巖質錨固邊坡相似材料及錨固體拉拔試驗

黃愛清

(江蘇城鄉建設職業學院 繼續教育學院，江蘇 常州 213116)

我國屬于一個地震頻發國家，其地質情況極其復雜，很容易出現邊坡失穩的問題，從而帶來各種自然災害，如泥石流、滑坡、崩塌等問題，很容易給周圍人們生命財產帶來嚴重威脅，所以邊坡支護樣一直是我國政府部門重點研究的項目。為進一步分析邊坡穩定性，工作人員要在地震條件下進行邊坡動力響應實驗。由于地震具有難預測性、突發性等特征，導致工作人員無法進行邊坡動力響應實驗。針對這一問題，工作人員通常以采用地質力學模型為主體，來進行模型邊坡制作工作，利于其在后期模擬地震作用的邊坡動力響應。在邊坡動力分析過程中，工作人員利用數值分析方式來分析現場工程問題，如果只使用數值分析法所得到的數據準確性不足，還要利用試驗結果來進行重復驗證。相似模型試驗作為目前應用范圍最廣的實驗方式，工作人員能利用人工方式來調整試驗條件，這種方式不僅能提升實驗操作靈活性，還能詳細記錄整個實驗過程，發現實際工程中存在的問題，從而達到提前預測的作用[1]。

1 水泥砂漿和巖石相似材料配比試驗

1.1 水泥砂漿和巖石原型參數

1.1.1原型水泥砂漿

根據行業標準，工作人員要將水泥砂漿灰砂比控制在1.50內，為進一步提高試驗準確性，工作人員通常會選擇穩定性強的原材料進行試驗。如基準水泥、石英砂、飲用水等材料，再通過各種室內試驗來確定原型水泥砂漿的密度、內摩擦角、抗壓強度等力學參數[2]。根據相關要求，提前預備規格來制作圓柱體試樣，將其分別用來進行劈裂抗拉試驗、單軸抗壓強度試驗，制備正方體試樣，用來做變角剪切試驗，具體如圖1所示。

圖1 原型水泥砂漿試樣Fig.1 Sample of prototype cement mortar

試配時要將減水劑摻合在水泥砂中，這很容易產生各種泌水現象。針對此問題，工作人員要將水泥砂漿試樣放在特定環境中進行養護，這能有效提升試樣穩定性，并將實驗數據作為試驗原型砂漿的物理力學參數[3]。

1.1.2原型巖石

試驗主要是將硬巖和軟質巖作為基礎，實現巖石相似材料配比試驗，試驗所模擬的巖石種類主要包括砂巖、頁巖、石灰巖等類型，以此配置試驗所需要的相似材料。

1.2 水泥砂漿的相似材料配比試驗

1.2.1確定水泥砂漿模型目標參數

為進一步體現出自重應力場的影響，在選擇試驗模型材料時，其容量和原來水泥砂漿容量的原材料基本相同，這有利于工作人員計算原型和模型間的物理力學數據[4]。同時，本次試驗所使用的模型魔都相似比為1∶1，工作人員要嚴格按照相似理論來計算模型和原型間的物理力學數據，確定相似材料的目標參數值。

1.2.2水泥砂漿相似材料正交實驗方案

本次試驗通過正交實驗法，研究人員利用正交表為主體，設計水平正交試驗方案，并用正交表記號來標記。整個相似材料配比試驗所用材料主要有細砂、甘油、石膏、重晶石粉等材料，其中固體材料有石膏、細砂、水泥等材料。試驗所設計的4個因素分別用A、B、C、D表示。

1.3 水泥砂漿相似材料試驗制作

本試驗相似材料的物理力學參數主要包括密度、內摩擦角、抗壓強度等，其中可通過稱重方式來檢驗相似材料密度，從而確定相似材料彈性模量和抗壓強度是否達到行業標準。同時，可利用劈裂抗拉試驗來判斷相似材料抗拉強度等[5]。同時，根據行業標準所要求的圓柱體試樣尺寸，來實施劈裂抗拉和單軸抗壓強度實驗，還需要制作規格為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的正方體試驗，用來進行變角剪切試驗；鑄鐵模具如圖2所示。

圖2 鑄鐵模具Fig.2 Cast iron mold

在拌和時，根據試驗步驟進行，要加強拌和材料均勻性，提升整個試驗結果的準確性。同時，根據試驗標準要求，在進行單軸抗壓強度試驗時，試樣每組配比要制作3個制備品；進行劈裂抗拉試驗試樣每組配比制備同樣需要3個。而變角剪切試驗試樣每組配比要比其他試驗數量多1個[6]。相似材料拌和過程根據下面步驟進行操作：

(1)計算：通過水泥砂漿相似材料配比試驗，計算出模具溶劑。并要考慮到材料拌和過程中的質量損耗，需要比預計值高出10%的質量；

(2)稱量：利用電子天平來進行稱重，將質量精確到0.01 g；

(3)拌和固體材料：將提前準備好的物質分別倒入燒杯中，如甘油、減水劑、水資源等材料，再用玻璃棒有規律攪拌，將其放置在混合材料中。然后，一邊用水攪拌材料，一邊往里面添加適量的水資源，直到混合材料呈現粘稠狀時暫停加水；

