拉力型锚杆锚固试验研究

高德军 曹杰雄 李元松

(三峡大学土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002)

·岩土工程·地基基础·

拉力型锚杆锚固试验研究

高德军 曹杰雄 李元松

(三峡大学土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002)

采用改进型拉拔方式对锚杆进行拉拔试验，从而研究砂浆强度和锚固深度对锚杆承载力的影响，通过在锚杆表面粘贴应变片，得到拉拔过程锚杆—砂浆截面剪应力沿锚杆全长分布规律,根据现场锚杆拉拔过程的破坏形式，分析对应破坏机理。

锚杆，锚固效果，荷载位移曲线，剪应力，破坏形式

锚固技术通过在地质体中埋设锚杆，将结构物与地质体联锁在一起，依靠锚杆与地质体间的相互作用，将结构物的荷载传递到地质体，或使地质体自身得到加固、增强其承载力或稳定性[1]。随着社会发展和科学技术的进步，岩土锚固理论和锚固技术得到了很大发展，锚固技术在水电工程、道桥工程、建筑工程、矿山建设等工程领域得到广泛应用，解决了许多重大工程加固的关键问题[2-5]。然而随着锚固技术向更深、更广的方面发展，锚固面临高应力、大范围、大吨位及耐久性等条件下的技术问题，同时锚杆锚固设计规范在工程实际中的应用滞后于理论研究，锚杆锚固机理没有得到统一认识[6-8]，理论分析和数值分析的结果与实际工程的监测误差较大[9,10]，在许多工程实际中，锚固技术是否得当往往成为工程建设成败或影响进度的瓶颈之一[11]，由于工程地质条件的复杂性和锚固方式的多样性，锚固作用机理的研究还处于初步发展阶段，在工程应用中还受到许多约束，不能完全满足工程实践的需要。因此，研究锚固承载能力、锚固机理，锚固效果及锚固耐久性有着重大的科学价值和理论意义。本文针对拉力型锚杆的锚固机理进行了试验研究，得到了不同锚固深度、灌浆体强度的锚固效果和主要破坏形式，并得到了锚杆—砂浆界面的剪应力分布形式；为锚杆加固工程设计提供参考。

1 试验说明

1.1 试验准备

本试验通过控制锚固深度、砂浆强度两个因素对拉力型锚杆锚固机理进行研究。围岩体采用砂浆模拟，整体一次性浇筑在一个长为2.4 m，宽为1 m，深0.4 m的沟槽里。围岩的砂浆强度采用M15的砂浆，灌浆体则分别采用M10的低强度砂浆和M20的高强度砂浆；锚固深度分别取100 mm和200 mm。砂浆配合比见表1。

表1 砂浆配合比 kg

试验所用锚杆选取HPB300螺纹钢，直径10 mm，屈服强度300 N/mm2，屈服力23.55 kN，极限强度420 N/mm2，极限拉拔力32.97 kN。

为方便观测锚杆—砂浆界面剪应力在拉拔过程中的变化规律，试验中在钢筋表面粘贴应变片，应变片为浙江台州市黄岩双立工程传感器厂生产，应变片栅长为3 mm，栅宽2 mm，电阻约为120 Ω，灵敏系数2.06。测量应变的仪器为江苏东华测试技术股份有限公司生产的DH3816N静态应变测试分析系统。

1.2 试验过程

围岩体整体一次性浇筑在固定沟槽里，达到标准养护期28 d之后，通过在围岩体上钻孔的方式模拟实际施工过程，钻孔直径为30 mm，钻孔深度分别为100 mm和200 mm；钻孔完成后，进行清孔，再安设锚杆，进行注浆。达到标准养护28 d进行拉拔试验。100 mm的锚杆在距端口10 mm，30 mm，70 mm处分别粘贴一个应变片；200 mm的锚杆在距端口的10 mm，30 mm，60 mm，110 mm，160 mm处分别粘贴一个应变片。

2 试验结果分析

2.1 不同参数下的拉拔力分析

根据现行锚杆(索)技术规程，在工程实际过程中设计锚杆的最大拉拔力均采用剪应力沿锚杆全长均匀分布假定，实验测得其相同砂浆强度下不同锚固深度的锚杆在破坏时记录的最大拉拔力见表2。

表2 试验测得的最大拉拔力

从表2可以看出，在相同的砂浆强度条件下，增加锚固深度是可以有效提高锚杆的承载力的，但二者并不呈线性的关系，即锚固深度只在一定范围内对承载力有提高，超出某个范围，增大锚固深度，锚杆承载力的增加不再明显，在工程实际中通过一味增加锚固深度来提高承载力的方式是不可取的。同时，在相同的锚固深度下，不同的灌浆材料，其锚固承载力也不同，具体表现为：对于短锚，灌浆砂浆强度较高的，其承载力也较大，但增加的效果不明显，根据实测结果显示，在锚固深度为100 mm时，M20砂浆比M10砂浆的拉拔力只增加了8%；对于长锚，增加砂浆强度对锚杆拉拔力的增幅效果是比较明显的，试验数据表明，在锚固深度为200 mm时，M20砂浆比M10砂浆的拉拔力增加了65.4%。因此，在锚固深度、围岩体强度一定的情况下，通过提高灌浆体强度是可以有效提高锚固承载力的。

