云岡石窟石窟危巖體錨固性能試驗(yàn)研究

云岡石窟石窟危巖體錨固性能試驗(yàn)研究

石窟寺的大部分邊坡都處于總體穩(wěn)定狀態(tài)。局部坍塌的局部損害和大量小型危險(xiǎn)巖石的局部存在是重點(diǎn)研究和控制的對象。同時(shí)，文物的不可再生性決定了文物保護(hù)工程的特殊性，錨固工程實(shí)施時(shí)，應(yīng)根據(jù)巖體的應(yīng)力狀態(tài)及危巖塊體的破壞模式盡量選用輕型、耐久的錨固方式，減少對文物本體的擾動。近年來，由于強(qiáng)力膠結(jié)劑和新材料加工水平的提高、檢測手段的增多使錨桿的品種發(fā)展很快，國內(nèi)現(xiàn)有楔縫、脹殼錨桿、鋼絲繩或鋼筋砂漿錨桿、木錨桿、竹錨桿、樹脂錨桿、快硬水泥卷錨桿等十幾個(gè)系列品種。由于各種錨桿桿體材料及構(gòu)造不同，錨桿作用機(jī)理差別較大。對于石窟圍巖的加固，應(yīng)從石質(zhì)文物保存的特點(diǎn)出發(fā)，對不同錨固方式進(jìn)行測試，以確定其加固石窟圍巖的適用性，使錨桿體錨固效果達(dá)到既能長效穩(wěn)定加固，又能盡量減少對文物本體擾動的目的。因此，文中就幾種輕型錨桿包括玻璃鋼錨桿、中空注漿錨桿等加固石窟危巖的適用性進(jìn)行研究，通過現(xiàn)場試驗(yàn)與傳統(tǒng)螺紋鋼錨桿加固進(jìn)行比較，從而對錨桿體材料性能改進(jìn)及設(shè)計(jì)施工過程中錨桿體材料的選用提供指導(dǎo)及試驗(yàn)依據(jù)。1巖石結(jié)構(gòu)及安土改造工程試驗(yàn)在世界文化遺產(chǎn)地———云岡石窟進(jìn)行。云岡石窟屬于較為典型的砂巖石窟。在云岡石窟保護(hù)區(qū)3.6km2的范圍內(nèi)，地貌類型較簡單。按成因可分為兩大單元:1)云岡頂部高臺地與構(gòu)造剝蝕低山丘陵，高程為1163m～1218m，地面坡角4°～9°，較平緩;2)十里河侵蝕堆積階地，高程為1124m～1140m，河床兩側(cè)為河漫灘。一級階地較發(fā)育，二、三級階地只有部分殘存，云岡鎮(zhèn)坐落在一級階地上，石窟開鑿在三級基座階地的砂巖透鏡體中。試驗(yàn)區(qū)地層巖性以粗粒長石砂巖為主，其間夾有泥巖夾層及泥巖與砂質(zhì)泥巖互層。新鮮粗粒長石砂巖的顆粒密度為2.63g/cm3、天然密度約2.33g/cm3～2.44g/cm3、吸水率約2.95%～4.17%、單軸抗壓強(qiáng)度介于57MPa～68MPa、抗拉強(qiáng)度介于2.7MPa～3.3MPa、無法向荷載時(shí)的抗剪強(qiáng)度為8.1MPa、正應(yīng)力為11MPa時(shí)的抗剪強(qiáng)度約19MPa、彈性模量介于1.5GPa～3.3GPa、泊松比0.17～0.19ㄢ試驗(yàn)區(qū)巖層產(chǎn)狀平緩，傾角3°～4°、傾向北西—北東向。區(qū)內(nèi)以構(gòu)造裂隙為主，亦發(fā)育有風(fēng)化裂隙，裂隙發(fā)育方向主要有305°～355°，287°和40°～80°，其中走向40°～80°的節(jié)理裂隙較發(fā)育，傾角一般為78°～85°，有的甚至直立。風(fēng)化裂隙發(fā)育不規(guī)則，多呈不規(guī)則的網(wǎng)狀或雜亂無形的狀態(tài)，裂隙面不平整。此外，受爆破震動的影響，試驗(yàn)區(qū)巖體表面較松動。2錨桿參數(shù)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用效果2.1單帶間距固參數(shù)的設(shè)計(jì)和適應(yīng)性分析2.1.1特殊支護(hù)桿體的特性全螺紋玻璃鋼錨桿結(jié)構(gòu)由桿體、錨尾、托板、螺母組成。