围岩介质对锚杆局部黏结-滑移特性的影响

围岩介质对锚杆局部黏结-滑移特性的影响

0现场拉拔试验室内试验该锚架防护系统具有方便、快速、经济、有效等优点。广泛应用于矿山道路防护中。这是一个由索臂、索固剂和围岩组成的复合系统。锚固支护系统设计通常是根据现场围岩情况进行支护设计，再通过现场拉拔试验室内试验方面，钢套管常作为围岩介质的简化，林健等以上研究为推动锚杆外形优化和锚固技术的应用做出了很大的贡献。上述研究将围岩简化为钢套管或混凝土，试验操作方便，但忽视了围岩性质及环境对锚固系统的影响。随着开采进入深部，深部围岩的性质越发复杂本文选取两种不同类型的砂岩和钢管作为围岩，采用中心拔出试验方法，研究了不同围岩介质强度对锚杆局部黏结滑移特性的影响，建立了评价围岩对锚杆局部黏结滑移特性影响机制的物理模型，揭示了围岩的影响机制，为不同围岩条件下锚固系统载荷传递机制及优化设计研究奠定基础。1试验总结1.1样品材料(1)围岩介质试样砂岩是工程常见的岩石材料，选取自贡地区的黄砂岩和黑砂岩作为围岩介质，钻取直径Φ150mm×100mm的圆柱试样，试件加工后两端面不平整度小于±0.02mm采用20(2)锚固剂的用量试验采用环氧树脂植筋胶作为锚固剂，该锚固剂力学强度高、黏结性好，初凝时间为0.5h,流动性较好，适合实验室锚固使用。其基本物理力学参数，见表1。(3)车削螺钉的车削工艺试验使用左旋无纵肋螺纹钢筋作为锚杆，经实验室测量，其几何尺寸和力学性能参数见表2。为消除非锚固段螺纹对试验的影响，对截取的210mm长锚杆两端螺纹进行车削，如图1所示，仅保留锚固段螺纹。按图1制备了测力锚杆，在锚杆无纵肋位置对称开槽，凹槽长110mm、宽6mm、深3mm,并按图所示对称布置应变片，为保护应变片在锚固和养护期间不受潮、不受拉拔过程的影响，采用硅胶对粘贴好应变片的凹槽进行密封。1.2试验原理和试验对象的准备(1)设计工艺采用中心拔出试验测试锚杆拔出的局部黏结滑移性能，锚固长度设计为50mm。较短的锚固长度，可保证拔出过程中锚杆处于弹性阶段，沿锚固界面的黏结应力近似均匀分布，采用平均黏结应力评价其黏结滑移特性，计算公式为：(1)式中，(2)锚固长度的检测为保证非锚固段无黏结和锚固时锚杆的居中度，采用精密钢管外缠生料带的方式固定锚杆底端，后将混合均匀的锚固剂由上孔挤入，填满孔口，使用钢套管挤出多余的锚固剂，并对孔口进行清理，保证锚固长度。试件制备完毕后在室温条件下养护7d,去除底部固定用的钢套管后进行测试。共制备砂岩锚固试件4个，钢管锚固试件2个。1.3锚固试件加载试验采用MTS拉扭组合电液伺服材料试验系统，该系统能够进行常规拉压弯扭试验，其轴向载荷范围为±100kN。试验工装由设备上夹头夹持，下夹头为加载端，试验开始前施加1kN的预紧力，保证试验过程中锚固试件与工装接触一致。试验采用位移加载控制，加载速率为1mm/min。试验过程中同步监测加载端的载荷和位移(测量精度0.5级，采样频率为100Hz),同时采用DH8302动态信号测试分析系统实时监测拔出过程中轴向应变沿锚杆长度的分布情况(采样频率为1kHz),当试件破坏或加载端拔出达到20mm时停止数据采集，后匀速拔出，直至锚杆完全拔出。2试验结果及分析2.1载荷对比及结果分析根据加载端监测的数据绘制了拔出过程中的载荷-位移曲线，如图2所示，曲线具有明显的阶段性，可划分为4个阶段：线性增长段，当轴向位移较小时，载荷随位移呈近似线性增长，界面黏结应力由化学黏结和机械联锁作用力提供，结束的标志是出现第一个峰值；非线性上升段，开始时有一个载荷降低的过程，随后呈曲线上升，直到试件破坏或达到第二个峰值载荷，界面黏结应力由机械联锁和滑移面的摩擦挤压提供；线性下降段，达到峰值后，载荷随轴向位移呈近似线性下降，结束的标志是下降速率变缓，并趋于一个恒定值，界面黏结应力由机械联锁和滑移面的摩擦挤压提供；残余滑移段，随着轴向位移的增加，载荷不再发生变化，趋于一个定值，这一阶段黏结应力主要由滑移面的摩擦阻力提供。由图2可知，钢管锚固试件拔出载荷位移曲线均经历了上述4个阶段，第一阶段结束时的峰值载荷约为拔出过程中最大载荷的68%～72%,而砂岩锚固试件第一阶段的峰值载荷约30kN;第一阶段载荷增长速率(载荷-位移曲线的斜率)与围岩介质相关，载荷增长速率由大到小依次为：黑砂岩、钢管、黄砂岩；黄砂岩锚固试件载荷位移曲线仅经过第一阶段或较短的第二阶段即破坏。值得注意的是，钢管锚固试件达到残余黏结强度时的滑移量与横肋间距相近。第一阶段结束时，锚杆横肋完成肋间锚固剂凸台的剪切，形成新的滑移面，此时有一个载荷突然降低的过程，可作为区分的标志。