锚杆锚固机理试验研究

锚杆锚固机理试验研究

0锚固机理的研究长式奉纸箱作为辅助箱支撑技术的一种主要支撑方式，对加固围岩和改善围岩强度起到了明显的作用。广泛应用于地下工程、边坡工程、隧道等地质和采矿工程。但全长粘结式锚杆属于被动受力的锚杆,受力大小与围岩的变形程度密切相关,其锚固机理复杂且观点不一,严重影响了该锚杆设计和应用。对于锚杆锚固机理的研究,国内外许多科技工作者和工程技术人员做了大量的研究,但目前锚杆支护设计在很大程度上仍依赖于经验类比,锚固理论方面的研究仍落后于工程实践。为了探讨全长粘结式锚杆的锚固机理,结合工程实践,进行了室内锚固试验研究。本次试验采用自制的锚杆实验机,主要研究了完整和坚硬岩体中全长粘结式锚杆的锚固性能。1试验设备和试验方法1.1制作试验钢筋试验中所采用的锚杆杆体是Ф25mm,长为1850mm的A3钢筋。共制作六根,每根钢筋的一端均带有100mm长的螺纹,其中三根钢筋用于试验时全长粘结式锚杆拉拔,另外三根钢筋则用于拉拔试验时温度补偿片的粘贴,钢筋另配与螺纹相配套的螺母和垫片。1.2两个钢管的安装在试验模型制作过程中,要把水泥砂浆注入到套筒内部。该套筒选用A3钢,长度为1000mm,内径和外径分别为Ф85mm和Ф95mm,壁厚为5mm的无缝钢管。沿钢管轴线在管壁两侧每隔100mm开一个Ф10mm的圆孔,用于箔式应变片导线的引出。接着把无缝钢管沿轴线对剖成两半,剖面经过两侧圆孔中心,如图1所示。这样处理钢管的目的主要是防止浇注水泥砂浆时将应变片与外接导线的衔接处弄断。浇注完成后用箍子将两半钢管合在一起组成一个完整的套筒。同时将定位盘放在套筒的两端,可以有效地防止浇注后锚杆杆体发生偏斜。1.3浇注有水泥砂浆的中国岩体试验用来胶结的水泥砂浆是由325#普通硅酸盐水泥和砂子制备而成,水泥、砂子、水的比例为1∶4∶0.75。采用浇注有水泥砂浆的套筒来模拟实际岩体是因为两者具有相近的力学特性,一般Ⅱ类岩体的弹性模量E为31.8GPa,泊松比μ为0.23,介质密度ρ为2.6t/m3。试验采用强度等级为M20的砂浆,其弹性模量为20.0GPa,泊松比为0.2,密度为2.55t/m3,故可较好地模拟实际岩体介质。1.4实验稳定性的提高拉力机由前端挡板、后端挡板、支撑梁,油压千斤顶和压力传感器等组成,共3台。三台锚杆试验拉力机均采用碟形弹簧中心式补偿能量释放,以防止载荷的突然下降,从而提高了实验的稳定性。试验时,泵站开始加压,高压机油通过输油管输送到相应的工位上,通过计算机软件可以控制总油泵的压力和各工位油压千斤顶阀门的大小,以此来控制各工位油压千斤顶拉力的大小。EIC-300采集仪是一款便携式采集设备,它与数据采集器IMP相连构成数据采集系统。此外,采集仪通过所配软件还可以根据用户需要,构架数学模型,做特殊的数学处理。数据的存储既可以在主机上进行,也可以在采集仪上进行,彼此独立、互不干涉,存储的间隔和存储的文件名都是由主机进行配置。1.5试验试件的加载与数据采集试验时通过软件将加载信号传给锚杆试验拉力机的伺服控制器,由伺服控制器控制伺服器对试验试件进行加载;接着启动EIC-300数据采集仪,通过粘贴在钢筋表面的应变片记录各测试点应变数值和应变曲线。试验模型与测点位置示意图如图2所示。2试验结果与分析2.1锚杆破坏形式和最大牵引力本次试验共进行了3组加载试验,锚杆破坏形式均为钢筋锚杆与浇筑体之间结合面的滑移破坏。各试件锚杆最大拉拔力见表1。2.2不同荷载下锚杆的滑移关系在试验过程中,随着锚杆端头所受荷载的增大,锚杆的端头位移也随之增大,直至破坏。图3为试件1锚杆端头所受荷载与位移关系。从图中可以得出:随着荷载的增加,锚杆的变形首先是一个弹性阶段OA段,然后是一个塑性硬化段AB段,之后进入塑性软化段BC段,B点之后,位移增大荷载值却下降,锚杆已处于滑移状态。