地下工程微觀NPR錨桿鋼靜力拉伸及錨固抗剪力學(xué)特性

陶志剛，任樹林，何滿潮，夏 敏

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083； 3.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

隨著資源需求量的不斷增加和人類活動范圍的不斷擴(kuò)展，能源開采、交通隧道等地下空間工程建設(shè)和開發(fā)逐漸向深部發(fā)展。與淺部巖體不同，隨著工程埋深的增加，工程地質(zhì)環(huán)境逐漸惡化，深部巖體往往具有高地應(yīng)力、大變形及強(qiáng)時間效應(yīng)等特點(diǎn)，這對深部工程支護(hù)材料提出了新的挑戰(zhàn)。在淺部工程中，采用“以剛克剛”或“以柔克剛”支護(hù)思想的傳統(tǒng)支護(hù)材料往往能滿足一定的支護(hù)需求，而對于深部工程而言，需要研發(fā)出具有高延伸率、高強(qiáng)度以及能夠施加高預(yù)緊力的超強(qiáng)吸能理想支護(hù)材料。基于此問題，相關(guān)學(xué)者開展大量研究,并研發(fā)出多種能量吸收錨桿，如D-bolt，MCB conebolt，拉壓耦合錨桿以及宏觀NPR錨桿/索等，在支護(hù)工程中都發(fā)揮重要的作用，取得良好的支護(hù)效果。但這些錨桿一般是由多種材料組合而成的結(jié)構(gòu)，施工工藝復(fù)雜，成本居高不下。更為關(guān)鍵的是，這些錨桿的相關(guān)組合材料均采用具有泊松比效應(yīng)(Poission’s Ratio)的普通小變形材料，即在小變形條件下發(fā)生頸縮效應(yīng)然后破斷失效的材料。因此，理想支護(hù)材料的研發(fā)是亟需解決的問題。基于此問題，筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型的高強(qiáng)度、高延性，具有微觀NPR(Negative Poisson’s Ratio)效應(yīng)的超級錨桿鋼材料，該材料能夠有效平衡鋼材高強(qiáng)度和高延性的矛盾，滿足理想支護(hù)材料的要求，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了錨桿的超強(qiáng)吸能特性。

另一方面，深部地下空間巖體往往是由許多亂序分布的節(jié)理、裂隙及斷層等弱結(jié)構(gòu)面和被其切割的巖塊組成的塊體系統(tǒng)，其力學(xué)作用、變形特征和失穩(wěn)模式受結(jié)構(gòu)面控制。錨桿支護(hù)工程對不穩(wěn)定塊體的錯動變形起關(guān)鍵約束作用。現(xiàn)場工程研究表明，錨桿在深部支護(hù)工程中往往是由拉力和剪力的綜合作用所致，因此錨桿錨固節(jié)理巖體抗剪性能的研究對錨固工程具有重要意義。1974年BJURETRO S首次開展加錨節(jié)理巖體剪切實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)研究了全長黏結(jié)型錨桿在不同錨固角度條件下加固含貫通節(jié)理的花崗巖體的剪切性能。隨后眾多學(xué)者從錨固角度、節(jié)理面粗糙度、錨固方式、加載條件以及預(yù)應(yīng)力等方面開展一系列錨固節(jié)理巖體剪切實(shí)驗(yàn)。LI等開展了不同錨固角度和注漿強(qiáng)度對錨固剪切性能的實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為錨固角度為40°～50°，注漿強(qiáng)度為50 MPa時，錨固抗剪效果最佳。LIU等分析了在不同節(jié)理面摩擦角條件下錨固角度對錨桿橫向剪切抗力的影響，指出當(dāng)錨固角小于節(jié)理面摩擦角時，錨桿的橫向剪切抗力接近于0。CUI等開展了CNL和CNS邊界條件下錨固節(jié)理巖體剪切實(shí)驗(yàn)，研究了不同法向邊界條件對加錨節(jié)理巖體剪切性能的影響。WU等研究了循環(huán)剪切荷載條件下錨桿失效特征和節(jié)理巖體加固效果。WU等研究了節(jié)理面粗糙度對錨固機(jī)制的影響，認(rèn)為節(jié)理面剪脹效應(yīng)能有效提高錨桿對節(jié)理面抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值，錨桿能夠有效抑制節(jié)理面的剪脹效應(yīng)。LI等通過室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)對比研究了玻璃鋼纖維錨桿、螺紋鋼錨桿和錨索對混凝土節(jié)理面抗剪性能的影響，研究表明錨固巖體剪切剛度受錨桿剛度影響顯著。CHEN等和WU等分別對D-bolt和TCC錨桿的錨固剪切特性進(jìn)行了研究，研究表明吸能錨桿的錨固抗剪性能顯著優(yōu)于普通錨桿。通過相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)不難發(fā)現(xiàn)，錨固角度、結(jié)構(gòu)面粗糙度、加載條件等因素對錨桿錨固抗剪作用影響顯著，但目前錨桿錨固節(jié)理巖體抗剪性能的研究都采用普通PR材料的錨桿，微觀NPR鋼抗剪性能的研究尚屬空白，亟需開展微觀NPR鋼錨固節(jié)理巖體抗剪力學(xué)性能的研究。

