原問題：

加卸載條件下砂漿錨桿力學呼應試驗鉆研

摘 要：

環抱全長黏結砂漿錨桿加卸載力學響應成果,運用自主研發的拉拔試驗系統,睜開了各級拉拔力水平下錨固在區別剛度套筒中錨桿系統的加卸載拉拔試驗,監測拉拔歷程中錨桿軸向應變以及套筒外壁周向應變的變換,合成試驗歷程中錨桿桿體-砂漿界面剪切力擴散及蛻變紀律,并品評辯說了套筒剛度以及加卸載浸染對于錨桿系統力學響應的影響。試驗服從表明:試驗歷程中拉拔力、桿體軸向應變、套筒周向應變隨拉拔位移的變換紀律相同,部份呈先回升后著落的趨勢;加卸載階段,軸向應變、周向應變與拉拔力同步變換,隨卸荷點荷載削減,滯留位移逐步增大;沿著錨桿軸線偏差界面剪切力擴散不屈均,錨桿桿體-砂漿界面泛起解耦后,剪切力峰值逐步向桿體外部傳遞。試驗成果可能抵償響應加載蹊徑下鉆研的缺少,同時也可覺患上相似工程現場提供參考。

關鍵詞：

巖石錨桿; 拉拔試驗; 加卸載; 周向應變;

作者簡介：

馮藝(1978—),男,低級工程師,碩士,主要處置水利水電工程建樹使命。E-mail:88582010@qq.com;

基金：

******人造迷信基金-雅礱江散漫基金重點扶助名目(U1765202);

援用：

馮藝． 加卸載條件下砂漿錨桿力學呼應試驗鉆研［J］. 水利水電技術，2020，51( 11) : 190-196.

FENG Yi． Experimental study on mechanical response of mortar anchor-bolt under loading-unloading condition［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 11) : 190-196.

0 引 言

巖體工程建樹中,受開挖歷程以及支護機緣影響,錨桿受載歷程以及蹊徑極其重大,錨桿系統在區別加載蹊徑下的力學響應以及荷載傳遞特色是巖體開挖工程錨桿支護妄想、合成以及牢靠性評估中亟待解決的關鍵難題。作廢爆破引起的動態擾動,鉆研中常將工程中錨桿受載方式簡化為干燥加載、疲憊加卸載(常荷載水平下的循環加卸載)以及荷載遞削減級加卸載三種。本文重點鉆研第三種加載方式下砂漿錨桿系統的力學響應。

拉拔試驗是鉆研加錨巖體荷載傳遞機理及錨固機制***主要的試驗方式,為鉆研加載蹊徑對于錨桿系統力學響應的影響,國內外學者睜開了少許區別加載蹊徑下的錨桿拉拔試驗。就干燥加載拉拔試驗而言,HYETT等睜開了區別剛度條件下拉拔試驗,試驗服從表明抗拔強度隨限度剛度削減而削減。FARMER經由測力錨桿拉拔試驗發現,解耦前錨桿桿體-砂漿界面剪應力呈指數方式衰減。趙同彬等接管試驗以及PFC模擬方式鉆研了界面剪應力傳遞紀律,覺患上拉拔狀態下沿錨桿軸向的錨固界面剪應力擴散不屈均,沿軸向呈先增后減的傳遞方式。MARTIN等運用自行研制的拉拔配置裝備部署睜開了常法向荷載以及常法向剛度條件下的拉拔試驗,試驗服從表明環向變形以及拉拔力變換紀律相同。吳濤等妨礙了區別橫肋間距錨桿拉拔試驗,發現套筒周向應變呈先增大后減小的趨勢。而在循環荷載條件下,榮冠等鉆研了單向疲憊荷載浸染下錨桿軸力擴散特色,服從表明隨著循環次數削減,桿體對于立位置測點應力值呈區別水平的削減。BENMOKRANE 等針對于預應力以及被動錨固錨桿妨礙了原位單向疲憊加卸載試驗,試驗服從表明當卸荷點荷載低于于預應力或者30%抗拔強度時,循環荷載不影響錨桿運用壽命。OH等對于加固混凝土睜開了區別應力水平區別循環次數的加卸載拉拔試驗,發現隨著循環次數的削減,拉拔位移以及殘余拉拔位移均增大。VERDERAME等在區別拉拔位移處妨礙了雙向疲憊加卸載試驗,合成了卸載位置的影響,建樹了疲憊加卸載條件下錨桿黏結應力-滑移關連曲線。

