工作荷载和高地温环境下锚杆极限拉拔力试验研究

李福海，贾 毅，胡丁涵，汪 波，3，陈思银

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.陆地交通地质灾害防治技术国家工程实验室，四川 成都 610031；3.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

随着我国经济和公路交通事业的快速发展，隧道施工技术不断进步。现代设计理念在节地、环保等方面提出新的要求，隧道工程逐步向超长、深埋方向发展。大量隧道的修建，不可避免地要穿越工程地质条件复杂的岩体，会遇到一系列特殊的地质问题，其中高地温问题尤其突出[1-2]。锚杆支护因结构简单、施工方便、工程造价低和工程适应性强等特点，已成为目前隧道工程设计、施工中常用的一种适应现代支护理论的重要支护方式[3]。在高地温隧道围岩中埋入锚杆，高地温会引起锚固系统材料发生一系列物理化学变化，包括水分蒸发、胶结材料的水化与水解、裂缝的产生和发展，导致锚固体黏结性能劣化和结构损伤，从而影响整个隧道结构的耐久性和安全性[4-5]。因此，开展高温作用下锚杆的极限拉拔力研究有重大的理论和实践意义。

锚固结构问世以来，国内外专家学者对锚杆在岩体中的锚固机制进行了大量理论和试验研究。文献[6]从弹性力学角度进行研究，认为锚固系统破坏是基体锥形破坏和界面黏结破坏共同作用导致的，推导出极限抗拔力计算公式。文献[7-8]采用45°锥体模型，与文献[9]提出的CC模型相比，提高了计算的准确性，认为锚杆的极限拉拔力应等于锥体水平投影面积上拉力之和，并得到最大拉拔力。文献[10]针对锚固系统的锥体-黏结复合破坏问题，分析锥体在黏结复合破坏形态下的极限承载能力，提出了相应的极限抗拔力计算公式。文献[11]基于Mindlin位移解，假设黏结材料与岩土体为性质相同的弹性材料，推导出全长黏结式锚杆极限拉拔力。文献[12]侧重锚固体与岩土体界面黏结力的分析，假定锚固体与岩土体间剪切位移随剪切力线性增加，建立锚杆荷载传递的双曲函数模型，得到极限拉拔力。文献[13]假定相对于锚杆与灌浆体界面，灌浆体与岩土体界面更加薄弱，推导出全长黏结式锚杆的最大拉拔力公式。文献[14]通过钢筋与混凝土拉拔试验，分析高温下钢筋与混凝土黏结性能退化机理。文献[15]研究不同温度下植筋锚固试件的滑移破坏规律，建立了温度作用下锚固试件极限拉拔力与主要影响因素之间的非线性预测模型。文献[16]通过试验研究、理论分析和数值模拟，研究了影响锚固系统极限承载能力的各种因素，并对黏结型锚杆的承载力进行了计算和预测。

综上，关于锚杆在工作荷载和高温共同作用下的极限拉拔力研究鲜有文献提及，而且没有形成系统的、可直接用于工程实际的统一理论。工程实践表明，大量锚固体结构在正常使用时就处于高温工作环境，因此，研究工作荷载和温度共同作用下锚杆支护系统的力学性能规律和破坏机理，保障锚杆在隧道工程中安全经济地应用，完善高温作用下锚杆极限拉拔力的理论与试验研究，具有较强的经济实用性和技术指导意义。本文通过模型试验研究锚杆在工作荷载和高地温环境共同作用下极限拉拔力的变化规律，从锚杆的锚固机理出发探讨工作荷载和环境温度对锚杆极限拉拔力的影响，为锚杆更好地应用于高地温隧道支护工程和相关规范的编制提供依据。

1 试验概况

1.1 试验构件和内容

本试验共制作9个直径为75 mm、长度为300 mm的锚杆试件，如图1所示。根据《水泥基灌浆材料应用技术规范》[17]的要求，采用锚杆灌浆料同步制作了24个边长为100 mm的非标准立方体试件，试件分别在干燥和潮湿环境下的不同温度(20、35、50、70 ℃)养护28 d，灌浆料立方体试件和抗压强度试验如图2、图3所示。

图1 锚杆试件实物

图2 灌浆料立方体试件

图3 试件抗压强度试验

为模拟锚杆在不同工作荷载下的力学性能，选择100 kN作为锚杆试件的受拉设计值，分别取设计值的10%、35%和60%作为锚杆的工作荷载，即，将锚杆试件分成3组进行试验，每组3个，锚杆试件分组及编号见表1。对锚杆试件施加工作荷载采用优化的四点千斤顶加载方式，通过油压千斤顶作用于钢板取得反力对锚杆施加集中荷载[18]，如图4所示。第1～3组每组锚杆试件施加的集中荷载分别为10、35和60 kN并保持工作荷载不变，同时将整个加载装置分别置于20、35和50 ℃的恒温干燥环境中养护28 d，恒温环境控制系统如图5所示。

