土中锚杆临界锚固长度的试验研究

张福明，梁仕发，林大路，赵　健

(1.总参工程兵 科研三所，河南 洛阳 471023；2.西安交通大学，陕西 西安 710049)



土中锚杆临界锚固长度的试验研究

张福明1，梁仕发2，林大路1，赵健1

(1.总参工程兵 科研三所，河南 洛阳 471023；2.西安交通大学，陕西 西安 710049)

[摘要]基于近几年来关于临界锚固长度理论，研究分析了黄土中拉力型和压力型锚杆临界锚固长度的试验条件、方法、结果和判别临界锚固长度的方法，并且与其他研究成果作了对比分析。结果表明，此次试验条件下拉力型和压力型锚杆临界锚固长度的存在和其长度，以及锚杆锚固段第一和第二界面局部破坏转移、峰值剪应力转移、零值剪应力转移大体是同时发生的，此时峰值和零值点间的空间距离就是临界锚固长度。

[关键词]锚杆；临界锚固长度；判别方法；试验；研究

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.026

[引用格式]张福明，梁仕发，林大路，等.土中锚杆临界锚固长度的试验研究[J].煤矿开采，2015，20(5)：97-100.

锚杆的临界锚固长度是指一定岩土介质中锚固类结构杆体的极限锚固长度。这一概念的含义在于：在任一岩土介质中，锚固类结构杆体长度都存在一个极限值，未达此值，锚固潜力即未充分发挥；超过此值，超出部分就将做无用功。

自从提出临界锚固长度的问题之后，国内围绕此问题已开展了许多研究，见参考文献[1]～[21]。国外也开展了相近的研究，见参考文献[22]～[25]，只是提法各不相同。研究所采用的方法大体可归为4类：数值分析方法、解析方法、现场监控和辅助试验方法、综合方法。这些方法能从不同侧面反映或揭示出锚固类结构杆体临界锚固长度的本质，但如何结合工程现场测得临界锚固长度，还没有统一有效的方法。

为此，在河南洛阳某山地黄土中进行了旨在研究锚杆临界锚固长度的现场试验的条件、方法、结论和判别临界锚固长度的方法，并对比分析了其他相关研究成果，指出临界锚固长度的存在是一个普遍现象。

1试验条件

1.1　土层条件

试验场地选择在河南洛阳某单位的野外综合试验场黄土塬下部(见图1)。该场地土层坚硬致密，表面风化层较薄，属Q2黄土。土层主要物理力学参数：含水率w=25.4%，天然重度γ=18.9kN/m3，液限wL=41.5.0%，塑性指数Ip=15.45，孔隙比e=0.817，压缩系数a1-2=0.11，湿陷系数δs= 0.013，黏聚力c=46.8kPa，内摩擦角φ=24.7°。

图1　试验现场

1.2　试验方法

试验锚孔位于地面以上1 m、坡顶以下20 m处，在设计锚孔处，削除厚度约200～300mm的表面风化土层，使之露出新鲜、未经扰动的土层面。按照设计锚杆间距为1m，锚孔直径为120mm，下倾角为15°，用电动麻花钻机成孔，见图1。从图的左侧到右侧，锚杆编号分别为：1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号、8号。其中1号、3号、5号、7号锚杆为拉力型；2号、4号、6号、8号锚杆为压力型。锚孔深度分别为12m，12m，9m，9m，6m，6m，3m，3m。锚杆杆体为直径22mm HRB400螺纹钢筋，预留锚杆外端张拉长度为M30×900的45号钢螺杆，螺杆和螺纹钢的搭接长度为300mm。压力型锚杆的承压板直径为100mm。为了试验施工安全和便于张拉，坡面采用喷射混凝土钢筋网支护。喷射混凝土设计参数为：δ150mm(采用32.5R水泥)；配合比为水泥∶砂∶石子=1∶2∶2；水灰比0.5；钢筋网φ12mm-200mm×200mm；用m30的水泥砂浆抹平张拉架支腿底面。注浆采用纯水泥浆，水泥为P.C32.5复合硅酸盐水泥。注浆方式一律为普通压力注浆(0.5MPa)；浆液配合比为水∶水泥=0.45∶1，28d强度为36.2MPa，养护时间为7d。养护时间一到即开始进行张拉试验。

