锚索内锚固段注浆体抗剪强度的试验研究

锚索内锚固段注浆体抗剪强度的试验研究

1按内锚固段中剪应力不均匀状态计算的承载能力根据现有的大量模拟试验和现场试验，报告称，在现有的锚提升内锚固段中，钢砂浆线与注浆体、注浆体与空壁之间的剪应力通过向围岩传递。河岸上锚固定段的修剪应力分布具有以下特点：无论注浆体与空壁还是注浆体与钢绞线之间的修剪应力分布都是不均匀的。在锚定段附近，高度切割应力集中。其最大值切割能力与平均切割能力的之比可达7.10倍。上述两种切割力在锚定段内的分布范围内，在锚定段附近的有限长度内，不均匀。然而，目前的工程设计中却广泛采用了平均剪应力法，即假设内锚固段中剪应力沿其全长均匀分布。这种计算方法显然不太合理，它的严重后果是，由计算给出的承载能力是足够的，但却不能保证内锚固段中剪应力集中区注浆体不发生破坏；而一旦注浆体发生破坏，就会加速钢绞线的锈蚀，时间久了就可能造成工程事故。文根据试验结果提出了按内锚固段中剪应力不均匀分布状态计算其承载能力的方法，即NSDM法(NonuniformShear-stressDistributionMethod)，这种方法显然比目前采用的平均剪应力法更加符合工程实际，应该在工程设计中大力推广。但是，这种方法在计算中需要知道注浆体与钢绞线和注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0a和τ0g，而这两个常数在一般资料中均未给出(给出的只是注浆体与孔壁和注浆体与钢绞线之间的平均抗剪强度)。所以要推广NSDM法，必须首先通过试验确定注浆体与钢绞线和注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度。关于注浆体与钢绞线之间的峰值抗剪强度，现在已有资料可查，但对于内锚固段注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度，还没有试验资料可供采用，这就是本次试验要解决的问题。2试验内容和方案2.1试验设计和试验工况试验内容分为2部分：(1)探讨不同岩体材料对注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g的影响。试验中拟选取3种工程上常遇到的岩体，即砂岩、石灰岩和花岗岩，分别进行试验。(2)探讨不同的张拉方案与不同的试验段长度对注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g的影响。2.2模型材料及加载装置的研制由于这方面的试验资料比较少，本文根据现有试验经验初步确定试验原理与方法如下：(1)基本原理与假设考虑到试验的目的是测量注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g，所以在钻孔内是安装锚索还是安装锚杆对张拉试验结果没有影响。为了方便起见，采用钢筋来代替锚索。其次，由理论分析和试验研究可知，注浆体与孔壁之间的剪应力分布是不均匀的，一般呈负指数规律衰减。当内锚固段很短时，其剪应力分布状态如图1(b)所示。为了便于分析，假设上述剪应力按三角形规律分布，如图1(c)所示。这样做既不会产生较大的误差，又可以较方便地求出峰值剪应力。由图1(c)可知：式中：L为内锚固段长度。张力为式中：D为钻孔直径。由式(2)可得但按图1(a)进行拉拔试验时，所得峰值剪应力τ0g只是内锚固段口部某一点的值，难免会产生一定的偶然性，从而影响试验结果的精度。要避免上述偶然性的发生，就必须让试验段大面积的浆体材料均进入τ0g状态。为此提出了如图2所示的一种试验方案，即在张拉体的两端同时施加1个大小相等、方向相同的力P1,2P。根据叠加原理可知此时剪应力沿试验段全长分布近似为均匀状态，其峰值抗剪强度可表示为试验中不考虑岩体自重和地应力的影响，也不考虑材料变形的时间效应。(2)模型设计与制作试验中内锚固段长度取20cm，钻孔直径为4cm。这是因为若内锚固段太长或孔径太大，注浆体与孔壁接触面积相应增大，有可能出现把模拟锚索拉断或从注浆体中拔出，而孔壁与注浆体之间却不出现破坏的现象。同时为了避免试件表面变形对注浆体受力均匀性的影响，2个孔口至注浆体两端的距离不应小于3倍的孔径(即12cm)。因此模型块体的尺寸定为50cm×50cm×50cm。由于岩石形状不规则，不便于试验，事先用水泥砂浆将其各个表面补平。(3)张拉杆体及其布置考虑到试验目的是确定注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度，应保证在张拉杆体不被拉断且不从注浆体中拔出的情况下，能将注浆体从孔壁处拔出，在试验中采用φ25螺纹钢筋来模拟张拉锚索，其结构和布置见图3。内锚固段长20cm，将其置于孔的中部；钢筋底端应伸出注浆体外一定长度以便施加推力，一般伸出3～4cm即可，不宜过长，以免施加推力时钢筋发生压弯变形，从而影响试验结果。(4)模型材料及其力学参数文锚杆现场拉拔试验的岩性主要为茅山组中段中～厚层的岩屑砂岩夹泥质粉砂岩，为了补充这方面的资料，本次试验选取了3种岩石：黄河小浪底地区的砂岩，单轴抗压强度为100MPa；龙门东山的石灰岩，单轴抗压强度为73MPa；洛阳五龙山的花岗岩，单轴抗压强度为194MPa。为了与文进行比较，注浆材料和张拉杆体的选取也与文大致相同。注浆材料的物理力学参数如下：配比(以重量计)为水泥∶水∶早强剂=1∶0.35∶0.03；单轴抗压强度Rc=34.07MPa(7d)；单轴抗拉强度Rt=1.703MPa(7d)；弹性模量E=1.52×104MPa(7d)；泊松比µ=0.3；塑性指数：c=4.689MPa(7d),ϕ=38.46°。张拉杆体材料规格及力学参数如表1所示。(5)加载装置为了对试件施加大小相等、方向相同的2个力1P,2P，专门设计了一个加载系统(图4)。