錨索內(nèi)錨固段注漿體抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

錨索內(nèi)錨固段注漿體抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

1按內(nèi)錨固段中剪應(yīng)力不均勻狀態(tài)計(jì)算的承載能力根據(jù)現(xiàn)有的大量模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，報(bào)告稱(chēng)，在現(xiàn)有的錨提升內(nèi)錨固段中，鋼砂漿線(xiàn)與注漿體、注漿體與空壁之間的剪應(yīng)力通過(guò)向圍巖傳遞。河岸上錨固定段的修剪應(yīng)力分布具有以下特點(diǎn)：無(wú)論注漿體與空壁還是注漿體與鋼絞線(xiàn)之間的修剪應(yīng)力分布都是不均勻的。在錨定段附近，高度切割應(yīng)力集中。其最大值切割能力與平均切割能力的之比可達(dá)7.10倍。上述兩種切割力在錨定段內(nèi)的分布范圍內(nèi)，在錨定段附近的有限長(zhǎng)度內(nèi)，不均勻。然而，目前的工程設(shè)計(jì)中卻廣泛采用了平均剪應(yīng)力法，即假設(shè)內(nèi)錨固段中剪應(yīng)力沿其全長(zhǎng)均勻分布。這種計(jì)算方法顯然不太合理，它的嚴(yán)重后果是，由計(jì)算給出的承載能力是足夠的，但卻不能保證內(nèi)錨固段中剪應(yīng)力集中區(qū)注漿體不發(fā)生破壞；而一旦注漿體發(fā)生破壞，就會(huì)加速鋼絞線(xiàn)的銹蝕，時(shí)間久了就可能造成工程事故。文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了按內(nèi)錨固段中剪應(yīng)力不均勻分布狀態(tài)計(jì)算其承載能力的方法，即NSDM法(NonuniformShear-stressDistributionMethod)，這種方法顯然比目前采用的平均剪應(yīng)力法更加符合工程實(shí)際，應(yīng)該在工程設(shè)計(jì)中大力推廣。但是，這種方法在計(jì)算中需要知道注漿體與鋼絞線(xiàn)和注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0a和τ0g，而這兩個(gè)常數(shù)在一般資料中均未給出(給出的只是注漿體與孔壁和注漿體與鋼絞線(xiàn)之間的平均抗剪強(qiáng)度)。所以要推廣NSDM法，必須首先通過(guò)試驗(yàn)確定注漿體與鋼絞線(xiàn)和注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度。關(guān)于注漿體與鋼絞線(xiàn)之間的峰值抗剪強(qiáng)度，現(xiàn)在已有資料可查，但對(duì)于內(nèi)錨固段注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度，還沒(méi)有試驗(yàn)資料可供采用，這就是本次試驗(yàn)要解決的問(wèn)題。2試驗(yàn)內(nèi)容和方案2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)工況試驗(yàn)內(nèi)容分為2部分：(1)探討不同巖體材料對(duì)注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g的影響。試驗(yàn)中擬選取3種工程上常遇到的巖體，即砂巖、石灰?guī)r和花崗巖，分別進(jìn)行試驗(yàn)。(2)探討不同的張拉方案與不同的試驗(yàn)段長(zhǎng)度對(duì)注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g的影響。2.2模型材料及加載裝置的研制由于這方面的試驗(yàn)資料比較少，本文根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)初步確定試驗(yàn)原理與方法如下：(1)基本原理與假設(shè)考慮到試驗(yàn)的目的是測(cè)量注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g，所以在鉆孔內(nèi)是安裝錨索還是安裝錨桿對(duì)張拉試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響。為了方便起見(jiàn)，采用鋼筋來(lái)代替錨索。其次，由理論分析和試驗(yàn)研究可知，注漿體與孔壁之間的剪應(yīng)力分布是不均勻的，一般呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減。當(dāng)內(nèi)錨固段很短時(shí)，其剪應(yīng)力分布狀態(tài)如圖1(b)所示。為了便于分析，假設(shè)上述剪應(yīng)力按三角形規(guī)律分布，如圖1(c)所示。這樣做既不會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，又可以較方便地求出峰值剪應(yīng)力。由圖1(c)可知：式中：L為內(nèi)錨固段長(zhǎng)度。張力為式中：D為鉆孔直徑。由式(2)可得但按圖1(a)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)時(shí)，所得峰值剪應(yīng)力τ0g只是內(nèi)錨固段口部某一點(diǎn)的值，難免會(huì)產(chǎn)生一定的偶然性，從而影響試驗(yàn)結(jié)果的精度。