压力型锚杆锚固界面力学特性试验研究

贺阳辉++苏杭

摘 要：锚固系统宏观上是由岩土体、黏结材料和锚杆杆体三种介质组成。锚杆和岩土体之间通过它们之间的接触界面完成相互作用。通过开展室内剪切蠕变试验，并且考虑锚固界面的蠕变特性对锚固系统的影响和作用，得出界面应变随时间、荷载大小和锚杆长度的变化规律，分析锚固界面的蠕变特性并讨论杆长方向分布的界面应力随时间的变化规律。试验分析的结果表明，试验件分级蠕变量与加载阶段密切相关。低应力水平阶段，荷载恒定前期锚固体的蠕变变形量较大，后期蠕变量较小，呈现衰减蠕变趋势；高应力水平阶段试件蠕变特性较大，并在破坏前期出现速率短暂急速增大过程。

关键词：锚固界面；蠕变；剪切蠕变试验；锚固系统

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

1 引言

锚固技术作，已成为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。锚杆与注浆体界面即第一界面剪应力，注浆体和岩土界面即第二界面剪应力的变化规律，不少学者也得到一些公认的定性结论。苪瑞[1]等进行了现场拉拔试验，通过预埋自制的应变砖测得靠近孔壁的注浆体界面的切向剪应力，来表示锚固界面粘结力分布，并分析了轴向和切向剪应力分布规律。赵同彬[3]等进行室内锚固系统拉拔蠕变试验，选取不同等级强度混凝土为等效岩土体，并选取树脂、砂浆等作为黏结材料，获得全长黏结型轴力、两个界面的剪应力沿轴向方向的分布规律和随时间的变化规律。总而言之，锚杆发挥作用在围岩体上是依靠锚固界面来完成的，而对于整个锚固系统，锚固界面是锚固系统中的薄弱环节，据有效统计，锚固系统的破坏70%是发生在界面上的，因此锚固界面特性强弱决定了锚固系统的强弱。

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，因此锚固界面的强弱决定了锚固系统的强弱。如何通过锚固界面剪切蠕变试验来分析不同荷载下锚固界面的力学特性，诸如不同荷载下应变分布规律，以及锚杆轴力，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显得尤为重要[4]。本文在前人剪切流变理论基础上进行室内锚固系统拉拔蠕变试验，分析锚固界面在不同荷载作用下应力应变分布形式及随时间变化形式，并探究蠕变对锚固界面应力传递的影响。

2 锚固界面蠕变试验研究

2.1 试件制备

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。本文共制得4个压力型锚固试件，其中编号为SJ-1和SJ-2的锚固试件为全长粘结型试件，编号为SJ-3和SJ-4的锚固试件为半长粘结型试件。锚固试件由基体、锚杆、黏结材料三部分组成。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水：水泥：砂：碎石=220：449：615：1116。锚杆选用直径为16mm的四级螺纹钢，杆体长度为550mm。灌浆材料选用M20的砂浆，砂浆配合比为水：水泥：砂=0.6：1：5.27。试件制备完毕，放入恒温恒湿室养护28天。锚固试件力学模型如下：

2.2 加载方式

根据锚杆试验的规定，锚杆拉拔的加载采用分级加载法[5]，本文采用分级加载法中的单体分级增量加载方式，此法既简单又经济。根据常规拉拔试验所得荷载结果推知此种由C30基体和M20灌浆体组成的锚固系统极限拉拔荷载在90KN左右。具体加载方案如表1如下：

2.3 试验结果分析

在对自制压力型锚固系统试件SJ-1，SJ-2，SJ-3，SJ-4进行拉拔试验过程中，分别历时大约287、243、190、243个小时，最终锚固试件破坏。如图2所示SJ-1，SJ-3锚固系统分别在80kN，80kN的恒定荷载下，历时大约2， 2个小时后出现蠕变破坏。破坏部位为试件基体和灌浆体的接触界面，破坏现象基本包括沿基体粘结面开裂，裂缝几乎贯穿整个界面，灌浆体下部局部被压坏；灌浆体上移一小段距离等。其中SJ-2，SJ-4也是在80kN，80kN的恒定荷载下破坏。如图所示SJ-1，SJ-3位移——时间曲线，可知加载瞬间，锚固界面会产生很大的瞬时变形，几乎占试验过程位移的80%左右。