砂岩强度较低，当横肋顶部与新滑移面锚固剂接触时，会产生垂直横肋侧面的挤压应力，肋前存在明显的应力集中2.2锚杆抗压强度对锚固试件拔出破坏的最大载荷以及其对应的加载端位移进行统计，利用式(1)对黏结界面的平均极限黏结强度进行计算，结果见表3。根据表3结果取相同围岩介质锚固试件的平均值，绘制了不同围岩介质条件下锚杆拔出黏结-滑移特征值的曲线，如图3所示。由图3可知，平均极限黏结应力与峰值滑移随着围岩介质强度的增加而增加，发生劈裂破坏的砂岩锚固试件锚固力仅为发生拔出破坏的钢管锚固试件的47%～65%。砂岩的抗压强度会影响峰值滑移(砂岩试件发生劈裂破坏的轴向位移阀值),黄砂岩锚固试件峰值滑移仅为黑砂岩锚固试件的一半左右。由此可见，锚杆局部黏结-滑移特征值随围岩介质的抗压强度增加而增加。2.3锚杆采集缺陷引起的断裂砂岩锚固试件拔出过程中，随着轴向位移的增加，有细微声响产生，当轴向位移达到极限时，观察到砂岩锚固试件加载端有径向裂纹产生并迅速向上扩展，并伴有剧烈声响，最终试件劈裂成若干部分，试验即停止。砂岩劈裂破坏形态如图4所示。由图4可知，砂岩锚固体拔出破坏模式为砂岩劈裂破坏，在锚杆拔出方向上，锚杆横肋前有“剪断”的呈三角形截面锚固剂附着。可以看出，劈裂裂纹的产生与锚杆外形有关，主要出现在锚杆无纵肋位置和横肋顶端。钢管锚固试件拔出过程中，到达峰值前有细微脆裂声发出，当轴向位移达到20mm时停止采集数据，匀速拔出，拔出后试件如图5所示。由图5可知，钢管锚固试件拔出破坏模式为锚杆拔出失效，发生滑移的破坏面与锚杆近似平行，锚杆拔出方向上附着有“鳞片”状锚固剂，残留锚固剂的表面有明显滑痕，与锚杆间几乎无黏结，轻触即掉。对比图4、图5可以看出，围岩介质的强度决定了锚固试件拔出的破坏模式。砂岩锚固试件因为加载过程中产生的径向裂纹扩展发生劈裂破坏，砂岩的强度越高，产生的径向裂纹越少，黄砂岩锚固试件中径向裂纹呈十字交叉状，黑砂岩锚固试件则呈一字型；钢管锚固试件因锚杆从锚固体中拔出而失效，锚杆拔出后锚固体内壁无明显径向裂纹。可见，高强度围岩介质不仅可以影响滑移面的形成，而且可以抑制拔出过程中径向裂纹的产生和扩展，提高锚固体的锚固力。2.4锚固段区域-位移曲线分析取锚固微元体，并由微元体受力平衡和胡克定律可以得到由锚固长度上任意两点应变值计算两点间平均黏结应力的计算公式(2)式中，基于式(2)绘制出砂岩锚固试件在不同载荷水平下黏结应力沿锚固长度范围(75～125mm)的分布情况，如图6所示。由图6可知，当拔出载荷较低(≤20kN)时，两种砂岩锚固试件黏结应力沿界面分布一致，近似均匀分布；当拔出载荷较大(>20kN)时，黄砂岩锚固试件黏结应力峰值向两端发展，锚固区域中间近似均匀分布，黑砂岩锚固试件黏结应力峰值靠近自由端。结合载荷-位移曲线分析可知，当拔出载荷达到30kN左右时，锚固界面已经形成新的滑移面，并沿新的界面发生剪胀滑移，此时，界面的黏结应力由机械联锁作用力和摩擦力提供，围岩强度会影响弱面的形成，从而导致黏结应力呈不均匀分布，黑砂岩锚固试件在靠近锚固自由端附近存在明显的应力集中。值得注意的是，由于在锚杆上开槽减小了锚杆的横截面积，采用式(2)计算的黏结应力值较真实值偏大，但对黏结应力分布趋势无影响。2.5局部黏结-滑移特性现场试验及实验室研究均表明锚杆-锚固剂界面为锚固系统最薄弱的界面当锚杆和锚固剂参数确定时，围岩所能提供的径向约束决定了拔出过程中锚固界面的破坏模式，根据围岩性质及所处应力环境条件可以将围岩等效为常径向应力约束、常径向刚度约束以及其共同作用下的复合约束边界条件。当围岩所提供的径向约束较弱(低径向应力或刚度)时，界面发生剪胀滑移破坏(图7中综上所述，围岩通过影响锚杆与锚固剂之间弱面的形成和发展，进而影响局部黏结滑移特性。与现场试验相比，室内试验研究受限于试件尺寸，径向裂纹贯穿后，便丧失承载能力，而现场环境中围岩的承载力并不会马上消失，同时，径向裂纹的产生会降低锚固力，诱发安全隐患，在现场支护设计中应根据围岩环境选择合适的锚杆和锚固剂，避免径向裂纹的产生，提高支护的可靠性。为与现场围岩环境相结合，后续考虑在实验室内进行带径向约束的原岩锚固试件拔出试验，以获得与现场更接近的试验结果，通过构建数值模型，为现场支护优化设计提供参考。3锚固体-围岩介质强度(1)锚杆拔出失效形式取决于围岩介质强度，当围岩介质强度较低时，拔出过程中会产生径向裂纹，强度越低，径向裂纹数量越多；当围岩介质强度较高时，锚杆从锚固体中拔出，无径向裂纹。(2)锚固体拔出的载荷-位移曲线可划分为4个阶段，围岩介质强度决定了曲线的发展趋势；锚固界面的滑移弱面形成于载荷