結粉砂巖為相似材料配比對象。類巖石材料需滿足性質上與弱膠結巖石相近、力學性能穩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）混合物倒入預先放置在振動臺上的內徑為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行消除氣泡處理，待水泥混合物中無微小氣泡溢出后結束振動，在模型中預埋錨桿PVC管，并預留添加錨固劑孔道，在24 h澆筑完成后，取出錨桿PVC管；（3）將錨桿放入預留孔道中，注入錨固劑，等待48 h錨固劑凝結，并打磨箱形模塊。

4試驗結果分析

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個測區對應的豎向應變演化曲線，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律。分析圖可以發現，當拉拔力lt;16.3 kN時，8個對應測區的錨桿拉拔力軸向應變曲線呈線性趨勢升高，其中C-H測區對應的應變值≤0.01×10-3；當拉拔力達到16.3 kN時，拉拔力已經傳遞到H測區所在位置（距離錨固起始端355 mm），各測區拉拔力應變曲線出現第一次轉折，整體變形處于加速階段。

5結論

通過室內模型試驗揭示了錨桿加固對散粒體的重要意義，為相關工程領域提供了有益的參考和借鑒。未來可進一步拓展研究，探討更多加固方案的效果和機制，為散粒體結構的設計和施工提供更為科學可靠的依據。

參考文獻：

［1］周偉，郭師心，熊磊，等.散粒體中的錨桿加固效應規律及作用機理分析［J］.武漢大學學報（工學版），2017，50（5）：648656.

［2］周海娟，周偉，常曉林，等.動力荷載下散粒體的錨桿加固效應［J］.武漢大學學報（工學版），2016，49（6）：818823，848.

［3］馬剛，周偉，常曉林，等.錨桿加固散粒體的作用機制研究［J］.巖石力學與工程學報，2010，29（8）：15771584.

［4］王川宇，張勤羽，王笑.錨桿靜壓樁聯合截樁法在糾偏加固中的應用［J］.土工基礎，2024，38（2）：169173.

［5］傅吉續，秦浩.大直徑錨桿靜壓鋼管樁在軟土地基建筑加固糾偏中的應用研究［J］.磚瓦，2024（4）：140142.

［6］郝艷廣，徐建升，明道貴，等.錨桿加固作用下橢圓形深埋隧洞承載力分析［J］.山東大學學報（工學版），2024，54（1）：131140.