围岩坚硬程度影响下隧道砂浆锚杆拉拔试验

付 锐， 毛宗娇, 张卓涵， 熊 颖

(西南交通大学，四川成都610031)

锚固技术在边坡加固、基坑支护以及公路交通等工程中得到了广泛应用[1]，全长粘结型锚杆作为地下工程中最为常用的支护手段之一，其承载特性、受力特征成为了国内外学者的研究重点。

目前锚固体系研究方向主要包括锚固系统力学传递机制[2]、岩体加固理论[3-4]、围岩稳定性分析[5]。郭钢等[6-7]通过模型试验发现扩体锚杆较普通锚杆在极限承载力、承载比与安全性等方面均有大幅度提高，通过增大扩体锚固段直径可显著提高抗拔承载力。同时，为探究锚固长度对锚固能力的影响，王洪涛等[8]建立了不同锚固长度下巷道力学分析模型，分析了锚杆应力分布规律，研究表明随着锚固长度的增加，距离拉拔端距离越远，锚杆杆体所受的轴向应力、界面剪应力越小。王东华[9]对土遗址全长黏结拉力型锚固系统常用类型锚杆的锚固性能进行了对比研究，探究了各类锚杆几何锚固参数对锚固系统性能的影响规律，阐释了不同锚固参数的影响机制。孟波等[10]利用通过石英砂、石膏材料模拟岩体，反复加卸载水平围压、持续增加竖向轴压的方法对进行预裂，然后对破裂岩体进行锚固压缩试验，最终基于试验结果，分析破裂围岩锚固体以及锚杆变形破坏特征。张波等[11]通过室内单轴压缩试验，对含交叉裂隙节理岩体锚固效应及破坏模式进行了研究，研究表明锚杆增强了含交叉裂隙节理岩体抵抗裂隙扩展的能力，降低了含交叉裂隙节理岩体劈裂破坏出现的突然性。

以上研究表明，锚杆承载能力受杆体形状、杆体直径、锚固长度等因素影响较大。现有研究却忽略了地质条件对锚固系统承载能力的影响，锚杆拉拔试验是检测锚杆施作质量、分析其工作原理的重要手段。有鉴于此，本文开展了锚杆拉拔室内试验，研究了围岩坚硬程度对隧道砂浆锚杆拉拔荷载-端头位移关系。

1 砂浆锚杆模拟方法

1.1 工况设置

锚固系统主要由“三体两面”构成，其中“三体”指围岩体、灌浆体、锚杆杆体；“两面”指围岩体—灌浆体界面和灌浆体—锚杆杆体界面。

本次试验为探究坚硬程度对隧道砂浆锚杆锚固系统极限拉拔力和端头极限位移的影响，开展了节理岩体全长粘结型锚杆拉拔室内试验，具体工况设置如表1所示。

表1 工况设置

TB10003-2016《铁路隧道设计规范》[12]中根据岩石单轴饱和抗压强度将围岩坚硬程度划分为极硬岩、硬岩、较软岩、软岩、极软岩，根据表1所述工况和TB10003-2016《铁路隧道设计规范》较软岩、软岩、极软岩的模拟拟采用不同单轴饱和抗压强度的混凝土(或砂浆)进行模拟，其中较软岩单轴饱和抗压强度在15～30MPa范围内，软岩单轴饱和抗压强度在5～15MPa范围内，极软岩单轴饱和抗压强度低于5MPa。岩体完整程度主要受到节理的控制，本文以预制节理的方式，通过控制节理条数模拟完整岩体。

通过拉拔试验测试系统可以直接获得不同围岩坚硬程度下锚杆的极限拉拔力。通过记录组合体破坏时的端头位移，直接确定锚杆破坏时的极限位移。本次室内试验测试系统如图1所示。

图1 锚杆室内拉波试验测试系统

1.2 节理岩体的模拟

在锚杆室内拉拔试验中，我们需要选择合适的模型，根据不同工况对围岩坚硬程度和岩体完整程度进行模拟，以保证此次试验的精确性。

在对岩石坚硬程度的模拟中，我们采用单轴饱和抗压强度试验，通过对混凝土试块进行力学参数测试，经压力测试机确定混凝土制备的混凝土试块单轴饱和抗压强度。通过调整粗骨料、细骨料、水泥、水等参数，直至满足拟定的工况要求。RC具体模拟过程：

(1)用150mm×150mm×150mm的标准模具制备混凝土试块。

(2)将标准块放入水浴箱中直至试块饱和。

(3)通过微机控制电伺服万能试验机确定各混凝土试块单轴饱和抗压强度。

(4)选取满足工况要求的试件，记录配合比。

材料配合比具体如表2所示。

表2 混凝土(或砂浆)材料配合比

考虑拉拔过程的边界效应，制备长×宽×高=100cm×20cm×20cm的“岩体”。岩体完整程度主要受到岩体体积节理数(JV)控制，当JV<3条/m3时，则判定为完整岩体。根据本文围岩模拟的围岩体积，各工况均设置了1条节理，与锚杆垂直。