材質(zhì)特點(diǎn)是桿體的增強(qiáng)材料采用電絕緣性能低的中堿玻璃纖維無捻粗紗，加入阻燃劑、抗靜電劑等，以滿足輕質(zhì)、高強(qiáng)、阻燃、抗靜電等優(yōu)點(diǎn)。顯著特點(diǎn)是桿體輕(為同體積鋼材重量的1/4);易于安裝施工，減輕勞動強(qiáng)度;耐環(huán)境性強(qiáng)，可滿足永久支護(hù)要求;比強(qiáng)度高;桿體通體全螺紋，握裹力強(qiáng)，錨固力大;易于切割，根據(jù)支護(hù)要求，可任意調(diào)整截取錨桿桿體長度。錨桿在安裝后，通過擰緊螺母而具有一定的預(yù)緊力，能防止巖體的早期破壞。2.1.2單孔混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)及安裝1鋼錨桿錨固方案設(shè)計(jì)出廠的成品玻璃鋼錨桿的力學(xué)參數(shù)如表1所示。因此，針對玻璃鋼錨桿以上力學(xué)參數(shù)，通過對現(xiàn)場小型危巖塊所需的錨固力進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)玻璃鋼錨桿的錨固參數(shù)如表2所示。2樹脂錨固劑ue鋼絞線圖2通過現(xiàn)場試驗(yàn)，總結(jié)出玻璃鋼錨桿在錨固小危巖塊時(shí)適宜的施工操作方法為:a.在危巖塊附近根據(jù)其受力特點(diǎn)確定合理的鉆孔位置。b.用電動鑿巖機(jī)鑿孔，孔深為2.5m，略小于桿體長度。c.注入2支ue78823×500mm樹脂錨固劑或2支快硬水泥卷錨固劑?？煊菜嗑淼淖⑷敕椒?水泥卷浸水。先在水泥卷上用細(xì)鐵絲刺5個(gè)～6個(gè)小孔后浸入清水中，懸置約1min，待水泥卷上小孔無連續(xù)冒泡后將其取出。用鋼筋把所需的水泥卷一個(gè)接一個(gè)分別推入孔底。d.電鉆帶動桿體旋轉(zhuǎn)攪拌注入錨桿孔，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)動拌合10s以上，使樹脂錨固劑或快硬水泥漿均勻混合。e.待錨桿錨固后安裝托盤、上緊螺母，使錨桿具有預(yù)應(yīng)錨固力。2.1.3鋼錨桿嚴(yán)壓裂破壞機(jī)理在現(xiàn)場采用錨桿綜合參數(shù)測定儀對所有試驗(yàn)錨桿進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)(見圖1)。對玻璃鋼錨桿的極限抗拔力和破壞失效機(jī)理進(jìn)行了分析。1)玻璃鋼錨桿在云岡石窟砂巖地層中28d齡期最大錨固力可達(dá)86.4kN。2)玻璃鋼錨桿的破壞形式大部分為桿體被扭開，發(fā)生劈裂性破壞(見圖2)，以及托盤被壓裂，分析桿體的構(gòu)成材料及構(gòu)成形式，由于各束纖維是經(jīng)機(jī)械式壓制而結(jié)合成桿體，纖維間粘結(jié)強(qiáng)度低，成為桿體抗扭強(qiáng)度不高的薄弱環(huán)節(jié)。通過分析其破壞機(jī)理，后期可以從桿體纖維增強(qiáng)和桿體制作過程中適當(dāng)改進(jìn)，可以考慮采用碳纖維材料作為增強(qiáng)纖維，且在纖維壓制過程中加入增強(qiáng)粘結(jié)劑，以整體提高桿體內(nèi)部的結(jié)合強(qiáng)度及桿體本身的抗剪抗扭性能。從而在桿體輕質(zhì)高強(qiáng)、易于安裝施工且可永久支護(hù)的性能基礎(chǔ)上更加改善其力學(xué)性能，以利于在文物保護(hù)工程中發(fā)揮出更大的作用。