2.2 拉拔过程中记录的P—S曲线

本试验在拉拔过程中绘制了不同锚固深度、不同砂浆强度下的荷载位移曲线，选取了其中三条加以分析，具体见图1。

通过观察图1中的P—S曲线，可以发现，在拉拔力很小的时候，位移变化很小，其变化趋势近似线性变化，可认为其处于弹性变化阶段，这与规范中采用的荷载位移曲线趋势基本相同；当拉拔力达到一定值时，位移逐渐增大，但比规范参考的P—S曲线要更平缓，锚杆受力进入塑性阶段，通过试验实测P—S曲线可以看出，实际拉拔过程中锚杆进入塑性阶段的过程要早，这说明锚固体受力形式比规范设计中的要更复杂，更符合实际情况。因此，在锚杆设计中要充分考虑锚固体塑性区的发展，有效利用锚固的塑性变形，对优化锚杆设计具有一定的参考意义。

2.3 锚杆剪应力沿全长变化规律

锚杆剪应力变化规律一直是学术界研究的重点和难点，主要包括灌浆体与锚杆界面和灌浆体与围岩体界面剪应力两种，根据相关假设，很多学者做了大量的研究与分析[6-8]，但都没有得到统一的共识。本试验在钢筋表面粘贴应变片，用静态应变仪测得锚杆拉拔过程中锚杆—砂浆界面的应变变化，由此可得到锚杆—砂浆界面剪应力沿全长的分布规律。根据实测数据选取锚固深度为200 mm的不同砂浆强度下的应变曲线，见图2。

通过实测的不同砂浆强度下的应变曲线可知：在加载过程中，在靠近锚杆端部的应变数值最大，其应力沿锚固深度依次递减，在接近锚杆底部时，应力非常小，接近为零，并进一步发现，大部分剪应力集中在锚杆全长1/2左右，随着拉拔荷载的增加，界面应力也随着增大由此推证规范设计中的锚杆剪应力沿全长分布假定是不合理的。在工程实际中，为合理设计锚杆的锚固力及其锚固效果，应对靠近杆端部分锚固体进行加固设计，这样可以有效提高锚杆的锚固力及其锚固效果。

2.4 破坏形式

为确定锚杆在拉拔过程中的破坏形式，估计其可能出现的破坏范围，相邻锚杆间距为300 mm，垫板距锚杆中心大于150 mm。通过实验发现，锚杆的破坏形式呈多样性，锚杆钢筋都没有出现屈服破坏。其破坏形式主要有两种：一种为拉拔破坏，锚杆钢筋与灌浆体之间产生了滑移，钢筋从灌浆体中拔出；另一种为锥形破坏，锚杆带着灌浆体从围岩体整体拔出，锥形破坏面的最大直径为272 mm，锥形体的深度为60 mm，如图3所示。

产生这两种破坏面的主要原因与加载速率、振捣是否密实和砂浆强度、锚固深度有关。经过现场试验发现，高强度砂浆与锚固深度200 mm的锚杆出现锥形面破坏的居多，其余为拉拔破坏。通过分析这两种破坏形式，为锚杆锚固效果的理论研究提供试验参考。

3 结论

通过对不同灌浆砂浆强度和不同锚固深度的锚杆进行改进型拉拔试验，结果表明：1)通过提高灌浆砂浆强度和锚固深度对增大锚杆锚固力是可行的，但是对于短锚，增大砂浆强度对提高锚固力效果不明显；在相同灌浆砂浆强度下，锚固力沿锚固深度表现为非线性分布。2)根据实测荷载位移曲线与规范对比，发现在拉拔力较小时，增长趋势相同；当拉拔力达到一定值时，增长趋势比规范上的缓慢，并通过数据拟合，发现其整个过程符合对数函数的关系。3)锚杆剪应力沿全长并非均匀分布，沿锚固深度呈递减趋势，并主要集中在锚固深度1/2左右，在设计锚杆时，通过对锚杆杆端锚固体进行加固，可以有效提高锚杆的锚固力，达到较好的锚固效果。4)现场试验拉拔破坏形式为滑移破坏和锥形破坏，对这两种破坏形式加以理论分析，为锚固理论提供试验参考。

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The anchoring test research on tensile type anchor

Gao Dejun Cao Jiexiong Li Yuansong

(ArchitectureandCivilEngineeringCollege,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

In order to study the influence of mortar strength and anchorage length on the bearing capacity of anchor, the modified methods were adopted for anchor pullout test. Strain gauges were pasted on the anchor surface and the shear stress distributions along anchor full-length were obtained, the corresponding failure mechanism was analyzed according to the bolt failure modes.

anchor, anchoring effect, load-displacement curve, shear stress, failure mode

1009-6825(2015)02-0041-03

2014-11-05

高德军(1970- )，男，博士，副教授； 曹杰雄(1988- )，男，在读硕士； 李元松(1989- )，男，在读硕士

TU472

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