1.3　测点布置

测点设置应变片和应变砖2种。

(1)应变测点按第1，2界面分别安置在锚杆杆体和水泥浆与孔壁的接触面上。第1界面上的应变测点是将应变片直接粘贴在经处理的杆体表面。第2界面的应变测点为微型应变砖(其浆液材料、水泥标号、水灰比均与注浆浆液相同)，由固定在锚杆上的弹簧钢丝将其安放在注浆体和孔壁之间。

(2)1～6号锚杆的应变片和应变砖的间距为1m，7号和8号锚杆的应变片和应变砖的间距为0.5m。

1.4　锚杆张拉等级

锚杆加载等级见表1。

表1　锚杆加载等级

2试验结果

2.1　拉力型锚杆试验结果

3号拉力型锚杆的长度和应变值关系曲线见图2，5号锚杆的长度和应变值关系曲线见图3，由于1号锚杆的长度和应变值关系曲线与3号锚杆相似，7号锚杆的长度和应变值关系曲线与5号锚杆相似，篇幅有限，在此不再赘述。

图2　3号锚杆长度与应变值的关系

图3　5号锚杆长度与应变值的关系

2.2　压力型锚杆试验结果

4号、6号和8号拉力型锚杆的长度和应变值关系曲线见图4～6，2号锚杆的长度和应变值关系曲线同4号锚杆，在此不再赘述。

图4　4号锚杆长度与应变值的关系

图5　6号锚杆长度与应变值的关系

3临界锚固长度判定方法

在综合分析文献[1]～[25]以及国内外30多年来对临界锚固长度研究成果，研究者普遍认可的观点如下：

(1)锚杆临界锚固长度效应是一个普遍的客观存在现象。

(2)在一定介质中，在设计参数完全相同条件下，临界锚固长度值大体是一个常数或定值。

(3)在不同介质中，或在设计参数有差异(如杆径、孔径、浆液配合比、注浆压力、岩土介质等不同)条件下，临界锚固长度值是不同的。

(4)了解和掌握各种岩土介质中锚固类结构的临界锚固长度值，既可避免盲目浪费，又可消除工程潜在安全隐患，达到优化设计之目的。

(5)锚固段诸界面剪应力的转移特性包括：当施加于杆体的荷载达到极限值条件下，紧靠锚头部位的峰值剪应力发生向杆体深部转移；远离锚头部位的零值剪应力发生向杆体深部转移；锚固体及其界面局部破坏发生向杆体深部转移，其空间位置与峰值剪应力相对应；上述三个转移在时间上基本同时发生；峰值剪应力与零值剪应力之间的空间距离大体为常数。

(6)临界锚固长度值的误差，是相邻2个测点之间的距离。

4试验结果分析

4.1　拉力型锚杆

从图2和图3中可以看出，锚杆应变值在锚固段口部具有最大值，在锚固段内具有较小值。随着荷载增大，锚固段口部应变值呈增大趋势，锚固段内的应变值呈增大趋势，但随着锚固段向内延伸，应变值逐渐减小。从图2看出，1号和3号锚杆随着荷载的增加，锚固段口部的应变值最大，锚固段内部的应变值0点随荷载的增加而向深处转移，分别在第8级和第7级荷载时锚固段口部的应变值达到最大(在试验中，当荷载达到第9级和第8级时，锚固段口部注浆体开裂，杆体上的应变片已破坏，在图中显示为0。其他图同样)，同时其0点位于8m处，随后荷载继续增加，0值点也继续向锚固段深部转移。从图3中看出，5号和7号锚杆应变峰值虽然在第10级荷载时出现转移现象，在3m处，各级荷载下的应变值均接近于0，却不是真正的零值点，并且长度在3～6m范围内，应变值随着荷载的增加也在增加，因此，峰值点和零值点未同时发生转移，由此判定锚杆临界锚固长度将大于6m。根据临界锚固长度的应变峰值点和零点同时转移观点，此试验条件下的拉力型锚杆临界锚固长度为8m。

3号锚杆为拉力型，在此锚杆上分别安装了应变片和应变砖2种应变值量测点，在第6级荷载时，口部应变砖的应变值达到最大值，此时的0值点在锚固段内的8m处，而应变砖的应变值在8m前，随荷载的增加，0值点逐渐向内移动，在8m以后，0值点继续向内移动，因此也进一步证明了此条件下的锚杆临界锚固长度为8m。

