新型拉力分散型麻花锚杆锚固性能试验研究_查文华.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022新型拉力分散型麻花锚杆锚固性能试验研究查文华1,王澄菡1,2,梁译文1,刘小虎3,刘造保4(1.东华理工大学 土木与建筑工程学院,南昌 330013;2.化学工业岩土工程有限公司,南京 210031;3.安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001;4.东北大学 资源与土木工程学院,沈阳 110819)摘要:针对传统锚杆无法有效适应围岩大变形问题,发明了一种抗大变形麻花锚杆,在一定侧压条件下利用锚杆拉拔测试装置,研究了不同锚固长度组合下拉力分散型麻花锚杆锚固性能。结果表明:锚杆拉拔荷载 端头位移发展过程分为弹性阶段、结构变形阶段、塑性阶段和屈服破坏阶段;在相同锚固长度组合下,双根整根螺旋锚杆的锚固性能最优,双根直不螺旋锚杆锚固性能最差;在不同锚固长度组合下,双根整根螺旋锚杆锚固段 L1 长度越长,锚固性能越好。工程应用中保证麻花锚杆破断载荷大于锚固力条件下,可有效提高麻花锚杆抗围岩大变形能力,确保巷道支护效果。研究成果为新型锚杆结构设计提供理论支撑。关键词:锚固性能;锚固长度;结构变形;螺旋锚杆中图分类号:U455.7文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0696-06Experimental Study on Anchorage Performance of New Tension Dispersed Twist BoltZha Wenhua1,Wang Chenghan1,2,Liang Yiwen1,Liu Xiaohu3,Liu Zaobao4(1.School of Civil and Architectural Engineering,East China University of Technology,Nanchang,330013,P.R.China;2.Chemical industry Geotechnical Engineering Co.,Ltd.,Nanjing 210031,P.R.China;3.School of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science and Technology,Huainan,Anhui 232001,P.R.China;4.College of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,P.R.China)Abstract:In view of the fact that traditional bolts cannot effectively adapt to large deformations of surrounding rocks,a large-deformation resistant twist bolt was invented.Under certain lateral pressure conditions,the bolt pull test device was used to study the anchorage performance of pull-down force dispersion type twist bolts under the combination of different anchor lengths.The results show that the development process of anchor pull-out load-end displacement is divided into:elastic stage,structural deformation stage,plastic stage and yield failure stage;under the same anchoring length combination,the anchoring performance of the double whole spiral anchor is the best,and the anchoring performance of double straight and screw bolts is the worst;under the combination of different anchoring lengths,the longer the anchoring section L1 length of the double whole screw bolt,the better the anchoring performance.In engineering applications,under the condition that the breaking load of twist bolt is greater than the anchoring force,it can effectively improve the