為此，筆者首先對PR材料、宏觀NPR結(jié)構(gòu)以及微觀NPR材料的概念和研發(fā)歷史進(jìn)行介紹說明；然后開展微觀NPR錨桿鋼和普通PR錨桿鋼靜力拉伸實(shí)驗(yàn)，對比研究其靜力拉伸力學(xué)性能和破壞形態(tài)；最后在不同法向應(yīng)力條件下開展微觀NPR錨桿鋼和普通PR錨桿鋼的錨固節(jié)理巖體以及無錨固節(jié)理巖體室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)，對比分析錨固節(jié)理巖體剪切力-剪切位移曲線特征、剪切強(qiáng)度以及錨桿變形失穩(wěn)模式等，為微觀NPR錨桿鋼的實(shí)際工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 PR材料、宏觀NPR結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和微觀NPR材料的特點(diǎn)

1.1 PR材料

PR(Poisson’s Ratio)材料，又稱泊松材料，是指具有泊松效應(yīng)這一類材料的統(tǒng)稱，它的概念來源于描述材料物理力學(xué)性質(zhì)的參數(shù)——“泊松比”。“泊松比”以法國數(shù)學(xué)家西莫恩·德尼·泊松命名，定義為材料的橫向收縮應(yīng)變與縱向伸長應(yīng)變之比的相反數(shù)，又稱為橫向變形系數(shù)。通常情況下認(rèn)為，幾乎所有的材料泊松比為正值，具有泊松效應(yīng)，即材料在受拉伸作用時，橫向發(fā)生收縮(圖1(a)，為材料所受拉力)。相反地，NPR材料(Negative Poisson’s Ratio)，又稱負(fù)泊松材料，是指材料具有負(fù)泊松效應(yīng)，在受拉伸作用時，橫向發(fā)生膨脹(圖1(b))。材料的負(fù)泊松效應(yīng)不受尺度的影響，可以是宏觀結(jié)構(gòu)的整體行為，也可以是內(nèi)部結(jié)構(gòu)微觀尺度的性質(zhì)表現(xiàn)。1987年，LAKES報道了具有負(fù)泊松比效應(yīng)的聚氨酯泡沫材料。近些年來，NPR材料因其在強(qiáng)度、變形等方面的優(yōu)良特性和應(yīng)用潛力逐漸被學(xué)者們所關(guān)注并得到迅速發(fā)展。但目前NPR材料的研究成果大多處于分子等微觀尺度，停留在理論和實(shí)驗(yàn)階段，并且由于其高昂的制造成本，距離產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用仍有一定距離。

