錨桿錨固機(jī)理試驗研究

錨桿錨固機(jī)理試驗研究

0錨固機(jī)理的研究長式奉紙箱作為輔助箱支撐技術(shù)的一種主要支撐方式，對加固圍巖和改善圍巖強(qiáng)度起到了明顯的作用。廣泛應(yīng)用于地下工程、邊坡工程、隧道等地質(zhì)和采礦工程。但全長粘結(jié)式錨桿屬于被動受力的錨桿,受力大小與圍巖的變形程度密切相關(guān),其錨固機(jī)理復(fù)雜且觀點不一,嚴(yán)重影響了該錨桿設(shè)計和應(yīng)用。對于錨桿錨固機(jī)理的研究,國內(nèi)外許多科技工作者和工程技術(shù)人員做了大量的研究,但目前錨桿支護(hù)設(shè)計在很大程度上仍依賴于經(jīng)驗類比,錨固理論方面的研究仍落后于工程實踐。為了探討全長粘結(jié)式錨桿的錨固機(jī)理,結(jié)合工程實踐,進(jìn)行了室內(nèi)錨固試驗研究。本次試驗采用自制的錨桿實驗機(jī),主要研究了完整和堅硬巖體中全長粘結(jié)式錨桿的錨固性能。1試驗設(shè)備和試驗方法1.1制作試驗鋼筋試驗中所采用的錨桿桿體是Ф25mm,長為1850mm的A3鋼筋。共制作六根,每根鋼筋的一端均帶有100mm長的螺紋,其中三根鋼筋用于試驗時全長粘結(jié)式錨桿拉拔,另外三根鋼筋則用于拉拔試驗時溫度補(bǔ)償片的粘貼,鋼筋另配與螺紋相配套的螺母和墊片。1.2兩個鋼管的安裝在試驗?zāi)Ｐ椭谱鬟^程中,要把水泥砂漿注入到套筒內(nèi)部。該套筒選用A3鋼,長度為1000mm,內(nèi)徑和外徑分別為Ф85mm和Ф95mm,壁厚為5mm的無縫鋼管。沿鋼管軸線在管壁兩側(cè)每隔100mm開一個Ф10mm的圓孔,用于箔式應(yīng)變片導(dǎo)線的引出。接著把無縫鋼管沿軸線對剖成兩半,剖面經(jīng)過兩側(cè)圓孔中心,如圖1所示。這樣處理鋼管的目的主要是防止?jié)沧⑺嗌皾{時將應(yīng)變片與外接導(dǎo)線的銜接處弄斷。澆注完成后用箍子將兩半鋼管合在一起組成一個完整的套筒。同時將定位盤放在套筒的兩端,可以有效地防止?jié)沧⒑箦^桿桿體發(fā)生偏斜。1.3澆注有水泥砂漿的中國巖體試驗用來膠結(jié)的水泥砂漿是由325#普通硅酸鹽水泥和砂子制備而成,水泥、砂子、水的比例為1∶4∶0.75。采用澆注有水泥砂漿的套筒來模擬實際巖體是因為兩者具有相近的力學(xué)特性,一般Ⅱ類巖體的彈性模量E為31.8GPa,泊松比μ為0.23,介質(zhì)密度ρ為2.6t/m3。試驗采用強(qiáng)度等級為M20的砂漿,其彈性模量為20.0GPa,泊松比為0.2,密度為2.55t/m3,故可較好地模擬實際巖體介質(zhì)。1.4實驗穩(wěn)定性的提高拉力機(jī)由前端擋板、后端擋板、支撐梁,油壓千斤頂和壓力傳感器等組成,共3臺。三臺錨桿試驗拉力機(jī)均采用碟形彈簧中心式補(bǔ)償能量釋放,以防止載荷的突然下降,從而提高了實驗的穩(wěn)定性。試驗時,泵站開始加壓,高壓機(jī)油通過輸油管輸送到相應(yīng)的工位上,通過計算機(jī)軟件可以控制總油泵的壓力和各工位油壓千斤頂閥門的大小,以此來控制各工位油壓千斤頂拉力的大小。EIC-300采集儀是一款便攜式采集設(shè)備,它與數(shù)據(jù)采集器IMP相連構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。此外,采集儀通過所配軟件還可以根據(jù)用戶需要,構(gòu)架數(shù)學(xué)模型,做特殊的數(shù)學(xué)處理。數(shù)據(jù)的存儲既可以在主機(jī)上進(jìn)行,也可以在采集儀上進(jìn)行,彼此獨(dú)立、互不干涉,存儲的間隔和存儲的文件名都是由主機(jī)進(jìn)行配置。1.5試驗試件的加載與數(shù)據(jù)采集試驗時通過軟件將加載信號傳給錨桿試驗拉力機(jī)的伺服控制器,由伺服控制器控制伺服器對試驗試件進(jìn)行加載;接著啟動EIC-300數(shù)據(jù)采集儀,通過粘貼在鋼筋表面的應(yīng)變片記錄各測試點應(yīng)變數(shù)值和應(yīng)變曲線。試驗?zāi)Ｐ团c測點位置示意圖如圖2所示。2試驗結(jié)果與分析2.1錨桿破壞形式和最大牽引力本次試驗共進(jìn)行了3組加載試驗,錨桿破壞形式均為鋼筋錨桿與澆筑體之間結(jié)合面的滑移破壞。各試件錨桿最大拉拔力見表1。2.2不同荷載下錨桿的滑移關(guān)系在試驗過程中,隨著錨桿端頭所受荷載的增大,錨桿的端頭位移也隨之增大,直至破壞。圖3為試件1錨桿端頭所受荷載與位移關(guān)系。