套筒挤压式屈服锚索静载试验研究_张勇.pdf

套筒挤压式屈服锚索静载试验研究 张勇，盛宏光，吴祥云，曲建波 总参工程兵 科研三所，河南 洛阳 471023 ［ 摘 要］采用钢套筒挤压方案，研制了一种套筒挤压式屈服锚索，对屈服锚索屈服装置的 “荷载－变形特征”进行试验研究，分析探讨了套筒挤压长度与屈服荷载的关系。试验结果显示，各 组试验锚索初始屈服荷载和平均屈服荷载特征曲线比较一致，说明该锚索屈服装置方案合理、性能稳 定，能够获得屈服锚索预期的屈服荷载和屈服长度。 ［ 关键词］屈服锚索;挤压套筒;屈服装置;静载试验 ［ 中图分类号］ TD350. 1［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201505- 0106- 04 Static Load Test of Extrusion Sleeve Type Yield Anchored Cable ZHANG Yong，SHENG Hong- guang，WU Xiang- yun，QU Jian- bo 3rdResearch Institute of Engineering Corps，Headquarters of the General Staff，Luoyang 471023，China AbstractApplying steel sleeve extrusion project，an extrusion sleeve type yield anchored cable was developed. By“load- dea- tion”test of yield device，the relationship between sleeve extrusion length and yield load was analyzed. Results showed that the first yield load and average yield load characteristic curves of every group samples were similar，which indicated that the yield device’s perance was stable and could obtain expectant yield load and yield length of yield anchored cable. Keywordsyield anchored cable;extrusion sleeve;yield device;static load test ［ 收稿日期］ 2015－05－14［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2015. 05. 028 ［ 作者简介］ 张勇 1961－ ，男，山东单县人，总参工程兵科研三所高级工程师，总参郑州创新工作站首批进站专家，主要从事岩土工 程预应力锚索加固技术方面的研究工作。 ［ 引用格式］ 张勇，盛宏光，吴祥云，等 . 套筒挤压式屈服锚索静载试验研究 ［ J］ . 煤矿开采，2015，20 5 106－109. 屈服锚杆作为一种特殊用途的锚杆，最早出现 于国外，Ortlepp 和 Read 于 19691970 年间提出 了屈服锚杆 yieldable rock bolts的概念 ［1 ］并进行 了试验研究。他们在某隧洞内设置 2 个试验段，一 段采用普通岩石锚杆进行加固，另一段采用屈服锚 杆加固，炸药通过深孔均匀布置在隧洞周边。当同 时起爆时，采用普通锚杆加固的一段完全破坏，而 另一段隧洞则保持完整［2 ］。该试验证明了屈服锚 杆在承受瞬间冲击、爆炸荷载时具有优良的锚固性 能。 国外最早研制的屈服锚杆由一根标准的锚杆杆 体和一套外径大于杆体、内带轧制螺纹的钢套筒组 成 图 1 a 。当达到设计荷载后，锚杆会在 维持恒定荷载的情况下产生变形，变形量的大小取 决于钢套筒内螺纹的长度。