圖1 PR材料和NPR材料變形示意

1.2 宏觀NPR結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

在工程支護(hù)領(lǐng)域，錨桿支護(hù)具有十分重要的地位，目前所采用的錨桿材料主要為Q235，MG335以及MG400等普通PR材料，該類材料受拉伸作用時，在較小的變形量下即發(fā)生屈服、產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，最終材料破斷失效，無法滿足深部巖土體大變形災(zāi)變的支護(hù)要求。面對深部工程建設(shè)對剛?cè)岵?jì)支護(hù)材料的客觀需求，如何研發(fā)出具有恒阻大變形、超強(qiáng)吸能性質(zhì)的理想塑性材料是解決深部支護(hù)問題的關(guān)鍵(圖2)。2004年，何滿潮院士提出理想塑性材料可能是一種NPR材料或結(jié)構(gòu)，并帶領(lǐng)筆者所在的深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)開展相關(guān)研究，最終于2006年研發(fā)出具有恒阻大變形的宏觀NPR結(jié)構(gòu)錨桿/索，該錨桿/索通過恒阻錐體和恒阻套管的調(diào)控設(shè)計，在桿體受拉時帶動恒阻錐體發(fā)生滑移，從而導(dǎo)致恒阻套管發(fā)生膨脹，最終實(shí)現(xiàn)錨桿/索伸長同時變粗的NPR效應(yīng)(圖3)。2009年建立宏觀NPR結(jié)構(gòu)錨桿/索生產(chǎn)線，有效解決了深部圍巖大變形支護(hù)問題，在巷道工程、隧道工程等領(lǐng)域得以廣泛使用。

圖2 理想支護(hù)材料示意

圖3 宏觀NPR結(jié)構(gòu)變形示意

1.3 微觀NPR材料

基于宏觀NPR結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)，2014年何滿潮院士提出了微觀NPR錨桿材料的構(gòu)想和概念，即研發(fā)出一種與普通鋼筋外形一致，但具有高強(qiáng)高韌、無屈服平臺及超強(qiáng)吸能的理想塑性鋼材，從本質(zhì)上解決鋼筋材料小變形的力學(xué)特性。課題組將宏觀NPR結(jié)構(gòu)的概念融入到鋼鐵冶煉中，通過微量元素配比、冶煉工藝的改變以及共格界面設(shè)計于2018年成功研發(fā)出微觀NPR錨桿材料，并建立微觀NPR材料生產(chǎn)線。本文主要采用靜力拉伸實(shí)驗(yàn)和錨固剪切實(shí)驗(yàn)研究微觀NPR錨桿鋼的拉伸和剪切性能。

2 微觀NPR錨桿鋼靜力拉伸性能實(shí)驗(yàn)研究

2.1 靜力拉伸實(shí)驗(yàn)設(shè)計

為研究微觀NPR錨桿鋼靜力拉伸條件下的破壞形態(tài)和力學(xué)性能，采用WAW-1000B微機(jī)控制電液伺服萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜力拉伸實(shí)驗(yàn)。如圖4所示，該實(shí)驗(yàn)機(jī)主要由加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)時通過微機(jī)控制高精度電液伺服閥，驅(qū)動精密液壓缸，對力、位移、變形進(jìn)行多種模式的自動控制，完成對試樣的拉伸、壓縮、抗彎抗折實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)選取直徑為18 mm的NPR錨桿鋼材料，并設(shè)置Q235，MG335及MG400三種常用錨桿鋼作為對照組進(jìn)行對比研究。每種類型的錨桿鋼準(zhǔn)備5根，至少進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，長度為200 mm，兩端各留40 mm的夾持端，實(shí)驗(yàn)采用位移控制方式，位移控制速度為1 mm/min。實(shí)驗(yàn)機(jī)自動實(shí)時記錄變形-強(qiáng)度曲線，參照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)》的相關(guān)要求開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)采集。

圖4 鋼筋拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)