图2 完整岩体木质模具制作流程

根据拟定的工况和单轴饱和抗压强度的模拟结果确定的混凝土材料配合比，用0.8mm厚的钢片预制单条节理，在节理交接处采用半搭接式连接，并用定位卡槽固定，待混凝土初凝后将钢片拔出。木质模具相比于钢制模具，木质模具有操作简单，重量轻，易于拆卸，损坏的零件方便替换等优点。故本次试验节理岩体模具选用木质模具，完整岩体木质模具制作流程详情如图2所示。完整岩体模具制作成品如图3所示。

图3 完整岩体模具

1.3 锚杆-灌浆体模拟

按锚杆室内试验拟定的工况，选用PO42.5型水泥、机制砂和水按2.38∶4.56∶0.014∶1质量配合比制备M20型水泥砂浆模拟灌浆体，锚杆杆体选用φ22mm螺纹钢筋。在混凝土试块浇筑前沿中轴线分别预留直径为45mm的PVC管作为锚杆—灌浆体组合结构的施作空间(图4)。

图4 普通砂浆锚杆(单位：mm)

锚杆-灌浆体施作过程主要包括，PVC管预留锚杆-灌浆体组合结构的施作空间和灌浆体浇筑2个步骤。锚杆-灌浆体施作如图5所示。

图5 PVC管施作过程

1.4 锚杆拉拔

利用空心千斤顶施加拉拔力。安装时保证空心千斤顶、锚头锁具和百分表中心对齐，中心保持在同一高度，位移传感器固定在侧面装置上，严禁在试验过程中移动。测力锚杆应变片用导线连接在静态应变仪之上，对各测点进行编号，试验之前，千斤顶要有一个预紧的过程，开动油泵，千斤顶向前运动待锚索锁具完全紧固之后停止加压，然后对力-位移数据采集系统和应力采集系统分别进行调零操作，实现两系统的静态平衡，待准备就绪后，操作空心千斤顶液压油泵，对锚杆进行稳定加压。本次试验在锚杆拉拔过程中，以8.8kN为梯度逐级加载的方式对砂浆锚杆施加拉拔力，每次加载后记录拉拔力和端头百分表读数。锚杆拉拔模拟过程中，具体操作过程：

(1)将液压油缸穿过钢筋，钢筋必须穿过油缸并露出5cm以上，如果钢筋长度不够，可进行焊接。

(2)选择相应的锚具，将锚环穿过钢筋并平放在钢筋上方，再将夹片夹住钢筋并放入锚环中。

(3)连接手动泵和液压油缸，顺时针旋转泄压阀并拧紧，连接并打开仪表。

(4)慢慢下压手动泵，使油缸慢慢收紧，直到锚具慢慢夹住钢筋，此时仪器按峰值键使仪表进入测量峰值状态，再按清零键使仪表数值清零，然后进行测量。

(5)匀速下压手动泵，慢慢加压，每下压一次，利用数显仪表保存键保存压力值，并记录，同时读取自制的百分表读数，测量完成。

(6)重复步骤(4)、(5)，直至前后3次数显仪表读数不再变化。

2 试验结果分析

根据本文所述的工况试验结果，统计分析了各工况下，砂浆锚杆的极限拉拔力和端头极限位移。在围岩坚硬程度的影响下，随着围岩坚硬程度的增加，水泥砂浆锚杆的极限拉拔力和端头极限位移逐渐增加，极软岩和较软岩的极限拉拔力相差了174.53kN，端头极限位移相差了0.98mm。工况1的极限拉拔力为180.4kN，端头极限位移为5.87mm；工况2的极限拉拔力为140.8kN，端头极限位移为5.51mm；工况3的极限拉拔力为44kN，端头极限位移为4.89mm。试验结果详情如表3所示。

表3 锚杆极限拉拔力、端头极限位移汇总

在锚杆极限拉拔力和端头极限位移分析的基础上，进一步绘制各工况下锚杆拉拔过程的P—S曲线，不同围岩坚硬程度下隧道砂浆锚杆拉拔过程中的P—S曲线如图6所示。

图6 不同围岩坚硬程度下锚杆拉拔过程中的P-S曲线

综合分析围岩坚硬程度对极限拉拔力和极限位移的影响，可以看出，岩体不同坚硬程度对最终岩体破坏形式、破坏形态、极限拉拔力都有影响。在砂浆锚杆拉拔过程中，锚固系统经历了弹性变形、塑性变形和失效3个阶段。由图6可知，随着围岩坚硬程度越高，锚固系统在弹性变形阶段曲线斜率越大，在塑性变形阶段围岩的塑性变形越缓慢，在失效阶段锚固系统的残余强度更高。

3 结论

本文通过不同强度的混凝土和钢片模拟了不同岩体坚硬程度的围岩，选用φ22mm螺纹钢筋和M20型水泥砂浆模拟了锚杆-灌浆体组合结构。以室内试验为研究手段确定了不同围岩坚硬程度影响下砂浆锚杆的极限拉拔力和极限位移，以及拉拔过程中的锚固系统的变形规律。