ability of twist bolt to resist large deformation of surrounding rock and ensure the support effect of roadway.The research results provide theoretical support for the design of new anchor rod structures.Keywords:anchorage performance;anchorage length;structure deformation;spiral anchor收稿日期:2022-06-29(修改稿)作者简介:查文华(1975),男,安徽太湖人,博士,教授,主要从事岩土工程锚固等方面的研究。E-mail:whzha 基金项目:国家自然科学基金(51964002);江西省“双千计划”支持项目(DHSQT22021002);2021 年江西省研究生创新项目(YC2021-B160)0引言锚杆在矿山巷道支护方面起着极其重要的作用,可将巷道中大范围的围岩连成整体,限制围岩的开裂和变形1-3。目前多数学者主要针对传统锚杆的锚固性能进行了相关研究:如高德军等4 采取试验的方法研究了拉力型锚杆在不同锚固深度、灌浆 配 合 比、孔 径 等 因 素 下 锚 固 性 能;何 兴等5通过建立室内试验模型,探讨了岩体-锚杆体 在单向和双向作用下复合材料的各向异性力学参数;范俊奇等6通过建立不同强度介质的锚杆模型,分析了锚固段第一、第二交界面剪应力分布特征,并进行了理论公式推导,得到了锚固段应力、轴力及交界面的剪应力传递、衰减规律;宋洋等7通过定义虚拟系数 T,利用 FLAC3D 数值软件和试验分析了第一锚固界面剪应力分布形式,指出随着锚杆半径增大,锚浆界面剪应力峰值呈非线性减小;李慈航等8通过试验研究了传锚杆在不同围岩条件下沿锚杆轴向和径向的应力传递规律和第二界面剪应力传递规律,发现锚固系统各界面的剪应力衰减过程沿杆体和径向两个正交方向衰减;查文华等9通过室内试验研究了不同侧压系数下传统锚杆锚固失效形式及锚固力的变化规律,指出锚固破坏以锚杆 锚固层界面脱黏为主,并部分伴有锚固层破碎、锚固层 钻孔壁脱黏,界面随锚固的破坏相继出现弹性变形区、塑性滑移变形区和脱黏变形区;Kumar 等10提出了可用于锚杆抗拔性能计算的界面剪应力分布剪滞模型,并与单轴拉拔条件下的均质锚固剂进行了比较,研究了这种锚固剂对界面剪应力分布的影响。综上所述目前主要研究了传统锚杆在荷载作用下锚固剂和锚固界面剪应力分布特征,在一定程度上揭示了锚杆锚固性能的内在机理;但针对锚杆锚固长度11和自身结构研究方面较少;基于此本文提出一种可以实现拉力分散的新型麻花锚杆,针对新型拉力分散型麻花锚杆结构,本文通过室内试验探讨相同侧压系数不同锚固长度组合下麻花锚杆锚固性能。1新型锚杆试验1.1新型拉力分散性麻花锚杆结构形式与普通锚杆区别在于,新型拉力分散型麻花锚杆是将两根锚杆以一定螺距扭合在一起,在实际受拉过程中,两根锚杆不断扭紧,逐渐接近锚索状态,同时通过锚固剂提高锚杆与围岩之间咬合力12。其中拉力分散型麻花锚杆 L2 段表示端部长度,与锚固剂直接接触;L1 段采用保鲜膜包裹,避免与锚固剂直接接触,如图 1 所示。图 1锚杆结构示意图Fig.1Schematic diagram of anchor rod structure双根麻花锚杆由两根直径为 8 mm 普通热轧月牙纹钢筋组成,端头焊接在端部的长螺纹杆上。锚杆总长度为 2 000 mm,自由段长 8 00 mm,锚固段长 1 000 mm,分 L1 和 L2 两部分,本文主要讨论在不同锚固长度组合下麻花锚杆锚固性能,受文章篇幅限制,本文选取 0.7 侧压系数下试验结果分析,其中垂直应力 31.4 MPa,水平应力21.98 MPa。1.2试验模型制作因试验过程中需要对锚固基体侧面及顶面进行侧压加载,为避免侧压作用导致锚固基体率先发生破坏,本次试验混凝土锚固基体强度设计为C30,尺 寸 为 长 宽 高=1 800 mm 200 mm 200 mm 混凝土试件,锚固材料选用水泥砂浆,并利用 SHT4305 微机控制电液伺服万能试验机测试锚固材料强度。具体材料配比及力学参数如表 1、表2 和表 3 所示,抗压强度试验如图 2 所示。表 1模型材料配比Table 1Model material proportioning设计用料每吨材料配比/kg水水泥沙石子1754615121 252材料自来水PC32.5 普通硅酸盐水泥普通河沙最大粒 20 mm碎石材料配合比0.38 1 1.11 2.72表 2水泥砂浆配比7962022 年增刊 2查文华,等:新型拉力分散型麻花锚杆锚固性能试验研究Table 2Cement mortar ratio材料水泥沙水材料配合比PC42.5 普通硅酸盐水泥普通河沙自来水1 1 0.5图 2混凝土抗压强度试验Fig.2Compressive strength test of concrete由于混凝土的抗拉强度较小,大小大概只有其抗压强度的 1/10 1/20。下表 3 中抗拉强度则拟采用抗压强度的 1/15 来进行计算。