上述成果鉆研了錨桿干燥加載以及疲憊加卸載下的力學響應,而荷載遞增分級加卸載試驗鉆研較少,尚未法把握此時錨桿系統的力學響應。針對于往成果,本文擬睜開3種套筒剛度條件下錨固試樣的多級加卸載拉拔試驗,合成加卸載對于錨桿軸向以及套筒周向應變的影響效應,鉆研試驗歷程中拉拔曲線、軸向及周向應變的變換紀律,揭示錨固界面剪切力以及軸力的擴散及蛻變紀律,并品評辯說限度剛度(圍巖條件)對于錨固功能的影響。

1 試驗概況

1.1 試樣制備

拉拔試驗所用的試樣由錨桿、錨固劑及錨固資料(巖石、套筒等)組成,本次試驗運用的錨桿為PSB500精軋螺紋鋼,錨桿直徑20 妹妹,長度為800 妹妹,肋間距10 妹妹,為監測拉拔歷程中桿體變形,沿錨桿長軸偏差加工了6 妹妹寬、4 妹妹 深、130 妹妹長的2個對于稱凹槽,凹槽內粘貼應變片并布置導線。錨固劑為水泥砂漿,參考《巖土錨固技術手冊》,本次試驗中砂漿配比為水泥∶砂∶水=1∶1∶0.4。為判斷水泥砂漿的根基力學性子,在澆筑拉拔試樣的同時,還澆筑了相同配比的規范立方塊砂漿試件,分說妨礙單軸縮短與直剪試驗,試驗取患上砂漿試樣的單軸抗壓強度為34 MPa,彈性模量E=4.11 GPa,黏聚力c=6.76 MPa,內磨擦角?=39°。試驗運用的套筒內外徑分說為42 妹妹以及60 妹妹,高100 妹妹。為防御試驗中破損發生在套筒內壁-砂漿界面,套筒內壁加工有內螺紋,螺距6 妹妹,螺紋高2 妹妹。

拉拔試樣制備中***關鍵的成果是錨桿裝置對于中成果,為保障試樣的對于中成果,將錨桿一端長度為10 妹妹的全副加工成直徑16 妹妹的圓柱體,并在試樣澆筑平臺上預留有尺寸相同的裝置孔,豫備試樣時,將錨桿插入裝置孔內定位,而套筒則在平臺響應位置定位,而后在套筒以及錨桿之間注入砂漿,澆筑實現后,在套筒頂部蓋上蓋子,從而確保了錨桿的對于中成果(見圖1)。

1.2 套筒等效彈性模量合計方式

相干于錨桿以及鉆孔直徑來說,圍巖可視為未必剛度的有限大基體。因此,在試驗中,可接管與圍巖剛度等效的未必厚度套筒來模擬區別規范的圍巖。運用彈性力學厚壁圓筒事實可能分說合計出圍巖以及套筒的剛度,令兩者至關即可判斷巖體彈性模量與套筒彈性模量之間的關連,即

