压力型锚杆锚固界面蠕变特性试验

渠红霞, 袁超, 张宗堂

(1. 湖南科技大学 土木工程学院, 湖南 湘潭, 411201; 2. 长沙马克菲尔新型支档科技开发公司, 湖南 长沙, 410000)

压力型锚杆锚固界面蠕变特性试验

渠红霞1, 袁超2, 张宗堂1

(1. 湖南科技大学 土木工程学院, 湖南 湘潭, 411201; 2. 长沙马克菲尔新型支档科技开发公司, 湖南 长沙, 410000)

在室内进行了自制压力型锚固试件的锚固界面拉拔蠕变试验, 用应变仪测得了试件锚固段上各监测点的实时应变, 给出了锚固界面蠕变曲线及各监测位置的等时荷载—应变曲线。对曲线特征分析得到: 同一监测点位置应力越大, 应变越大, 且应变随时间的增长逐渐增大; 加载过程中锚固系统经历黏弹、黏塑和黏脱阶段后, 最终沿锚固界面发生剪切拉拔破坏。

锚固界面; 蠕变; 试验

迄今, 锚固技术作为一种岩土加固技术, 已广泛应用到各大工程建设中, 因其加固效果明显、经济效益显著, 已成为解决岩土工程稳定性问题最有效的方法之一。已有的研究表明, 锚固界面的力学特性对锚固工程长期稳定性和安全性至关重要。关于锚固系统锚固界面力学特性, 国内外学者曾做过大量试验研究。关于锚杆与注浆体界面即第一界面剪应力和注浆体与岩土界面即第二界面剪应力的变化规律,不少学者得到了一些公认的定性结论。叶根飞等[1]通过对煤层及砂浆锚杆(索)拉拔试验得到的荷载位移全过程曲线分析, 得到拉拔过程中2个界面的破坏过程, 并利用声发射技术对砂浆中界面破坏过程进行了系统分析; 推导了椎体黏结破坏模式中锚固系统极限拉拔力, 并与理论值进行了对比分析。苪瑞等[2]对锚杆进行了现场拉拔试验, 用预埋自制应变砖测得靠近孔壁的注浆体界面的切向剪应力, 来表示锚固界面黏结力分布, 并分析了轴向和切向剪应力分布规律。赵同彬等[3]进行了室内锚固系统拉拔蠕变试验, 试验中用不同等级强度混凝土等效岩土体, 并选取树脂、砂浆等作为黏结材料, 获得了全长黏结型轴力及2个界面的剪应力沿轴向的分布和随时间的变化规律。伍国军等[4–5]对注浆体与岩石界面进行了直剪流变试验和模型研究。张振普、韦四江等[6–7]对广义锚固体蠕变特性进行了试验研究。许宏发等[8]做了2根土层灌浆锚杆的蠕变试验, 获得了在不同拉拔力下锚杆位移随时间的变化, 同时引入损伤力学的概念, 建立了锚杆抗拔的Burgers体流变力学模型[9]。锚杆发挥作用在围岩体上是依靠锚固界面来完成的, 整个锚固系统中, 锚固界面是锚固系统中的相对薄弱环节, 锚固界面的强弱决定了锚固系统的强弱。因此, 通过锚固界面蠕变试验来分析不同荷载下其界面的力学特性, 诸如不同荷载下应变分布规律、锚杆轴力、锚杆与注浆体界面剪力、注浆体和被加固体界面应力变化规律等, 对了解锚固界面的强弱是非常重要的[10]。

作者在剪切流变理论基础上进行了室内锚固系统拉拔蠕变试验, 分析了锚固界面在不同荷载作用下应力、应变分布形式, 绘制了锚固界面蠕变曲线及各监测位置的等时荷载—应变曲线, 分析了锚固界面上不同位置的蠕变变化趋势, 探讨了锚固界面黏弹塑性的变化过程及传递机理。

1　试件制备及测点布置

室内试验装置以RYL-600型微机控制三轴流变试验机为基础, 通过改变原有的连接部件等技术措施, 来实现锚固系统蠕变拉拔试验。锚固试件由基体、锚杆、黏结材料 3部分组成。其中基体采用混凝土材料制作, 混凝土强度为C30, 其设计配合比按规范为m水∶m水泥∶m砂∶m碎石= 220∶449∶615∶1 116。锚杆选用直径为18 mm的四级螺纹钢, 杆体长度为550 mm。灌浆材料选用M20的砂浆, 砂浆配合比为m水∶m水泥∶m砂= 0.60∶1.00∶5.27。试件制备完成后, 放入恒温、恒湿室内养护28 d。

制备的锚固试件如图1所示, 其基体为直径D = 200 mm、长度H = 450 mm的圆柱体, 灌浆体设计制作成长为200 mm的圆柱体。与基体相接触的灌浆体一侧布置 7个监测点, 同时在监测点上铺设应变片采集数据, 再用采集的数据分析锚固界面在不同荷载下及不同监测位置的蠕变特性。监测点1、2、3、4、5、6、7分别布置在距离锚固端头10、40、70、100、130、160、190 mm处位置。

图1　锚固系统示意图

2　结果与分析

用锚固体上布置的 7个监测点的应变片采集的数据, 分析锚固界面在不同荷载下和不同监测位置的蠕变特性, 绘制的锚固界面蠕变曲线和等时荷载—应变曲线如图2、3所示。

试验过程中通过在锚固体不同位置布置监测点, 实时监测该点的应变, 然后对所获数据进行分析。在锚杆上施加恒定拉拔力分别为20、40、50、60、70、80 kN, 每级荷载稳定时间为24 h左右, 总共历时122.57 h, 最终锚固系统失效破坏。

