测力锚杆(砂浆锚杆不同受力下的响应)

Posted 2023-05-31

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测力锚杆(砂浆锚杆不同受力下的响应)

原标题：

加卸载条件下砂浆锚杆力学响应试验研究

摘要：

围绕全长黏结砂浆锚杆加卸载力学响应问题,利用自主研发的拉拔试验系统,开展了各级拉拔力水平下锚固在不同刚度套筒中锚杆系统的加卸载拉拔试验,监测拉拔过程中锚杆轴向应变和套筒外壁周向应变的变化,分析试验过程中锚杆杆体-砂浆界面剪切力分布及演化规律,并探讨了套筒刚度和加卸载作用对锚杆系统力学响应的影响。试验结果表明:试验过程中拉拔力、杆体轴向应变、套筒周向应变随拉拔位移的变化规律相同,整体呈先上升后下降的趋势;加卸载阶段,轴向应变、周向应变与拉拔力同步变化,随卸荷点荷载增加,滞留位移逐渐增大;沿着锚杆轴线方向界面剪切力分布不均匀,锚杆杆体-砂浆界面出现解耦后,剪切力峰值逐渐向杆体内部传递。试验成果能够弥补相应加载路径下研究的不足,同时也能够为类似工程现场提供参考。

关键词：

岩石锚杆; 拉拔试验; 加卸载; 周向应变;

作者简介：

冯艺(1978—),男,高级工程师,硕士,主要从事水利水电工程建设工作。E-mail:88582010@qq.com;

基金：

国家自然科学基金-雅砻江联合基金重点资助项目(U1765202);

引用：

冯艺．加卸载条件下砂浆锚杆力学响应试验研究［J］. 水利水电技术，2020，51( 11) : 190-196.

FENG Yi． Experimental study on mechanical response of mortar anchor-bolt under loading-unloading condition［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 11) : 190-196.

0 引言

岩体工程建设中,受开挖过程和支护时机影响,锚杆受载过程和路径极其复杂,锚杆系统在不同加载路径下的力学响应和荷载传递特性是岩体开挖工程锚杆支护设计、分析和安全性评价中亟待解决的关键难题。除去爆破引起的动态扰动,研究中常将工程中锚杆受载方式简化为单调加载、疲劳加卸载(常荷载水平下的循环加卸载)以及荷载递增多级加卸载三种。本文重点研究第三种加载方式下砂浆锚杆系统的力学响应。

拉拔试验是研究加锚岩体荷载传递机理及锚固机制最主要的试验方法,为研究加载路径对锚杆系统力学响应的影响,国内外学者开展了大量不同加载路径下的锚杆拉拔试验。就单调加载拉拔试验而言,HYETT等开展了不同刚度条件下拉拔试验,试验结果表明抗拔强度随限制刚度增加而增加。FARMER通过测力锚杆拉拔试验发现,解耦前锚杆杆体-砂浆界面剪应力呈指数形式衰减。赵同彬等采用试验和PFC模拟方式研究了界面剪应力传递规律,认为拉拔状态下沿锚杆轴向的锚固界面剪应力分布不均匀,沿轴向呈先增后减的传递形式。MARTIN等利用自行研制的拉拔设备开展了常法向荷载和常法向刚度条件下的拉拔试验,试验结果表明环向变形和拉拔力变化规律相同。吴涛等进行了不同横肋间距锚杆拉拔试验,发现套筒周向应变呈先增大后减小的趋势。而在循环荷载条件下,荣冠等研究了单向疲劳荷载作用下锚杆轴力分布特征,结果表明随着循环次数增加,杆体同一位置测点应力值呈不同程度的增加。BENMOKRANE 等针对预应力和被动锚固锚杆进行了原位单向疲劳加卸载试验,试验结果表明当卸荷点荷载低于于预应力或30%抗拔强度时,循环荷载不影响锚杆使用寿命。OH等对加固混凝土开展了不同应力水平不同循环次数的加卸载拉拔试验,发现随着循环次数的增加,拉拔位移和残余拉拔位移均增大。VERDERAME等在不同拉拔位移处进行了双向疲劳加卸载试验,分析了卸载位置的影响,建立了疲劳加卸载条件下锚杆黏结应力-滑移关系曲线。

上述成果研究了锚杆单调加载和疲劳加卸载下的力学响应,而荷载递增分级加卸载试验研究较少,尚无法掌握此时锚杆系统的力学响应。针对此问题,本文拟开展3种套筒刚度条件下锚固试样的多级加卸载拉拔试验,分析加卸载对锚杆轴向和套筒周向应变的影响效应,研究试验过程中拉拔曲线、轴向及周向应变的变化规律,揭示锚固界面剪切力和轴力的分布及演化规律,并探讨限制刚度(围岩条件)对锚固性能的影响。

