土中锚杆临界锚固长度的试验研究_张福明.pdf

土中锚杆临界锚固长度的试验研究 张福明1，梁仕发2，林大路1，赵健1 1. 总参工程兵 科研三所，河南 洛阳 471023;2. 西安交通大学，陕西 西安 710049 ［ 摘 要］基于近几年来关于临界锚固长度理论，研究分析了黄土中拉力型和压力型锚杆临界 锚固长度的试验条件、方法、结果和判别临界锚固长度的方法，并且与其他研究成果作了对比分析。 结果表明，此次试验条件下拉力型和压力型锚杆临界锚固长度的存在和其长度，以及锚杆锚固段第一 和第二界面局部破坏转移、峰值剪应力转移、零值剪应力转移大体是同时发生的，此时峰值和零值点 间的空间距离就是临界锚固长度。 ［ 关键词］锚杆;临界锚固长度;判别方法;试验;研究 ［ 中图分类号］ TD350. 1［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201505- 0097- 04 Test of Critical Anchorage Length of Anchored Bolt for Soil ZHANG Fu- ming1，LIANG Shi- fa2，LIN Da- lu1，ZHAO Jian1 1. 3rdResearch Institute of Engineering Corps，Headquarters of the General Staff，Luoyang 471023，China; 2. Xi’ an Jiaotong University， Xi’ an 710049，China AbstractBased on theories of critical anchorage length in recent years，test conditions，s，results and judgment s of critical anchorage length of tensing-and pressing-anchored bolt in loess was analyzed and compared. Results showed that local failure transation，summit- value shearing stress transation，zero- value shearing stress transation were generally simultaneous. The space distance between summit value and zero- value was the critical anchorage length. Keywordsanchored bolt;critical anchorage length;judgment ;test;research ［ 收稿日期］ 2015－05－14［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2015. 05. 026 ［ 基金项目］ 国家自然科学基金项目 51278492 ［ 作者简介］ 张福明 1964－ ，男，山西忻州人，总参工程兵科研三所副研究员，主要从事岩土工程与防护工程方面研究工作。 ［ 引用格式］ 张福明，梁仕发，林大路，等 . 土中锚杆临界锚固长度的试验研究 ［ J］ . 煤矿开采，2015，20 5 97－100. 锚杆的临界锚固长度是指一定岩土介质中锚固 类结构杆体的极限锚固长度。这一概念的含义在 于在任一岩土介质中，锚固类结构杆体长度都存 在一个极限值，未达此值，锚固潜力即未充分发 挥;超过此值，超出部分就将做无用功。 自从提出临界锚固长度的问题之后，国内围绕 此问题已开展了许多研究，见参考文献 ［ 1］ ～ ［ 21］ 。国外也开展了相近的研究，见参考文献 ［ 22］ ～ ［ 25］ ，只是提法各不相同。研究所采用 的方法大体可归为 4 类数值分析方法、解析方 法、现场监控和辅助试验方法、综合方法。这些方 法能从不同侧面反映或揭示出锚固类结构杆体临界 锚固长度的本质，但如何结合工程现场测得临界锚 固长度，还没有统一有效的方法。 为此，在河南洛阳某山地黄土中进行了旨在研 究锚杆临界锚固长度的现场试验的条件、方法、结 论和判别临界锚固长度的方法，并对比分析了其他 相关研究成果，指出临界锚固长度的存在是一个普 遍现象。 1试验条件 1. 1土层条件 试验场地选择在河南洛阳某单位的野外综合试 验场黄土塬下部 见图 1 。该场地土层坚硬致密， 表面风化层较薄，属 Q2 黄土。