锚杆受拉时,加载端处的胶结首先丧失而产生端部位移,这时摩擦力与咬合力在该处发生作用。随着荷载的增大,局部滑移逐渐向自由端发展,最终达到整体滑移。2.3钢筋锚杆受载端与自由端轴力分布在静力加载时,荷载是以一定的加载方式施加,当荷载为P时,通过应变仪测得不同位置测点(i=1,2,…,8)的应变εi,求得钢筋各测点处轴力:Ni=AEεiΝi=AEεi式中:A为钢筋的截面积,A=0.25πφ2,φ=25mm为钢筋锚杆直径,E=2.1×105MPa为钢筋锚杆的弹性模量。在某一荷载作用下,将EIC-300数据采集仪所测得的应变值带入上式就可以得到在该荷载作用下沿锚杆杆体测点处的轴力。锚杆长度为1000mm,称锚杆杆体顶端为受载端,底端为自由端,并以锚杆受载端为坐标原点建立沿锚杆杆体的坐标,通过上述方法便可得到坐标值为1000mm、895mm、730mm、445mm、325mm、220mm、130mm、55mm及0mm处的轴力值。其中0mm处的轴力值等于荷载值,1000mm处的轴力值应等于0。沿锚杆杆体轴力变化的原因是因为杆体与砂浆结合面粘结应力的存在,从而使锚杆从受载端到自由端轴力从大到小分布。下面分析试验过程中各试件在受静力加载时,其锚杆杆体上轴力的分布情况。图4中的(a)和(b)分别表示的是编号为1和2试件在不同的静荷载作用下,锚杆杆体上的轴力分布。图中,横坐标表示锚杆杆体长度,因为锚杆长度为1000mm,所以横坐标的取值也是从0到1000,横坐标等于0代表的是受载端;纵坐标表示的是锚杆杆体上的轴力,每一条曲线代表的是在不同的静力荷载下,钢筋锚杆杆体上的轴力分布。当然,每一条曲线上的值确切知道的只有1000mm、895mm、730mm、445mm、325mm、220mm、130mm、55mm及0mm处的轴力值,而在杆体上,轴力是连续变化的,故采用了对数据的样条函数处理。从图4(a)可以看出:从受载端到自由端轴力按从大到小分布,随着荷载的增大,锚杆杆体上的受力区域也随之扩大。当荷载较小时,如4.37kN、17.06kN时,锚杆杆体的受力区域只在杆体的前半段,也就是说,在受到荷载作用时,尤其是荷载较小时,锚杆杆体只有部分受力。由此可以推断,当锚杆受荷载作用时,锚杆与粘结材料之间的粘结力并不完全地、同时发挥作用,而是由外到内逐渐地发挥作用;当荷载增大到28.37kN、87.69kN时,杆体上受力区域继续向下扩展,每一位置上的轴力也随之增加。直到荷载增大到107.67kN以上时,锚杆杆体已全长受力,可以看出,此时锚杆杆体与粘结材料的粘结被破坏,几乎只有摩擦力在起作用,锚杆在整体上已处于滑动临界状态。图4(b)描述的是试验试件2的轴力分布情况,从图中可以看出,轴力分布的规律与试件1的情况很一致。都是从受载端到自由端轴力从大到小分布,随着荷载的增大,锚杆杆体上的受力区域也随之扩大。3锚固受力分析1)对于全长粘结式锚杆而言,当岩体为完整中等坚硬岩体时,锚杆破坏形式为锚杆与粘结材料之间发生粘结破坏产生滑移,对锚杆抗拉拔性能起主要作用的是粘结材料的强度等级与锚杆的几何尺寸。2)全长粘结式锚杆受拉时,加载端处的粘结首先丧失而产生端部位移,这时摩擦力与咬合力在该处发生作用。随着荷载的增大,局部滑移逐渐向自由端发展,最终达到整体滑移。3)全长粘结式锚杆在受到拉拔力作用时,其锚固段并不是均匀受力,而是沿着锚杆的方向由大到小向胶结体内部逐渐减小的,当拉拔力较小时,其后面的胶结体不再受到拉拔力,轴力减小为零。4)全长粘结式锚杆在受力破坏时并不是当拉拔力达到最大时一次完全破坏的,而是在受力过程中由外向里逐渐破坏的。当最外端锚固段受力破坏时胶结深处可能并没开始受力,这就大大地降低了全长粘结式锚杆的锚固效率。5)全长粘结式锚杆的锚固受力并不在整个胶结段同时