表1 锚杆试件分组及编号

注：试件编号a-20表示第1组试件(工作荷载为10 kN)，养护温度为20 ℃。依此类推，b表示第2组试件，c表示第3组试件。

图4 锚杆试件工作荷载施加图

图5 恒温环境控制系统

本次试验对灌浆料立方体试件进行抗压强度试验，研究锚杆灌浆料在干燥和潮湿两种环境下，养护温度对立方体试件抗压强度的影响规律。依次对9个锚杆试件进行拉拔试验，读取荷载-位移等试验数据，记录试验现象，系统研究养护温度对锚杆灌浆料界面黏结强度、黏结-滑移变化规律和极限抗拔力的影响。

1.2 试验材料

本试验采用水灰比0.45、砂浆比1∶1的水泥砂浆作为锚杆灌浆黏结材料。水泥采用四川省都江堰市生产的P.O 42.5拉法基普通硅酸盐水泥，密度3.1 g/cm3，比表面积为328 m2/kg，标准稠度用水量为26.8%，采用细度模数为2.85的机制砂、pH值为8.73的自来水。本试验研究对象隧道围岩属于硬岩，采用型号为DN75的无缝钢管模拟隧道围岩，钢管与灌浆体之间的黏结满足实际硬岩与水泥砂浆的黏结强度。锚杆采用杭州图强工程材料有限公司型号为φ25×5 cm普通中空螺纹锚杆，锚杆符合《中空锚杆技术条件》[19]要求。采用西南交通大学建筑材料实验室微机控制万能试验机，对锚杆进行拉伸试验[20]，结果见表2。

表2 锚杆拉伸试验结果

1.3 试验仪器

锚杆预加载采用自行设计的千斤顶反力加载装置和上海申锐测试设备有限公司制造的型号为YML-30B的锚杆拉力计，锚杆预加载装置示意如图6所示。锚杆拉拔试验在1 000 kN液压式万能试验机上进行，如图7所示。为了与试验机加载装置适应，自行设计了变空间钢筋握裹力抗拔仪，如图8所示，利用拔出法测试锚杆加载后的抗拔力值。测试锚杆与灌浆体之间的滑移位移时，在锚杆顶端固定千分表，如图8所示。

图6 锚杆预加荷载装置示意(单位：mm)

图7 液压式万能试验机

(a)示意图

(b)实物图图8 变空间钢筋握裹力抗拔仪

1.4 试验步骤

模型试验的具体步骤如下[21]：

(1)将灌浆料立方体试件分别置于干燥和潮湿两种环境中，不同温度下养护28 d，测试其抗压强度。

(2)锚杆试件成型后放置于相应温度干燥环境，7 d后，利用千斤顶反力加载装置对锚杆试件施加相应的工作荷载并保持荷载不变，同时将整个装置分别置于20、35和50 ℃的恒温环境中养护28 d。

(3)采用液压万能试验机对28 d后的锚杆试件进行拉拔试验，试验过程中记录荷载-位移相关数据，用千分表测量锚杆位移量，并观察锚杆试件破坏现象。当锚杆试件加载力下降到最大承载力的80%时，认为试件已完全失去承载能力，终止试验。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

对不同养护温度下的三组锚杆试件拉拔试验结果对比发现，所有锚杆试件的端面上均有径向细裂缝，裂缝从锚杆杆体向四周分布。当试件养护温度一定时，工作荷载越大的试件，产生的裂缝越多，并且裂缝宽度越大。工作荷载相同的锚杆试件，养护温度越高，产生的裂缝越多且宽度越大，如图9所示。

图9 不同养护温度试件端面裂缝分布

锚杆试件拉拔过程中，在锚杆杆体与灌浆体发生滑移之前，受拉端的锚杆在拉拔作用下，锚杆杆体首先被拉长。继续增大荷载，试件的锚固体端面与外钢管不齐平，钢管与灌浆体界面先发生滑移，此时锚杆杆体与灌浆体变形保持协调，未发生相对滑移。当锚固体端面与钢管端面滑移至齐平后，再继续加载，锚杆杆体与灌浆体界面发生滑移，在锚固段的受拉端锚杆杆体与灌浆体接触面发生黏结失效破坏。继续加载加速了黏结段的破坏发展，锚杆杆体夹带着砂浆碎渣不断被拔出，伴有轻微脆裂声，锚杆试件黏结强度明显下降，荷载不断降低，迅速至破坏荷载。锚固体受拉端和自由端破坏形式如图10所示。