表 3混凝土抗压强度测试结果Table 3Test results of the compressive strength of concrete编号试验面积/mm2破坏荷载/kN抗压强度/MPa抗拉强度/MPaS-15 026.8223.744.502.97S-25 029.6232.0746.173.08S-35 019.7223.4844.462.962试验装置试验装置为自行研制的多功能锚杆拉拔测试系统,如图 3,该系统可进行不同侧压作用下锚杆拉拔试验13。2.1加载装置试验共 3 组加载装置,如图 4。每组 1 个手动液压泵配 3 个千斤顶及 1 个三通液压分流器。手动液压泵型号为 CP-700-2A,液压泵输出最大压力为 700 kg/cm2。千斤顶型号为 FCY-20 150,本体高度 205 mm,行程为 150 mm。图 3试验加载平台示意图与实物图Fig.3Schematic diagram and physical diagram of the test loading platform图 4侧压加载装置及其组合图Fig.4Side pressure loading device and its combination2.2锚杆拉拔装置锚杆拉拔计型号为型手动液压泵 ML-200 B,最大工作压力为 60 MPa,工作能力 200 kN,拉力行程 80 mm,现场布置如图 5。图 5锚杆拉拔仪现场布置Fig.5Site layout of anchor puller896地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷2.3监测装置拉力位移监测使用的是“HC 锚杆综合参数测定仪”,位移传感器通过连接线与仪器位移输入接口相连接,如图 6。压力传感器布置在千斤顶与承压铁板之间,并通过连接线与仪器压力输入接口相连接。采集后数据通过“HC 锚杆综合参数测定仪”windows 客户端进行预处理与导出。图 6位移传感器与压力传感器布置Fig.6Layout of displacement sensors and pressure sensors2.4试验方案与试件制备为研究麻花锚杆不同锚固长度下锚固性能,对三种规格锚杆进行拉拔试验,锚杆共有三种不同锚固长度组合,如表 4 和图 7 所示。其中拉拔试验采用分级加载,每级荷载 5 kN,每级持荷时间 5 min,每间隔 1 min 记录一次数据。图 7不同规格锚杆实物图Fig.7Physical drawings of bolts of different specifications表 4锚固长度设计及破断形式统计Table 4Anchor length design and statistics of breaking form编号锚杆类型锚固段长/mm组合长度/mm锚杆破断锚固界面破坏特征A1双根整根螺旋1 000L1600L2400锚杆断裂锚固界面端部无划痕A2双根整根螺旋1 000L1400L2600锚杆断裂锚固界面端有划痕A3双根整根螺旋1 000L1500L2500锚杆断裂锚固界面端部轻微划痕B1双根中部螺旋1 000L1500L2500锚杆断裂锚固界面端有明显划痕C1双根直不螺旋1 000L1500L2500锚杆断裂锚固界面端有明显划痕3试验结果分析3.1相同锚固长度组合下拉拔荷载与端头位移关系如图 8 所示,为探究相同锚固长度下不同规格锚杆的拉拔荷载与端头位移关系,将三种规格锚杆的荷载 位移曲线进行对比,分析其整个拉拔过程和断裂原因,并根据位移与荷载变化趋势和增加幅度对锚杆的锚固性能进行对比。(1)双根直不螺旋锚杆由 C1 曲线可以看出,锚杆拉拔荷载 端头位移发展过程同样可分为 4 个阶段:弹性阶段(A点之前):锚杆拉拔荷载与端头位移呈线性增长,图 8A3、B1、C1 编号锚杆的荷载位移曲线图Fig.8Load displacement curves of bolts numbered A3,B1 and C19962022 年增刊 2查文华,等:新型拉力分散型麻花锚杆锚固性能试验研究锚杆拉拔荷载增长速度较快,锚杆端头位移主要为锚固体的弹性变形,A 点荷载即为弹性极限。塑性阶段(AB 段):锚杆拉拔荷载增长速度减缓,端头位移增长速度较快,端头位移主要为锚固体的塑性变形,B 点为极限强度。屈服阶段(BC 段):锚杆拉拔荷载在某个值附近波动,端头位移变化较小,锚杆荷载已接近破断荷载,C 点为破断强度。破坏阶段(C 点之后):锚杆拉拔力大于锚杆破断荷载,锚杆发生破断,试验终止。(2)双根中部螺旋锚杆由于锚杆结构发生改变,从直不螺旋到中部螺旋,B1 锚杆发生变形原因改变:弹性阶段(A 点之前):锚杆拉拔荷载较小,却有一定的端头位移,分析原因为锚杆中部螺旋段在外力作用下拉紧伸直。结构变形阶段(AB 段):锚杆拉拔荷载与端头位移呈线性增长,锚杆拉拔荷载增长速度较快,锚杆端头位移主要为锚杆杆体因受力产生的收缩咬合。塑性阶段(BC 段)。屈服破坏(C 点之后)(3)双根整根螺旋锚杆A3 锚杆与 B1 锚杆结构部分相同,中部螺旋与整根螺旋,但其结构变形阶段和塑性变形阶段原因不同:结构变形阶段(AB 段):锚杆拉拔荷载与端头位移呈线性增长,锚杆拉拔荷载增长速度较快,锚杆端头位移主要为锚杆杆体因受力导致双根锚杆之间间距发生收缩咬合,产生结构变形。