豆石混凝土錨盤抗拔性能試驗

孫世國，苗子臻，馮少杰，解禹

豆石混凝土錨盤抗拔性能試驗

孫世國，苗子臻，馮少杰，解禹

（北方工業大學土木工程學院，北京，100144）

盤式錨桿作為一種新型錨桿，其制作簡單，對施工工藝要求較低，且抗拔性能較常規錨桿明顯提高，工程應用價值十分明顯，而錨盤作為盤式錨桿的重要組成部分，其抗拔性能是影響盤式錨桿極限承載力的關鍵因素。設計了六種不同配合比的豆石混凝土，采用光滑直桿、光滑單錨刺桿、光滑雙錨刺桿、螺紋光桿、螺紋單盤桿、螺紋雙盤桿六種不同桿體形式，進行了錨盤抗拔性能的試驗研究，結果表明：不同桿體形式對錨盤受力性能影響十分顯著，螺紋桿及帶錨刺桿體形式能更有效發揮混凝土強度，提高錨盤抗拔性能；在保證豆石混凝土具有適宜坍落度的情況下，提高混凝土強度可顯著增強錨盤抗拔性能。

豆石混凝土；配合比；坍落度；桿體形式；錨盤；抗拔性能

引言

隨著工程建設的發展，巖土工程數量及種類越來越多、規模也越來越大，其中巖土錨固技術的應用也越來越廣泛，如礦山巷道、隧道、各類邊坡、地下工程等[1-3]。盤式錨桿作為一種新型錨桿，其在桿體不同位置設置不同數量錨盤，一方面，增大了錨固體與圍巖體接觸面積，提高了錨桿和圍巖體界面間粘結力，另一方面，提供了一個圍巖體對錨體的端承力，極大提高了錨桿承載能力，盤式錨桿錨固形式如圖1所示。盤式錨桿抗拔性能與錨盤直徑、錨盤數量、錨盤間距、錨盤埋深、錨盤強度、圍巖、灌漿料等眾多影響因素相關[4,5]，其中錨盤抗拔性能是影響盤式錨桿抗拔性能的關鍵因素，因此，本文基于6種不同配合比的豆石混凝土，采用6種不同桿體形式進行了錨盤拉拔試驗，研究了混凝土強度及不同桿體形式對豆石混凝土錨盤抗拔性能的影響。

圖1　盤式錨桿示意圖

1　試驗設計

1.1試驗方案

一般而言，工程上通常選用砂漿或水泥漿液作為灌漿材料[6,7]，它們具備灌漿便捷、受控因素較少等優點，但其通常需要消耗大量水泥，工程造價過高。因此，根據錨桿灌漿的特點，本文采用小粒徑豆石混凝土作為灌漿料進行錨盤受力性能試驗。試驗根據混凝土強度及自密實性能要求設計了6種不同配合比方案，參數如表1所示，其中B、D、F分別為A、C、E摻加減水劑形成，其中水泥選用42.5級普通硅酸鹽水泥，豆石骨料粒徑≤10 mm，砂采用細度模數為2.6的中砂，減水劑采用萘系高效減水劑，摻入量為膠凝材料1%，減水率20%。

試驗通過對錨固有不同桿體形式的不同配比混凝土立方體試件進行拉拔，研究了混凝土強度及盤內桿體形式對錨盤拉拔性能的影響。試驗選取光滑直桿、光滑單錨刺桿、光滑雙錨刺桿、螺紋桿、螺紋單盤桿、螺紋雙盤桿6種桿體形式，其中光滑無錨刺桿直徑φ25，長度400 mm；錨刺直徑φ10、長度50 mm；螺紋桿直徑φ25，長度400 mm；帶孔金屬圓盤外徑50 mm，內徑25 mm，厚度10 mm，兩盤間距80 mm；具體桿體形式如圖2所示。

表1　不同配比的豆石混凝土抗壓強度

圖2　不同桿體形式

1.2試驗裝置及步驟

本試驗主要試驗設備有：萬能試驗機、坍落度測定儀、混凝土攪拌機、試塊固定裝置、篩子、試模、刮刀等，其中萬能試驗機與試塊固定裝置如圖3和圖4所示。

圖3　萬能試驗機

圖4　試塊固定裝置

具體試驗步驟如下：①根據試驗方案對各試驗材料用量進行計算，準備試驗材料；②進行試塊制作，并完成混凝土坍落度測定，試件澆筑時不進行振搗，完全依靠混凝土自密實；③自然養護28 d后進行試塊拉拔試驗，拉拔速率選取5 mm/min；④試驗數據記錄。