(a)受拉端 (b)自由端图10 锚杆试件破坏形式

2.2 温度对灌浆料抗压强度的影响

对不同温度下28 d龄期的非标准灌浆料立方体试件(100 mm×100 mm×100 mm)进行抗压强度试验，并将试验结果换算成150 mm×150 mm×150 mm的标准试件抗压强度值。图11为不同养护环境下试件抗压强度与养护温度的关系曲线。

图11 灌浆料试件抗压强度与养护温度的关系

从图11可知，试件在干燥环境养护下，其抗压强度随着养护温度的升高而减小，相对20 ℃养护温度，35、50和70 ℃养护下试件的抗压强度值分别降低了2.5%、17.7%和18.3%。其原因为以下两个方面[22]：(1)高温加速水泥水化速率，造成水化产物的不均匀堆积，形成的结构不密实，再加上处于干燥环境中，加速了微裂纹的扩展，使内部损伤增加；(2)高温干燥养护环境，因内部自由水迅速蒸发，诱发脱水，水泥颗粒周围相对稠密的凝胶层减慢了水化的进程，总体上水化程度降低，结构缺乏足够的黏结力。

当试件在潮湿环境养护下，随着养护温度的升高，试件的抗压强度逐渐增大。当养护温度在20～70 ℃时，随着温度的升高，水化反应越来越充分，未出现脱水现象。相反水泥水化因温度小幅度提高而加快，水泥水化程度更高，因此灌浆料强度提高。

2.3 荷载-位移曲线

通过对3组9个锚杆试件进行拉拔试验，得到荷载-位移曲线，如图12所示。由图12分析可知，荷载-位移曲线都存在4个阶段：弹性阶段、屈服阶段、塑性强化阶段和拔出破坏阶段，曲线近似呈现三折线特征。

(a)工作荷载10 kN

(b)工作荷载35 kN

(c)工作荷载60 kN图12 试件荷载-位移曲线

加载初期，结构首先进入弹性阶段，锚杆杆体与灌浆体材料完全黏结，变形一致，这一阶段的荷载-位移曲线基本为直线，荷载迅速增大而位移较小。随着荷载继续增大，在黏结界面剪应力最大处产生滑移，胶结力作用消失，此时主要由摩擦与机械咬合作用平衡荷载，锚杆杆体与灌浆体两者变形不再协调。由于锚固体的受力范围集中在受拉端附近，因此距拉拔端近的灌浆体受力较大，并且由于锚杆表面螺纹的存在，当锚杆杆体与锚固体界面滑移时，出现滑移剪胀效应，容易导致黏结材料的破坏。随着荷载的增加，裂缝迅速扩展，此时荷载-位移曲线上出现一小段曲率较大的非线性段，即结构进入屈服阶段，并达到试件极限抗拔荷载。

达到极限拉拔力后，随着荷载的继续增大，结构进入塑性强化阶段。在锚固体的受拉端首先产生脱黏破坏，此时只剩下摩擦阻力，弹性区和弹塑性区将继续向锚固体的自由端方向平移，还没有出现塑性变形区域的锚固力没有下降。由于锚杆杆体的螺纹对水泥灌浆料的挤压，锚杆的螺纹前形成了压碎粉末堆成的斜面，增加了脱黏段的摩擦阻力。因此在这一阶段中，锚固力随着滑移位移的增加基本不变，曲线出现一段平台特征。

继续增大荷载，结构进入拔出破坏阶段，锚杆杆体上的螺纹与周围的砂浆发生进一步剪切破坏，加速了脱黏段的发展，塑性区将继续向自由端扩展，锚固力不断下降。当水泥灌浆料咬合齿剪断后，拉拔力完全由锚杆杆体外轮廓圆周面上水泥灌浆料的摩擦力提供。此时，锚固力稳定于一固定值，与此摩擦力对应的特征黏结应力值称为残余强度。最后，随着滑移不断加大，锚杆杆体从水泥灌浆体中拔出而破坏。

2.4 环境温度对锚杆极限拉拔力的影响

图13为锚杆试件极限拉拔力与养护温度的关系曲线。通过对比常温与高温下锚固体的承载力变化率，研究养护温度对锚杆极限拉拔力的影响，试件的极限拉拔力变化率为[23]

( 1 )