从3号锚杆的试验结果可以看出，锚固段的第1界面和第2界面应力峰值基本上是同时达到的，而且0值点也是同一数值。

4.2　压力型锚杆

从图4～6中可以看出，应变值(应变砖)锚杆在锚固段底部具有最大值，在锚固段内具有较小值。随着荷载增大，锚固段底部应变值呈增大趋势，锚固段内的应变值呈增大趋势，但随着锚固段向口部延伸，应变值逐渐减小。从图4和图5中看出，2号、4号和6号锚杆应变峰值虽然分别在第4级、第6级和第6级达到最大值，在下一级荷载时出现转移现象，此荷载时的应变0值点分别位于锚固段内7m，4m和1.8m处，由此判定其临界锚固长度分别为5m，5m和4.2m。而从图6中看出，8号锚杆随着荷载的增加，锚固段底部的应变值最大，锚固段内部的应变值随荷载的增加向口部逐渐减小，虽然在第7级荷载时，底部应变值达到最大，但此时的应变值并不为0，因此可以判断其临界锚固长度大于3m。

在压力型锚杆试验结果曲线中出现的锚固段口部应变值为正值，并且其数值较大的原因是为了体现试验锚杆与实际工程中的锚杆所处环境相同，在完成锚杆的所有应变片和应变砖的安装和注浆后，在土体的表面挂了一层钢筋网并喷射了一层100mm厚的混凝土，在锚杆张拉时，张拉架压在了喷射混凝土之上，从而导致口部应变砖受到表面喷射混凝土传来的力和锚杆本身所受力的影响。

4.3　试验条件下锚杆临界锚固长度值

据2.1，3和4.1节的描述和分析，此次试验的拉力型锚杆临界锚固长度分别为8m，8m，>6m和>3m。综合以上4根拉力型锚杆的试验情况分析，可确定此条件下拉力型锚杆的临界锚固长度为8m。因此，考虑测试误差和一定安全系数后，此条件下拉力型工程锚杆的设计不宜超过11～12 m。

据2.2，3和4.2节的描述和分析，此次试验的压力型锚杆临界锚固长度分别为5m，5m，4.2m和>3m，综合以上4根压力型锚杆的试验情况分析，可确定此条件下压力型锚杆的临界锚固长度为5m。因此，考虑测试误差和一定安全系数后，此条件下压力型工程锚杆的设计不宜超过7.5m。

5结论

(1)拉力型和压力型锚杆的临界锚固长度是普遍存在的，采用以临界锚固长度为依据进行工程设计是科学合理的。

(2)临界锚固长度与锚杆所处的地质条件、注浆材料、注浆方式、杆体材料和锚杆结构等有关，因此，在实际应用中，只能是各种条件都一致时才能在试验的基础上取一相同的安全值。

(3)此次试验条件下的拉力型锚杆临界锚固长度为8m，压力型锚杆的临界锚固长度为5m。而在山西某地的黄土中所做的试验研究中[5]，其拉力型锚杆的临界锚固长度也为8m。因此，在此地质条件下，在锚杆结构、杆体材料、注浆方式、注浆材料等一致时，拉力型锚杆的临界锚固长度建议为8m，压力型锚杆的临界锚固长度建议取5m。

(4)两个测点间的距离是临界锚固长度的试验误差值，在实践中应予以考虑。

(5)临界锚固长度的判断应以锚固体及其界面局部破坏、峰值剪应力和零值剪应力同时出现时，峰值剪应力与零值剪应力之间的空间距离大体是常数。

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[责任编辑：王兴库]

Test of Critical Anchorage Length of Anchored Bolt for Soil

ZHANG Fu-ming1，LIANG Shi-fa2，LIN Da-lu1，ZHAO Jian1

(1.3rdResearch Institute of Engineering Corps，Headquarters of the General Staff，Luoyang 471023，China； 2.Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

Abstract：Based on theories of critical anchorage length in recent years，test conditions，methods，results and judgment methods of critical anchorage length of tensing- and pressing- anchored bolt in loess was analyzed and compared.Results showed that local failure transformation，summit-value shearing stress transformation，zero-value shearing stress transformation were generally simultaneous.The space distance between summit value and zero-value was the critical anchorage length.

Keywords：anchored bolt；critical anchorage length；judgment method；test；research

[作者简介]张福明(1964- )，男，山西忻州人，总参工程兵科研三所副研究员，主要从事岩土工程与防护工程方面研究工作。

[基金项目]国家自然科学基金项目(51278492)

[收稿日期]2015-05-14

[中图分类号]TD350.1

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)05-0097-04