要避免上述偶然性的發(fā)生，就必須讓試驗(yàn)段大面積的漿體材料均進(jìn)入τ0g狀態(tài)。為此提出了如圖2所示的一種試驗(yàn)方案，即在張拉體的兩端同時(shí)施加1個(gè)大小相等、方向相同的力P1,2P。根據(jù)疊加原理可知此時(shí)剪應(yīng)力沿試驗(yàn)段全長(zhǎng)分布近似為均勻狀態(tài)，其峰值抗剪強(qiáng)度可表示為試驗(yàn)中不考慮巖體自重和地應(yīng)力的影響，也不考慮材料變形的時(shí)間效應(yīng)。(2)模型設(shè)計(jì)與制作試驗(yàn)中內(nèi)錨固段長(zhǎng)度取20cm，鉆孔直徑為4cm。這是因?yàn)槿魞?nèi)錨固段太長(zhǎng)或孔徑太大，注漿體與孔壁接觸面積相應(yīng)增大，有可能出現(xiàn)把模擬錨索拉斷或從注漿體中拔出，而孔壁與注漿體之間卻不出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象。同時(shí)為了避免試件表面變形對(duì)注漿體受力均勻性的影響，2個(gè)孔口至注漿體兩端的距離不應(yīng)小于3倍的孔徑(即12cm)。因此模型塊體的尺寸定為50cm×50cm×50cm。由于巖石形狀不規(guī)則，不便于試驗(yàn)，事先用水泥砂漿將其各個(gè)表面補(bǔ)平。(3)張拉桿體及其布置考慮到試驗(yàn)?zāi)康氖谴_定注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度，應(yīng)保證在張拉桿體不被拉斷且不從注漿體中拔出的情況下，能將注漿體從孔壁處拔出，在試驗(yàn)中采用φ25螺紋鋼筋來(lái)模擬張拉錨索，其結(jié)構(gòu)和布置見(jiàn)圖3。內(nèi)錨固段長(zhǎng)20cm，將其置于孔的中部；鋼筋底端應(yīng)伸出注漿體外一定長(zhǎng)度以便施加推力，一般伸出3～4cm即可，不宜過(guò)長(zhǎng)，以免施加推力時(shí)鋼筋發(fā)生壓彎變形，從而影響試驗(yàn)結(jié)果。(4)模型材料及其力學(xué)參數(shù)文錨桿現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)的巖性主要為茅山組中段中～厚層的巖屑砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖，為了補(bǔ)充這方面的資料，本次試驗(yàn)選取了3種巖石：黃河小浪底地區(qū)的砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度為100MPa；龍門(mén)東山的石灰?guī)r，單軸抗壓強(qiáng)度為73MPa；洛陽(yáng)五龍山的花崗巖，單軸抗壓強(qiáng)度為194MPa。為了與文進(jìn)行比較，注漿材料和張拉桿體的選取也與文大致相同。注漿材料的物理力學(xué)參數(shù)如下：配比(以重量計(jì))為水泥∶水∶早強(qiáng)劑=1∶0.35∶0.03；單軸抗壓強(qiáng)度Rc=34.07MPa(7d)；單軸抗拉強(qiáng)度Rt=1.703MPa(7d)；彈性模量E=1.52×104MPa(7d)；泊松比μ=0.3；塑性指數(shù)：c=4.689MPa(7d),?=38.46°。張拉桿體材料規(guī)格及力學(xué)參數(shù)如表1所示。(5)加載裝置為了對(duì)試件施加大小相等、方向相同的2個(gè)力1P,2P，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)加載系統(tǒng)(圖4)。張拉設(shè)備是總參謀部兵種部防護(hù)工程計(jì)量測(cè)試站研制的張拉千斤頂，型號(hào)為YQQ-192，最大出力為192kN,2個(gè)千斤頂采用同一油壓泵供壓，以保證2個(gè)千斤頂出力基本一致。這里，稱(chēng)上述方案為方案1。采用方案1進(jìn)行了3次試驗(yàn)(均為砂巖)，試件均不能沿孔壁破壞，總是鋼筋先從注漿體中被拔出。其原因可能一是注漿太薄，最大厚度為7.5mm，有的地方注漿厚度不足5mm，且孔壁本身不光滑、錨索布置的偏心，注漿的整體效應(yīng)較差；二是因?yàn)槭紫戎苯邮芰Φ氖卿摻?，這就類(lèi)似于鋼筋在混凝土中的拉拔試驗(yàn)，又由于注漿厚度不夠，導(dǎo)致相對(duì)保護(hù)層厚度(c/d=5/25=0.2)很小，注漿體與鋼筋之間的粘結(jié)力較低，不足0.5Rt=0.8515MPa，所以其總的抗剪力小于注漿體與孔壁之間的抗剪力。為此提出了以下改進(jìn)方案：(1)擴(kuò)大孔徑，鉆頭直徑為74mm，成孔直徑為76mm；(2)在注漿體中配鋼筋籠，加強(qiáng)注漿體整體效應(yīng)；(3)在試驗(yàn)段推力端設(shè)置鋼墊板，其他考慮同方案1。這里，稱(chēng)之為方案2。采用方案2進(jìn)行了3次試驗(yàn)(均為石灰?guī)r)，但也未見(jiàn)試驗(yàn)段從孔壁處拔出，而是注漿體周?chē)膸r體被突然擠裂。為了測(cè)定注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度，必須使試驗(yàn)段從孔壁處破壞?？偨Y(jié)上述2種方案的經(jīng)驗(yàn)，提出把試驗(yàn)段縮短為10cm，因?yàn)樵囼?yàn)段越短，注漿體與孔壁之間的剪應(yīng)力分布就越均勻，所測(cè)的峰值抗剪強(qiáng)度就越準(zhǔn)確，試驗(yàn)成功的把握性也較大；同時(shí)在試驗(yàn)段內(nèi)不再模擬錨索，直接在孔中注漿，然后在一端設(shè)置鋼墊板施加推力，將注漿體從孔中推出；其他考慮同方案2。