圍巖介質(zhì)對錨桿局部黏結-滑移特性的影響

圍巖介質(zhì)對錨桿局部黏結-滑移特性的影響

0現(xiàn)場拉拔試驗室內(nèi)試驗該錨架防護系統(tǒng)具有方便、快速、經(jīng)濟、有效等優(yōu)點。廣泛應用于礦山道路防護中。這是一個由索臂、索固劑和圍巖組成的復合系統(tǒng)。錨固支護系統(tǒng)設計通常是根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況進行支護設計，再通過現(xiàn)場拉拔試驗室內(nèi)試驗方面，鋼套管常作為圍巖介質(zhì)的簡化，林健等以上研究為推動錨桿外形優(yōu)化和錨固技術的應用做出了很大的貢獻。上述研究將圍巖簡化為鋼套管或混凝土，試驗操作方便，但忽視了圍巖性質(zhì)及環(huán)境對錨固系統(tǒng)的影響。隨著開采進入深部，深部圍巖的性質(zhì)越發(fā)復雜本文選取兩種不同類型的砂巖和鋼管作為圍巖，采用中心拔出試驗方法，研究了不同圍巖介質(zhì)強度對錨桿局部黏結滑移特性的影響，建立了評價圍巖對錨桿局部黏結滑移特性影響機制的物理模型，揭示了圍巖的影響機制，為不同圍巖條件下錨固系統(tǒng)載荷傳遞機制及優(yōu)化設計研究奠定基礎。1試驗總結1.1樣品材料(1)圍巖介質(zhì)試樣砂巖是工程常見的巖石材料，選取自貢地區(qū)的黃砂巖和黑砂巖作為圍巖介質(zhì)，鉆取直徑Φ150mm×100mm的圓柱試樣，試件加工后兩端面不平整度小于±0.02mm采用20(2)錨固劑的用量試驗采用環(huán)氧樹脂植筋膠作為錨固劑，該錨固劑力學強度高、黏結性好，初凝時間為0.5h,流動性較好，適合實驗室錨固使用。其基本物理力學參數(shù)，見表1。(3)車削螺釘?shù)能囅鞴に囋囼炇褂米笮裏o縱肋螺紋鋼筋作為錨桿，經(jīng)實驗室測量，其幾何尺寸和力學性能參數(shù)見表2。為消除非錨固段螺紋對試驗的影響，對截取的210mm長錨桿兩端螺紋進行車削，如圖1所示，僅保留錨固段螺紋。按圖1制備了測力錨桿，在錨桿無縱肋位置對稱開槽，凹槽長110mm、寬6mm、深3mm,并按圖所示對稱布置應變片，為保護應變片在錨固和養(yǎng)護期間不受潮、不受拉拔過程的影響，采用硅膠對粘貼好應變片的凹槽進行密封。1.2試驗原理和試驗對象的準備(1)設計工藝采用中心拔出試驗測試錨桿拔出的局部黏結滑移性能，錨固長度設計為50mm。較短的錨固長度，可保證拔出過程中錨桿處于彈性階段，沿錨固界面的黏結應力近似均勻分布，采用平均黏結應力評價其黏結滑移特性，計算公式為：(1)式中，(2)錨固長度的檢測為保證非錨固段無黏結和錨固時錨桿的居中度，采用精密鋼管外纏生料帶的方式固定錨桿底端，后將混合均勻的錨固劑由上孔擠入，填滿孔口，使用鋼套管擠出多余的錨固劑，并對孔口進行清理，保證錨固長度。試件制備完畢后在室溫條件下養(yǎng)護7d,去除底部固定用的鋼套管后進行測試。共制備砂巖錨固試件4個，鋼管錨固試件2個。1.3錨固試件加載試驗采用MTS拉扭組合電液伺服材料試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠進行常規(guī)拉壓彎扭試驗，其軸向載荷范圍為±100kN。試驗工裝由設備上夾頭夾持，下夾頭為加載端，試驗開始前施加1kN的預緊力，保證試驗過程中錨固試件與工裝接觸一致。試驗采用位移加載控制，加載速率為1mm/min。