1 试验概况

1.1 试样制备

拉拔试验所用的试样由锚杆、锚固剂及锚固材料(岩石、套筒等)组成,本次试验使用的锚杆为PSB500精轧螺纹钢,锚杆直径20 mm,长度为800 mm,肋间距10 mm,为监测拉拔过程中杆体变形,沿锚杆长轴方向加工了6 mm宽、4 mm 深、130 mm长的2个对称凹槽,凹槽内粘贴应变片并布置导线。锚固剂为水泥砂浆,参考《岩土锚固技术手册》,本次试验中砂浆配比为水泥∶砂∶水=1∶1∶0.4。为确定水泥砂浆的基本力学性质,在浇筑拉拔试样的同时,还浇筑了相同配比的标准立方块砂浆试件,分别进行单轴压缩与直剪试验,试验获得砂浆试样的单轴抗压强度为34 MPa,弹性模量E=4.11 GPa,黏聚力c=6.76 MPa,内摩擦角ϕ=39°。试验使用的套筒内外径分别为42 mm和60 mm,高100 mm。为防止试验中破坏发生在套筒内壁-砂浆界面,套筒内壁加工有内螺纹,螺距6 mm,螺纹高2 mm。

拉拔试样制备中最关键的问题是锚杆安装对中问题,为保证试样的对中效果,将锚杆一端长度为10 mm的部分加工成直径16 mm的圆柱体,并在试样浇筑平台上预留有尺寸相同的安装孔,准备试样时,将锚杆插入安装孔内定位,而套筒则在平台相应位置定位,然后在套筒和锚杆之间注入砂浆,浇筑完成后,在套筒顶部盖上盖子,从而确保了锚杆的对中效果(见图1)。

图1 试样制备及对中方式

1.2 套筒等效弹性模量计算方法

相对于锚杆和钻孔直径来讲,围岩可视为一定刚度的无限大基体。因此,在试验中,可采用与围岩刚度等效的一定厚度套筒来模拟不同类型的围岩。应用弹性力学厚壁圆筒理论可以分别计算出围岩和套筒的刚度,令二者相等即可确定岩体弹性模量与套筒弹性模量之间的关系,即

式中,Er,Em分别为岩体等效弹性模量和套筒弹性模量(GPa);νr,νm分别为岩体和套筒泊松比;ro、ri分别为套筒内外径(mm)。

为模拟不同刚度岩体条件,包括软岩、中硬岩和硬岩,文中分别采用PVC筒、铝筒和钢筒作为对应的套筒,根据式(1)可进一步计算得到套筒参数,数值如表1所列。

表1 岩体及限制套筒参数

1.3 应变片布置

为测量多级循环加卸载拉拔试验过程中沿锚杆轴向应力分布及演化规律、套筒周向应变演化规律,沿锚杆轴向及刚性套筒外壁粘贴了应变片,所选择应变片分别为BE120-01AA及BE120-80AA。沿锚杆轴向,两个凹槽内分别粘贴有5个应变片,交错布置,锚固段内共粘贴有9个应变片,贴片位置的高度(距加载端距离)分别为10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm和90 mm,另有一个应变片粘贴在锚固段外,用于标定锚杆轴力与应变的对应关系,应变片布置示意如图2所示。为保护应变片及导线,在应变片粘贴并连接导线后,在凹槽内充填一层704硅橡胶。在套筒中部(50 mm处)沿环向粘贴了两个应变片(BE120-80AA),对于钢筒,还在20 mm和80 mm高度处各粘贴了两个应变片,以研究周向应变沿高度的变化规律。

图2 锚杆轴向应变片布置(单位:mm)

1.4 试验设备

锚杆拉拔试验在中国科学院武汉岩土力学研究所研发的锚杆(索)拉拔试验系统RBPT-176上进行,试验系统如图3所示。该系统垂直油缸最大出力500 kN,活塞行程为150 mm,可采用力控制或位移控制方式加载,位移加载速率0.06～50 mm/min,可以实时记录和显示试验过程中的拉拔力和拉拔位移,采样频率为10 Hz。应变采集使用的是东华测试-DH3816 N静态应变测试系统,包含60个测点,系统最高分辨率为1 με,采样频率2 Hz。

图3 拉拔试验系统

1.5 试验方案与加载方式

在不同拉拔力水平加卸载试验中,对于锚固在钢筒和PVC筒中的锚杆,在峰值拉拔强度前,以10 kN为台阶进行一次加卸载,所有卸载试验均卸载至2 kN。拉拔曲线进入峰后之后,采用单调加载拉拔方式,继续拉拔试样直至破坏。试验全程采用位移控制,试验开始时,位移加(卸)载速率为0.005 mm/s,拉拔位移达到20 mm时,位移加载速率提高至1 mm/min。试验全程记录拉拔力、拉拔位移、锚杆杆体轴向应变和套筒周向应变。