张拉设备是总参谋部兵种部防护工程计量测试站研制的张拉千斤顶，型号为YQQ-192，最大出力为192kN,2个千斤顶采用同一油压泵供压，以保证2个千斤顶出力基本一致。这里，称上述方案为方案1。采用方案1进行了3次试验(均为砂岩)，试件均不能沿孔壁破坏，总是钢筋先从注浆体中被拔出。其原因可能一是注浆太薄，最大厚度为7.5mm，有的地方注浆厚度不足5mm，且孔壁本身不光滑、锚索布置的偏心，注浆的整体效应较差；二是因为首先直接受力的是钢筋，这就类似于钢筋在混凝土中的拉拔试验，又由于注浆厚度不够，导致相对保护层厚度(c/d=5/25=0.2)很小，注浆体与钢筋之间的粘结力较低，不足0.5Rt=0.8515MPa，所以其总的抗剪力小于注浆体与孔壁之间的抗剪力。为此提出了以下改进方案：(1)扩大孔径，钻头直径为74mm，成孔直径为76mm；(2)在注浆体中配钢筋笼，加强注浆体整体效应；(3)在试验段推力端设置钢垫板，其他考虑同方案1。这里，称之为方案2。采用方案2进行了3次试验(均为石灰岩)，但也未见试验段从孔壁处拔出，而是注浆体周围的岩体被突然挤裂。为了测定注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度，必须使试验段从孔壁处破坏。总结上述2种方案的经验，提出把试验段缩短为10cm，因为试验段越短，注浆体与孔壁之间的剪应力分布就越均匀，所测的峰值抗剪强度就越准确，试验成功的把握性也较大；同时在试验段内不再模拟锚索，直接在孔中注浆，然后在一端设置钢垫板施加推力，将注浆体从孔中推出；其他考虑同方案2。这里称之为方案3。3方案3试验结果将试验段所受最大拉力与最大推力之和除以试验段的圆柱体表面积可得注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度，即式中：P=P1+P2。上3种试验方案的试验结果见表2，从表中可以看出：(1)按方案1试验的3个砂岩试件中，注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g平均大于5.04MPa(因为试件未被拔出，是按钢筋被拔出时的最大拉拔力计算的)；按方案3有效试件计算注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g平均为5.64MPa，从数值上看，二者很接近，说明试验结果是可靠的，工程上可取该砂岩的τ0g=5.64MPa。(2)按方案2的试验结果，石灰岩中注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g平均大于5.42MPa。按方案3有效试件的试验结果，石灰岩中注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g平均为6.76MPa，工程上可取该石灰岩的τ0g=6.76MPa。(3)按方案3的试验结果，花岗岩中注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g平均为2.24MPa。工程上可取该花岗岩的τ0g=2.24MPa。从上述结果可以看出，花岗岩强度高，但注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g低，平均为2.24MPa；石灰岩强度低，但注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g高，平均为6.76MPa；砂岩强度中等，注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g也处于中间状态，平均为5.64MPa。这说明在本次试验范围内，岩体的强度越高，注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g越低；岩体的强度越低，注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g越高，这与人们通常的认识是相反的。这种现象的产生，可能与孔壁的起伏形态有关。因为钻头在钻孔时会产生横向摆动，致使孔壁出现凹凸不平的表面；当岩体的强度高低不同时，孔壁表面产生的凹凸不平程度也就不同。显然，岩体的强度越高，孔壁表面产生的凹凸不平程度越小；岩体的强度越低，孔壁表面产生的凹凸不平程度越大。当试件受到张拉力时，如果孔壁表面是光滑的，则试件受到的张拉力仅由注浆体与孔壁表面的摩擦力平衡；如果孔壁表面是凹凸不平的，试件受力后注浆体与孔壁之间不仅产生摩擦力，还要产生咬合力，这是由于注浆体在向外产生位移变形时，在孔径由大变小的地方注浆体还要对孔壁产生膨胀压力，类似于变形钢筋与混凝土之间在受力后产生的机械咬合作用。正是由于这种咬合作用，注浆体与孔壁之间存在很大的挤压力，这是试验中岩体被突然挤裂的主要原因。但在实际工程中整个岩体(或山体)是不可能被挤裂的，这种挤压作用就愈加明显，因此极少见到锚索或锚杆在注浆体与孔壁之间破坏的工程案例。所以孔壁的起伏就进一步增大了注浆体与孔壁之间的抗剪能力。上述诸项就是造成在本次试验条件下，岩体的强度越高，注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g越低的基本原因。4壁之间的峰值抗剪强度在本次试验条件下，可得出以下结论：(1)岩体的强度越高，注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g越低；岩体的强度越低，注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g越高。试验得到石灰岩中注浆体与孔壁之间的峰值抗剪强度τ0g平均为6.757MPa，砂岩中为5.644MPa，花岗岩中为2.239MPa。(