锚杆(索)与混凝土粘结强度试验方法设计及实测

方树林

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

在煤矿领域，锚杆喷射混凝土联合支护(简称锚喷支护)常用于井筒、井底车场及主要开拓、准备巷道的永久支护。在井下施工现场，混凝土喷射到已经打设锚杆和锚索的巷道围岩表面，从开始的粘结初凝到最后的凝固硬化，混凝土喷层与锚杆、锚索的粘结作用至关重要[1]。粘结强度过小或丧失，喷层无法发挥其封闭水气、支承围岩、柔性卸压等作用，也无法达到与锚杆、锚索及其构件的协调受力效果。因此，粘结强度是衡量喷射混凝土力学性能的一个重要指标。通过试验准确测定混凝土喷层与锚杆、锚索的粘结强度，不但能为喷射混凝土力学性能研究提供实验手段，还可为巷道锚喷支护设计提供参考依据。

1 国内外研究综述

目前，国内外对煤矿行业混凝土与锚杆、锚索粘结强度的试验研究鲜见报道[2]，而对建筑、岩土行业混凝土与钢筋粘结强度的试验研究较多。其中，国外对混凝土粘结试验研究较早，R.M.Main[3]早在1951年就采用在钢筋内埋设应变片的试验方法，得到光圆钢筋和变形钢筋的应力分布，提出了粘结强度由化学胶合力、摩擦力和机械咬合力三部分组成；后期J.M.Plowman[4]，Robins，P.J.[5]，Hwang Shyh-Jiann[6]，T.Ichinose[7]，M.A.M.Aboobucker[8]等人分别采用摩擦粘结试验方法、侧向压力试验方法、梁式试验方法及搭接试验方法，研究了试件尺寸等各种因素对钢筋粘结强度的影响。

国内对混凝土粘结试验研究较晚，徐有邻等[9]在上个世纪80年代通过分析大量试验结果，建立了各种钢筋粘结强度的实用计算公式；赵羽习[10]、徐港[11]、魏志刚[12]、徐锋[13]、谢剑[14]，王亚宇[15]等诸多学者分别研究了不同位置变化、不同锈蚀量及不同温度等级条件下的钢筋与混凝土的粘结性能；方树林、康红普等[16]对煤矿锚喷支护软岩大巷的混凝土喷层受力情况进行了现场监测，这是比较少见的煤矿行业混凝土强度试验报道之一。

上述试验方法，按照试验原理可以归结为：中心拔出试验、梁式试验以及局部粘结-滑移试验。这些方法虽然试验原理简单，但试验装置复杂、试件尺寸庞大、实验过程耗时费力，尚无法在实验室大规模应用。另外，这些试验的对象基本上都是普通钢筋，与煤矿用的锚杆、锚索在形状上还有区别，前者普通钢筋是光圆状，后者锚杆是左旋无纵筋螺纹状，锚索是拧成麻花状的钢绞线束。因此，有必要对以前的试验方法进行改进和设计，使其能在实验室实现对锚杆、锚索与混凝土粘结强度的测试。

2 试验原理

混凝土喷射到锚杆(索)上，与锚杆(索)外露端紧密包裹，二者的接触面沿着锚杆(索)端部周边，呈柱状。为模拟这种接触，在实验室通过拉拔填有混凝土和锚杆(索)的套筒来实现。具体做法是，先在一个开孔的套筒中间插上一定长度的锚杆或锚索(锚杆或锚索一端插入套筒底部的定位孔中，另一端套上活动的套盘，以保证居中)，然后往套筒里面填满混凝土并置于振动台上振捣密实、做成试件，待混凝土养护一定龄期、凝结硬化后，利用拉拔装置将锚杆或锚索从装满混凝土的套筒内拉出，所得拉拔力(F)即可表示混凝土与锚杆、锚索的粘结强度。试验原理如图1所示。