塑性阶段(BC 段):锚杆拉拔荷载增长速度减小,端头位移增长速度较快,分析原因可能为两方面,第一为在更大拉拔力作用下,两根锚杆之间更进一步咬合;第二,锚杆开始发生塑性形变,此阶段发生杆体的形变和杆体的结构形变。(4)锚固性能对比对比三种规格锚杆结构变化,从不螺旋、中部螺旋到整根螺旋,锚杆最大破断荷载有所降低,但锚杆端头位移从 18.8 mm、22.8 mm、24.8 mm 逐步增加,工程应用中保证麻花锚杆破断载荷大于锚固力条 件 下,可 有效提高麻花锚杆抗围岩大变形能力。3.2不同锚固长度组合下拉拔荷载与端头位移关系A1 和 A2 锚杆拉拔荷载 端头位移发展过程与 A3 锚杆相同,为了更直观对比因锚固段分布长度不同而导致荷载 位移的变化,作出 A1、A2、A3编号锚杆的荷载位移曲线图,如图 9 所示:图 9 表明,随着锚杆锚固段 L1 段长度逐渐减小,锚杆的最大破断荷载有所降低,端头位移从30 mm、24.8 mm、19 mm 逐渐减小,整体对比 L1 段越长锚杆锚固性能越优。图 9A1、A2、A3 编号锚杆的荷载位移曲线图Fig.9Load displacement curves of bolts numbered A1,A2 and A33.3不同规格锚杆锚固宏观破坏分析从表 4 和图 10 可知,在相同侧压系数下对于不整根螺旋锚杆,中部螺旋和不螺旋锚杆锚固界面有明显划痕出现;而对于整根螺旋锚杆,A1 锚固界面无划痕,A3 有轻微划痕,A2 有明显划痕。两者相比较,可以发现锚固长度组合相同时,麻花锚杆锚固效果优于非麻花锚杆;锚固长度组合不同时,麻花锚杆锚固段 L1 长度越长,锚固效果越好,锚固性能越优。图 10锚固界面受损情况Fig.10Damage to the anchoring interface在相同侧压系数下对锚杆实施持续拉拔,直至007地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷锚固失效,结果如图 11 所示。试验结果表明,锚杆破坏形式均为锚杆端头处破断。通过分析锚杆制作工艺,推断此次试验因锚杆端部采用焊接工艺,将两根钢筋焊接在一起,从而导致在焊接处锚杆材质受到损伤,使其强度低于实际锚杆强度,在受力后最先在此处发生破断。图 11锚杆断裂图Fig.11Anchor bolt fracture diagram4结论(1)拉拔试验过程中麻花锚杆的拉拔荷载 端头位移发展过程可分为 4 个阶段,即弹性阶段、结构变形阶段、塑性阶段和屈服破坏阶段。(2)不同规格相同锚固长度组合下锚杆锚固性能有所差异。双根整根螺旋锚杆双根中部螺旋锚杆双根直不螺旋锚杆,随着锚杆结构从不螺旋、中部螺旋到整根螺旋,锚杆的锚固力越大,锚固性能越优。(3)相同规格不同锚固长度组合下锚杆锚固性能有所差异。锚固性能为:A1(L1=600 mm)A3(L1=500 mm)A2(L1=400 mm),说明锚杆锚固段 L1 长度越大,锚杆锚固性能越优。(4)麻花锚杆结构能有效适应围岩大变形,但在工程应用中应优先保证麻花锚杆的破断载荷大于锚固力,从而可充分发挥麻花锚杆适应围岩大变形特征。参考文献(References)1刘泉声,雷广峰,彭星新.深部裂隙岩体锚固机制研究进展 与 思 考 J.岩 石 力 学 与 工 程 学 报,2016,35(2):312-332.2何永.不同加载速率下锚固体系中砂浆岩石界面力学性能研究D.大连:大连交通大学,2018.3余涛,方勇,姚志刚,等.隧道预应力锚杆锚固结构承载效应及围岩力学分析J.岩土工程学报,2022,44(6):1061-1068.4高德军,李元松,朱小冬,等.拉力型锚杆锚固力学性能试验研究J.人民长江,2016,47(4):58-62,87.5何兴,左双英,张静,等.单向加锚双向增强岩质材料力学参数试验研究J.地下空间与工程学报,2021,17(2):365-373.6范俊奇,董宏晓,高永红,等.全长注浆锚杆锚固段剪应力分布特征试验研究J.实验力学,2014,29(2):250-256.7宋洋,王贺平,许怀玉,等.全长粘结锚杆锚浆界面应力的分布规律J.土木与环境工程学报(中英文),2019,41(4):44-50.8李慈航,吴红刚,王宝成.拉力型锚杆锚固性能与界面力学传递试验分析J.工业建筑,2018,48(9):123-127.9查文华,王小坡,石 崇,等.不同侧压系数下锚固力变化规律试验研究J.岩石力学与工程学报,2013,32(增 2):3141-3145.10 Kumar S,Khan M A.A shear-lag model for functionally graded adhesive anchors J.International Journal of Adhesion and Adhesives.2016.11 肖同强,李化敏,李海洋,等.不同锚固长度下锚杆拉拔特性研究J.采矿与安全工程学报,2017,34(6):1075-1080.12查 文 华.抗 剪大 变 形 拉 压 组 合 麻 花 型 锚 杆:CN108049903AP.2018-05-18.13 查文华,王小坡,张兰翔,等.一种模拟锚固体围岩应力的锚杆拉拔实验的加压装置:CN103512805AP.2014-01-15.1072022 年增刊 2查文华,等:新型拉力分散型麻花锚杆锚固性能试验研究