原问题：

加卸载条件下砂浆锚杆力学呼应试验钻研

摘 要：

环抱全长黏结砂浆锚杆加卸载力学响应成果,运用自主研发的拉拔试验系统,睁开了各级拉拔力水平下锚固在区别刚度套筒中锚杆系统的加卸载拉拔试验,监测拉拔历程中锚杆轴向应变以及套筒外壁周向应变的变换,合成试验历程中锚杆杆体-砂浆界面剪切力扩散及蜕变纪律,并品评辩说了套筒刚度以及加卸载浸染对于锚杆系统力学响应的影响。试验服从表明:试验历程中拉拔力、杆体轴向应变、套筒周向应变随拉拔位移的变换纪律相同,部份呈先回升后着落的趋势;加卸载阶段,轴向应变、周向应变与拉拔力同步变换,随卸荷点荷载削减,滞留位移逐步增大;沿着锚杆轴线偏差界面剪切力扩散不屈均,锚杆杆体-砂浆界面泛起解耦后,剪切力峰值逐步向杆体外部传递。试验成果可能抵偿响应加载蹊径下钻研的缺少,同时也可觉患上相似工程现场提供参考。

关键词：

岩石锚杆; 拉拔试验; 加卸载; 周向应变;

作者简介：

冯艺(1978—),男,低级工程师,硕士,主要处置水利水电工程建树使命。E-mail:88582010@qq.com;

基金：

******人造迷信基金-雅砻江散漫基金重点扶助名目(U1765202);

援用：

冯艺． 加卸载条件下砂浆锚杆力学呼应试验钻研［J］. 水利水电技术，2020，51( 11) : 190-196.

FENG Yi． Experimental study on mechanical response of mortar anchor-bolt under loading-unloading condition［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 11) : 190-196.

0 引 言

岩体工程建树中,受开挖历程以及支护机缘影响,锚杆受载历程以及蹊径极其重大,锚杆系统在区别加载蹊径下的力学响应以及荷载传递特色是岩体开挖工程锚杆支护妄想、合成以及牢靠性评估中亟待解决的关键难题。作废爆破引起的动态扰动,钻研中常将工程中锚杆受载方式简化为干燥加载、疲惫加卸载(常荷载水平下的循环加卸载)以及荷载递削减级加卸载三种。本文重点钻研第三种加载方式下砂浆锚杆系统的力学响应。

拉拔试验是钻研加锚岩体荷载传递机理及锚固机制***主要的试验方式,为钻研加载蹊径对于锚杆系统力学响应的影响,国内外学者睁开了少许区别加载蹊径下的锚杆拉拔试验。就干燥加载拉拔试验而言,HYETT等睁开了区别刚度条件下拉拔试验,试验服从表明抗拔强度随限度刚度削减而削减。FARMER经由测力锚杆拉拔试验发现,解耦前锚杆杆体-砂浆界面剪应力呈指数方式衰减。赵同彬等接管试验以及PFC模拟方式钻研了界面剪应力传递纪律,觉患上拉拔状态下沿锚杆轴向的锚固界面剪应力扩散不屈均,沿轴向呈先增后减的传递方式。MARTIN等运用自行研制的拉拔配置装备部署睁开了常法向荷载以及常法向刚度条件下的拉拔试验,试验服从表明环向变形以及拉拔力变换纪律相同。吴涛等妨碍了区别横肋间距锚杆拉拔试验,发现套筒周向应变呈先增大后减小的趋势。而在循环荷载条件下,荣冠等钻研了单向疲惫荷载浸染下锚杆轴力扩散特色,服从表明随着循环次数削减,杆体对于立位置测点应力值呈区别水平的削减。BENMOKRANE 等针对于预应力以及被动锚固锚杆妨碍了原位单向疲惫加卸载试验,试验服从表明当卸荷点荷载低于于预应力或者30%抗拔强度时,循环荷载不影响锚杆运用寿命。OH等对于加固混凝土睁开了区别应力水平区别循环次数的加卸载拉拔试验,发现随着循环次数的削减,拉拔位移以及残余拉拔位移均增大。VERDERAME等在区别拉拔位移处妨碍了双向疲惫加卸载试验,合成了卸载位置的影响,建树了疲惫加卸载条件下锚杆黏结应力-滑移关连曲线。

上述成果钻研了锚杆干燥加载以及疲惫加卸载下的力学响应,而荷载递增分级加卸载试验钻研较少,尚未法把握此时锚杆系统的力学响应。针对于往成果,本文拟睁开3种套筒刚度条件下锚固试样的多级加卸载拉拔试验,合成加卸载对于锚杆轴向以及套筒周向应变的影响效应,钻研试验历程中拉拔曲线、轴向及周向应变的变换纪律,揭示锚固界面剪切力以及轴力的扩散及蜕变纪律,并品评辩说限度刚度(围岩条件)对于锚固功能的影响。