式中,Er,Em分說為巖體等效彈性模量以及套筒彈性模量(GPa);νr,νm分說為巖體以及套筒泊松比;ro、ri分說為套筒內外徑(妹妹)。

為模擬區別剛度巖體條件,包羅軟巖、中硬巖以及硬巖,文中分說接管PVC筒、鋁筒以及鋼筒作為對于應的套筒,依據式(1)可進一步合計患上到套筒參數,數值如表1所列。

1.3 應變片布置

為丈量多級循環加卸載拉拔試驗歷程中沿錨桿軸向應力擴散及蛻變紀律、套筒周向應變蛻變紀律,沿錨桿軸向及剛性套筒外壁粘貼了應變片,所抉擇應變片分說為BE120-01AA及BE120-80AA。沿錨桿軸向,兩個凹槽內分說粘貼有5個應變片,交織布置,錨固段內共粘貼有9個應變片,貼片位置的高度(距加載端距離)分說為10 妹妹、20 妹妹、30 妹妹、40 妹妹、50 妹妹、60 妹妹、70 妹妹、80 妹妹以及90 妹妹,尚有一個應變片粘貼在錨固段外,用于標定錨桿軸力與應變的對于應關連,應變片布置呈現如圖2所示。為呵護應變片及導線,在應變片粘貼并銜接導線后,在凹槽內充填一層704硅橡膠。在套筒中部(50 妹妹處)沿環向粘貼了兩個應變片(BE120-80AA),對于鋼筒,還在20 妹妹以及80 妹妹高度處各粘貼了兩個應變片,以鉆研周向應變沿高度的變換紀律。

1.4 試驗配置裝備部署

錨桿拉拔試驗在中國迷信院武漢巖土力學鉆研所研發的錨桿(索)拉拔試驗系統RBPT-176上妨礙,試驗系統如圖3所示。該系統垂直油缸***大著力500 kN,活塞道路為150 妹妹,可接管力操作或者位移操作方式加載,位移加載速率0.06～50 妹妹/min,可能實時記實以及呈現試驗歷程中的拉拔力以及拉拔位移,采樣頻率為10 Hz。應變網絡運用的是東華測試-DH3816 N動態應變測試系統,包羅60個測點,系統***高分說率為1 με,采樣頻率2 Hz。

公司主要產品是管縫錨桿、礦用鋼網等支護配件，現有員工12人，其中工程技術人員2名，雖然人數不多規模不大，但技術力量、質量檢測設備等方面還是比較有質量的。他們主要依托大學從事支護方面的教授、博士及碩士等人為技術指導，是專門從事礦山支護設計以及配套產品的研究開發、制造銷售與技術服務為一體的高新技術企業。

1.5 試驗妄想與加載方式

在區別拉拔力水平加卸載試驗中,對于錨固在鋼筒以及PVC筒中的錨桿,在峰值拉拔強度前,以10 kN為臺階妨礙一次加卸載,所有卸載試驗均卸載至2 kN。拉拔曲線進入峰后之后,接管干燥加載拉拔方式,不斷拉拔試樣直至破損。試驗全程接管位移操作,試驗開始時,位移加(卸)載速率為0.005 妹妹/s,拉拔位移達到20 妹妹時,位移加載速率普及至1 妹妹/min。試驗全程記實拉拔力、拉拔位移、錨桿桿體軸向應變以及套筒周向應變。

2 試驗服從及合成

2.1 加卸載曲線合成

區別剛度套筒下拉拔力與拉拔位移的關連曲線如圖4所示,其中拉拔位移即是丈量位移與錨桿從容段伸長量之差,即

式中,up、u、L分說為拉拔位移、丈量位移以及錨桿從容段長度(妹妹);P為拉拔力(kN);A為錨桿橫截面積(m2);E為錨桿彈性模量(GPa)。

由圖4可知,區別剛度套筒下,拉拔力-拉拔位移曲線總體形態相同,且隨著套筒剛度削減,抗拔強度以及抗拔剛度清晰削減。這是因為隨著套筒剛度削減,拉拔歷程中徑向解放浸染增強,錨桿桿體-砂漿界面徑向位移(剪脹)減小,解放力增大,挪移相同拉拔位移條件下,所需拉拔力增大,導致抗拔剛度以及強度增大,與常法向剛度直剪條件下剪切強度隨法向剛度增大的試驗服從相似。