2.2 拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5為4種錨桿鋼靜力拉伸實(shí)驗(yàn)曲線，曲線可大致分為4個階段：彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和破斷階段。彈性階段錨桿拉伸強(qiáng)度和位移基本呈線性變化，達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)入屈服階段，Q235，MG335和MG400三種錨桿的拉伸曲線具有明顯的屈服平臺，強(qiáng)度出現(xiàn)較小的上下波動，而微觀NPR鋼沒有出現(xiàn)屈服平臺。隨著拉伸位移的不斷增加，錨桿進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段，拉伸強(qiáng)度不斷提升直至達(dá)到峰值強(qiáng)度，與普通錨桿不同，微觀NPR錨桿在塑性階段具有顯著的恒阻能力。隨后進(jìn)入破斷階段，錨桿拉伸強(qiáng)度隨著位移增加迅速減小，最終發(fā)生破斷。圖6為不同類型錨桿鋼破斷后的實(shí)驗(yàn)照片，可直觀看出普通錨桿局部變形明顯，而微觀NPR錨桿鋼具有顯著整體均勻變形能力，破斷時基本無頸縮。

圖5 不同類型錨桿鋼靜力拉伸曲線

圖6 不同類型錨桿斷后頸縮現(xiàn)象

表1對4種錨桿的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比及最大力延伸率進(jìn)行統(tǒng)計，Q235，MG335和MG400三種錨桿的抗拉強(qiáng)度分別為560，572和650 MPa，其最大力延伸率分別為16.7%，19.1%和16.3%，而微觀

表1 不同類型錨桿拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

NPR鋼的抗拉強(qiáng)度為981 MPa，最大力延伸率達(dá)到36.6%，相較于普通錨桿，微觀NPR錨桿鋼大大提高了錨桿材料的強(qiáng)度和變形性能。屈強(qiáng)比是材料屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值，它能夠表征材料抵抗變形的能力，其值越大表示材料抵抗變形的能力越強(qiáng)，Q235，MG335，MG400和微觀NPR錨桿鋼的屈強(qiáng)比分別為0.67，0.63，0.68及0.80，微觀NPR錨桿鋼的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比都顯著高于普通錨桿鋼，這對深部圍巖支護(hù)工程錨桿預(yù)應(yīng)力的施加具有重要意義，實(shí)現(xiàn)了深部工程的高預(yù)緊力支護(hù)，有效補(bǔ)償深部開挖所導(dǎo)致的應(yīng)力損失，此外，高恒阻力以及高延伸率的特點(diǎn)也使得微觀NPR錨桿具有更強(qiáng)的能量吸收和安全儲備，能夠有效保障深部工程的安全性和可靠性。

3 微觀NPR錨桿鋼錨固剪切力學(xué)性能

3.1 抗剪實(shí)驗(yàn)設(shè)計

..實(shí)驗(yàn)試件制備

為研究微觀NPR錨桿鋼的錨固剪切力學(xué)性能，制作錨固節(jié)理巖體試樣進(jìn)行室內(nèi)直剪實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用微觀NPR鋼與普通PR鋼對照實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究，設(shè)置Q235鋼為實(shí)驗(yàn)對照組。實(shí)驗(yàn)錨桿選用直徑為8 mm的微觀NPR鋼和Q235鋼2種光圓鋼筋加工而成。如圖7所示，鋼筋加工為長170 mm的桿體，由于工程中錨桿端部通常會安裝墊板以及螺母對錨頭端部進(jìn)行鎖定以增強(qiáng)加固效果，因此本實(shí)驗(yàn)中鋼筋2端進(jìn)行套絲處理，絲長為10 mm，兩端配備螺母和墊片以用于節(jié)理巖體的兩端錨固。圖8為直徑8 mm的微觀NPR鋼和Q235鋼在靜力拉伸條件下的強(qiáng)度-延伸率曲線，結(jié)果顯示2種鋼材具有明顯不同的力學(xué)性能。Q235鋼作為普通PR鋼材的一種，具有明顯的屈服平臺，屈服強(qiáng)度約為350 MPa，抗拉強(qiáng)度為531 MPa，最大力延伸率約為17.5%。微觀NPR鋼無屈服平臺，其屈服強(qiáng)度為819 MPa，抗拉強(qiáng)度能達(dá)到987 MPa，最大力延伸率達(dá)到30.8%，具有高強(qiáng)、高延伸率等超常力學(xué)特性。

