基于抗爆模型试验的锚杆破坏形式及破坏机制研究

基于抗爆模型试验的锚杆破坏形式及破坏机制研究

1动载作用下锚杆支护技术设计在岩体中的各种隧道、隧道和地下结构可能会起各种作用。例如，大型地下隧道工程通常会发生爆炸和挖掘，这通常会威胁到一定程度上地下工程的安全和稳定。另外,在国防方面,地下指挥所、防空洞、地下弹药库等地下洞室成为国防建设的重要组成部分,它们有可能受到敌人炸弹攻击。因此,能否有效控制地下洞室在爆破或爆炸荷载作用下发生的变形破坏,保持地下洞室的稳定,防止地下洞室出现坍塌等事故己成为地下工程中亟待解决的难题。在现代国防工程中,锚杆加固技术是确保坑道中工作人员安全、防止坑道岩层坍塌的重要技术手段之一。目前,许多国内外学者已经通过试验、数值及理论分析方法对静态下的锚杆支护技术做了比较系统的研究,其成果广泛应用于岩土工程中。在动载作用方面,国内学者杨苏杭等[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]已经对锚固洞室在动载作用下的抗爆性能、加固机制及锚杆动态响应作了一定的研究,并取得了丰硕成果;同时,国外学者W.D.Ortlepp等[14,15,16,17,18,19]也在积极探索,并设计出新型的抗爆锚杆,但鲜见对锚杆的破坏形式进行比较系统的模型试验研究。本文采用总参工程兵科研三所岩土与结构工程重点实验室的抗爆模型试验装置,通过利用小药量模型试验方法,研究在顶爆作用下锚杆的破坏形式和破坏机制,为工程实践提供参考。2试验总结2.1试验模型的建立为了使模拟更具有代表性,模型试验按一般工程条件考虑,而不是针对某一具体工程进行。本次试验模型模拟的围岩是III类均质围岩,其中III类围岩参数、模型材料的物理力学参数及选取与王光勇等研究中的一样。被模拟的原型条件假设与杨自友研究中的假设相同。试验中的相似条件是按药量的立方根比尺和弗鲁德(Froude)比尺作综合考虑确定的。其中3个关键相似比尺取值为:密度比尺Kuf072=0.67,应力比尺Kuf073=0.06,几何比尺KL=0.09。实际工程中使用锚杆为uf06618mm螺纹钢筋,在试验中采用uf0661.84mm的铝棒来模拟。模型试验中采用砂、水泥、水以及速凝剂材料,其配比为m砂∶m水泥∶m水∶m速凝剂=15∶1∶1.6∶0.0166。2.2无反射边界试验本次试验的抗爆模型试验装置是由4个可以移动的侧限装置组成(见图1)。为模拟爆炸模型试验所需的固定和无反射边界条件(模拟现场试验时的无穷边界),在每个装置的迎爆面上设置了含孔率达50%的铝制消波板,达到消除爆炸波在侧面的反射效果。试验所建模型尺寸为2.4m×1.5m×2.3m(长×宽×高),沿着模型的长度方向开挖跨度60cm、高42cm、圆拱半径为35cm的直墙圆拱形孔洞(见图2)。3整体分布的破坏为了得到洞室的破坏情况,在试验中加足够量的炸药,把拱顶彻底炸穿。图3为锚杆动态破坏形态,从图中可以发现锚杆有以下几种破坏形式:(1)锚杆被压弯并螺帽没脱落;(2)锚杆被剪断;(3)锚杆被压弯和拉断并螺帽脱落;(4)锚杆的垫板被翻转。同时还发现洞室破坏后的脱落部分是整体脱落,主要在拱的部位,这说明锚杆能够起到锚固作用,使整个加固部位形成一个整体。把锚杆的4种破坏形式的分布情况绘制在洞室的展开图上(见图4),由图4可知:在爆点正下方附近,即受爆炸应力波作用最激烈的地方,岩体整体脱落,在脱落的岩体里锚杆主要是被压弯,螺帽没脱落,同时锚杆垫板没有脱落;离拱顶稍远拱腰处可以发现许多锚杆被剪断,再向外沿伸锚杆主要发生压弯并螺帽脱落将锚杆拉断;在外围扩充与没有发生破坏相撞的部位,此处有少量锚杆发生垫板翻转。产生这种破坏现象的原因是在爆炸的正下方的圆形范围受的压应力波作用最强烈,在此范围内锚杆是受到压应力波的近似垂直作用,并且由于锚杆的加固作用,产生了整体脱落,故锚杆只被压弯并螺帽没脱落。随着距爆心的距离越大,爆炸应力波的强度越来越小,贯穿剪切裂缝逐渐向拱脚延伸(见图5),当贯穿裂缝穿过不接近螺帽杆体时,该部分锚杆的杆体被剪断,当贯穿裂缝快延伸到洞室表面(在拱脚附近),由于垫板处受拉能力弱,导致锚杆被压弯并且在垫板处拉断,更远处由于强度更小,此处的锚杆部分浆体脱落,并且没有在垫板处拉断,垫板只发生了弯曲,在破坏与没有破坏的相接处锚杆浆体脱落更少,并且垫板没有脱落。4在使用服务锚杆使用后,锚杆的抗剪强度可以提高通过前面的洞室破坏试验,发现锚杆主要有4种破坏形式。根据节3所描述的锚杆的4种破坏形式,提出以下几种改进措施:(1)由于锚杆会发生剪断破坏,所以可以把杆体设计成中空杆体,该杆体不像普通锚杆直接把一根钢筋作为杆体,而是在用同等钢材的基础上做成圆管形,里面空的地方可以用浆体灌满,即使用相等量的钢筋,而杆体的抗剪强度明显提高。(2)由于在试验中发现有些锚杆总在螺帽处发生拉断,这是由于在垫板处的螺纹减弱了该处的抗拉强度,使得螺帽处抗拉强度最弱,同时螺帽处所受的拉力较大,所以为了使该处的抗拉能力增强与锚杆其他位置一样,可以使整根杆外表面都是螺纹,这样除了可加强此处的抗拉能力,还可以由于外表面是螺纹状而使得锚杆与浆体黏结更加牢固;或者可以在需要钻螺纹的部位加粗杆体,从而使该处即使有螺纹也不减弱其抗拉强度。(3)针对部分锚杆的垫板可能会翻转,可以把锚杆的垫板设计成碗状,并且在碗里注浆,增强其抗弯能力,起到更好的锚固作用。5顶爆后锚杆破坏形态及破坏机制本文主要是通过抗爆模型试验研究在顶爆作用下锚杆的破坏形式及破坏机制,得出以下结论:(1)通过洞室破坏试验,发现锚杆主要有锚杆被压弯并螺帽没脱落、锚杆被剪断、锚杆被压弯和拉断并螺帽脱落、锚杆的垫板被翻转4种破坏形态。(2)针对洞室破坏