图1 混凝土与锚杆、锚索粘结强度试验原理示意

可见，本试验的力学本质是轴拉法。通过以上试验过程测得拉拔力F后，采用下述公式计算混凝土与锚杆或锚索的粘结强度：

τ=F/πdl

(1)

式中，τ为混凝土与锚杆或锚索的粘结强度，MPa；F为锚杆或锚索从混凝土中被拔出时的最大载荷，kN；d为锚杆或锚索的直径，m；l为锚杆或锚索在混凝土中的埋置长度，m。

需要指出的是，本试验拉拔装置采用锚杆拉拔计或锚索张拉计，其内置穿心式液压千斤顶。锚杆拉拔计配有螺杆和压盖螺母，螺杆一端设有内螺纹，另一端设有外螺纹，螺杆穿过所述千斤顶，内螺纹一端连接锚杆螺纹伸出端，外螺纹一端连接压盖螺母，通过拧紧压盖螺母固定所述锚杆和所述千斤顶，供压时千斤顶活塞前移，顶住所述套筒敞口，千斤顶油缸相对活塞后移，带动压盖螺母拉着螺杆及锚杆向后运动，从而实现向外拉拔锚杆的过程。

锚索张拉计配有能够卡住所述锚索伸出端的锥形锚具，供压时千斤顶活塞前移，推动圆锥形锚具的锥头收缩锁紧锚索，并顶住所述套筒敞口，千斤顶油缸相对活塞后移，带动锚具卡着锚索向外运动，从而实现向外张拉锚索的过程。

3 试验材料与仪器

为模拟现场情况，试验锚杆、锚索(图2)采用目前井下应用最普遍的材料截制而成，锚杆规格为直径22mm、长度350mm、屈服强度为335MPa、杆体左旋无纵筋螺纹钢、底部螺纹M24，锚索规格为直径22mm、长度350mm、破断载荷为600kN、材质1×19股鸟笼式钢绞线。选择试验材料长度为350mm，既考虑了锚杆、锚索在混凝土中的埋置长度，又为拉拔装置的夹持预留了足够长度。

表1 试验混凝土配合比

图2 粘结试验用锚杆和锚索

为模拟锚杆、锚索与混凝土的粘结，试验制作了专用粘结装置(图3)，粘结装置由套筒和套盘组成。套筒为柱状空心钢圆筒，内径55mm、外径60mm、长度200mm(选择此长度的原因是煤矿现场喷射混凝土的厚度一般在200mm左右)，顶端敞口、底端开有直径为25mm的中心小孔(用于锚杆、锚索的定位)。套筒内装上混凝土振动时，为保证锚杆、锚索的居中度，套筒顶端还需套上一个同样开有直径为25mm小孔的套盘，套盘尺寸为直径60mm、厚度5mm。套盘和套筒通过内、外螺纹连接，套盘相当于套筒的“瓶盖”，锚杆或锚索一端插入套筒底部的定位孔中，另一端穿过活动的套盘，套盘套至套筒的顶部，可以保证在振动混凝土时锚杆或锚索能够在套筒内居中。

图3 粘结试验用套筒和套盘示意

拉拔装置采用图4所示的锚杆或锚索拉力计，型号为LDZ300-180，最大拉拔力300kN，行程180mm。为方便读取拉力数值，拉力计上同时装有YS-1型数显式压力表，其具有峰值保持、存储和查询功能。

图4 锚杆、锚索拉拔装置示意

4 试验过程

(1)试件制作与养护 先在套筒中间插上试验锚杆(索)，一端穿过套筒底部定位孔，另一端套上套盘，保持锚杆或锚索居中，然后往套筒里填满预先拌制好的混凝土，并置于振动台上振捣密实，然后将振捣完毕、混凝土初凝后的试件置于标养室内养护一段时间，待套筒内的混凝土完全凝固后，最终制成的标准试件如图5所示。

