基于抗爆模型試驗的錨桿破壞形式及破壞機制研究

基于抗爆模型試驗的錨桿破壞形式及破壞機制研究

1動載作用下錨桿支護技術(shù)設(shè)計在巖體中的各種隧道、隧道和地下結(jié)構(gòu)可能會起各種作用。例如，大型地下隧道工程通常會發(fā)生爆炸和挖掘，這通常會威脅到一定程度上地下工程的安全和穩(wěn)定。另外,在國防方面,地下指揮所、防空洞、地下彈藥庫等地下洞室成為國防建設(shè)的重要組成部分,它們有可能受到敵人炸彈攻擊。因此,能否有效控制地下洞室在爆破或爆炸荷載作用下發(fā)生的變形破壞,保持地下洞室的穩(wěn)定,防止地下洞室出現(xiàn)坍塌等事故己成為地下工程中亟待解決的難題。在現(xiàn)代國防工程中,錨桿加固技術(shù)是確?？拥乐泄ぷ魅藛T安全、防止坑道巖層坍塌的重要技術(shù)手段之一。目前,許多國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)通過試驗、數(shù)值及理論分析方法對靜態(tài)下的錨桿支護技術(shù)做了比較系統(tǒng)的研究,其成果廣泛應(yīng)用于巖土工程中。在動載作用方面,國內(nèi)學(xué)者楊蘇杭等[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]已經(jīng)對錨固洞室在動載作用下的抗爆性能、加固機制及錨桿動態(tài)響應(yīng)作了一定的研究,并取得了豐碩成果;同時,國外學(xué)者W.D.Ortlepp等[14,15,16,17,18,19]也在積極探索,并設(shè)計出新型的抗爆錨桿,但鮮見對錨桿的破壞形式進(jìn)行比較系統(tǒng)的模型試驗研究。本文采用總參工程兵科研三所巖土與結(jié)構(gòu)工程重點實驗室的抗爆模型試驗裝置,通過利用小藥量模型試驗方法,研究在頂爆作用下錨桿的破壞形式和破壞機制,為工程實踐提供參考。2試驗總結(jié)2.1試驗?zāi)Ｐ偷慕榱耸鼓M更具有代表性,模型試驗按一般工程條件考慮,而不是針對某一具體工程進(jìn)行。本次試驗?zāi)Ｐ湍M的圍巖是III類均質(zhì)圍巖,其中III類圍巖參數(shù)、模型材料的物理力學(xué)參數(shù)及選取與王光勇等研究中的一樣。被模擬的原型條件假設(shè)與楊自友研究中的假設(shè)相同。試驗中的相似條件是按藥量的立方根比尺和弗魯?shù)?Froude)比尺作綜合考慮確定的。其中3個關(guān)鍵相似比尺取值為:密度比尺Kuf072=0.67,應(yīng)力比尺Kuf073=0.06,幾何比尺KL=0.09。實際工程中使用錨桿為uf06618mm螺紋鋼筋,在試驗中采用uf0661.84mm的鋁棒來模擬。模型試驗中采用砂、水泥、水以及速凝劑材料,其配比為m砂∶m水泥∶m水∶m速凝劑=15∶1∶1.6∶0.0166。2.2無反射邊界試驗本次試驗的抗爆模型試驗裝置是由4個可以移動的側(cè)限裝置組成(見圖1)。為模擬爆炸模型試驗所需的固定和無反射邊界條件(模擬現(xiàn)場試驗時的無窮邊界),在每個裝置的迎爆面上設(shè)置了含孔率達(dá)50%的鋁制消波板,達(dá)到消除爆炸波在側(cè)面的反射效果。試驗所建模型尺寸為2.4m×1.5m×2.3m(長×寬×高),沿著模型的長度方向開挖跨度60cm、高42cm、圓拱半徑為35cm的直墻圓拱形孔洞(見圖2)。