2 试验结果及分析

2.1 加卸载曲线分析

不同刚度套筒下拉拔力与拉拔位移的关系曲线如图4所示,其中拉拔位移等于测量位移与锚杆自由段伸长量之差,即

式中,up、u、L分别为拉拔位移、测量位移和锚杆自由段长度(mm);P为拉拔力(kN);A为锚杆横截面积(m2);E为锚杆弹性模量(GPa)。

由图4可知,不同刚度套筒下,拉拔力-拉拔位移曲线总体形态相同,且随着套筒刚度增加,抗拔强度和抗拔刚度显著增加。这是由于随着套筒刚度增加,拉拔过程中径向约束作用增强,锚杆杆体-砂浆界面径向位移(剪胀)减小,约束力增大,移动相同拉拔位移条件下,所需拉拔力增大,导致抗拔刚度和强度增大,与常法向刚度直剪条件下剪切强度随法向刚度增大的试验结果类似。

图4 不同套筒条件下拉拔力-拉拔位移曲线

图5为滞留位移(即不可恢复变形)随卸荷点荷载的演化曲线,其中铝筒在峰前仅卸载5次。可见,随着套筒刚度增加,滞留位移逐渐减小,第一次卸载后存在很大的滞留位移,随着卸荷点荷载增加,滞留位移近似匀速增长,但增速很慢,临近峰值强度点,滞留位移再次迅速增加。导致上述现象的原因是:初始施加拉拔力后,锚杆杆体与砂浆、砂浆与套筒之间由松弛接触转变为紧密接触,卸载后部分松弛接触难以恢复,故第一次卸载后,滞留位移较大;随后,拉拔力-拉拔位移曲线进入近似弹性线性变形阶段,滞留位移较小,当临近峰值强度时,杆体-砂浆界面开始出现解耦现象,滞留位移开始增大,并随着解耦段长度的增大而增大。PVC筒和铝筒均仅出现上述两个阶段,是由于最后一次卸载点仍没有出现解耦。加卸载阶段斜率基本相同且明显高于抗拔刚度,与卸载点位置无关。

图5 滞留位移演化曲线

2.2 套筒周向应变分析

刚性套筒周向应变的量值反映了砂浆、锚杆杆体、套筒所组成系统在拉拔过程中产生的径向剪胀变形。由于本次拉拔试验破坏均发生在锚杆杆体-砂浆界面,故套筒周向应变主要反映了锚杆杆体-砂浆界面的剪胀特性。图6为不同材料的刚性套筒在拉拔试验过程中的周向应变-拉拔位移曲线。图7为铝筒拉拔试验过程中拉拔力-时间以及周向应变-时间曲线。从图6和图7可见,套筒周向应变均呈现先增大后减小趋势,与拉拔力变化趋势基本一致。随着套筒刚度的增加,周向应变显著减小,PVC筒、铝筒以及钢筒相同位置处最大周向应变分别为2 388.1 με、253.9 με、63.0 με。加卸载阶段,周向应变曲线与拉拔力曲线类似,卸载点同时为周向应变和拉拔力的极值点。

图6 不同套筒条件下周向应变-拉拔位移曲线

周向应变为对称布置的两个应变片读数的平均值, 其中铝筒和钢筒的应变值对应于右侧坐标轴读数, PVC筒的应变值对应于左侧坐标轴读数

图7 铝筒周向应变、拉拔力与时间曲线

图8为不同高度时钢筒周向应变-位移曲线,由图8可知,沿着拉拔方向,周向应变变化规律相似,但是周向应变随着高度增加而递减,表明锚杆杆体-砂浆界面产生的径向应力沿锚杆轴向分布不均匀,随着高度增加,径向应力递减,这与沿锚杆轴向的应力分布特征相关。

图8 不同高度处钢筒周向应变-拉拔位移曲线

2.3 轴向应变分析

本次试验在100 mm长锚固段粘贴了10个应变片,下面首先分析拉拔过程中锚杆轴向应变变化规律,轴力分布及演化特征在下一节详细讨论。

图9为铝筒拉拔力和轴向应变随时间变化曲线,而图10则为二者随拉拔位移的变化曲线。由图可知,轴向应变和拉拔力变化趋势基本一致,随着应变片远离加载端增大,轴向应变数值减小。加载阶段,应变单调上升,卸载阶段,应变逐渐恢复,卸载终点的应变值略大于初始应变值,这是因为锚杆自身力学性质导致的。