2　試驗結果分析

通過對36組108塊不同桿體形式、不同配比混凝土立方體試塊進行拉拔試驗，最終數據如表2所示，混凝土強度對不同桿體形式錨盤極限拉拔力影響如圖5所示，桿體形式對不同配比混凝土錨盤極限拉拔力影響如圖6所示，部分桿體形式錨盤破壞形態如圖7所示。

由圖5可知，隨著不同配比混凝土強度的提高，錨盤極限拉拔力呈上升趨勢，但對于E配比混凝土，相比D、F配比混凝土，各桿體形式錨盤極限拉拔力有明顯降低。具體原因分析如下：E配比混凝土無減水劑摻入，其坍落度為60 mm，抗壓強度52.70 MPa，相比其他配比混凝土，其坍落度明顯降低，混凝土的流動性能明顯降低，自密實性能減弱，導致混凝土成盤出現局部缺陷，錨盤極限拉拔力下降。因此，在盤式錨桿現場施工中，不僅要保證豆石混凝土強度達到相應要求，同時要保證其坍落度在某一適宜范圍，如坍落度過小，則豆石混凝土很難達到自密實的要求；反之，混凝土又會出現泌水現象，從而導致錨盤極限拉拔性能降低。通過本次試驗結果分析可知，豆石混凝土坍落度宜取180 mm～210 mm，以保證混凝土強度得到較好發揮。

圖5　錨盤極限拉拔力隨混凝土配比變化曲線

圖6　錨盤極限拉拔力隨桿體形式變化曲線

圖7　部分桿體形式錨盤破壞形態

由圖5可知，隨著不同配比混凝土強度的提高，錨盤極限拉拔力呈上升趨勢，但對于E配比混凝土，相比D、F配比混凝土，各桿體形式錨盤極限拉拔力有明顯降低。具體原因分析如下：E配比混凝土無減水劑摻入，其坍落度為60 mm，抗壓強度52.70 MPa，相比其他配比混凝土，其坍落度明顯降低，混凝土的流動性能明顯降低，自密實性能減弱，導致混凝土成盤出現局部缺陷，錨盤極限拉拔力下降。因此，在盤式錨桿現場施工中，不僅要保證豆石混凝土強度達到相應要求，同時要保證其坍落度在某一適宜范圍，如坍落度過小，則豆石混凝土很難達到自密實的要求；反之，混凝土又會出現泌水現象，從而導致錨盤極限拉拔性能降低。通過本次試驗結果分析可知，豆石混凝土坍落度宜取180 mm～210 mm，以保證混凝土強度得到較好發揮。

綜合表2及圖6可知，不同桿體形式對錨盤受力性能影響十分顯著，錨刺、螺紋及金屬圓盤的存在使錨盤抗拔性能大大提高，且隨著錨刺、金屬圓盤數量的增加，錨盤極限承載力有不同程度提高。其中相對光滑無錨刺桿體形式錨盤，光滑單錨刺桿、光滑雙錨刺桿、螺紋光桿、螺紋單盤桿、螺紋雙盤桿錨盤拉拔力分別平均提高75.8%、84.7%、77.5%、103.6%、161.3%；光滑雙錨刺桿體形式錨盤拉拔力較光滑單錨刺桿體形式錨盤平均提高5%；螺紋雙盤桿體形式錨盤拉拔力較螺紋單盤、螺紋光桿桿體形式錨盤分別平均提高28.6%、47.3%；螺紋光桿桿體形式錨盤拉拔力較光滑單錨刺桿體形式錨盤平均提高0.8%，基本持平。

另外，由圖7可知，通過不同桿體形式錨盤破壞形式對比，可以發現光滑無錨刺桿體形式錨盤的破壞模式為桿體直接拔出，混凝土未發生破壞，錨盤拉拔力主要為桿體與混凝土之間的握裹力；其他桿體形式錨盤破壞模式由混凝土破壞引起，螺紋、錨刺、金屬圓盤的存在使混凝土強度獲得充分發揮，錨盤極限拉拔力顯著提高。

