基于豆石混凝土的不同桿體形式錨桿承載力試驗研究*

孫世國 苗子臻 龔之淇 郭 杰

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院)

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·材料·裝備·

基于豆石混凝土的不同桿體形式錨桿承載力試驗研究*

孫世國 苗子臻 龔之淇 郭 杰

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院)

為了提高錨桿承載力，利用小粒徑豆石混凝土作為錨固劑，進行了異型錨桿抗拔性能試驗，研究了混凝土強度及桿體形式對錨桿承載力的影響。試驗結(jié)果表明：桿體形式對錨桿承載力影響顯著，螺紋雙盤、螺紋單盤錨桿承載性能明顯優(yōu)于螺紋光桿錨桿，螺紋單盤錨桿承載力為螺紋光桿錨桿的1.12倍，螺紋雙盤錨桿承載力為螺紋單盤錨桿的1.35倍；對于螺紋單盤及螺紋雙盤錨桿，由于金屬圓盤的存在，錨固體系荷載傳遞機制發(fā)生改變，傳統(tǒng)界面滑脫破壞形態(tài)不再發(fā)生，破壞形態(tài)主要為圓盤上部漿體產(chǎn)生錐形剪切破壞，有利于錨桿承載力提高；在相同條件下，各錨桿承載力與混凝土強度呈非線性關(guān)系，隨混凝土強度的增加而增大，但其增大幅度隨著混凝土強度的提高而逐漸降低。

豆石混凝土 桿體形式 錨桿承載力 拉拔試驗

巖土錨固是巖土工程領(lǐng)域的重要分支，在巖土工程中采用錨固技術(shù)，能充分調(diào)用和提高巖土體的自身強度和自穩(wěn)能力，有效保證施工安全。在邊坡、基坑、礦井、隧洞、壩體及抗傾、抗浮結(jié)構(gòu)等工程中獲得廣泛應(yīng)用[1-4]。目前，大量研究及工程實踐表明：錨固系統(tǒng)的失效形式主要為注漿體與巖土體、桿體與注漿體界面滑移破壞[5-7]，且工程上常用純水泥漿液或水泥砂漿作為錨固劑，通常需要消耗大量水泥，工程造價高昂[8-10]。因此，本文采用小顆粒豆石混凝土作為錨固劑，通過室內(nèi)拉拔試驗，對3種不同桿體形式的錨桿抗拔性能及相應(yīng)破壞模式進行了研究，探討了混凝土強度、桿體形式對錨桿承載力的影響，以期為巖土錨固新技術(shù)的研發(fā)進行有益的探索。

1 試驗方案設(shè)計

一般而言，水泥砂漿或純水泥漿液作為錨固材料，具備灌漿便捷、受控因素少等優(yōu)點，但往往需要消耗大量水泥，導(dǎo)致工程造價過高。為此，根據(jù)錨桿灌漿的特點，采用小粒徑豆石混凝土作為錨固劑，對螺紋光桿、螺紋單盤桿、螺紋雙盤桿進行拉拔試驗，各桿體形式如圖1所示。本試驗依據(jù)混凝土強度及稠度的要求設(shè)計了4種不同配比，參數(shù)如表1所示。其中水泥選用42.5級普通硅酸鹽水泥，豆石骨料粒徑在10 mm以下，中砂，細度模數(shù)為2.6，取萘系高效減水劑，摻入量為膠凝材料1%，減水率20%。

圖1 不同桿體形式錨桿

試驗組號水∶水泥∶砂∶豆石(質(zhì)量比)外加劑塌落度/mm抗壓強度/MPaA1∶1．71∶2．73∶3．62無20035B1∶1．98∶3．15∶4．18減水劑18040C1∶2．22∶2．16∶3．67無18045D1∶2．55∶2．48∶4．22減水劑20050