2.2介質(zhì)中附層紙的連接參數(shù)設(shè)計(jì)及適用性分析2.2.1自鉆式中空注漿錨桿結(jié)構(gòu)中空注漿錨桿是集鉆孔、注漿、錨固等多功能的新型高科技支護(hù)產(chǎn)品。其中空的桿體兼做鉆桿和注漿管。注漿前可作吹塵管，即排除鑿巖形成的粉塵，注漿時(shí)漿液通過中空錨桿從鉆頭噴出，填充錨桿周圍的鉆孔和地層裂隙，使錨桿與周圍土質(zhì)凝固成一體，起到加固的作用。普通中空注漿錨桿結(jié)構(gòu)中不包括鉆頭，桿體為中空，錨固段帶有螺道，增大了與巖壁的摩擦作用。在端部帶有螺母和墊板。自鉆式中空注漿錨桿結(jié)構(gòu)由鉆頭、中空桿體、墊板和螺母組成。鉆頭的大小可控制鉆孔的大小，一般鉆孔的尺寸約為錨桿直徑的2倍。自鉆式中空注漿錨桿典型的結(jié)構(gòu)及各部件如圖3所示。2.2.2破碎地層鉆孔注漿1)中空注漿錨桿錨固參數(shù)設(shè)計(jì)如表3所示。2)中空注漿錨桿施工安裝。中空注漿錨桿的施工選在巖質(zhì)破碎、裂縫發(fā)育且部分呈軟塑狀態(tài)的地層中。因此，錨固成孔是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在現(xiàn)場試驗(yàn)過程中，有部分孔出現(xiàn)鉆進(jìn)到約1m深度就嚴(yán)重塌孔。在這種情況下，必須選用自鉆式鉆進(jìn)方式及將桿體本身作為注漿管從管內(nèi)注漿方式，因?yàn)閲?yán)重塌孔已造成無法從孔內(nèi)注漿，所以中空注漿技術(shù)尤其適用于破碎地層巖體加固。在破碎地層鉆進(jìn)時(shí)，若采用先打孔再錨固的方式，應(yīng)采用跟管鉆進(jìn)工藝來完成。但有的地層的地質(zhì)條件非常復(fù)雜，即便用跟管鉆進(jìn)也很難達(dá)到目的，易發(fā)生鉆具的劇烈跳動、鉆進(jìn)負(fù)荷加大、塌孔、埋鉆、卡鉆、活動石塊無法鉆進(jìn)等，使鉆進(jìn)施工無法進(jìn)行。在這種情況下，應(yīng)采用注漿固結(jié)破碎巖層及孔壁，注漿材料應(yīng)使用快速固結(jié)、早強(qiáng)、流動性好的材料，注漿后，待固結(jié)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，方可繼續(xù)鉆進(jìn)。2.2.3桿體力—中空注漿錨桿錨固性能分析圖4是采用錨桿綜合參數(shù)測定儀測定的拉拔過程中自鉆式中空注漿錨桿的典型力—位移曲線。該錨桿的錨固形式為下傾15°錨于坡體堆積層及砂巖層中，錨入深度2.5m，其極限拉應(yīng)力可達(dá)65.38kN。錨固體的破壞形式為桿體被拔出，漿體錨固失效。分析應(yīng)力—位移曲線，上升階段斜率較大，表明合金鋼材料彈模較高。曲線下降部分較為陡峭，表明桿體脆性較大。圖5是對垂直向下錨于坡頂?shù)亩逊e層及砂巖層中的自鉆式中空注漿錨桿的力—位移曲線。桿體直徑為30mm，壁厚5mm。在拉力增大至187.35kN時(shí)，發(fā)生注漿體松動，桿體拔出破壞。試驗(yàn)結(jié)果表明垂直向下錨于巖層中比下傾15°錨于巖層中抗拔力明顯提高，即錨固質(zhì)量提高。圖6是對錨固于山坡巖質(zhì)較破碎且部分呈軟塑狀態(tài)地層中非自鉆式中空注漿錨桿的力—位移曲線。ue78828mm和ue78825mm的桿體極限錨固力分別為23.1kN和26.8kN，表明極限錨固力的大小與桿體的粗細(xì)沒有直接關(guān)系，但是與錨固地層的性質(zhì)、注漿的密實(shí)程度等有關(guān)。在現(xiàn)場施工中，可根據(jù)被加固巖體的體積大小選用合適的桿徑。分析力—位移曲線，上升階段斜率較低，且達(dá)到最大拉力后應(yīng)變?nèi)岳^續(xù)增加，該現(xiàn)象與所錨固地層為軟塑狀態(tài)的性質(zhì)有關(guān)。