錨固長度及錨固劑種類對錨桿錨固強度的影響研究

吳培林

(潞安化工集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

錨固支護是一種廣泛應用于巖土工程的圍巖加固技術，錨固體系的承載能力取決于錨桿的桿體承載能力、錨固劑與錨桿的結合強度、錨固劑與圍巖的結合強度、托盤的強度等[1]。在上述因素中，錨固劑與錨桿、圍巖的結合強度是極為重要的一項[2]。目前，在巖石工程中通常出現的錨固破壞形式往往為錨固強度不足而發生的錨固段失效破壞，從而引起工程生產安全性不高和不經濟[3]。

為此，許多學者對錨固段的錨固強度進行了相關研究。其研究核心主要聚焦在不同水質條件下錨固劑的力學性能[4]、溫度對錨固劑力學性能的影響[5]、巖性對錨固強度的影響[6]、圍巖完整度對錨固強度的影響[7]、錨固劑與錨桿粘接強度特性[8]等研究。這些研究都在不同程度上推動了錨固支護技術的提高。

錨固長度和錨固劑的性質是影響錨固體系承載能力的主要因素，在實際工程中經常會因為錨桿與錨固劑粘結失效而引發錨固系統的破壞。本文將采用實驗室實驗與數值模擬的方式，分別對錨固長度、錨固劑性質對錨桿錨固強度的影響進行深入研究。

1 錨固長度對錨固強度的影響

1.1 實驗儀器及試件制備

試驗所用錨桿為左旋螺紋鋼錨桿，見圖1。錨桿直徑20 mm、肋高1.7 mm、肋間距13.7 mm、橫肋底寬4.5 mm、頂寬3.3 mm，材質為20 MnSi。本次采用混凝土錨固劑，完全固化時間約為8 h，與螺紋錨桿的粘接強度為20 MPa，界面抗剪剛度為300 MPa/m。試驗中錨固劑的配比方法見圖2。試驗中采用鋼管作為套筒模擬現場中的圍巖及鉆孔，鋼管的外徑為100 mm、壁厚4 mm、長度為1 600 mm。

圖1 試驗所用左旋螺紋鋼錨桿圖

圖2 錨固劑混合圖

試驗中采用SY-40型錨桿承載力測試試驗機進行錨固力測試，該試驗臺由液壓油泵對錨桿施加軸向拉力，并通過計算機進行加載和控制，最大試驗力300 kN，見圖3。

試驗錨固長度分別為10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm，120 cm和140 cm，試驗共設置8組試樣，每組試樣數量10個，共80個試件。試件制作時，首先將鋼套筒固定在試驗攪拌設備的平臺上，將試驗錨桿夾置于攪拌設備上部夾具上，用天平量取90 g膠泥放置于事先準備好的容器中，將準備好的鐵絲段按量加入膠泥中并混合攪勻，并將混合物倒入鋼套筒中，利用準備好的注射器抽取3 mL固化劑注入鋼套筒中，開動攪拌機并設定轉速500 r/min，推力50 kN，攪拌時間25 s進行模擬錨桿安裝，待錨固劑固化后取下試件，放入恒溫恒濕養護箱中靜置養護，養護溫度為20 ℃，養護時間20 d，見圖4。

圖3 錨固力測試機

圖4 部分試件養護

1.2 試驗步驟

在試件養護28 d后，檢查錨固端錨固劑是否有開裂情況，若沒有，將鋼筋端頭位置車出螺紋，并進行拉拔試驗。實驗的具體步驟為：開啟拉拔試驗機，將制備完成的錨固試件置于拉拔試驗設備平臺上，底部套筒和錨桿上部利用夾具固定，設定加載方式為拉拔位移閉環控制，通過計算機對錨桿逐級加載，拉拔荷載每分鐘增加1 kN，恒載時間10 s，待其穩定地持載后，觀測試驗現象，并記錄試驗過程中的最大拉拔力和荷載-位移曲線。

1.3 試驗結果及分析

通過上述實驗步驟對本次試驗制作的80個錨桿試件依次進行拉拔試驗，直到將每個錨桿拉脫出錨固體系為止，見圖5，從而得到每一個錨桿的最大承載力及每組錨固長度的極限承載力平均值。錨固長度與極限承載力的關系見圖6。由圖6得知，錨桿錨固體系的極限承載力并不是與錨固長度成正比的，雖然錨固長度越長，錨固質量越好，但錨固長度大于100 cm后，極限承載力隨錨固長度的增大，增長率變小，存在一個最優錨固長度，使得此錨固狀態下的極限承載力不低，而需要的成本更小。