試驗過程中同步監(jiān)測加載端的載荷和位移(測量精度0.5級，采樣頻率為100Hz),同時采用DH8302動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)實時監(jiān)測拔出過程中軸向應變沿錨桿長度的分布情況(采樣頻率為1kHz),當試件破壞或加載端拔出達到20mm時停止數(shù)據(jù)采集，后勻速拔出，直至錨桿完全拔出。2試驗結果及分析2.1載荷對比及結果分析根據(jù)加載端監(jiān)測的數(shù)據(jù)繪制了拔出過程中的載荷-位移曲線，如圖2所示，曲線具有明顯的階段性，可劃分為4個階段：線性增長段，當軸向位移較小時，載荷隨位移呈近似線性增長，界面黏結應力由化學黏結和機械聯(lián)鎖作用力提供，結束的標志是出現(xiàn)第一個峰值；非線性上升段，開始時有一個載荷降低的過程，隨后呈曲線上升，直到試件破壞或達到第二個峰值載荷，界面黏結應力由機械聯(lián)鎖和滑移面的摩擦擠壓提供；線性下降段，達到峰值后，載荷隨軸向位移呈近似線性下降，結束的標志是下降速率變緩，并趨于一個恒定值，界面黏結應力由機械聯(lián)鎖和滑移面的摩擦擠壓提供；殘余滑移段，隨著軸向位移的增加，載荷不再發(fā)生變化，趨于一個定值，這一階段黏結應力主要由滑移面的摩擦阻力提供。由圖2可知，鋼管錨固試件拔出載荷位移曲線均經(jīng)歷了上述4個階段，第一階段結束時的峰值載荷約為拔出過程中最大載荷的68%～72%,而砂巖錨固試件第一階段的峰值載荷約30kN;第一階段載荷增長速率(載荷-位移曲線的斜率)與圍巖介質(zhì)相關，載荷增長速率由大到小依次為：黑砂巖、鋼管、黃砂巖；黃砂巖錨固試件載荷位移曲線僅經(jīng)過第一階段或較短的第二階段即破壞。值得注意的是，鋼管錨固試件達到殘余黏結強度時的滑移量與橫肋間距相近。第一階段結束時，錨桿橫肋完成肋間錨固劑凸臺的剪切，形成新的滑移面，此時有一個載荷突然降低的過程，可作為區(qū)分的標志。砂巖強度較低，當橫肋頂部與新滑移面錨固劑接觸時，會產(chǎn)生垂直橫肋側(cè)面的擠壓應力，肋前存在明顯的應力集中2.2錨桿抗壓強度對錨固試件拔出破壞的最大載荷以及其對應的加載端位移進行統(tǒng)計，利用式(1)對黏結界面的平均極限黏結強度進行計算，結果見表3。根據(jù)表3結果取相同圍巖介質(zhì)錨固試件的平均值，繪制了不同圍巖介質(zhì)條件下錨桿拔出黏結-滑移特征值的曲線，如圖3所示。由圖3可知，平均極限黏結應力與峰值滑移隨著圍巖介質(zhì)強度的增加而增加，發(fā)生劈裂破壞的砂巖錨固試件錨固力僅為發(fā)生拔出破壞的鋼管錨固試件的47%～65%。砂巖的抗壓強度會影響峰值滑移(砂巖試件發(fā)生劈裂破壞的軸向位移閥值),黃砂巖錨固試件峰值滑移僅為黑砂巖錨固試件的一半左右。由此可見，錨桿局部黏結-滑移特征值隨圍巖介質(zhì)的抗壓強度增加而增加。2.3錨桿采集缺陷引起的斷裂砂巖錨固試件拔出過程中，隨著軸向位移的增加，有細微聲響產(chǎn)生，當軸向位移達到極限時，觀察到砂巖錨固試件加載端有徑向裂紋產(chǎn)生并迅速向上擴展，并伴有劇烈聲響，最終試件劈裂成若干部分，試驗即停止。砂巖劈裂破壞形態(tài)如圖4所示。由圖4可知，砂巖錨固體拔出破壞模式為砂巖劈裂破壞，在錨桿拔出方向上，錨桿橫肋前有“剪斷”的呈三角形截面錨固劑附著?？梢钥闯?，劈裂裂紋的產(chǎn)生與錨桿外形有關，主要出現(xiàn)在錨桿無縱肋位置和橫肋頂端。鋼管錨固試件拔出過程中，到達峰值前有細微脆裂聲發(fā)出，當軸向位移達到20mm時停止采集數(shù)據(jù)，勻速拔出，拔出后試件如圖5所示。