圖7 實(shí)驗(yàn)錨桿制作

圖8 微觀NPR鋼和Q235鋼延伸率-強(qiáng)度曲線

..錨固節(jié)理巖體制備

圖9為錨固節(jié)理巖體試樣模型，試樣采用工程現(xiàn)場取回的花崗巖巖體加工而成。節(jié)理巖體試樣尺寸采用邊長為150 mm的立方體。研究表明，節(jié)理面粗糙度對錨桿錨固剪切性能影響較大，本文只考慮表面形態(tài)為平直型的節(jié)理。錨固節(jié)理巖體試樣具體制作流程如圖10所示，首先將花崗巖巖體切割為150 mm×150 mm×75 mm(長×寬×高)的長方體作為節(jié)理巖體的上下盤，隨后在長方體巖塊中心處鉆孔以便于后續(xù)錨桿注漿錨固等工序，參考相關(guān)實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)[38-39]，試樣巖體鉆孔孔徑一般比錨桿直徑大2～4 mm，本文鉆孔孔徑為12 mm。考慮到工程現(xiàn)場節(jié)理、斷層等結(jié)構(gòu)面之間分布有斷層泥等具有粘性的填充物，在上下盤2個長方體巖塊之間涂抹2～3 mm厚的素水泥漿粘合制成無錨固節(jié)理巖體試樣，涂抹的素水泥漿以及鉆孔中注漿漿液均采用標(biāo)號為32.5的普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.42。在室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，待水泥漿達(dá)到其初凝強(qiáng)度后，進(jìn)行節(jié)理巖體的錨固和注漿。錨固時首先將錨桿試樣從上下盤中心鉆孔中穿入，先將錨桿一端用螺母鎖定，然后從另一端進(jìn)行孔內(nèi)注漿，注漿完成后同樣用墊片和螺母進(jìn)行鎖定。將錨固注漿后的巖體在室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，待注漿強(qiáng)度達(dá)到其終凝強(qiáng)度后，錨固節(jié)理巖體試樣即制作完成。

圖9 錨固節(jié)理巖體直剪實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖10 錨固節(jié)理巖體試樣制作流程

3.2 實(shí)驗(yàn)加載路徑設(shè)計

為研究微觀NPR鋼和Q235鋼2種類型的錨桿對錨固節(jié)理巖體力學(xué)性能的影響規(guī)律，在恒定法向應(yīng)力條件下(CNL)開展4種法向應(yīng)力(2，4，8，10 MPa)、3種錨固類型(無錨固、微觀NPR鋼和Q235錨固)的直接剪切實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的YZW100型微機(jī)控制電動應(yīng)力式直剪儀(圖11)，該儀器主要由法向和切向液壓加載控制單元、液壓伺服控制系統(tǒng)、系統(tǒng)控制顯示系統(tǒng)、壓力室等組成，其結(jié)構(gòu)性能符合相關(guān)實(shí)驗(yàn)規(guī)范要求。實(shí)驗(yàn)開始前首先將試樣放入直剪盒中，需要說明的是，由于本文試樣兩端錨固端頭高于巖體試樣表面，采用常規(guī)直剪盒無法水平穩(wěn)定放置，因此需對直剪盒進(jìn)行改進(jìn)，在直剪盒頂部和底部中心處切割直徑15 mm的小孔，實(shí)驗(yàn)錨桿能夠穿入切割孔，從而保證直剪盒能夠水平放置，滿足實(shí)驗(yàn)加載要求。實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)力控制法對試樣施加法向應(yīng)力，法向加載速率為0.1 kN/s。待法向應(yīng)力達(dá)到預(yù)設(shè)值后穩(wěn)壓10 s，然后采用位移控制法施加水平剪切位移，剪切位移速率為0.01 mm/s，直到錨桿發(fā)生破斷或者剪切位移量達(dá)到30 mm時剪切實(shí)驗(yàn)終止。實(shí)驗(yàn)過程中剪切力-剪切位移曲線由電液伺服系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測記錄。