圖5 試驗完成后的部分破壞試件

圖6 錨固強度隨錨固長度的變化曲線

從上述分析中可以得到下面公式，即假設錨固劑的應力-應變關系均為線性，則錨桿最大承載能力與錨固劑-錨桿界面的抗剪強度、純錨固劑錨固強度、錨桿直徑、彈性模量、長度均存在著關系，通過分析總結，得到錨桿最大承載能力與他們的關系為：

(1)

式中：[τ]為錨固劑-錨桿界面的抗剪強度，MPa；R0為純錨固劑錨固強度，kN；K為錨固劑和錨桿界面的剪切剛度，MPa/m；d為錨桿直徑，mm；Eb為錨桿的彈性模量，MPa；Lb為錨固長度，m。

2 錨固劑對錨固強度的影響

錨桿錨固系統是一個復雜的受力系統，它是由錨桿-錨固劑-圍巖界面間的相互力共同作用形成的，合理的力學傳遞機制有助于錨固質量的提高。在這個系統中，錨固劑作為一個中介物質，緊密地將錨桿和圍巖黏結在一起。

2.1 模型的建立

本文首先建立了錨桿、錨固劑和圍巖的模型。錨桿選用SOLID95實體單元，將錨桿長度設為120 mm，桿體直徑為20 mm。為了簡化計算模擬模型，錨桿桿體表面橫肋呈對稱式分布，參數與實驗部分一致，即肋高1.7 mm、肋間距13.7 mm。圍巖和錨固劑同樣采用SOLID65實體單元，在模擬過程中將錨固劑所包裹的錨桿桿體長度設定為100 mm。模擬中，錨桿、錨固劑和圍巖的具體力學屬性參數見表1。在完成建模后，還對錨桿、錨固劑和圍巖的實體幾何模型采用四面體單元進行了網格劃分，并且重點對兩橫肋間錨桿-錨固劑和圍巖接觸面的網格區域進行了局部細化，建立了3種錨固劑模型，分別為無添加錨固劑、含細添加物錨固劑、含粗添加物錨固劑。

表1 數值模型的力學參數

在錨固系統的數值模擬之中，最為重要的一點就是當錨桿受到拉拔作用時，接觸面將會出現相對滑移的情況，而產生的這種滑移效應就會引起錨桿錨固段力學傳遞機制的改變，從而影響整個錨固系統的極限承載力。在假定各個接觸面不發生破壞的前提下，為了保證錨桿、錨固劑和圍巖之間的粘結-滑移效果，以錨桿與錨固劑的接觸界面和錨固劑與圍巖的接觸界面為研究重點。上述兩種接觸面都采用綿綿接觸單元，單元的類型分別為CONTA174和TAGER170。不同的是，前者謙和的接觸方式選擇的是Standard，而后者則采用了Bonded，并且將Bonded的接觸類型設置為自動閉合間隙減少滲透。建成的3種模型剖面如圖7所示。

圖7 數值計算模型

2.2 模擬結果分析

圖8為施加拉力為100 kN的情況下，3種錨固劑沿錨桿軸向方向的位移等值云圖。從圖中能夠發現，無論錨固劑的種類如何，錨固劑沿錨桿軸向方向的位移變化規律始終相同，即錨固劑靠近圍巖的區域，沿錨桿軸向方向的位移最小，并逐漸變大，在錨固劑靠近鋼筋的區域時達到最大值。與此同時可以發現，在相同的拉力下，無添加的錨固劑沿錨桿軸向方向的位移較大，當錨固劑中添加細料添加物時，錨固劑沿錨桿軸向方向的位移變小，并且隨著添加物的尺寸變大，錨固劑沿錨桿軸向方向的位移卻隨之變小。這說明在錨固劑中適當添加添加物，可以明顯增強錨固體系的整體耐受強度，增強最大承載能力，且這種增幅會隨著添加物尺寸的變大而變大。

圖8 錨固劑沿錨桿軸向方向的位移等值云圖

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3 結 語

本文通過實驗室試驗和數值模擬分別針對錨固長度和錨固劑種類兩個因素，對其與錨桿錨固系統的極限承載力間的關系進行了相關研究，通過分析得到以下結論：

1) 極限承載力與錨固長度不成正比，存在一個最優錨固長度，使得此錨固狀態的極限承載力相對較大，而需要的成本相對較小。

2) 若錨固劑的應力-應變關系為線性，那么錨固劑-錨桿界面的抗剪強度、純錨固劑錨固強度、錨桿直徑、長度等參數與錨固極限承載力存在函數關系。

3) 錨固劑沿錨桿軸向方向的位移變化規律與錨固劑的種類無關，在錨固劑中適當添加顆粒物可以明顯增強錨固體系的整體耐受強度，增強最大承載能力，且這種增幅隨著添加物尺寸的變大而變大。