這里稱(chēng)之為方案3。3方案3試驗(yàn)結(jié)果將試驗(yàn)段所受最大拉力與最大推力之和除以試驗(yàn)段的圓柱體表面積可得注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度，即式中：P=P1+P2。上3種試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，從表中可以看出：(1)按方案1試驗(yàn)的3個(gè)砂巖試件中，注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g平均大于5.04MPa(因?yàn)樵嚰幢话纬觯前翠摻畋话纬鰰r(shí)的最大拉拔力計(jì)算的)；按方案3有效試件計(jì)算注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g平均為5.64MPa，從數(shù)值上看，二者很接近，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果是可靠的，工程上可取該砂巖的τ0g=5.64MPa。(2)按方案2的試驗(yàn)結(jié)果，石灰?guī)r中注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g平均大于5.42MPa。按方案3有效試件的試驗(yàn)結(jié)果，石灰?guī)r中注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g平均為6.76MPa，工程上可取該石灰?guī)r的τ0g=6.76MPa。(3)按方案3的試驗(yàn)結(jié)果，花崗巖中注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g平均為2.24MPa。工程上可取該花崗巖的τ0g=2.24MPa。從上述結(jié)果可以看出，花崗巖強(qiáng)度高，但注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g低，平均為2.24MPa；石灰?guī)r強(qiáng)度低，但注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g高，平均為6.76MPa；砂巖強(qiáng)度中等，注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g也處于中間狀態(tài)，平均為5.64MPa。這說(shuō)明在本次試驗(yàn)范圍內(nèi)，巖體的強(qiáng)度越高，注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g越低；巖體的強(qiáng)度越低，注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g越高，這與人們通常的認(rèn)識(shí)是相反的。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，可能與孔壁的起伏形態(tài)有關(guān)。因?yàn)殂@頭在鉆孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生橫向擺動(dòng)，致使孔壁出現(xiàn)凹凸不平的表面；當(dāng)巖體的強(qiáng)度高低不同時(shí)，孔壁表面產(chǎn)生的凹凸不平程度也就不同。顯然，巖體的強(qiáng)度越高，孔壁表面產(chǎn)生的凹凸不平程度越小；巖體的強(qiáng)度越低，孔壁表面產(chǎn)生的凹凸不平程度越大。當(dāng)試件受到張拉力時(shí)，如果孔壁表面是光滑的，則試件受到的張拉力僅由注漿體與孔壁表面的摩擦力平衡；如果孔壁表面是凹凸不平的，試件受力后注漿體與孔壁之間不僅產(chǎn)生摩擦力，還要產(chǎn)生咬合力，這是由于注漿體在向外產(chǎn)生位移變形時(shí)，在孔徑由大變小的地方注漿體還要對(duì)孔壁產(chǎn)生膨脹壓力，類(lèi)似于變形鋼筋與混凝土之間在受力后產(chǎn)生的機(jī)械咬合作用。正是由于這種咬合作用，注漿體與孔壁之間存在很大的擠壓力，這是試驗(yàn)中巖體被突然擠裂的主要原因。但在實(shí)際工程中整個(gè)巖體(或山體)是不可能被擠裂的，這種擠壓作用就愈加明顯，因此極少見(jiàn)到錨索或錨桿在注漿體與孔壁之間破壞的工程案例。所以孔壁的起伏就進(jìn)一步增大了注漿體與孔壁之間的抗剪能力。上述諸項(xiàng)就是造成在本次試驗(yàn)條件下，巖體的強(qiáng)度越高，注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g越低的基本原因。4壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度在本次試驗(yàn)條件下，可得出以下結(jié)論：(1)巖體的強(qiáng)度越高，注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g越低；巖體的強(qiáng)度越低，注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g越高。試驗(yàn)得到石灰?guī)r中注漿體與孔壁之間的峰值抗剪強(qiáng)度τ0g平均為6.757MPa，砂巖中為5.644MPa，花崗巖中為2.239MPa。(