錨桿作為巖體工程的主要支護材料,廣泛應(yīng)用于巖土與地下工程中。錨桿加固的實質(zhì)是對巖體施加錨固力,以提高巖體的穩(wěn)定性。錨桿的錨固力是指錨桿對支護體產(chǎn)生的約束力,是巖體支護工程設(shè)計中的一個關(guān)鍵因素,是反映錨桿支護效果的重要指標。然而,錨固力的鎖定值隨巖體條件、錨固長度、水、溫度及施工質(zhì)量等因素的變化而變化。錨桿錨固力損失超過一定值時,將導致其錨固功能減弱或支護失效,給工程帶來極大危害。因此有必要對錨桿錨固力和錨固效果的影響因素進行分析和研究。
由于錨桿在巖石介質(zhì)中受力狀態(tài)復(fù)雜多變,錨桿的錨固力難以直接通過試驗獲得,錨固力的計算也相對較困難。因此,工程中常用拉拔試驗來間接測定鋪桿鋪固力,通過拉拔試驗測得拉拔力來分析錨桿與錨固體(如混凝土)之間的錨固效果。本研究選用的玻璃鋼錨桿屬于黏結(jié)型錨桿,其與巖體之間的錨固性能是通過黏結(jié)作用實現(xiàn)的。因此,影響玻璃鋼錨桿錨固力大小的因素有很多,除了錨固材料的黏結(jié)強度、錨固長度、錨固時間等這些明顯的因素外,溫度、圍巖條件、錨桿質(zhì)量等因素對玻璃鋼錨桿的錨固力也有較大的影響。為了深入分析玻璃鋼錨桿的錨固機理和合理設(shè)計玻璃鋼錨桿支護參數(shù),本研究進行了室內(nèi)拉拔試驗以分析其錨固力和錨固效果的影響因素和規(guī)律。在結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研的基礎(chǔ)上,針對錨固長度、錨固時間、錨固材料等主要影響因素,設(shè)計進行了3種對比試驗方案,通過室內(nèi)玻璃鋼錨桿拉拔試驗來研究它們對玻璃鋼錨桿錨固力的影響規(guī)律。
1 試驗概況
試驗采用的玻璃鋼錨桿是以玻璃纖維(GFRP)為增強材料,以合成樹脂為基體材料,并摻入適量的輔助劑,采用拉擠成型技術(shù)和特殊的表兩處理所形成的一種新型復(fù)合材料錨桿,基本參數(shù)為:直徑18 mm,桿體抗拉力140 kN,桿體抗拉強度650 MPa,連接部分及螺紋承載力50 kN。樹脂錨固劑基本參數(shù)見表1。
試驗過程中,采用水泥砂漿制作的混凝土塊模擬現(xiàn)場巖體,混凝土塊的尺寸為2000 mm×20 mm×200 mm(長×寬×高)。水泥砂漿采用325#水泥及細粒沙子制作而成,水沙比為1:2:5,水的用量為2.2 m3/kg。水泥砂漿作錨固材料時,直接在制作而成的模型中插入玻璃鋼錨桿;樹脂錨固劑作錨固材料時,需在模型中預(yù)留占徑30 cm的鉆孔,以塞入錨固劑對錨桿進行錨固。試驗采用ZY型錨桿拉拔儀測定玻璃鋼錨桿的最大抗拉拔力。試驗裝置如圖1所示。
2 試驗方案和結(jié)果
試驗主要從錨固長度、錨固時間、錨固材料3個方面對錨固力的影響進行分析研究。受試驗工作量影響,采用單因素對比分析方法,即在分析某一影響因素時,將其他因素統(tǒng)一,從而分析該因素的變化對于拉拔力大小的影響程度。為此,分別設(shè)計了3個對比試驗方案。
2.1 錨固長度對錨固力的影響
試驗過程中,設(shè)計進行了8組不同錨固長度的玻璃鋼錨桿錨固試驗,錨固長度分別為18、36、54、72、90、108、126、144cm,每種錨固長度列應(yīng)1件試驗?zāi)P?,通過8組試驗?zāi)P头治鲥^固長度對錨固力大小的影響。錨固劑的長度為18cm,試驗通過增減錨固劑的數(shù)量改變錨固長度研究不同錨固長度對拉拔力的影響規(guī)律。其中,第1-1件模型錨固長度18cm,采用1根錨固劑端頭錨固;第1-2件模型錨固長度為36cm,采用的是2根錨固劑端頭錨固;...,第1-8件模型錨固長度為144 cm,采用全長錨固的形式。試驗方案和試驗結(jié)果見表2。