從圖中可以得出:隨著荷載的增加,錨桿的變形首先是一個彈性階段OA段,然后是一個塑性硬化段AB段,之后進(jìn)入塑性軟化段BC段,B點之后,位移增大荷載值卻下降,錨桿已處于滑移狀態(tài)。錨桿受拉時,加載端處的膠結(jié)首先喪失而產(chǎn)生端部位移,這時摩擦力與咬合力在該處發(fā)生作用。隨著荷載的增大,局部滑移逐漸向自由端發(fā)展,最終達(dá)到整體滑移。2.3鋼筋錨桿受載端與自由端軸力分布在靜力加載時,荷載是以一定的加載方式施加,當(dāng)荷載為P時,通過應(yīng)變儀測得不同位置測點(i=1,2,…,8)的應(yīng)變εi,求得鋼筋各測點處軸力:Ni=AEεiΝi=AEεi式中:A為鋼筋的截面積,A=0.25πφ2,φ=25mm為鋼筋錨桿直徑,E=2.1×105MPa為鋼筋錨桿的彈性模量。在某一荷載作用下,將EIC-300數(shù)據(jù)采集儀所測得的應(yīng)變值帶入上式就可以得到在該荷載作用下沿錨桿桿體測點處的軸力。錨桿長度為1000mm,稱錨桿桿體頂端為受載端,底端為自由端,并以錨桿受載端為坐標(biāo)原點建立沿錨桿桿體的坐標(biāo),通過上述方法便可得到坐標(biāo)值為1000mm、895mm、730mm、445mm、325mm、220mm、130mm、55mm及0mm處的軸力值。其中0mm處的軸力值等于荷載值,1000mm處的軸力值應(yīng)等于0。沿錨桿桿體軸力變化的原因是因為桿體與砂漿結(jié)合面粘結(jié)應(yīng)力的存在,從而使錨桿從受載端到自由端軸力從大到小分布。下面分析試驗過程中各試件在受靜力加載時,其錨桿桿體上軸力的分布情況。圖4中的(a)和(b)分別表示的是編號為1和2試件在不同的靜荷載作用下,錨桿桿體上的軸力分布。圖中,橫坐標(biāo)表示錨桿桿體長度,因為錨桿長度為1000mm,所以橫坐標(biāo)的取值也是從0到1000,橫坐標(biāo)等于0代表的是受載端;縱坐標(biāo)表示的是錨桿桿體上的軸力,每一條曲線代表的是在不同的靜力荷載下,鋼筋錨桿桿體上的軸力分布。當(dāng)然,每一條曲線上的值確切知道的只有1000mm、895mm、730mm、445mm、325mm、220mm、130mm、55mm及0mm處的軸力值,而在桿體上,軸力是連續(xù)變化的,故采用了對數(shù)據(jù)的樣條函數(shù)處理。從圖4(a)可以看出:從受載端到自由端軸力按從大到小分布,隨著荷載的增大,錨桿桿體上的受力區(qū)域也隨之?dāng)U大。當(dāng)荷載較小時,如4.37kN、17.06kN時,錨桿桿體的受力區(qū)域只在桿體的前半段,也就是說,在受到荷載作用時,尤其是荷載較小時,錨桿桿體只有部分受力。由此可以推斷,當(dāng)錨桿受荷載作用時,錨桿與粘結(jié)材料之間的粘結(jié)力并不完全地、同時發(fā)揮作用,而是由外到內(nèi)逐漸地發(fā)揮作用;當(dāng)荷載增大到28.37kN、87.69kN時,桿體上受力區(qū)域繼續(xù)向下擴(kuò)展,每一位置上的軸力也隨之增加。直到荷載增大到107.67kN以上時,錨桿桿體已全長受力,可以看出,此時錨桿桿體與粘結(jié)材料的粘結(jié)被破壞,幾乎只有摩擦力在起作用,錨桿在整體上已處于滑動臨界狀態(tài)。圖4(b)描述的是試驗試件2的軸力分布情況,從圖中可以看出,軸力分布的規(guī)律與試件1的情況很一致。都是從受載端到自由端軸力從大到小分布,隨著荷載的增大,錨桿桿體上的受力區(qū)域也隨之?dāng)U大。3錨固受力分析1)對于全長粘結(jié)式錨桿而言,當(dāng)巖體為完整中等堅硬巖體時,錨桿破壞形式為錨桿與粘結(jié)材料之間發(fā)生粘結(jié)破壞產(chǎn)生滑移,對錨桿抗拉拔性能起主要作用的是粘結(jié)材料的強(qiáng)度等級與錨桿的幾何尺寸。2)全長粘結(jié)式錨桿受拉時,加載端處的粘結(jié)首先喪失而產(chǎn)生端部位移,這時摩擦力與咬合力在該處發(fā)生作用。隨著荷載的增大,局部滑移逐漸向自由端發(fā)展,最終達(dá)到整體滑移。3)全長粘結(jié)式錨桿在受到拉拔力作用時,其錨固段并不是均勻受力,而是沿著錨桿的方向由大到小向膠結(jié)體內(nèi)部逐漸減小的,當(dāng)拉拔力較小時,其后面的膠結(jié)體不再受到拉拔力,軸力減小為零。4)全長粘結(jié)式錨桿在受力破壞時并不是當(dāng)拉拔力達(dá)到最大時一次完全破壞的,而是在受力過程中由外向里逐漸破壞的。當(dāng)最外端錨固段受力破壞時膠結(jié)深處可能并沒開始受力,這就大大地降低了全長粘結(jié)式錨桿的錨固效率。5)全長粘結(jié)式錨桿的錨固受力并不在整個膠結(jié)段同時