(4)組裝模具：為脫模工序正常進行，應使用毛刷在模具內部涂上大量凡士林，避免出現漏漿現象；

(5)澆筑試樣：將已經拌和完畢的漿體材料均勻澆筑在模具中，利用振搗棒進行搗實，用來排除材料中多余氣泡，確保材料均勻性和密實性。最后，將脫模后的試樣進行編號，并放其在25 ℃左右的室內；在自然條件下養護7 d，直至試樣含水量具有較強穩定性，才進行試驗研究[7]。

2 錨固體模型拉拔試驗

2.1 錨固相似材料選擇

2.1.1錨桿原型相關參數

試驗模擬錨桿是利用錨固體模型來實施拉拔試驗，有利于計算出模型錨桿的抗拉性能；但值得注意的是，禁止采用鍍鋅鋼材。針對材料選擇要嚴格遵循行業標準，選擇巖層錨桿型號，原材料使用普通光圓鋼筋；巖層錨桿選型參照表1。

表1 巖層錨桿選型Tab.1 Selection of rock anchor rod

2.1.2確定錨桿桿體模型材料

針對和巖石、水泥砂漿相似度較高的材料，可提前選擇不同種類的原材料，再經過配比試驗來確定相似材料；但針對錨桿桿體模型材料選擇時，只能從現存材料中進行選擇。選擇能滿足試驗要求的材料，如鋁管、銅管、鉛棒等材料，從而利用這些材料進行靜態拉伸試驗，提取到其抗拉強度，并利用相似比方式來選擇和原材料相同的材料作為錨桿桿體模型材料。材料靜態拉伸試驗裝置，如圖3所示。

圖3 材料靜態拉伸試驗Fig.3 Static tensile test of the material

(1)試樣準備。將所有材料都制作成為相應桿件，進行3次拉伸試驗，取3次拉伸數據的平均值；

(2)安裝試樣。將桿件試樣安裝在對應夾具上，可在試樣上設計軸向引伸計，準確計算出桿件的彈性模量；

(3)加載流程。利用標準的加載速度來實現加載工作，并且要重復進行加載，直到試樣斷裂為止；

(4)記錄。要詳細記錄實驗過程中的數據和材料破壞問題。

抗拉強度在材料完全斷裂前，所能承受的最高應力(Rm)根據式(1)進行計算：

(1)

式中：Fb為材料拉斷前所承受的最大力；S0為材料原本橫截面積。

在正常情況下，彈性模量指在單軸應力情況下，應力要除以方向上的應變。同時，當材料受到外力作用下產生彈性形變時，其應力和應變呈現出正比關系，比例系數則是彈性模量。拉伸法測量的材料彈性模型公式為：

(2)

式中：E為材料彈性模量；F為材料抗拉能力；L為材料基礎長度；S為材料橫截面積。

試驗中，要考慮到粘貼電阻應變片因素，一旦桿體體積過小，很容易導致桿體和電阻應變片交叉面積低于標準值，出現嚴重脫落問題；針對抗拉強度要求，由于模型注重錨桿的剪切作用力，為進一步分析邊坡穩定性，要在地震條件下，進行巖石邊坡錨固階段剪切作用研究；但由于整邊坡尺寸通常要超過其他位置的尺寸，并且由于地震具有難預測性、突發性等特征，導致無法進行邊坡動力響應試驗。針對該問題，通常采用地質力學模型為主體，進行模型邊坡制作工作，有利于其在后期模擬地震作用的邊坡動力響應。所以必須要保證模型桿體材料的抗拉強度，確保其抗拉強度達到行業標準，模型桿體材料抗拉強度要高于原型參數。

2.2 錨固體模型拉拔試驗方案

目前，電阻應變片有2種規格：200、120 Ω，其中120 Ω是常見的電阻應變片規格。試驗所采用的應變片是以BX-120-2AA型和BX-120-1AA 2種類型，分別將這2種應變片粘貼在鋁管桿體表面和水泥砂漿表面，從而測量不同方向的剪應力。

電阻應變片構成主要包括引線、敏感柵、基座等，由于其具有質量輕、尺寸小等特征，不會給構件應力狀態帶來嚴重影響。具體操作步驟：

(1)利用零號砂紙打磨貼片位，再將少量丙酮應用在脫脂棉貼上，保證擦拭的整潔性；

(2)采用鑷子控制電阻應變片，并用適量502膠水涂抹在貼片位置，加強電阻應變片粘接性。再利用鑷子將其調整到指定位置；

(3)用棉球進行輕度擠壓，讓柵絲與貼片緊靠在一起，并排除多余膠水；

(4)焊接好的電阻應變片，可通過硅橡膠來實現密封工作，避免由于環境因素給其性能帶來影響。

3 結語

綜上所述，在整個相似模型試驗中，相似材料制作是作為模型試驗的基礎，是整個模型試驗成功的秘訣。但從目前錨固邊坡模型試驗情況來看，由于其受到各種外在因素影響，導致其相似度較低。而研究人員注重巖土體相似材料的制作，對錨桿模型重視程度不足。本試驗是以錨固巖質邊坡大型振動臺來進行模型相似材料配比試驗研究工作，針對水泥砂漿和巖石進行相似材料配比試驗，將相似理論作為依據，通過正交設計法來規劃試驗方案，利用澆筑灌漿方式來制作樣本；通過室內試驗操作來取得相似材料的主要物理力學數據，如粘聚力、內摩擦角、抗拉強度、抗壓強度等，從而選擇合理的配比來制作錨固體模型，確保整個拉拔試驗順利進行。