圖11 YZW100型直剪儀

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

..剪切位移剪切力曲線特征分析

無錨固、Q235鋼錨固以及微觀NPR鋼錨固節(jié)理巖體試樣在不同的法向應(yīng)力條件下的剪切位移-剪切力曲線如圖12所示。

(1)無錨固節(jié)理巖體。由圖12(a)可見，無錨固節(jié)理巖體在不同法向應(yīng)力條件下，剪切位移-剪切力曲線整體變化趨勢較為一致，主要可分為2個階段：

圖12 節(jié)理巖體試樣剪切力-剪切位移曲線

① 彈性上升階段。該階段剪切力和剪切位移基本呈線性關(guān)系，剪切位移較小，剪力迅速增大。無錨固節(jié)理巖體主要依靠巖體上下盤之間的水泥漿液膠結(jié)力提供一定的抗剪強(qiáng)度來抵抗水平剪切力。

② 殘余變形階段。隨著剪切荷載的不斷增加，剪切力大于水泥漿液的膠結(jié)力，節(jié)理巖體上下盤之間的膠結(jié)作用被破壞，剪切力瞬間跌落。節(jié)理面之間膠結(jié)脆斷，形成貫通破壞面，節(jié)理巖體僅依靠節(jié)理面兩壁之間的物理摩擦力抵抗水平剪切力。曲線表現(xiàn)為隨著剪切位移的增加，剪切力呈一條水平直線基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。無錨固節(jié)理巖體剪切破壞具有顯著的脆性破壞特征。

(2)Q235鋼、微觀NPR鋼錨固節(jié)理巖體。如圖12(b)，(c)所示，Q235鋼、微觀NPR鋼錨固節(jié)理巖體在不同的法向應(yīng)力條件下，剪切位移-剪切力曲線整體可分為3個階段：

① 彈性上升階段。此階段與無錨固節(jié)理巖體類似，在加載初期剪切力和剪切位移基本呈線性關(guān)系。

② 錨固加強(qiáng)階段。該階段開始前剪切力發(fā)生突降，主要由于剪切力大于節(jié)理面水泥漿膠結(jié)力導(dǎo)致膠結(jié)斷裂。與無錨固工況不同，由于錨桿錨固的加強(qiáng)效應(yīng)，剪切力迅速恢復(fù)，錨桿在此階段充分發(fā)揮其抗剪作用，是剪切力的承載主體。在承受一定的剪切荷載以及剪切變形條件下，錨固巖體仍能保持較高的剪切強(qiáng)度。與無錨固節(jié)理巖體的脆性破壞特征相比，加錨節(jié)理巖體具有顯著的延性破壞特征。

③ 錨桿斷裂，殘余變形階段。隨著剪切位移的不斷增加，剪應(yīng)力突然發(fā)生跌落，實(shí)驗(yàn)過程中能聽見鋼筋脆斷的聲響，此階段錨桿發(fā)生斷裂，錨固作用失效。與無錨固節(jié)理巖體類似，此階段節(jié)理巖體僅依靠節(jié)理面界面摩擦力發(fā)揮抗剪作用。

..錨固前后力學(xué)特性對比分析

加錨節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度是無錨固節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度和錨桿抗剪作用的綜合效應(yīng)，是描述剪切特性的重要參數(shù)。表2為試樣在不同工況條件下的剪切強(qiáng)度及錨固前后強(qiáng)度增量的數(shù)據(jù)匯總。由于法向應(yīng)力為2 MPa條件下，微觀NPR鋼在實(shí)驗(yàn)過程中未發(fā)生斷裂，剪切強(qiáng)度仍有上升趨勢，取其在剪切實(shí)驗(yàn)終點(diǎn)處的剪切應(yīng)力作為該實(shí)驗(yàn)工況的抗剪強(qiáng)度。從表2可以得到，加錨后的巖體抗剪強(qiáng)度相較于無錨固節(jié)理巖體皆有不同程度的提升。Q235鋼和微觀NPR鋼的平均提升強(qiáng)度分別為0.93和2.77 MPa，微觀NPR所能提供的抗剪強(qiáng)度最高。