图5 混凝土与锚杆、锚索粘结强度标准试件

(2)安装试件 按图1和图4所示安装拉拔计和试件，将锚杆(索)外露端插入千斤顶内槽，上好托盘、螺母或锁具，用胶管连接油缸和千斤顶，打开压力表准备读数。

(3)拉拔 打开油缸阀门，调节油阀保持拉拔计连续均匀加力，加力速度控制在20～40N/s，同时观察压力表读数变化，直到试件被拔出。

(4)读数 当压力表读数不再变化、试件被完全拔出时，停止施力，最后记录拉拔荷载。

锚杆、锚索从混凝土套筒中被拔出的试验结果如图6所示。

图6 混凝土与锚杆、锚索粘结强度试验结果

5 试验结果及分析

测出混凝土与锚杆及锚索的拉拔破坏载荷后，统计二者在不同龄期下的粘结强度大小，详见表2。

表2 混凝土与锚杆、锚索粘结强度试验数据

运用最小二乘法对表1中数据进行处理，得到粘结强度随时间变化曲线，如图7所示。

图7 混凝土与锚杆、锚索粘结强度变化曲线

对曲线进行回归分析，得出混凝土与锚杆、锚索粘结强度的表达式分别为：

τbb=10.94ln(t)-1.40

(2)

τba=8.90ln(t)+2.22

(3)

式中，τbb为混凝土与锚杆的粘结强度，MPa；τba为混凝土与锚索的粘结强度，MPa；t为混凝土的养护龄期，d。

由此可见：

(1)混凝土与锚杆的粘结强度随时间呈明显的对数增长规律，前期增长迅速、后期增长缓慢，第7天的强度增幅高达454%，第28天的强度增幅仅为26%。

(2)混凝土与锚索的粘结强度随时间也呈对数增长规律，但增长幅度没有锚杆明显，前期增幅较大，如第7天强度比第1天强度增长289%，后期强度几乎不再增长，第28天强度增长幅度仅为0.3%。

(3)从纵向方面看，混凝土不管与锚杆还是与锚索，粘结强度都超过20MPa，这样高的粘结强度说明混凝土喷射到围岩表面，与锚杆、锚索端部紧密包裹，可以起到很好的粘结作用，同时与二者粘为一体，起到传递预紧力的作用，增加对围岩的支护效果，这与钢筋混凝土的作用机理相似。

(4)从横向方面比较，混凝土与锚杆、锚索的粘结强度是有差异的，表现为前期混凝土与锚杆的粘结强度小于与锚索的粘结强度，如第1天强度前者仅为后者的40%，后期混凝土与锚杆的粘结强度超过与锚索的粘结强度，如第28天强度前者是后者的1.2倍，这与锚杆、锚索的结构和材质差异有关。

6 结 论

混凝土喷射到锚杆(索)上，与锚杆(索)外露端紧密包裹，二者的接触面沿着锚杆(索)端部周边，呈柱状。为模拟这种接触状态，文章通过在实验室拉拔填有混凝土和锚杆(索)的套筒来测量二者的粘结强度，从而快速、准确地实现对混凝土粘结性能指标的测试。通过分析试验数据，得出以下结论：

(1)混凝土与锚杆、锚索的粘结强度随时间均呈对数增长规律，均表现出前期增长迅速、后期增长缓慢的特点，但混凝土与锚索粘结强度的增长幅度没有锚杆明显，第7天强度前者增幅289%，后者增幅高达454%；第28天强度前者增幅仅为0.3%，后者增幅为26%。

(2)混凝土与锚杆、锚索的粘结强度的变化速率不一样。前期混凝土与锚杆的粘结强度小于与锚索的粘结强度，第1天强度前者仅为后者的40%；后期混凝土与锚杆的粘结强度超过与锚索的粘结强度，第28天强度前者是后者的1.2倍。这与锚杆、锚索的结构和材质差异有关。

(3)混凝土不管与锚杆还是与锚索，最终粘结强度都超过20MPa，这样高的粘结强度说明混凝土喷射到围岩表面，与锚杆、锚索端部紧密包裹，可以起到很好的粘结作用。