式中：PT为温度T时的极限拉拔力；Pc为常温下的极限拉拔力；S为极限拉拔力变化率。

图13 试件极限拉拔力与养护温度的关系曲线

从图13可以看出，当试件的预加工作荷载不同时，锚固体试件的极限拉拔力随养护温度的变化规律是一致的，即当锚固体试件预加工作荷载一定时，试件的极限拉拔力随温度的升高呈现先增大后减小的规律。根据工作荷载从小到大将试件分为第1组、第2组和第3组。相对于常温20 ℃养护环境下试件的极限拉拔力，第1～3组试件在35 ℃和50 ℃养护环境下，极限拉拔力变化率分别为2.65%、0.84%、2.41%和0.63%、2.02%、0.24%。当锚杆试件的养护温度从35 ℃升高到50 ℃时，其极限拉拔力平均降低了约2%。因此，锚杆的养护温度对其极限拉拔力有一定影响。锚杆拉拔试验的3种温度环境中，35 ℃养护环境下试件的极限拉拔力最大，经分析是因为灌浆体产生干燥收缩，而锚杆与灌浆体的膨胀系数有差异，干燥收缩增大两者之间的挤压力，导致两者界面间的摩擦力和机械咬合力增加，试件的极限拉拔力也出现小幅度增大。50 ℃养护环境下试件的极限拉拔力相对35 ℃有一定的减小，是因为养护温度过高加大了灌浆体内部的收缩应力，锚杆试件内部出现一定的结构损伤，导致试件的极限拉拔力稍有降低。尽管锚杆试验为干燥环境，但外钢管的防护作用，降低了水泥浆体内水分的损失，因此随着温度的升高，锚杆极限拉拔力均略有增大，但随着温度的升高，端部出现更多的水分损失，产生的内部收缩应力更大，因此锚杆极限拉伸试验呈现随着温度的升高先增大后减小的规律。

2.5 工作荷载对锚杆极限拉拔力的影响

图14为锚杆试件卸载工作荷载后极限拉拔力与工作荷载的关系曲线。

图14 试件极限拉拔力与工作荷载的关系曲线

从图14可以看出，锚杆试件的极限拉拔力与工作荷载基本呈线性变化规律，即随着工作荷载的增加，试件的极限拉拔力线性减小。对比不同养护温度下的试件组，发现养护温度对试件的极限拉拔力与工作荷载的影响不大。当试件分别在20、35和50 ℃环境下进行养护时，作用在锚固体试件的工作荷载由10 kN增大到35 kN，再增大至60 kN，相应的极限拉拔力降幅分别为9.9%和7.0%、9.6%和6.1%、9.7%和6.1%。可见，试件的养护温度越高，试件的极限拉拔力随着工作荷载的增大其变化幅度越小，但存在的预加工作荷载对其极限拉拔力产生了较大的影响。

3 结论

通过对锚杆试件在预加工作荷载和高温共同作用下极限拉拔力的变化进行试验研究，得到结论如下：

(1)对所有锚杆试件拉拔试验过程和结果对比发现，试件的端面上均有径向细裂缝，裂缝从锚杆杆体向四周分布；当试件养护温度一定时，施加的工作荷载越大其产生的裂缝越多且裂缝宽度越大；施加工作荷载相同的锚杆试件，养护温度越高，产生的裂缝越多且宽度越大。

(2)锚杆试件的灌浆料在干燥环境下养护时，灌浆料立方体的抗压强度随着养护温度的升高而减小；锚杆试件的灌浆料在潮湿环境下养护时，随着环境温度的升高，灌浆料立方体的抗压强度呈现逐渐升高的规律。

(3)对3组共9个锚杆试件进行拉拔试验，得到的荷载-位移曲线大致相同并且都存在4个阶段：弹性阶段、屈服阶段、塑性强化阶段和拔出破坏阶段，曲线近似表现出三折线特征。

(4)施加于锚杆的工作荷载一定时，锚杆的极限拉拔力随养护温度的升高呈现先增大后减小的趋势，考虑50 ℃以下的养护温度时，35 ℃时锚杆试件的极限拉拔力最高。当养护温度从35 ℃升高到50 ℃时，试件的极限拉拔力降低约2%。

(5)当锚固体试件预加工作荷载一定时，试件的极限拉拔力随温度的升高呈现先增大后略减小的规律。试件在高温养护环境下，预加工作荷载越大，试件的极限拉拔力相对于常温试件的变化幅度越小。

(6)锚杆试件的极限拉拔力与工作荷载几乎呈线性变化规律，即随着工作荷载的增大，试件的极限拉拔力逐渐减小。

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