1 试验概况

1.1 试样制备

拉拔试验所用的试样由锚杆、锚固剂及锚固资料(岩石、套筒等)组成,本次试验运用的锚杆为PSB500精轧螺纹钢,锚杆直径20 妹妹,长度为800 妹妹,肋间距10 妹妹,为监测拉拔历程中杆体变形,沿锚杆长轴偏差加工了6 妹妹宽、4 妹妹 深、130 妹妹长的2个对于称凹槽,凹槽内粘贴应变片并布置导线。锚固剂为水泥砂浆,参考《岩土锚固技术手册》,本次试验中砂浆配比为水泥∶砂∶水=1∶1∶0.4。为判断水泥砂浆的根基力学性子,在浇筑拉拔试样的同时,还浇筑了相同配比的规范立方块砂浆试件,分说妨碍单轴缩短与直剪试验,试验取患上砂浆试样的单轴抗压强度为34 MPa,弹性模量E=4.11 GPa,黏聚力c=6.76 MPa,内磨擦角ϕ=39°。试验运用的套筒内外径分说为42 妹妹以及60 妹妹,高100 妹妹。为防御试验中破损发生在套筒内壁-砂浆界面,套筒内壁加工有内螺纹,螺距6 妹妹,螺纹高2 妹妹。

拉拔试样制备中***关键的成果是锚杆装置对于中成果,为保障试样的对于中成果,将锚杆一端长度为10 妹妹的全副加工成直径16 妹妹的圆柱体,并在试样浇筑平台上预留有尺寸相同的装置孔,豫备试样时,将锚杆插入装置孔内定位,而套筒则在平台响应位置定位,而后在套筒以及锚杆之间注入砂浆,浇筑实现后,在套筒顶部盖上盖子,从而确保了锚杆的对于中成果(见图1)。

1.2 套筒等效弹性模量合计方式

相干于锚杆以及钻孔直径来说,围岩可视为未必刚度的有限大基体。因此,在试验中,可接管与围岩刚度等效的未必厚度套筒来模拟区别规范的围岩。运用弹性力学厚壁圆筒事实可能分说合计出围岩以及套筒的刚度,令两者至关即可判断岩体弹性模量与套筒弹性模量之间的关连,即

式中,Er,Em分说为岩体等效弹性模量以及套筒弹性模量(GPa);νr,νm分说为岩体以及套筒泊松比;ro、ri分说为套筒内外径(妹妹)。

为模拟区别刚度岩体条件,包罗软岩、中硬岩以及硬岩,文中分说接管PVC筒、铝筒以及钢筒作为对于应的套筒,依据式(1)可进一步合计患上到套筒参数,数值如表1所列。

1.3 应变片布置

为丈量多级循环加卸载拉拔试验历程中沿锚杆轴向应力扩散及蜕变纪律、套筒周向应变蜕变纪律,沿锚杆轴向及刚性套筒外壁粘贴了应变片,所抉择应变片分说为BE120-01AA及BE120-80AA。沿锚杆轴向,两个凹槽内分说粘贴有5个应变片,交织布置,锚固段内共粘贴有9个应变片,贴片位置的高度(距加载端距离)分说为10 妹妹、20 妹妹、30 妹妹、40 妹妹、50 妹妹、60 妹妹、70 妹妹、80 妹妹以及90 妹妹,尚有一个应变片粘贴在锚固段外,用于标定锚杆轴力与应变的对于应关连,应变片布置呈现如图2所示。为呵护应变片及导线,在应变片粘贴并衔接导线后,在凹槽内充填一层704硅橡胶。在套筒中部(50 妹妹处)沿环向粘贴了两个应变片(BE120-80AA),对于钢筒,还在20 妹妹以及80 妹妹高度处各粘贴了两个应变片,以钻研周向应变沿高度的变换纪律。

1.4 试验配置装备部署

锚杆拉拔试验在中国迷信院武汉岩土力学钻研所研发的锚杆(索)拉拔试验系统RBPT-176上妨碍,试验系统如图3所示。该系统垂直油缸***大着力500 kN,活塞道路为150 妹妹,可接管力操作或者位移操作方式加载,位移加载速率0.06～50 妹妹/min,可能实时记实以及呈现试验历程中的拉拔力以及拉拔位移,采样频率为10 Hz。应变网络运用的是东华测试-DH3816 N动态应变测试系统,包罗60个测点,系统***高分说率为1 με,采样频率2 Hz。

公司主要产品是管缝锚杆、矿用钢网等支护配件，现有员工12人，其中工程技术人员2名，虽然人数不多规模不大，但技术力量、质量检测设备等方面还是比较有质量的。他们主要依托大学从事支护方面的教授、博士及硕士等人为技术指导，是专门从事矿山支护设计以及配套产品的研究开发、制造销售与技术服务为一体的高新技术企业。