之后，澳大利亚 Mena- dier 公司又研制了钢珠式屈服锚杆 图 1 b ， 这种屈服锚杆是在锚杆头部安装一个内部为锥形空 穴的装置，锥形空穴内充填钢珠并用螺帽压紧，利 用钢珠与光面干体之间恒定的摩擦力提供平稳的变 形。 在国外，屈服锚杆的研究一直在进行中。1990 年，南非的 Jager 研发出一种 Conebolt 的屈服锚杆。 图 1国外较早期使用的屈服锚杆 2006 年，挪威的 Charlie Chunlin Li 发明出一种新 型支护装置－D 型锚杆。2008 年，澳大利亚的阿特 拉斯科普柯公司研发了一种可压缩性岩石锚杆－ Roofex 锚杆用于软岩巷道支护。加拿大 JENNMAR 公司近年又研制出了用于地下工程支护的 Yield－ Lok 锚杆 图 2 。 在国防工程和矿山地下洞室中，支护结构可能 承受瞬间强大震动和冲击荷载的作用，普通锚杆由 于在破坏之前允许的变形量很小，在遭受动载作用 时很容易发生破坏。屈服锚杆则可以在瞬时动载作 用时在维持一定的承载力 屈服荷载的情况下 允许洞室产生较大的变形 屈服长度而不破坏。 洞室变形过程中释放大量能量，冲击荷载作用之 601 第 20 卷 第 5 期 总第 126 期 2015 年 10 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 20No. 5 Series No. 126 October2015 ChaoXing 图 2 Yield－Lok 锚杆 后，锚杆依然维持先前较小的支护力。 为了适应国防工程加固的需求，总参工程兵科 研三所于 1994 年研制了套筒螺纹式屈服锚杆并在 地下结构抗强爆炸荷载试验中得到应用。2005 年， 总参工程兵科研三所又完成了屈服锚索在地下工程 抗爆中的应用研究［3－5 ］，研制的预应力屈服锚索在 某国防工程中得到应用。 由于加固工程的需要，近年来国内不少单位对 屈服锚杆开展了研究［6－12 ］。在国内，不同单位对屈 服锚杆的称呼不同，主要有恒阻大变形锚杆 图 3 、让压锚杆、恒力锚杆等。据资料显示，自 2008 年以来，国内申请有关屈服锚杆的实用新型 专利和发明专利达 20 多项，不仅丰富了屈服锚杆 的类型，也充分反映屈服锚杆加固技术已受到国内 相关单位的高度重视。 图 3恒阻大变形锚杆 2套筒挤压式屈服锚索静载试验 为满足强动载作用下地下洞室支护的需要，设 计了一种套筒挤压式屈服锚索，由钢绞线主杆体、 挤压式钢套筒、垫板和螺帽组成 图 4 。其原理 是钢绞线插入钢套筒中，为了获得较为稳定的屈 服荷 载，在 钢 套 筒 和 钢 绞 线 之 间 放 置 直 径 为 0. 8mm 的钢制弹簧，对钢套筒一端进行挤压，利 用钢套筒和钢绞线表面产生的摩擦力，使锚索和钢 套筒在相对伸长时维持较为恒定的荷载 屈服荷 载 ，其有效伸长量的大小 屈服长度根据工程 需要由套筒长度而定。试验锚索材料为 17 结构 预应力钢绞线，钢绞线直径 15. 2mm，抗拉强度等 级为 1860MPa，钢绞线的最大破断力为 260kN。 图 4套筒挤压式屈服锚索 试验在 “WAW－600 型微机控制电液伺服万能 试验机”上进行。为了保证试验结果的真实性， 张拉时试验机两端夹具分别夹住锚索两端，模拟锚 索两端处于完全拉伸状态 图 5 ，使制作的锚索 试件和试件受力状态与屈服锚索受力状态完全一 致。 图 5屈服锚索静力试验 试验时，施加荷载速度为0. 2～0. 3kN/s，试件 伸长速度为 0. 3～0. 4mm/s，瞬时荷载和位移采集 速度为 0. 2s/组，每个试件采集数据约 3500～4500 组。 套筒挤压式屈服锚索的锚固性能主要取决于套 筒屈服装置。改变套筒挤压部分的长度可以得到不 同的屈服荷载。为了得到不同挤压长度下的屈服力 以求获得较理想屈服力对应的挤压长度，共制作了 5 组锚索试件进行室内试验，每组 3 个试件，装置 设计有效屈服长度均为 200mm，最大屈服长度大 701 张勇等套筒挤压式屈服锚索静载试验研究2015 年第 5 期 ChaoXing 于 250mm。 