土层主要物理力学 参数含水率 w 25. 4，天然重度 γ 18. 9kN/ m3，液限 wL 41. 5. 0，塑性指数 Ip 15. 45，孔 隙比 e 0. 817，压缩系数 a1－20. 11，湿陷系数 δs 0. 013，黏 聚 力 c 46. 8kPa，内 摩 擦 角 φ 24. 7。 图 1试验现场 79 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 1. 2试验方法 试验锚孔位于地面以上 1 m、坡顶以下 20 m 处，在设计锚孔处，削除厚度约 200～300mm 的表 面风化土层，使之露出新鲜、未经扰动的土层面。 按照设计锚杆间距为 1m，锚孔直径为 120mm，下 倾角为 15，用电动麻花钻机成孔，见图 1。从图 的左侧到右侧，锚杆编号分别为1 号、2 号、3 号、4 号、5 号、6 号、7 号、8 号。其中 1 号、3 号、5 号、7 号锚杆为拉力型;2 号、4 号、6 号、 8 号锚杆为压力型。锚孔深度分别为 12m，12m， 9m，9m，6m，6m，3m，3m。锚杆杆体为直径 22mm HRB400 螺纹钢筋，预留锚杆外端张拉长度 为 M30900 的 45 号钢螺杆，螺杆和螺纹钢的搭接 长度 为 300mm。压 力 型 锚 杆 的 承 压 板 直 径 为 100mm。为了试验施工安全和便于张拉，坡面采用 喷射混凝土钢筋网支护。喷射混凝土设计参数为 δ150mm 采用 32. 5R 水泥 ;配合比为水泥 ∶ 砂 ∶ 石子 1 ∶ 2 ∶ 2;水灰比 0. 5;钢筋网 12mm－ 200mm200mm;用 m30 的水泥砂浆抹平张拉架支 腿底面。注浆采用纯水泥浆，水泥为 P. C32. 5 复 合硅酸盐水泥。注浆方式一律为普通压力注浆 0. 5MPa ;浆液配合比为水 ∶ 水泥 0. 45 ∶ 1， 28d 强度为 36. 2MPa，养护时间为 7d。养护时间一 到即开始进行张拉试验。 1. 3测点布置 测点设置应变片和应变砖 2 种。 1应变测点按第 1，2 界面分别安置在锚杆 杆体和水泥浆与孔壁的接触面上。第 1 界面上的应 变测点是将应变片直接粘贴在经处理的杆体表面。 第 2 界面的应变测点为微型应变砖 其浆液材料、 水泥标号、水灰比均与注浆浆液相同 ，由固定在 锚杆上的弹簧钢丝将其安放在注浆体和孔壁之间。 21～6 号锚杆的应变片和应变砖的间距为 1m，7 号和 8 号锚杆的应变片和应变砖的间距为 0. 5m。 1. 4锚杆张拉等级 锚杆加载等级见表 1。 表 1锚杆加载等级 加载等级 第 1 级第 2 级第 3 级第 4 级第 5 级第 6 级 荷载/kN100300 5007009001100 加载等级 第 7 级第 8 级第 9 级第 10 级 第 11 级 第 12 级 荷载/kN13001500 1700190020002100 2试验结果 2. 1拉力型锚杆试验结果 3 号拉力型锚杆的长度和应变值关系曲线见图 2，5 号锚杆的长度和应变值关系曲线见图 3，由于 1 号锚杆的长度和应变值关系曲线与 3 号锚杆相 似，7 号锚杆的长度和应变值关系曲线与 5 号锚杆 相似，篇幅有限，在此不再赘述。 图 2 3 号锚杆长度与应变值的关系 图 3 5 号锚杆长度与应变值的关系 2. 2压力型锚杆试验结果 4 号、6 号和 8 号拉力型锚杆的长度和应变值 关系曲线见图 4～6，2 号锚杆的长度和应变值关系 曲线同 4 号锚杆，在此不再赘述。 图 4 4 号锚杆长度与应变值的关系 图 5 6 号锚杆长度与应变值的关系 3临界锚固长度判定方法 在综合分析文献 ［ 1］ ～ ［ 25］ 以及国内外 30 多年来对临界锚固长度研究成果，研究者普遍认可 89 总第 126 期煤矿开采2015 年第 5 期 ChaoXing 图 6 8 号锚杆长度与应变值的关系 的观点如下 1锚杆临界锚固长度效应是一个普遍的客 观存在现象。 2在一定介质中，在设计参数完全相同条 件下，临界锚固长度值大体是一个常数或定值。 3在不同介质中，或在设计参数有差异 如杆径、孔径、浆液配合比、注浆压力、岩土介 质等不同条件下，临界锚固长度值是不同的。 4了解和掌握各种岩土介质中锚固类结构 的临界锚固长度值，既可避免盲目浪费，又可消除 工程潜在安全隐患，达到优化设计之目的。 5锚固段诸界面剪应力的转移特性包括 当施加于杆体的荷载达到极限值条件下，紧靠锚头 部位的峰值剪应力发生向杆体深部转移;远离锚头 部位的零值剪应力发生向杆体深部转移;锚固体及 其界面局部破坏发生向杆体深部转移，其空间位置 与峰值剪应力相对应;上述三个转移在时间上基本 同时发生;峰值剪应力与零值剪应力之间的空间距 离大体为常数。 