從表2中的試驗數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象對比可以看出,當錨固長度較小時,即采用端頭錨固形式時,玻璃鋼錨桿出現(xiàn)松動,甚至被拔出的現(xiàn)象,且所測拉拔力很小,如第1-1、1-2、1-3件模型;當錨固長度繼續(xù)增加,錨固力也開始增大,表現(xiàn)為拉拔力逐漸增大,玻璃鋼錨桿未出現(xiàn)松動,但錨桿被拔出4 cm左右,如第1-4、1-5件模型;當錨固長度增加到總長的1/2以上時,玻璃鋼錨桿未出現(xiàn)松動,拉拔過程中伴隨著“吧吧”的響聲,錨桿拉拔力也開始增大,平均拉拔力大小超過支護工程要求的拉拔力大小,但錨桿仍被拔出3 cm左右,如第1-6、1-7件模型;當進行全長錨固時,玻璃鋼錨桿未被拔出,測得錨桿拉拔力也較大,滿足工程支護的要求,如第1-8件模型。
根據(jù)玻璃鋼錨桿拉拔力與錨固長度的關(guān)系曲線(本文從略),隨著錨固長度的增加,錨桿拉拔力也增大,但不存在線件關(guān)系,錨桿拉拔力大小受錨固長度影響較顯著。玻璃鋼錨桿拉拔試驗過程中錨固長度不同時,玻璃鋼錨桿、錨固劑、混凝土塊界面之間的黏結(jié)摩阻力不同,導致玻璃鋼錨桿抗拉拔力隨著錨固長度的增加而增大。
實驗室開展拉拔試驗時,玻璃鋼錨桿抗拉拔力的大小主要取決于錨桿桿體材料強度、錨固劑與桿體間的黏結(jié)摩擦力及錨桿與錨固劑組成的錨固體與混凝土塊蒯的黏結(jié)摩擦力。試驗選用的玻璃鋼錨桿桿體材料強度致,而錨固體與混凝土塊之間的黏結(jié)摩擦力由3部分組成:①水泥膠體與混凝土塊表面的化學膠著力。②錨固體外表而與混凝土塊接觸面上的摩擦力。⑧錨固體外表面粗糙產(chǎn)生的機械咬合作用。其中,化學膠著力很小,發(fā)生相對滑動時,黏結(jié)力主要由摩擦力和咬合力提供,當錨固劑數(shù)量越多,錨固長度越長時,錨固體與混凝土塊間的摩擦力和咬合力越大,黏結(jié)力越大,錨桿的抗拉拔力越大。
另一方面,錨固劑與錨桿桿體之間的黏結(jié)摩擦力實際上也由3部分組成:①錨固劑凝結(jié)形成膠凝體剝玻璃鋼錨桿表面產(chǎn)生的膠結(jié)力。②錨固劑收縮將桿體裹緊而產(chǎn)生的摩擦力。③桿體表面凹凸不平與錨固劑之間產(chǎn)生的機械咬合作用力。當錨固長度越長時,錨固劑列錨桿的膠結(jié)力越大,且錨桿桿體與錨固劑接觸面積越大,錨固劑與桿體間的摩擦力和機械咬合力越大,錨桿的抗拉拔力越大。因此,玻璃鋼錨桿的抗拉拔力隨著錨固長度的增加而增大。
采用端頭錨固時,錨桿拉拔力為22.1 kN(模型1)、29.1 kN(模型2);采用全長錨固時,錨桿拉拔力為89.7 kN(模型8)。而一般工程支護過程中,錨桿拉拔力要求不低于50 kN。因此,端頭錨固時的玻璃鋼錨桿拉拔力不滿足支護要求;當錨固長度處于端頭錨固和全長錨固之間時,玻璃鋼錨桿的拉拔力雖然滿足支護要求,但玻璃鋼錨桿出現(xiàn)被拔出的現(xiàn)象,整個支護體系出現(xiàn)松動,不能有效地滿足巷道支護的要求;全長錨固時,玻璃鋼錨桿的平均拉拔力達到90 kN,且沒有出現(xiàn)松動現(xiàn)象,可以適應(yīng)圍巖松軟破碎地質(zhì)條件復(fù)雜的支護環(huán)境,故宜進行全長錨固。
2.2 錨固時間對錨固力的影響
考慮到水泥砂漿凝固受時間影響較大,試驗選用水泥砂漿作為錨固材料來研究錨固時間與錨固力之間的關(guān)系。試驗方案和試驗結(jié)果見表3。