3试验结果 试验结果 图 6～10显示，当挤压套筒的初 始内外径、挤压后内外径和套筒材质已定的条件 下，套筒摩擦式屈服锚索的屈服荷载仅与套筒挤压 长度有关。为了分析套筒挤压长度对屈服荷载的影 响，取上述每组试件试验结果的算术平均值，发现 “挤压长度－初始屈服荷载”和 “挤压长度－平均屈 服荷载”有着较好的相关性，屈服荷载 T与套 筒挤压长度 L近似呈线性函数关系 图 11 ～ 12 。 图 6 A 组锚索 “荷载－变形”曲线 图 7 B 组锚索 “荷载－变形”曲线 图 8 C 组锚索 “荷载－变形”曲线 图 9 D 组锚索 “荷载－变形”曲线 在试验中，部分试件在变形过程中产生了较大 图 10E 组锚索 “荷载－变形”曲线 图 11挤压长度－初始屈服荷载关系 图 12挤压长度－平均屈服荷载关系 的荷载波动现象，产生这种现象可能的原因是涂抹 油脂长度不够或涂抹不均匀，钢绞线表面处理不干 净所致。 此外，在试验时，试验机采集数据频率较高， 平均每条采集数据 4000～4500 组 “荷载－变形”数 据，平均 0. 049mm 就采集 1 组数据，从而将荷载 的波动情况显示得淋漓尽致，而采用传统的锚索试 验方法是很难反映出这种波动现象的。 虽然在锚索拉伸变形时部分锚索产生荷载波动 现象，但锚索仍然维持着平均屈服荷载，锚索依然 发挥着加固作用。此外，这种荷载波动是在瞬间发 生的，所以，这种波动现象对锚索的锚固性能并无 影响。 试验结果显示，套筒挤压式屈服锚索具有以下 特点 1屈服荷载与套筒挤压长度近似呈线性函 数关系，通过调整套筒挤压长度可以得到相应的屈 服荷载。 2各组试验锚索初始屈服荷载和平均屈服 荷载特征曲线比较一致，说明该锚索采用的屈服装 置结构合理、性能比较稳定。 3该屈服锚索组件的钢套筒最大破坏荷载 801 总第 126 期煤矿开采2015 年第 5 期 ChaoXing 大于 190 kN，锚索屈服力可根据工程安全等级在 上述荷载之内进行选择确定，锚索总长度和屈服长 度也可根据工程需要选定。 4锚索具有钻孔直径小，锚固力大，施工 方便的特点。套管部分直径 30mm，钢绞线主杆体 直径 15. 2mm，锚索可采用变径小钻孔施工，使用 手持式风钻即可施工。 4结束语 目前，由于屈服锚杆具有良好的抗动载性能和 较强的适应大变形能力，已经在国防、矿山和水电 系统的地下工程加固中得到成功应用［13－16 ］。由于 工程的需求，国内对屈服锚杆的结构型式和理论研 究正在继续。随着国内对该项技术的深入研究，相 信屈服锚杆的结构型式和加固理论会日臻完善，其 应用范围也会逐步扩展，屈服锚杆将在工程加固中 发挥更大的作用。 ［ 参考文献］ ［ 1］ Ortlepp，W. D. and Reed J. D. ，Yieldable rock bolts for shock loading grouted bolts for rock stabilization ［J］ . Mining Engineer- ing，1970，6 3 12－17. ［ 2］ T. H. 汉纳 . 锚固技术在岩土工程中的应用 ［M］ . 北京中 国建筑出版社，1987. ［ 3］ 易梦文 . 屈服锚杆受力性能的研究 ［R］ . 洛阳总参工程兵 科研三所，1996. ［ 4］ 易梦文 . 强冲击压力作用下坑道围岩－屈服锚杆支护体系计算 方法的研究 ［R］ . 洛阳总参工程兵科研三所，1996. ［ 5］ 刘玉堂，白彦光，庞有超 . 屈服锚索在地下工程抗爆中的应 用研究 ［R］ . 洛阳总参工程兵科研三所，2005. ［ 6］ 张国锋，于世波，李国峰，等 . 巨厚煤层三软回采巷道恒阻 让压互补支护研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报，2011，30 8 1619－1626. ［ 7］ 何满潮，郭志飚 . 恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用 ［ J］ . 