1.5 试验妄想与加载方式

在区别拉拔力水平加卸载试验中,对于锚固在钢筒以及PVC筒中的锚杆,在峰值拉拔强度前,以10 kN为台阶妨碍一次加卸载,所有卸载试验均卸载至2 kN。拉拔曲线进入峰后之后,接管干燥加载拉拔方式,不断拉拔试样直至破损。试验全程接管位移操作,试验开始时,位移加(卸)载速率为0.005 妹妹/s,拉拔位移达到20 妹妹时,位移加载速率普及至1 妹妹/min。试验全程记实拉拔力、拉拔位移、锚杆杆体轴向应变以及套筒周向应变。

2 试验服从及合成

2.1 加卸载曲线合成

区别刚度套筒下拉拔力与拉拔位移的关连曲线如图4所示,其中拉拔位移即是丈量位移与锚杆从容段伸长量之差,即

式中,up、u、L分说为拉拔位移、丈量位移以及锚杆从容段长度(妹妹);P为拉拔力(kN);A为锚杆横截面积(m2);E为锚杆弹性模量(GPa)。

由图4可知,区别刚度套筒下,拉拔力-拉拔位移曲线总体形态相同,且随着套筒刚度削减,抗拔强度以及抗拔刚度清晰削减。这是因为随着套筒刚度削减,拉拔历程中径向解放浸染增强,锚杆杆体-砂浆界面径向位移(剪胀)减小,解放力增大,挪移相同拉拔位移条件下,所需拉拔力增大,导致抗拔刚度以及强度增大,与常法向刚度直剪条件下剪切强度随法向刚度增大的试验服从相似。

图5为滞留位移(即不可复原变形)随卸荷点荷载的蜕变曲线,其中铝筒在峰前仅卸载5次。可见,随着套筒刚度削减,滞留位移逐步减小,******次卸载后存在很大的滞留位移,随着卸荷点荷载削减,滞留位移类似匀速削减,但增速很慢,相近峰值强度点,滞留位移再次迅速削减。导致上述征兆的原因是:初始施加拉拔力后,锚杆杆体与砂浆、砂浆与套筒之间由败坏构叛乱化成细密打仗,卸载后全副败坏打仗难以复原,故******次卸载后,滞留位移较大;随后,拉拔力-拉拔位移曲线进入类似弹性线性变形阶段,滞留位移较小,当相近峰值强度时,杆体-砂浆界面开始泛起解耦征兆,滞留位移开始增大,并随着解耦段长度的增大而增大。PVC筒以及铝筒均仅泛起上述两个阶段,是因为***后一次卸载点仍不泛起解耦。加卸载阶段斜率基底细反且清晰高于抗拔刚度,与卸载点位置无关。

2.2 套筒周向应变合成

刚性套筒周向应变的量值反映了砂浆、锚杆杆体、套筒所组成系统在拉拔历程中产生的径向剪胀变形。因为本次拉拔试验破损均发生在锚杆杆体-砂浆界面,故套筒周向应变主要反映了锚杆杆体-砂浆界面的剪胀特色。图6为区别资料的刚性套筒在拉拔试验历程中的周向应变-拉拔位移曲线。图7为铝筒拉拔试验历程中拉拔力-光阴以及周向应变-光阴曲线。从图6以及图7可见,套筒周向应变均泛起初增大后减小趋势,与拉拔力变换趋势根基不同。随着套筒刚度的削减,周向应变清晰减小,PVC筒、铝筒以及钢筒相同位置处***大周向应变分说为2 388.1 με、253.9 με、63.0 με。加卸载阶段,周向应变曲线与拉拔力曲线相似,卸载点同时为周向应变以及拉拔力的极值点。

周向应酿成对于称布置的两个应变片读数的平均值, 其中铝筒以及钢筒的应变值对于应于右侧坐标轴读数, PVC筒的应变值对于应于左侧坐标轴读数

图8为区别高度时钢筒周向应变-位移曲线,由图8可知,沿着拉拔偏差,周向应变变换纪律相似,可是周向应变随着高度削减而递减,表明锚杆杆体-砂浆界面产生的径向应力沿锚杆轴向扩散不屈均,随着高度削减,径向应力递减,这与沿锚杆轴向的应力扩散特色相干。

2.3 轴向应变合成

本次试验在100 妹妹长锚固段粘贴了10个应变片,下面首先合成拉拔历程中锚杆轴向应变变换纪律,轴力扩散及蜕变特色不才一节具体品评辩说。

图9为铝筒拉拔力以及轴向应变随光阴变换曲线,而图10则为两者随拉拔位移的变换曲线。由图可知,轴向应变以及拉拔力变换趋势根基不同,随着应变片远离加载端增大,轴向应变数值减小。加载阶段,应变干燥回升,卸载阶段,应变逐步复原,卸载尽头的应变值略大于初始应变值,这是因为锚杆自身力学性子导致的。