桿體的失效是由于外露部分螺母脫絲造成，而桿體仍保持原有強(qiáng)度，未發(fā)生破壞。表明要改善該類型的錨桿結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，必須加深頭部螺絲深度和長度及加強(qiáng)螺母的質(zhì)量。2.3螺旋鋼絞死參數(shù)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用分析2.3.1錨桿加固的特點(diǎn)螺紋鋼錨桿是一種具有廣闊應(yīng)用前景的支護(hù)材料。桿體由軋制的全長連續(xù)右旋螺紋鋼材料制成，具有以下特點(diǎn):1)其任何一端都可以直接擰螺母而成緊固端，另一端可直接與錨固劑粘結(jié)而成錨固端;2)由于桿體全長范圍內(nèi)具有連續(xù)的螺紋，其錨固長度可根據(jù)實(shí)際需要確定，這種錨桿既可以作為端頭錨固，也可作為全長錨固;3)錨桿的螺紋牙形為梯形，其抗剪強(qiáng)度略高于桿體的抗拉強(qiáng)度，具有桿體全長等強(qiáng)度、無弱面的特點(diǎn)。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，砂漿與圓鋼粘結(jié)強(qiáng)度為2.5MPa左右，而砂漿與螺紋鋼粘結(jié)強(qiáng)度為5.0MPa左右。圓鋼錨桿與粘結(jié)物粘結(jié)強(qiáng)度主要由粘聚力及摩擦力決定，而螺紋鋼錨桿與粘結(jié)物之間強(qiáng)度不僅包括前面兩部分，還包括因螺紋起伏與砂漿之間產(chǎn)生擠壓、剪脹、剪斷等作用產(chǎn)生的等效強(qiáng)度，這在總體上較大地提高了其粘結(jié)強(qiáng)度。所以，螺紋鋼錨桿的錨固力很大，錨固性能好。通過設(shè)計(jì)螺紋鋼砂漿錨桿，與玻璃鋼錨桿、中空注漿錨桿等在極限抗拔力、粘結(jié)砂漿變形破壞、錨固失效等方面進(jìn)行比較，以深入了解各類型錨桿工作機(jī)理及錨固效果，合理進(jìn)行錨固工程設(shè)計(jì)計(jì)算。2.3.2螺旋鋼絞死參數(shù)設(shè)計(jì)螺紋鋼錨桿錨固參數(shù)設(shè)計(jì)如表4所示。2.3.3極限錨固力分析圖7中的錨桿錨固深度為2.0m，錨固地層為砂巖地層，其28d齡期錨固力達(dá)到273.8kN。圖8中的錨桿錨固深度為5.4m，地層條件同圖7中的錨桿，其28d齡期錨固力達(dá)到242.127kN，破壞形式均為錨桿與砂漿界面滑移破壞，表明對于危巖體加固來講，錨桿的支護(hù)作用并非是單一的，還與巖土體條件、漿體條件密切相關(guān)，必須多種作用共同協(xié)調(diào)才能發(fā)揮出高的錨固性能。螺紋鋼錨桿在工作條件相同時(shí)極限錨固力大于玻璃鋼錨桿及中空注漿錨桿。但由于鉆孔孔徑較大，對文物本體擾動較大。3自鉆式中空注漿錨桿加固技術(shù)1)研究發(fā)現(xiàn)，對于石窟寺崖壁上小型傾倒式危巖體可采用玻璃鋼錨桿加固，通過旋進(jìn)托盤可施加20kN～30kN的預(yù)應(yīng)力。但桿體抗剪及抗扭斷強(qiáng)度不高，不宜應(yīng)用于滑塌式危巖的治理。進(jìn)一步努力的方向應(yīng)是采用碳纖維材料作為增強(qiáng)纖維，且在纖維壓制過程中加入增強(qiáng)粘結(jié)劑，從而整體提高桿體內(nèi)部的結(jié)合強(qiáng)度及桿體整體的抗剪抗扭性能，并加強(qiáng)托盤和螺帽的力學(xué)強(qiáng)度，從而在治理石窟危巖體時(shí)發(fā)揮更全面的性能。2)在軟弱圍巖、斷層破碎帶較多及塑性流變巖層中可采用自鉆式中空