6临界锚固长度值的误差，是相邻 2 个测 点之间的距离。 4试验结果分析 4. 1拉力型锚杆 从图 2 和图 3 中可以看出，锚杆应变值在锚固 段口部具有最大值，在锚固段内具有较小值。随着 荷载增大，锚固段口部应变值呈增大趋势，锚固段 内的应变值呈增大趋势，但随着锚固段向内延伸， 应变值逐渐减小。从图 2 看出，1 号和 3 号锚杆随 着荷载的增加，锚固段口部的应变值最大，锚固段 内部的应变值 0 点随荷载的增加而向深处转移，分 别在第 8 级和第 7 级荷载时锚固段口部的应变值达 到最大 在试验中，当荷载达到第 9 级和第 8 级 时，锚固段口部注浆体开裂，杆体上的应变片已破 坏，在图中显示为 0。其他图同样 ，同时其 0 点 位于 8m 处，随后荷载继续增加，0 值点也继续向 锚固段深部转移。从图 3 中看出，5 号和 7 号锚杆 应变峰值虽然在第 10 级荷载时出现转移现象，在 3m 处，各级荷载下的应变值均接近于 0，却不是 真正的零值点，并且长度在 3～6m 范围内，应变值 随着荷载的增加也在增加，因此，峰值点和零值点 未同时发生转移，由此判定锚杆临界锚固长度将大 于 6m。根据临界锚固长度的应变峰值点和零点同 时转移观点，此试验条件下的拉力型锚杆临界锚固 长度为 8m。 3 号锚杆为拉力型，在此锚杆上分别安装了应 变片和应变砖 2 种应变值量测点，在第 6 级荷载 时，口部应变砖的应变值达到最大值，此时的 0 值 点在锚固段内的 8m 处，而应变砖的应变值在 8m 前，随荷载的增加，0 值点逐渐向内移动，在 8m 以后，0 值点继续向内移动，因此也进一步证明了 此条件下的锚杆临界锚固长度为 8m。 从 3 号锚杆的试验结果可以看出，锚固段的第 1 界面和第 2 界面应力峰值基本上是同时达到的， 而且 0 值点也是同一数值。 4. 2压力型锚杆 从图 4～6 中可以看出，应变值 应变砖锚 杆在锚固段底部具有最大值，在锚固段内具有较小 值。随着荷载增大，锚固段底部应变值呈增大趋 势，锚固段内的应变值呈增大趋势，但随着锚固段 向口部延伸，应变值逐渐减小。从图 4 和图 5 中看 出，2 号、4 号和 6 号锚杆应变峰值虽然分别在第 4 级、第 6 级和第 6 级达到最大值，在下一级荷载 时出现转移现象，此荷载时的应变 0 值点分别位于 锚固段内 7m，4m 和 1. 8m 处，由此判定其临界锚 固长度分别为 5m，5m 和 4. 2m。而从图 6 中看出， 8 号锚杆随着荷载的增加，锚固段底部的应变值最 大，锚固段内部的应变值随荷载的增加向口部逐渐 减小，虽然在第 7 级荷载时，底部应变值达到最 大，但此时的应变值并不为 0，因此可以判断其临 界锚固长度大于 3m。 在压力型锚杆试验结果曲线中出现的锚固段口 部应变值为正值，并且其数值较大的原因是为了体 现试验锚杆与实际工程中的锚杆所处环境相同，在 完成锚杆的所有应变片和应变砖的安装和注浆后， 在土体的表面挂了一层钢筋网并喷射了一层 100mm 厚的混凝土，在锚杆张拉时，张拉架压在 了喷射混凝土之上，从而导致口部应变砖受到表面 喷射混凝土传来的力和锚杆本身所受力的影响。 4. 3试验条件下锚杆临界锚固长度值 据 2. 1，3 和 4. 1 节的描述和分析，此次试验 的拉力型锚杆临界锚固长度分别为 8m，8m，＞6m 99 张福明等土中锚杆临界锚固长度的试验研究2015 年第 5 期 ChaoXing 和＞3m。综合以上 4 根拉力型锚杆的试验情况分 析，可确定此条件下拉力型锚杆的临界锚固长度为 8m。因此，考虑测试误差和一定安全系数后，此 条件下拉力型工程锚杆的设计不宜超过 11～12 m。 据 2. 2，3 和 4. 2 节的描述和分析，此次试验 的压力型锚杆临界锚固长度分别为 5m，5m，4. 2m 和＞3m，综合以上 4 根压力型锚杆的试验情况分 析，可确定此条件下压力型锚杆的临界锚固长度为 5m。因此，考虑测试误差和一定安全系数后，此 条件下压力型工程锚杆的设计不宜超过 7. 5m。 5结论 1拉力型和压力型锚杆的临界锚固长度是 普遍存在的，采用以临界锚固长度为依据进行工程 设计是科学合理的。 2临界锚固长度与锚杆所处的地质条件、 注浆材料、注浆方式、杆体材料和锚杆结构等有 关，因此，在实际应用中，只能是各种条件都一致 时才能在试验的基础上取一相同的安全值。 3此次试验条件下的拉力型锚杆临界锚固 长度为 8m，压力型锚杆的临界锚固长度为 5m。