岩石力学与工程学报，2014，33 7 1297－1307. ［ 8］ 孙晓明，王冬，王聪，等 . 恒阻大变形锚杆拉伸力学性 能及其应用研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报，2014，33 9 1765－1771. ［ 9］ 邹吉社 . 高强高预应力让压锚杆支护技术 ［J］ . 山东煤炭科 技，2012 4 10－11. ［ 10］ 张宏吉，郑锦鹏 . 恒阻大变形锚杆 索工作原理及特性 ［J］ . 煤矿支护，2013 3 52－54. ［ 11］ 夏洪满 . 高恒阻大变形锚索力学特性及现场防冲试验研究 ［D］ . 北京中国矿业大学 北京 ，2013. ［ 12］ 王亚杰 . 岩爆冲击条件下屈服大变形恒阻锚杆支护 ［J］ . 岩 土锚固工程，2013 4 29－32. ［ 13］ 张新生，蒋涛 . 让压锚杆在深部软岩巷道支护中的应用 ［J］ . 煤炭科技，2013 4 ;86－87. ［ 14］ 胡长浩 . 恒阻大变形锚杆支护技术在新安煤矿的应用 ［J］ . 煤炭科技，2012 1 46－47. ［ 15］ 李元，张鹏，张东明，等 . 防冲抗爆恒阻大变形锚杆在 锦屏二级水电站引水隧洞岩爆段施工中的应用 ［ J］ . 成都大 学学报，2012，3 3 285－286. ［ 16］ 李剑锋，赵建华 . 极软岩巷横阻大变形锚杆耦合支护技术研 究 ［ J］ . 煤炭工程，2012 7.［责任编辑王兴库］ 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 上接 86 页 3基础换填土或者基坑回填土应采用非湿 陷性的素土，一般情况下，基础施工完成后应立即 回填素土，并分层夯实。 4做好施工组织设计，合理安排施工时间， 尽量避免在雨季和冬季施工，如不可避免应采取可 靠的防水和防冻保温措施。 5在此类场地施工前，应充分了解场地特 性，并根据盐渍土的侵蚀类型，选取合适的水泥、 水灰比以及外加剂，并根据腐蚀强度等级确定地下 构件的防腐、防水措施。 6桩基础宜采用预应力混凝土管桩或混凝 土灌注桩，桩承台的埋深不宜小于 2. 5m;当承台 埋深处于 2. 5m 以上的部位宜加强防腐防护。 6结论 黄土状盐渍土特点众多，化学成分极其复杂， 随着使用环境的变化其工程特性也会随之发生较大 的变化。因此，针对花草滩矿井场地土的地质情 况，分析了黄土状盐渍土的工程特性及其特性对建 筑物的危害，最后通过对各种地基处理方案优缺点 的评判，确定出最适合花草滩矿井地基处理的方 案，使其达到了既经济、合理又实用的效果。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 范恩让，张炜，李凯，等 . 黄土状盐渍土的工程特点及 地基处理方法 ［J］ . 岩土工程技术，2001 1 27－30. ［ 2］ 秦晓栋，薛维俊 . 湿陷性黄土地基湿陷机理、湿陷性评价及 地基处理方法 ［J］ . 内蒙古石油化工，2009 2 38－41. ［ 3］ 中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验 检疫总局 . 湿陷性黄土地区建筑规范 GB 50025－ 2004 ［ S］ . 北京中国建筑工业出版社 . ［ 4］ 张冬菊 . 盐渍土地区工程地基设计与防腐处理 ［J］ . 青海大 学学报 自然科学版 ，2000，18 6 23－29. ［ 5］ 周瑞福 . 西宁地区盐渍土的特征及工程处理措施 ［J］ . 青海 大学学报 自然科学版 ，2012，30 3 46－50. ［ 6］ 林纪春 . 南疆地区盐渍土的基本特征及处理措施建议 ［J］ . 山西建筑，2009，35 17 81－83. ［ 7］ 琚旭光，黄敏，俞泱 . 土工合成材料加筋垫层作地基处 理的工程实践 ［J］ . 煤矿开采，2001 S1 80－82. ［责任编辑邹正立］ 901 张勇等套筒挤压式屈服锚索静载试验研究2015 年第 5 期 ChaoXing