表2 錨固節(jié)理巖體剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計

錨固及未錨固節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度符合摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則(式(1))，為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，將表2中各錨桿類型的平均剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合，擬合結(jié)果如圖13所示。

圖13 錨固前后節(jié)理剪切強(qiáng)度擬合曲線

=+tan

(1)

式中，為黏聚力，MPa；為法向應(yīng)力，MPa；為內(nèi)摩擦角，(°)；為剪切強(qiáng)度，MPa。

在不同錨桿類型和法向應(yīng)力條件下，剪切強(qiáng)度和法向應(yīng)力都具有良好的相關(guān)性。無錨固節(jié)理巖體黏聚力為0.343 MPa，內(nèi)摩擦角為31.96°。錨固后擬合曲線斜率和截距都有不同程度的提高，即錨桿的錨固作用對節(jié)理巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角都有提升，將錨固后的節(jié)理巖體黏聚力和內(nèi)摩擦角分別定義為當(dāng)量黏聚力和當(dāng)量內(nèi)摩擦角。Q235鋼和微觀NPR鋼的當(dāng)量黏聚力分別為0.958和2.796 MPa，當(dāng)量內(nèi)摩擦角分別為34.05°和34.14°。以上數(shù)據(jù)表明微觀NPR鋼錨固對節(jié)理巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角提升最大，與Q235鋼錨固效果相比，微觀NPR鋼的錨固抗剪效果更好。

深部巖體支護(hù)工程中要求支護(hù)結(jié)構(gòu)除具有較高的強(qiáng)度提升外，還應(yīng)具有一定適應(yīng)變形的能力。因此，在錨桿錨固節(jié)理巖體抗剪加固中，錨桿抗剪切作用長度也是其性能的重要體現(xiàn)。根據(jù)Q235鋼和微觀NPR鋼錨固節(jié)理巖體剪切力-剪切位移曲線，對錨固加強(qiáng)階段起點(diǎn)和錨固加強(qiáng)階段終點(diǎn)，定義兩者之差為剪切實(shí)驗(yàn)過程中錨桿的作用長度，結(jié)果見表2，由于法向應(yīng)力為2 MPa條件下微觀NPR錨桿并未發(fā)生失效，為便于對比分析，將剪切實(shí)驗(yàn)最大剪切位移30 mm作為該工況下的錨固作用終點(diǎn)。Q235鋼在4種法向應(yīng)力條件下的平均作用長度為5.48 mm。微觀NPR鋼平均作用長度為21.65 mm，是Q235鋼剪切變形能力的3.95倍以上。

..錨固節(jié)理巖體變形及破壞特征分析

錨桿在錨固巖體中發(fā)揮橫向抗剪作用時，受到外部荷載和圍巖擠壓的綜合作用，必然會產(chǎn)生一定的橫向變形，有必要對剪切實(shí)驗(yàn)后的節(jié)理巖體、錨桿變形和失穩(wěn)特征進(jìn)行分析，圖14為剪切實(shí)驗(yàn)后的錨固巖體變形失穩(wěn)。圖14(a)為Q235鋼錨固節(jié)理巖體試樣在剪切實(shí)驗(yàn)后的變形特征，錨桿在較小的剪切位移條件下直接發(fā)生斷裂。節(jié)理面錨桿兩側(cè)形成擠壓區(qū)和解耦區(qū)，擠壓區(qū)錨桿與孔壁界面產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)巖體和錨固漿體被擠壓破碎，出現(xiàn)明顯的橢圓形白色磨損區(qū)域。解耦區(qū)錨桿與孔壁漿體因拉應(yīng)力作用發(fā)生脫黏分離。圖14(b)為法向應(yīng)力為2 MPa條件下，微觀NPR鋼錨固節(jié)理巖體試樣在實(shí)驗(yàn)后的變形特征，可以直觀的看到錨桿在節(jié)理面附近發(fā)生局部剪切變形，變形形狀呈“S”型。此外，部分試樣在加載過程中由于錨桿的擠壓作用，在孔口處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，達(dá)到巖體的抗剪強(qiáng)度，試塊節(jié)理面附近出現(xiàn)裂紋和局部破壞，最終導(dǎo)致試樣開裂(圖14(c))。但由于試樣放置于剪切盒中，破裂錨固巖體以錨桿作為承載主體，仍然保持一定的抗剪能力可繼續(xù)加載，直到滿足實(shí)驗(yàn)終止條件。