而 在山西某地的黄土中所做的试验研究中［5 ］，其拉 力型锚杆的临界锚固长度也为 8m。因此，在此地 质条件下，在锚杆结构、杆体材料、注浆方式、注 浆材料等一致时，拉力型锚杆的临界锚固长度建议 为 8m，压力型锚杆的临界锚固长度建议取 5m。 4两个测点间的距离是临界锚固长度的试 验误差值，在实践中应予以考虑。 5临界锚固长度的判断应以锚固体及其界 面局部破坏、峰值剪应力和零值剪应力同时出现 时，峰值剪应力与零值剪应力之间的空间距离大体 是常数。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 韩军，陈强，刘元坤，等 . 锚杆灌浆体与岩 土体间 的黏结强度 ［J］ . 岩石力学与工程学报，2005，24 19 3482－3486. ［ 2］ 张洁，尚岳全，等 . 锚杆临界锚固长度解析计算 ［J］ . 岩 石力学与工程学报，2005，24 7 1134－1138. ［ 3］ 朱玉，卫军，廖朝华 . 确定预应力锚索锚固长度的复合 幂函数模型法 ［ J］ . 武汉理工大学学报，2005，27 8 60 －63. ［ 4］ 肖世国，周德培 . 非全长黏结型锚索锚固段长度的一种确定 方法 ［J］ . 岩石力学与工程学报，2004，23 9 1530 － 1534. ［ 5］ 曾宪明，赵林，等 . 锚固类结构杆体临界锚固长度与判别 方法试验研究 ［J］ . 岩土工程学报，2008，30 S1 404 －409. ［ 6］ 陈广峰，米海珍 . 黄土地层中锚杆受力性能试验分析 ［J］ . 甘肃工业大学学报，2003，29 1 116－119. ［ 7］ 李国维，高磊，等 . 全长粘结玻璃纤维增强聚合物锚杆破 坏机制拉拔模型试验 ［ J］ . 岩石力学与工程学报，2007，26 8 1653－1663. ［ 8］ 蒋良维，黄润秋，蒋忠信 . 锚固段侧阻力分布的一维滑移－软 化半数值分析 ［J］ . 岩石力学与工程学报，2006，25 11 2187－2191. ［ 9］ 荣冠，朱焕春，周创兵 . 螺纹钢与圆钢锚杆工作机理对比 试验研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报，2004，23 3 469 －475. ［ 10］ 邬爱清，韩军，等 . 单孔复合型锚杆锚固体应力分布特征 研究 ［ J］ . 岩石力学与工程学报，2004，23 2 247－251. ［ 11］ 何思明，张小刚，王成华 . 基于修正剪切滞模型的预应力锚 索作用机理研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报，2004，23 15 2562－2567. ［ 12］ 孙学毅 . 边坡加固机理探讨 ［J］ . 岩石力学与工程学报， 2004，23 16 2818－2823. ［ 13］ 徐景茂，顾雷雨 . 锚索内锚固段注浆体与孔壁之间峰值抗剪 强度试验研究 ［J］ . 岩 石 力 学 与 工 程 学 报，2004，23 22 3765－3769. ［ 14］ 何思明，李新坡 . 预应力锚杆作用机制研究 ［J］ . 岩石力学 与工程学报，2006，25 9 1876－1880. ［ 15］ 李国维，黄志怀，等 . 玻璃纤维增强聚合物锚杆承载特征现 场试验 ［ J］ . 岩石力学与工程学报，2006，25 11 2240 －2246. ［ 16］ 曾宪明，林大路，李世民，等 . 锚固类结构杆体临界锚固长 度问题综合研究 ［J］ . 岩石力学与工程学报，2009，28 S2 3609－3625. ［ 17］ 曾宪明，李世民，宋红民，等 . 大跨度土质洞库复合土钉支 护研究与应用 ［ J］ . 预应力技术，2009 6 30－35. ［ 18］ 张晶 . 基岩地层锚杆锚固机理的试验研究 ［D］ . 北京 煤炭科学研究总院，2006. ［ 19］ 陈国周 . 岩土锚固工程中若干问题的研究 ［D］ . 大连大 连理工大学，2007. ［ 20］ 程良奎，张培文，王帆 . 岩土锚固工程的若干力学概念问 题 ［ J］ . 岩土力学与工程学报，2015，34 4 668－682. ［ 21］ 张伟 . 基于预应力锚杆模型的节理岩体稳定性非连续分析 ［ D］ . 武汉中国科学院研究生院 武汉岩土力学研究所 ， 2010. ［ 22］ WOODS R I，BARKHORDARI K. 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