螺紋桿直徑25 mm，長度400 mm；帶孔金屬圓盤外徑50 mm，內(nèi)徑25 mm，厚度10 mm，兩盤間距80 mm；選用200 mm×200 mm×200 mm立方體試塊。

試驗步驟如下：①根據(jù)試驗方案對各試驗材料用量進行計算，準(zhǔn)備試驗材料；②完成試塊制作及混凝土坍落度測定，試件澆筑時不進行振搗，完全依靠混凝土自密實；③自然養(yǎng)護28 d后進行試塊拉拔試驗，加載時通過特制固定裝置，將試塊固定在萬能試驗機上，錨桿通過固定裝置中間圓孔與試驗機下部夾具相連，拉拔速率選取0.2 kN/s。實驗裝置如圖2、圖3所示。

圖2 萬能試驗機

圖3 固定裝置

2 混凝土強度、桿體形式對錨桿承載力的影響

對12組試塊進行拉拔試驗，記錄每組相應(yīng)破壞模式及極限承載力，試驗結(jié)果如表2所示，相應(yīng)破壞模式大致可分為3類：①形式Ⅰ,多發(fā)生在較低混凝土強度的螺紋光桿試塊，由于螺紋的存在，隨荷載作用，試塊沿桿體產(chǎn)生劈裂破壞;②形式Ⅱ,多發(fā)生在較強混凝土強度的螺紋光桿試塊，主要為桿體與錨固劑(灌漿體)界面的滑脫破壞，桿體被拔出時，有明顯漿體碎屑帶出;③形式Ⅲ,多發(fā)生在螺紋單盤桿及螺紋雙盤桿試塊，由于金屬圓盤的存在，隨荷載作用，圓盤上部漿體產(chǎn)生錐形剪切破壞。

承托形式/MPa螺紋光桿/kN螺紋單盤/kN螺紋雙盤/kN3574．4984．15109．804084．8698．65136．654597．45105．42144．125099．76109．25147．10破壞形式Ⅰ、ⅡⅢⅢ

根據(jù)試驗結(jié)果,得到桿體形式及混凝土強度對錨桿承載力的影響分別如圖4、圖5所示,通過對螺紋光桿、螺紋單盤桿及螺紋雙盤桿試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到各桿體形式對應(yīng)的錨桿拉拔力與混凝土強度回歸關(guān)系曲線及方程，如圖6～圖8所示。

由表2、圖4可知，在其他條件相同時，螺紋單盤錨桿承載力約為螺紋光桿錨桿承載力的1.12倍，螺紋雙盤錨桿承載力約為螺紋單盤錨桿承載力的1.35倍，可知桿體形式的改變對錨桿承載力影響顯著，金屬圓盤的存在使錨桿承載力明顯提高。此外，通過各桿體相應(yīng)破壞形式對比，可知金屬圓盤的存在，使錨固體系荷載傳遞機制發(fā)生改變，充分發(fā)揮了機械咬合力的作用，避免了傳統(tǒng)破壞形式的發(fā)生。

圖4 桿體形式對錨桿承載力的影響

圖5 混凝土強度對錨桿承載力的影響

圖6 螺紋光桿錨桿拉拔力與混凝土強度關(guān)系曲線

圖7 螺紋單盤錨桿拉拔力與混凝土強度關(guān)系曲線

圖8 螺紋雙盤錨桿拉拔力與混凝土強度關(guān)系曲線

根據(jù)表2及圖5可知，在其他條件相同時，豆石混凝土強度從35 MPa提高至40 MPa,錨桿承載力提高14%～17%；從40 MPa提高至45 MPa, 錨桿承載力提高5%～12%；從45 MPa提高至50 MPa,錨桿承載力提高2%～5%。結(jié)合圖6～8可知，對于螺紋光桿、螺紋單盤、螺紋雙盤3種桿體形式，錨桿承載力與混凝土強度呈非線性關(guān)系，盡管隨混凝土強度的增加錨桿承載力增大，但其增加幅度隨著混凝土強度的提高而逐漸降低。