圖5為滯留位移(即不可復原變形)隨卸荷點荷載的蛻變曲線,其中鋁筒在峰前僅卸載5次。可見,隨著套筒剛度削減,滯留位移逐步減小,******次卸載后存在很大的滯留位移,隨著卸荷點荷載削減,滯留位移類似勻速削減,但增速很慢,相近峰值強度點,滯留位移再次迅速削減。導致上述征兆的原因是:初始施加拉拔力后,錨桿桿體與砂漿、砂漿與套筒之間由敗壞構叛亂化成細密打仗,卸載后全副敗壞打仗難以復原,故******次卸載后,滯留位移較大;隨后,拉拔力-拉拔位移曲線進入類似彈性線性變形階段,滯留位移較小,當相近峰值強度時,桿體-砂漿界面開始泛起解耦征兆,滯留位移開始增大,并隨著解耦段長度的增大而增大。PVC筒以及鋁筒均僅泛起上述兩個階段,是因為***后一次卸載點仍不泛起解耦。加卸載階段斜率基底細反且清晰高于抗拔剛度,與卸載點位置無關。

2.2 套筒周向應變合成

剛性套筒周向應變的量值反映了砂漿、錨桿桿體、套筒所組成系統在拉拔歷程中產生的徑向剪脹變形。因為本次拉拔試驗破損均發生在錨桿桿體-砂漿界面,故套筒周向應變主要反映了錨桿桿體-砂漿界面的剪脹特色。圖6為區別資料的剛性套筒在拉拔試驗歷程中的周向應變-拉拔位移曲線。圖7為鋁筒拉拔試驗歷程中拉拔力-光陰以及周向應變-光陰曲線。從圖6以及圖7可見,套筒周向應變均泛起初增大后減小趨勢,與拉拔力變換趨勢根基不同。隨著套筒剛度的削減,周向應變清晰減小,PVC筒、鋁筒以及鋼筒相同位置處***大周向應變分說為2 388.1 με、253.9 με、63.0 με。加卸載階段,周向應變曲線與拉拔力曲線相似,卸載點同時為周向應變以及拉拔力的極值點。

周向應釀成對于稱布置的兩個應變片讀數的平均值, 其中鋁筒以及鋼筒的應變值對于應于右側坐標軸讀數, PVC筒的應變值對于應于左側坐標軸讀數

圖8為區別高度時鋼筒周向應變-位移曲線,由圖8可知,沿著拉拔偏差,周向應變變換紀律相似,可是周向應變隨著高度削減而遞減,表明錨桿桿體-砂漿界面產生的徑向應力沿錨桿軸向擴散不屈均,隨著高度削減,徑向應力遞減,這與沿錨桿軸向的應力擴散特色相干。

2.3 軸向應變合成

本次試驗在100 妹妹長錨固段粘貼了10個應變片,下面首先合成拉拔歷程中錨桿軸向應變變換紀律,軸力擴散及蛻變特色不才一節具體品評辯說。

圖9為鋁筒拉拔力以及軸向應變隨光陰變換曲線,而圖10則為兩者隨拉拔位移的變換曲線。由圖可知,軸向應變以及拉拔力變換趨勢根基不同,隨著應變片遠離加載端增大,軸向應變數值減小。加載階段,應變干燥回升,卸載階段,應變逐步復原,卸載盡頭的應變值略大于初始應變值,這是因為錨桿自身力學性子導致的。

3 錨桿軸力及剪應力擴散特色

在應變監測數據的根基上,進一步合成了錨桿桿體軸力及錨桿桿體-砂漿界面剪切力的擴散及蛻變紀律。

3.1 錨桿軸力-軸向應變關連

已經知錨桿軸向應變,個別運用下式合計錨桿軸力

式中,F為錨桿軸力(kN); ε為軸向應變(με)。

因為本次試驗錨桿存在橫肋同時開有凹槽,難以準確合計橫截面積A,且錨桿初始拉伸曲線并非線性,不能間接運用式(3)妨礙合計。為了可能定量形貌錨固段錨桿軸力擴散及其蛻變特色,在錨固段外凹槽內粘貼了一個應變片,該應變片對于應位置的軸力即是拉拔力,而該處的應變即為應變片讀數,因此可能判斷錨桿軸力與應變間的關連。圖11為拉拔力-應變關連曲線,可見,軸力與應變存在線性關連,軸力與應變關連如下