3　結論

通過對不同配合比及不同桿體形式豆石混凝土錨盤受力性能進行試驗，得出了以下結論：

（1）在保證豆石混凝土具有適宜坍落度的前提下，錨盤極限承載力隨混凝土強度的提高而提高，且豆石混凝土坍落度宜取180 mm～210 mm，以保證混凝土強度能得到較好發揮。

（2）不同桿體形式對錨盤受力能影響十分顯著。對于光滑無錨刺桿體形式，錨盤多發生桿體拔出破壞，未有效發揮灌漿材料強度，錨盤極限拉拔力較低；而對于其他桿體形式，錨盤破壞多由混凝土破壞引起，螺紋、錨刺、金屬圓盤的存在能更有效發揮混凝土強度，提高錨盤極限拉拔力。因此在實際工程應用中盤式錨盤的桿體宜多采用帶螺紋、帶錨刺、帶圓盤等形式。

國家自然科學基金(41172250)；國家十二五科技支撐項目(2012BAK09B06)；北京市創新團隊提升計劃項目(IDHT20140501)；北京市科研基地建設－科研創新平臺、科研專項－沖擊地壓微震監測與預警體系的構建(XN083)；新型錨桿加固技術現場試驗研究及研究生能力實訓(XN107)。

[1]程良奎.巖土錨固研究與新進展[J].巖石力學與工程學報,2005,24(21):3804-3805, doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2005.21.001.

[3]閆莫明,徐禎樣,蘇自約.巖士錨固技術手冊[M].北京:人民交通出版社,2005

[4]辛方超.盤式錨桿錨盤強度與錨固單元匹配的試驗研究[D].北京:北方工業大學,2013.

[5]陳靜. 盤式錨桿加固的工程造價與澆筑試驗的研究[D].北京:北方工業大學,2012

[6]國家能源局. DL/T 5083—2010水電水利工程預應力錨索施工規范[S].北京:中國電力出版社,2011

[7]中華人民共和國住房和城鄉建設部. GB 50086-2015巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范 [S].北京:中國計劃出版社,2015.

孫世國(1959-)，男，教授，博士后，博士生導師，北方工業大學礦山安全與巖土工程研究中心主任，土木工程一級學科責任教授，國家和北京市政府安全生產專家組成員，中國巖石力學與工程學會理事，國際工程地質與環境協會中國專家組成員。

苗子臻，男，碩士研究生，主要從事巖土工程方面研究工作。

E-mail: 406818699@qq.com

Experimental Study on Anti-pulling Behavior of Pisolite Concrete Anchor Plate

SUN Shi-guo, MIAO Zi-zhen, FENG Shao-jie, XIE Yu
(College of Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing , 100144, China)

Plate type anchor rod, as a new type of anchor rod, has advantages of easy manufacture and low construction technology requirements. Its anti-pulling behavior is significantly improved compared to traditional anchor rods, and thus has considerable engineering application value. Anchor plate, as an essential part of plate type anchor rod, its anti-pulling behavior is a key factor affecting ultimate bearing capacity of it. Designs of pisolite concretes with 6 different mix proportions are carried out in conjunction with using 6 different anchor rod forms, namely, smooth straight anchor rod, smooth single stinging anchor rod, smooth dual stinging anchor rod, screw anchor rod, screw single plate anchor rod, screw dual plate anchor rod, for investigation of anti-pulling behavior of anchor plate. The results show that, with the premise of appropriate slump of pisolite concrete, increase of concrete strength can significantly improve anti-pulling behavior of anchor plate; various anchor rod forms have obvious effects on force performance of anchor plate; rods with screw or sting can improve concrete strength more effectively, as to further enhance anti-pulling behavior of anchor plate.

Pisolite Concrete; Mix Proportion; Slump; Rod Form; Anchor Plate; Anti-pulling Behavior

TU473

A

2095-8412 (2016) 05-925-04工業技術創新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.026

[2]徐湘濤.巖土錨固技術研究現狀及發展趨勢[J].路基工程, 2009,(02):72, 10.3969/j.issn.1003-8825.2009.02.037.