3 結(jié) 論

(1)桿體形式的改變對錨桿承載力影響顯著，對于螺紋單盤及螺紋雙盤錨桿，由于金屬圓盤的存在，錨固體系荷載傳遞機制發(fā)生改變，傳統(tǒng)界面滑脫破壞形態(tài)不再發(fā)生，圓盤擠壓混凝土形成的機械咬合力使錨桿承載力顯著增加。

(2)對螺紋光桿、螺紋單盤、螺紋雙盤3種不同的桿體形式，其錨桿承載力均與混凝土強度呈非線性關(guān)系，隨混凝土強度的增加錨桿承載力增大，但其增大幅度隨著混凝土強度的提高而逐漸降低。

[1] 程良奎,胡建林,張培文.巖土錨固技術(shù)新發(fā)展[J].工業(yè)建筑,2010,40(1):98-101.

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[3] 葉 強,劉 強.巖土錨固技術(shù)在公路邊坡治理中的應(yīng)用[J].公路,2011(12):43-45.

[4] 張樂文,李術(shù)才.巖土錨固的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2003,22(S1):2214-2221.

[5] 程良奎.巖土錨固[M]．1版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[6] 何思明,田金昌,周建庭.膠結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨索錨固段荷載傳遞特性研究 [J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(1):117.

[7] 尤春安.錨固系統(tǒng)應(yīng)力傳遞機理理論及應(yīng)用研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2004.

[8] 國家能源局.DL/T 5083—2010 水電水利工程預(yù)應(yīng)力錨索施工規(guī)范[S].北京：中國電力出版社,2011.

[9] 國家能源局.DL/T 5703—2014 水電水利工程預(yù)應(yīng)力錨桿用水泥錨固劑技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國電力出版社,2014.

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Test on the Bearing Capacity of the Anchor Bolt with Different Rod Forms Based on Pisolite Concrete

Sun Shiguo Miao Zizhen Gong Zhiqi Guo Jie

(College of Civil Engineering,North China University of Technology)

In order to improve the bearing capacity of the anchor bolt, the small diameter pea gravel concrete is taken as the anchoring agent, the uplift performance test of special shaped anchor bolt is conducted to analyze the influence of concrete strength and rod form on the bearing capacity of the anchor bolt. The test results show that the influence of rod form to the bearing capacity of anchor bolt is significant,the bearing performance of the threaded bolt with a disc and threaded bolt with two discs are obviously better than the pure threaded bolt,the bearing capacity of the threaded bolt with a disc and threaded bolt with two discs is the 1,12 and 1,25 times of the one of pure threaded bolt respectively;for the threaded bolt with one disc or two discs,the load transfer mechanism of anchorage system is changed,the traditional interface failure mode is no longer occurred,the failure mode is mainly cone shear failure that is generated in the upper part of the disc,which is conducive to the improvement of the baring capacity of the anchor bolt;under the same condition,the relationship between the bearing capacity of anchor bolt and concrete strength is non-linear,the bearing capacity of anchor bolt is increased with the increasing of concrete strength,however,the increase amplitude is decreased with the increasing of concrete strength.

Pisolite concrete,Rod form,Bearing capacity of anchor bolt,Pull out test

*國家自然科學(xué)基金項目(編號：41172250)；國家十二五科技支撐項目(編號：2012BAK09B06)；北京市創(chuàng)新團隊提升計劃項目(編號：IDHT20140501)；北京市科研基地建設(shè)-科研創(chuàng)新平臺、科研專項-沖擊地壓微震監(jiān)測與預(yù)警體系的構(gòu)建項目(編號：XN083)；新型錨桿加固技術(shù)現(xiàn)場試驗研究及研究生能力實訓(xùn)項目(編號：XN107)。

2016-09-05)

孫世國(1959—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，博士后，100144 北京市石景山區(qū)晉元莊路5號。