3 锚杆轴力及剪应力扩散特色

在应变监测数据的根基上,进一步合成了锚杆杆体轴力及锚杆杆体-砂浆界面剪切力的扩散及蜕变纪律。

3.1 锚杆轴力-轴向应变关连

已经知锚杆轴向应变,个别运用下式合计锚杆轴力

式中,F为锚杆轴力(kN); ε为轴向应变(με)。

因为本次试验锚杆存在横肋同时开有凹槽,难以准确合计横截面积A,且锚杆初始拉伸曲线并非线性,不能间接运用式(3)妨碍合计。为了可能定量形貌锚固段锚杆轴力扩散及其蜕变特色,在锚固段外凹槽内粘贴了一个应变片,该应变片对于应位置的轴力即是拉拔力,而该处的应变即为应变片读数,因此可能判断锚杆轴力与应变间的关连。图11为拉拔力-应变关连曲线,可见,轴力与应变存在线性关连,轴力与应变关连如下

3.2 锚杆轴力扩散蜕变纪律

依据式(3)合计患上出拉拔力为10 kN、20 kN、30 kN、40 kN、50 kN、60 kN、70 kN时各应变片位置处对于应的轴力值,图12为各级载荷下锚杆轴力扩散图,其中拉拔力高于40 kN时的轴力在高度20 妹妹、40 妹妹、80 妹妹处均偏低。随着与加载端距离的增大,锚杆杆体轴力迅速减小,而随着拉拔力削减,荷载传递畛域逐步削减,10 kN时,荷载仅传递至40 妹妹处,30 kN时传递至50 妹妹,而在70 kN时荷载曾经传递至90 妹妹处。在荷载传递畛域内,锚杆杆体轴力扩散不屈均,挨近加载真个全副担当了绝大全副的荷载,如70 kN时,前60 妹妹锚杆担当了约85.5%的拉拔力。

3.3 锚杆杆体-砂浆界面剪切力扩散

已经知锚杆轴力扩散,锚杆杆体-砂浆界面剪应力可按下式合计

式中,τ为锚杆杆体-砂浆界面剪应力(MPa);ΔF为相邻两个应变片对于应轴力之差(kN);S以及ΔL分说为锚杆横截面周长以及相邻应变片距离(妹妹)。

因为锚杆带肋全副横截面周长难以量化,故界面剪应力难以准确合计,而锚杆无肋全副横截面周长为常数,故可能合计界面剪切力(单元长度剪切力),其扩散及蜕变纪律与剪应力残缺相同。图13为各级荷载下锚杆杆体-砂浆界面剪切力扩散曲线,合计剪切力时不运用轴力颇为点数据。可见,随着与加载端距离的增大,界面剪切力逐步减小,0～20 妹妹锚固段剪切力迅速着落,20～60 妹妹锚固段剪切力飞快着落,该段剪切力类似平均扩散,60～80 妹妹锚固段剪切力再次迅速着落,故沿着锚杆轴线偏差界面剪切力扩散不屈均。

图14为锚杆杆体-砂浆界面剪切力随拉拔力的变换曲线。可见,随拉拔力削减,***挨近加载端剪切力先削减至峰值随后开始着落,峰值剪切力约为1.80 kN/妹妹,其余位置处剪切力不断着落,20～60 妹妹锚固段剪切力削减幅度***大,挨近加载端剪切力达到峰值强度后,剪切力峰值逐步向锚杆外部转移,呈现锚杆杆体-砂浆界面开始解耦。因为峰值强度左近绝大全副应变片都开始破损,无奈合成解耦后剪切力的蜕变特色。

4 结 论

(1)抗拔强度以及抗拔刚度随着限度套筒刚度削减而削减,随着加卸载次数削减,新增滞留位移(不可复原位移)先减小后增大。

(2)限度套筒周向应变均泛起初增大后减小趋势,与拉拔力变换纪律不同,随着加卸载次数削减,不可复原的周向应变逐步增大,可是增速减小。

(3)锚固段锚杆杆体轴向应变以及拉拔力变换纪律也相同,随着应变片与加载端距离增大,应变迅速减小,加卸载阶段,轴向应变基先天够复原初始应变值。

(4)随着与加载端距离增大,锚杆杆体轴力迅速减小,而随着拉拔力削减,荷载传递畛域逐步削减。

(5)沿着锚杆轴线偏差界面剪切力扩散不屈均,剪切力达到峰值强度后,锚杆杆体-砂浆界面开始解耦,剪切力峰值向锚杆外部传递。

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