由圖5可知，鋼管錨固試件拔出破壞模式為錨桿拔出失效，發(fā)生滑移的破壞面與錨桿近似平行，錨桿拔出方向上附著有“鱗片”狀錨固劑，殘留錨固劑的表面有明顯滑痕，與錨桿間幾乎無黏結，輕觸即掉。對比圖4、圖5可以看出，圍巖介質(zhì)的強度決定了錨固試件拔出的破壞模式。砂巖錨固試件因為加載過程中產(chǎn)生的徑向裂紋擴展發(fā)生劈裂破壞，砂巖的強度越高，產(chǎn)生的徑向裂紋越少，黃砂巖錨固試件中徑向裂紋呈十字交叉狀，黑砂巖錨固試件則呈一字型；鋼管錨固試件因錨桿從錨固體中拔出而失效，錨桿拔出后錨固體內(nèi)壁無明顯徑向裂紋?？梢姡邚姸葒鷰r介質(zhì)不僅可以影響滑移面的形成，而且可以抑制拔出過程中徑向裂紋的產(chǎn)生和擴展，提高錨固體的錨固力。2.4錨固段區(qū)域-位移曲線分析取錨固微元體，并由微元體受力平衡和胡克定律可以得到由錨固長度上任意兩點應變值計算兩點間平均黏結應力的計算公式(2)式中，基于式(2)繪制出砂巖錨固試件在不同載荷水平下黏結應力沿錨固長度范圍(75～125mm)的分布情況，如圖6所示。由圖6可知，當拔出載荷較低(≤20kN)時，兩種砂巖錨固試件黏結應力沿界面分布一致，近似均勻分布；當拔出載荷較大(>20kN)時，黃砂巖錨固試件黏結應力峰值向兩端發(fā)展，錨固區(qū)域中間近似均勻分布，黑砂巖錨固試件黏結應力峰值靠近自由端。結合載荷-位移曲線分析可知，當拔出載荷達到30kN左右時，錨固界面已經(jīng)形成新的滑移面，并沿新的界面發(fā)生剪脹滑移，此時，界面的黏結應力由機械聯(lián)鎖作用力和摩擦力提供，圍巖強度會影響弱面的形成，從而導致黏結應力呈不均勻分布，黑砂巖錨固試件在靠近錨固自由端附近存在明顯的應力集中。值得注意的是，由于在錨桿上開槽減小了錨桿的橫截面積，采用式(2)計算的黏結應力值較真實值偏大，但對黏結應力分布趨勢無影響。2.5局部黏結-滑移特性現(xiàn)場試驗及實驗室研究均表明錨桿-錨固劑界面為錨固系統(tǒng)最薄弱的界面當錨桿和錨固劑參數(shù)確定時，圍巖所能提供的徑向約束決定了拔出過程中錨固界面的破壞模式，根據(jù)圍巖性質(zhì)及所處應力環(huán)境條件可以將圍巖等效為常徑向應力約束、常徑向剛度約束以及其共同作用下的復合約束邊界條件。當圍巖所提供的徑向約束較弱(低徑向應力或剛度)時，界面發(fā)生剪脹滑移破壞(圖7中綜上所述，圍巖通過影響錨桿與錨固劑之間弱面的形成和發(fā)展，進而影響局部黏結滑移特性。與現(xiàn)場試驗相比，室內(nèi)試驗研究受限于試件尺寸，徑向裂紋貫穿后，便喪失承載能力，而現(xiàn)場環(huán)境中圍巖的承載力并不會馬上消失，同時，徑向裂紋的產(chǎn)生會降低錨固力，誘發(fā)安全隱患，在現(xiàn)場支護設計中應根據(jù)圍巖環(huán)境選擇合適的錨桿和錨固劑，避免徑向裂紋的產(chǎn)生，提高支護的可靠性。為與現(xiàn)場圍巖環(huán)境相結合，后續(xù)考慮在實驗室內(nèi)進行帶徑向約束的原巖錨固試件拔出試驗，以獲得與現(xiàn)場更接近的試驗結果，通過構建數(shù)值模型，為現(xiàn)場支護優(yōu)化設計提供參考。3錨固體-圍巖介質(zhì)強度(1)錨桿拔出失效形式取決于圍巖介質(zhì)強度，當圍巖介質(zhì)強度較低時，拔出過程中會產(chǎn)生徑向裂紋，強度越低，徑向裂紋數(shù)量越多；當圍巖介質(zhì)強度較高時，錨桿從錨固體中拔出，無徑向裂紋。(2)錨固體拔出的載荷-位移曲線可劃分為4個階段，圍巖介質(zhì)強度決定了曲線的發(fā)展趨勢；錨固界面的滑移弱面形成于載荷