3.2 錨桿軸力擴散蛻變紀律

依據式(3)合計患上出拉拔力為10 kN、20 kN、30 kN、40 kN、50 kN、60 kN、70 kN時各應變片位置處對于應的軸力值,圖12為各級載荷下錨桿軸力擴散圖,其中拉拔力高于40 kN時的軸力在高度20 妹妹、40 妹妹、80 妹妹處均偏低。隨著與加載端距離的增大,錨桿桿體軸力迅速減小,而隨著拉拔力削減,荷載傳遞畛域逐步削減,10 kN時,荷載僅傳遞至40 妹妹處,30 kN時傳遞至50 妹妹,而在70 kN時荷載曾經傳遞至90 妹妹處。在荷載傳遞畛域內,錨桿桿體軸力擴散不屈均,挨近加載真個全副擔當了絕大全副的荷載,如70 kN時,前60 妹妹錨桿擔當了約85.5%的拉拔力。

3.3 錨桿桿體-砂漿界面剪切力擴散

已經知錨桿軸力擴散,錨桿桿體-砂漿界面剪應力可按下式合計

式中,τ為錨桿桿體-砂漿界面剪應力(MPa);ΔF為相鄰兩個應變片對于應軸力之差(kN);S以及ΔL分說為錨桿橫截面周長以及相鄰應變片距離(妹妹)。

因為錨桿帶肋全副橫截面周長難以量化,故界面剪應力難以準確合計,而錨桿無肋全副橫截面周長為常數,故可能合計界面剪切力(單元長度剪切力),其擴散及蛻變紀律與剪應力殘缺相同。圖13為各級荷載下錨桿桿體-砂漿界面剪切力擴散曲線,合計剪切力時不運用軸力頗為點數據。可見,隨著與加載端距離的增大,界面剪切力逐步減小,0～20 妹妹錨固段剪切力迅速著落,20～60 妹妹錨固段剪切力飛快著落,該段剪切力類似平均擴散,60～80 妹妹錨固段剪切力再次迅速著落,故沿著錨桿軸線偏差界面剪切力擴散不屈均。

圖14為錨桿桿體-砂漿界面剪切力隨拉拔力的變換曲線。可見,隨拉拔力削減,***挨近加載端剪切力先削減至峰值隨后開始著落,峰值剪切力約為1.80 kN/妹妹,其余位置處剪切力不斷著落,20～60 妹妹錨固段剪切力削減幅度***大,挨近加載端剪切力達到峰值強度后,剪切力峰值逐步向錨桿外部轉移,呈現錨桿桿體-砂漿界面開始解耦。因為峰值強度左近絕大全副應變片都開始破損,無奈合成解耦后剪切力的蛻變特色。

4 結 論

(1)抗拔強度以及抗拔剛度隨著限度套筒剛度削減而削減,隨著加卸載次數削減,新增滯留位移(不可復原位移)先減小后增大。

(2)限度套筒周向應變均泛起初增大后減小趨勢,與拉拔力變換紀律不同,隨著加卸載次數削減,不可復原的周向應變逐步增大,可是增速減小。

(3)錨固段錨桿桿體軸向應變以及拉拔力變換紀律也相同,隨著應變片與加載端距離增大,應變迅速減小,加卸載階段,軸向應變基先天夠復原初始應變值。

(4)隨著與加載端距離增大,錨桿桿體軸力迅速減小,而隨著拉拔力削減,荷載傳遞畛域逐步削減。

(5)沿著錨桿軸線偏差界面剪切力擴散不屈均,剪切力達到峰值強度后,錨桿桿體-砂漿界面開始解耦,剪切力峰值向錨桿外部傳遞。

水利水電技術

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