图9 铝筒轴向应变、拉拔力-时间曲线

图10 铝筒轴向应变、拉拔力-拉拔位移曲线

3 锚杆轴力及剪应力分布特征

在应变监测数据的基础上,进一步分析了锚杆杆体轴力及锚杆杆体-砂浆界面剪切力的分布及演化规律。

3.1 锚杆轴力-轴向应变关系

已知锚杆轴向应变,通常使用下式计算锚杆轴力

式中,F为锚杆轴力(kN); ε为轴向应变(με)。

由于本次试验锚杆存在横肋同时开有凹槽,难以准确计算横截面积A,且锚杆初始拉伸曲线并非线性,不能直接使用式(3)进行计算。为了能够定量描述锚固段锚杆轴力分布及其演化特征,在锚固段外凹槽内粘贴了一个应变片,该应变片对应位置的轴力等于拉拔力,而该处的应变即为应变片读数,因此能够确定锚杆轴力与应变间的关系。图11为拉拔力-应变关系曲线,可见,轴力与应变存在线性关系,轴力与应变关系如下

图11 锚杆拉拔力标定曲线

3.2 锚杆轴力分布演化规律

根据式(3)计算得出拉拔力为10 kN、20 kN、30 kN、40 kN、50 kN、60 kN、70 kN时各应变片位置处对应的轴力值,图12为各级载荷下锚杆轴力分布图,其中拉拔力高于40 kN时的轴力在高度20 mm、40 mm、80 mm处均偏低。随着与加载端距离的增大,锚杆杆体轴力迅速减小,而随着拉拔力增加,荷载传递范围逐渐增加,10 kN时,荷载仅传递至40 mm处,30 kN时传递至50 mm,而在70 kN时荷载已经传递至90 mm处。在荷载传递范围内,锚杆杆体轴力分布不均匀,靠近加载端的部分承担了绝大部分的荷载,如70 kN时,前60 mm锚杆承担了约85.5%的拉拔力。

图12 锚杆轴力标定曲线

3.3 锚杆杆体-砂浆界面剪切力分布

已知锚杆轴力分布,锚杆杆体-砂浆界面剪应力可按下式计算

式中,τ为锚杆杆体-砂浆界面剪应力(MPa);ΔF为相邻两个应变片对应轴力之差(kN);S和ΔL分别为锚杆横截面周长和相邻应变片距离(mm)。

由于锚杆带肋部分横截面周长难以量化,故界面剪应力难以准确计算,而锚杆无肋部分横截面周长为常数,故可以计算界面剪切力(单位长度剪切力),其分布及演化规律与剪应力完全相同。图13为各级荷载下锚杆杆体-砂浆界面剪切力分布曲线,计算剪切力时没有使用轴力异常点数据。可见,随着与加载端距离的增大,界面剪切力逐渐减小,0～20 mm锚固段剪切力迅速下降,20～60 mm锚固段剪切力缓慢下降,该段剪切力近似均匀分布,60～80 mm锚固段剪切力再次迅速下降,故沿着锚杆轴线方向界面剪切力分布不均匀。

图13 锚杆杆体-砂浆界面剪切力分布曲线

图14为锚杆杆体-砂浆界面剪切力随拉拔力的变化曲线。可见,随拉拔力增加,最靠近加载端剪切力先增加至峰值随后开始下降,峰值剪切力约为1.80 kN/mm,其余位置处剪切力一直升高,20～60 mm锚固段剪切力增加幅度最大,靠近加载端剪切力达到峰值强度后,剪切力峰值逐渐向锚杆内部转移,表示锚杆杆体-砂浆界面开始解耦。由于峰值强度附近绝大部分应变片都开始损坏,无法分析解耦后剪切力的演化特性。

图14 锚杆杆体-砂浆界面剪切力-拉拔力曲线

4 结论

(1)抗拔强度和抗拔刚度随着限制套筒刚度增加而增加,随着加卸载次数增加,新增滞留位移(不可恢复位移)先减小后增大。

(2)限制套筒周向应变均呈现先增大后减小趋势,与拉拔力变化规律一致,随着加卸载次数增加,不可恢复的周向应变逐渐增大,但是增速减小。

(3)锚固段锚杆杆体轴向应变和拉拔力变化规律也相同,随着应变片与加载端距离增大,应变迅速减小,加卸载阶段,轴向应变基本能够恢复初始应变值。

(4)随着与加载端距离增大,锚杆杆体轴力迅速减小,而随着拉拔力增加,荷载传递范围逐渐增加。

(5)沿着锚杆轴线方向界面剪切力分布不均匀,剪切力达到峰值强度后,锚杆杆体-砂浆界面开始解耦,剪切力峰值向锚杆内部传递。

水利水电技术

水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。

测力锚杆(砂浆锚杆不同受力下的响应)

测力锚杆(砂浆锚杆不同受力下的响应)

0 引 言

1 试验概况

2 试验结果及分析

3 锚杆轴力及剪应力分布特征

4 结 论

0 引言

4 结论