锚固系统在分级荷载作用下应力分布规律，注浆体和被加固体界面应变变化规律如图3所示：

由图3曲线可知，本文采用的是有代表性和较为完整的监测点进行了试验的分析。其中包括全长粘结性试件SJ-1第二锚固界面上中间位置的监测点1-4及离端口最远的监测点1-12， SJ-2第二锚固界面上离端口最远的监测点1-12；半长粘结性试件SJ-3第二锚固界面上离端口最近的监测点1-1，SJ-4第二锚固界面上中间偏下部位的监测点1-4和1-6。通过分析第二锚固界面上布置的监测点对第二锚固界面上的应变影响，并且进行实时的测定，最后得出监测点1-1最靠近端口，在该处锚杆的应变最大，沿着杆长向端尾，锚杆的应变逐渐衰减，在端尾达到最小值。监测点1-1在荷载施加的一瞬间产生较大的变形，荷载恒定后，随着时间的增长监测点1-1表现出了剪切蠕变特性，即应力不变的情况下，应变随时间连续增长，但是应变的速率较小。当荷载在25 kN等较低应力水平以下时，应变随时间增长也不大，即达到第二锚固界面的长期强度[6]后的衰减蠕变阶段；当荷载在一个中等应力水平下，瞬时变形后锚固界面表现蠕变特征不是很明显，其变化的速率趋于一恒定的值；当荷载达到75 kN或80kN这样的高应力水平以上时，锚固界面便开始失效，失效前期速率变化有一个急增过程直到试件破坏。同理监测点1-4，1-6靠近中部偏下的位置，在低應力水平时也表现出了衰减蠕变阶段，以及在较高应力水平时的稳定蠕变阶段，界面的剪切效应是由端口向端尾传递发展的，即端口发展快，端尾发展慢，故1-12监测点未能表现出这样明显的蠕变阶段中的前两个蠕变阶段。因此当端尾附近的监测点快要达到极限时，此时端口附近的监测点已经破坏，此时锚固系统已经失效。endprint

3 结论

本文通过进行室内剪切流变试验，基于试验数据的分析，就全长粘结性锚固体与半长粘结性锚固体的注浆体和岩土界面（第二界面）剪切蠕变特性的分析结果，得出其流变特性发展趋势结论如下：

（1）试验件分级蠕变量与加载阶段密切相关。低应力水平阶段，荷载恒定前期锚固体的蠕变变形量较大，后期蠕变量较小，呈现衰减蠕变趋势；高应力水平阶段试件蠕变特性较大，并在破坏前期出现速率短暂急速增大过程。

（2）锚固体蠕变试验得出的破坏强度值明显低于常规拉拔试验，就本文所提锚固体其长期强度与短期加载瞬时强度相比，降低约10%～20%。

（3）在不同恒定加载水平下，通过对不同锚固端上的蠕变曲线的分析，锚固体界面蠕变经历粘弹、粘塑、粘脱三个蠕变阶段。

参考文献：

[1]苪瑞，夏元友，顾金才，陈泽松.压力分散性锚索锚固段受力特性分析[J].岩石力学与工程学报，2012，34（05）：917-923.

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

[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（04）：1-7.

[4]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.

[5]刘保国，崔少东.泥岩蠕变损伤试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29（10）：2127-2133.

[6]孫钧.岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展[J].岩石力学与工程学报，2007，26（06）：1018-1106.

[7]贺建清，陈清，陈秋南.压力型与拉力型锚杆工作性状的室内足尺模型对比试验研究[J].水文地质工程质，2013，40（04）：50-54.

[8]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.

[9]卢黎，张永兴，吴曙光.等压力型锚杆锚固段的应力分析规律研究[J].岩土力学，2008，29（06）：1517-1520.

基金项目：湖南省研究生创新基金资助项目（CX2015B493）

作者简介：贺阳辉，男，硕士，研究方向：页岩储层评价。endprint