从图2可知, 同一监测点位置应力越大, 应变越大, 且应变随时间增长逐渐增大。从图3可知, 随时间的增长, 应变逐渐增大, 而沿剪切面方向的应变逐渐降低。

图2　试件在同一级荷载下各监测点的蠕变曲线

图3　试件同一监测点处在不同荷载下的蠕变曲线

通过进一步整理试件的蠕变试验数据得到各监测点位置的等时荷载—应变曲线如图4所示。

图4　试件同一监测点下的等时荷载—应变曲线

由图4可见, 各等时曲线的形态表现相近, 曲线上存在一个明显的转折点。当荷载增加到一定程度时, 曲线表现出向纵轴偏移的趋势, 特别是荷载大于70 kN时趋势更加明显, 拐点前后等时曲线的斜率发生明显变化。当荷载超过该拐点对应的荷载水平时, 等时曲线明显靠近纵轴, 锚固界面出现了软化现象。因此, 可以认为该拐点对应的荷载水平为该试件锚固界面的屈服荷载; 当荷载小于该屈服荷载时,界面可以认为为黏弹性状态; 当超过该屈服强度时, 进入黏弹塑性状态。其原因主要是由于靠近锚固端口位置的屈服荷载较小, 锚固界面很快发展为黏弹塑性状态, 界面黏结应力达到极限, 黏结失效, 该位置出现脱黏现象; 而远离锚固端口的位置, 由于屈服荷载较大, 前期应变发展较慢, 当荷载达到该点的屈服荷载时, 加之锚固端口出现黏结失效, 整个锚固界面的黏滞阻力迅速降低, 无法承担过大剪应力,故应变急剧增大, 软化加剧, 黏结迅速失效, 试件破坏。

3　结论

在室内进行了锚固试件的拉拔蠕变试验, 通过对监测数据的分析, 得到了试件的蠕变特性。

(1) 锚固界面的蠕变曲线表明: 同一监测点位置应力越大, 应变越大, 且应变随时间变化逐渐增大;在同一应力水平时, 应变随时间增长而增加, 但是沿剪切面方向的应变逐渐降低。

(2) 在各监测点位置的等时荷载—应变曲线上存在一个明显的转折点, 且各监测点位置的曲线表现出了差异性。越靠近锚固段端口, 拐点对应的荷载越小, 越远离锚固段端口, 拐点对应的荷载越大。

(3) 锚固系统经历黏弹阶段、黏塑阶段、黏脱阶段后, 最终沿锚固界面发生剪切拉拔破坏。

[1] 叶根飞. 岩土锚固荷载传递规律与锚固特性试验研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2012.

[2] 苪瑞, 夏元友, 顾金才, 等. 压力分散性锚索锚固段受力特性试验分析[J]. 岩土工程学报, 2012, 34(5): 917–923.

[3] 赵同斌, 谭云亮. 岩体锚固理论与技术研究的进展[J]. 山东科技大学学报(自然科学版), 2010, 29(4): 1–7.

[4] 伍国军, 陈卫忠, 贾善坡, 等. 岩石锚固界面剪切流变试验及模型研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(3): 520–527.

[5] 伍国军, 褚以惇, 陈卫忠, 等. 地下工程锚固界面力学模型及其时效性研究[J]. 岩土力学, 2011, 32(1): 237–243.

[6] 张振普, 勾攀峰, 韦四江, 等. 锚固体蠕变特性试验研究[J]. 铁道建筑, 2009(4): 126–129.

[7] 韦四江, 马建宏, 孙光中. 软岩巷道锚固体蠕变特性研究[J]. 河南理工大学学报(自然科学版), 2008, 27(5): 524–528.

[8] 许宏发, 孙远, 陈应才. 土层锚杆蠕变试验研究[J]. 工程勘察, 2006(9): 6–8, 53.

[9] 许宏发, 卢红标, 钱七虎. 土层灌浆锚杆的蠕变损伤特性研究[J]. 岩土工程学报, 2002, 24(1): 61–63.

[10] 尤春安. 锚固系统应力传递机理理论及应用研究[D]. 泰安: 山东科技大学, 2004.

(责任编校: 江河)

Experimental study on mechanical properties of press anchors’ rod anchor interface

Qu Hongxia1, Yuan Chao2, Zhang Zongtang1
(1. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2. Mark Phil Company of the New Retaining Technology in Changsha, Changsha 410000, China)

In the drawing creep test of anchorage interface of sample, the the real-time strain of the monitoring is measured on the anchoring of the pressure anchorage by strain gauge, and the creep curve of the anchorage interface and the curve of load-strain is put forward at same time. The results are as follows: the bigger stress, the bigger strain of the same monitoring, and the strain increases with time gradually; the anchorage system undergo the visco-elastic, sticky plastic and debonding stages in the process of loading, eventually it occurs along the anchoring interface.

the anchoring interface; creep; test

TU 45

1672–6146(2016)02–0046–04

10.3969/j.issn.1672–6146.2016.02.011

渠红霞, 1070173703@qq.com。

2016–01–05

湖南科技大学研究生创新基金资助项目(S140005)。