3整體分布的破壞為了得到洞室的破壞情況,在試驗中加足夠量的炸藥,把拱頂徹底炸穿。圖3為錨桿動態(tài)破壞形態(tài),從圖中可以發(fā)現(xiàn)錨桿有以下幾種破壞形式:(1)錨桿被壓彎并螺帽沒脫落;(2)錨桿被剪斷;(3)錨桿被壓彎和拉斷并螺帽脫落;(4)錨桿的墊板被翻轉(zhuǎn)。同時還發(fā)現(xiàn)洞室破壞后的脫落部分是整體脫落,主要在拱的部位,這說明錨桿能夠起到錨固作用,使整個加固部位形成一個整體。把錨桿的4種破壞形式的分布情況繪制在洞室的展開圖上(見圖4),由圖4可知:在爆點正下方附近,即受爆炸應(yīng)力波作用最激烈的地方,巖體整體脫落,在脫落的巖體里錨桿主要是被壓彎,螺帽沒脫落,同時錨桿墊板沒有脫落;離拱頂稍遠(yuǎn)拱腰處可以發(fā)現(xiàn)許多錨桿被剪斷,再向外沿伸錨桿主要發(fā)生壓彎并螺帽脫落將錨桿拉斷;在外圍擴充與沒有發(fā)生破壞相撞的部位,此處有少量錨桿發(fā)生墊板翻轉(zhuǎn)。產(chǎn)生這種破壞現(xiàn)象的原因是在爆炸的正下方的圓形范圍受的壓應(yīng)力波作用最強烈,在此范圍內(nèi)錨桿是受到壓應(yīng)力波的近似垂直作用,并且由于錨桿的加固作用,產(chǎn)生了整體脫落,故錨桿只被壓彎并螺帽沒脫落。隨著距爆心的距離越大,爆炸應(yīng)力波的強度越來越小,貫穿剪切裂縫逐漸向拱腳延伸(見圖5),當(dāng)貫穿裂縫穿過不接近螺帽桿體時,該部分錨桿的桿體被剪斷,當(dāng)貫穿裂縫快延伸到洞室表面(在拱腳附近),由于墊板處受拉能力弱,導(dǎo)致錨桿被壓彎并且在墊板處拉斷,更遠(yuǎn)處由于強度更小,此處的錨桿部分漿體脫落,并且沒有在墊板處拉斷,墊板只發(fā)生了彎曲,在破壞與沒有破壞的相接處錨桿漿體脫落更少,并且墊板沒有脫落。4在使用服務(wù)錨桿使用后,錨桿的抗剪強度可以提高通過前面的洞室破壞試驗,發(fā)現(xiàn)錨桿主要有4種破壞形式。根據(jù)節(jié)3所描述的錨桿的4種破壞形式,提出以下幾種改進(jìn)措施:(1)由于錨桿會發(fā)生剪斷破壞,所以可以把桿體設(shè)計成中空桿體,該桿體不像普通錨桿直接把一根鋼筋作為桿體,而是在用同等鋼材的基礎(chǔ)上做成圓管形,里面空的地方可以用漿體灌滿,即使用相等量的鋼筋,而桿體的抗剪強度明顯提高。(2)由于在試驗中發(fā)現(xiàn)有些錨桿總在螺帽處發(fā)生拉斷,這是由于在墊板處的螺紋減弱了該處的抗拉強度,使得螺帽處抗拉強度最弱,同時螺帽處所受的拉力較大,所以為了使該處的抗拉能力增強與錨桿其他位置一樣,可以使整根桿外表面都是螺紋,這樣除了可加強此處的抗拉能力,還可以由于外表面是螺紋狀而使得錨桿與漿體黏結(jié)更加牢固;或者可以在需要鉆螺紋的部位加粗桿體,從而使該處即使有螺紋也不減弱其抗拉強度。(3)針對部分錨桿的墊板可能會翻轉(zhuǎn),可以把錨桿的墊板設(shè)計成碗狀,并且在碗里注漿,增強其抗彎能力,起到更好的錨固作用。5頂爆后錨桿破壞形態(tài)及破壞機制本文主要是通過抗爆模型試驗研究在頂爆作用下錨桿的破壞形式及破壞機制,得出以下結(jié)論:(1)通過洞室破壞試驗,發(fā)現(xiàn)錨桿主要有錨桿被壓彎并螺帽沒脫落、錨桿被剪斷、錨桿被壓彎和拉斷并螺帽脫落、錨桿的墊板被翻轉(zhuǎn)4種破壞形態(tài)。(2)針對洞室破壞