圖14 直剪實(shí)驗(yàn)后試樣變形失穩(wěn)

為進(jìn)一步分析錨桿剪切變形破斷特征，每個試樣直剪實(shí)驗(yàn)做完后將錨桿從錨固巖體中取出。如圖15所示，在法向應(yīng)力為2，4，8及10 MPa的條件下，Q235橫向剪切變形量分別為7.32，5.74，6.22和5.93 mm，平均值為6.30 mm。微觀NPR鋼橫向剪切變形量分別為22.13，17.68，12.23和9.86 mm，平均值為15.48 mm。Q235鋼在剪切變形量平均為0.79倍錨桿直徑時即發(fā)生斷裂失效，基本呈現(xiàn)出一種剪切脆性破壞的現(xiàn)象。

圖15 錨桿變形失穩(wěn)

微觀NPR鋼的剪切變形量能達(dá)到其直徑的1.94倍，微觀NPR鋼承受橫向剪切變形量是Q235鋼的2.5倍左右。此外，隨著法向應(yīng)力的不斷增大，微觀NPR鋼剪切變形量呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。分析該情況產(chǎn)生原因，如圖16所示，由于錨固巖體受橫向剪切力作用會使錨桿產(chǎn)生垂直和平行于錨桿軸線2個方向的力分量和，導(dǎo)致錨桿發(fā)生軸向和橫向變形和，綜合作用后錨桿宏觀表現(xiàn)為“S”形變形。

圖16 微觀NPR鋼深部支護(hù)變形示意

鋼材的軸向變形承載能力遠(yuǎn)大于其橫向剪切方向變形承載能力，在較低的法向應(yīng)力下，錨桿的軸向和橫向變形承載能力都能較好的發(fā)揮。而隨著法向應(yīng)力的增大，微觀NPR鋼的軸向變形被抑制，錨桿橫向變形成為承載主體，錨桿的剪切變形量逐漸降低。因此在深部工程中，普通PR錨桿/索往往受剪切或拉剪作用發(fā)生脆斷，造成突發(fā)性的工程災(zāi)害，而微觀NPR錨桿鋼具有良好的巖體抗剪強(qiáng)度提升能力和抗剪切變形能力，在深部支護(hù)中具有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

(1)通過靜力拉伸實(shí)驗(yàn)研究表明，微觀NPR鋼拉伸曲線無屈服平臺，具有恒阻大變形的準(zhǔn)理想彈塑性特征，且其拉伸過程中均勻變形，斷后基本無頸縮，相較于普通錨桿鋼，顯著提高了錨桿材料的強(qiáng)度和變形性能。

(2)通過錨固剪切實(shí)驗(yàn)剪切位移-剪切力曲線以及錨桿變形失穩(wěn)特征分析得到，加錨節(jié)理巖體在剪切荷載作用下具有顯著的延性破壞特征，有效改善了無錨節(jié)理巖體脆性破壞現(xiàn)象；相較于普通錨桿鋼，微觀NPR錨桿鋼能夠提供更高的抗剪強(qiáng)度以及更大的抵抗剪切變形能力。

(3)微觀NPR錨桿鋼很好平衡了傳統(tǒng)鋼材高強(qiáng)度和高延性的矛盾，極大提升了錨桿鋼抗拉和抗剪能力，從材料本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了錨桿的大變形超強(qiáng)吸能特性，對川藏鐵路、煤炭資源開采等工程建設(shè)具有良好的應(yīng)用價值。