袁 超，高文華，向德強

(湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

巖土錨固作為一種優(yōu)越的巖土體加固技術(shù)，廣泛應(yīng)用于我國水利、交通、礦山等工程建設(shè)中，已成為提高巖體工程穩(wěn)定性和解決復(fù)雜工程地質(zhì)問題以及地質(zhì)災(zāi)害防治最為經(jīng)濟、最為有效的方法之一［1］。眾所周知，錨固系統(tǒng)在宏觀上由錨桿體、黏結(jié)材料和巖土體三種介質(zhì)組成。無論哪一種錨固系統(tǒng)，它們的相互作用均是通過它們之間的接觸界面作為媒介完成的，即通過錨固界面發(fā)揮作用。大量的實驗和工程實踐表明，大多數(shù)巖體中錨桿的失效是發(fā)生在錨固界面上，這是錨固系統(tǒng)的薄弱部分［2－4］。同時錨固系統(tǒng)的失穩(wěn)并不是從一開始就出現(xiàn)的，而是一個漸變的過程，它與巖土體和錨固界面的蠕變密切相關(guān)。因此開展對錨固界面的剪切蠕變特性研究是具有現(xiàn)實的意義和價值的。

國內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究，并取得了一些成果:朱珍德［5］針對錦屏二級水電站的軟弱圍巖進行了含軟弱夾層巖石的剪切流變試驗，得到其剪應(yīng)力τ—剪切位移μ 的時程曲線，通過把含軟弱夾層巖石的長期強度參數(shù)與快剪試驗所獲得的參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)巖石的長期強度參數(shù)有所弱化，且粘聚力對剪切流變特性的影響要略大于內(nèi)摩擦系數(shù);張清照［6］進行對規(guī)則齒形結(jié)構(gòu)面在不同法向應(yīng)力條件下的剪切蠕變試驗，研究不同角度結(jié)構(gòu)面在不同法向應(yīng)力的作用下的剪切蠕變特性，根據(jù)試驗結(jié)果，對不同角度結(jié)構(gòu)面的剪切蠕變特性進行了描述，并指出結(jié)構(gòu)面的蠕變試驗中，嚴(yán)格意義上的穩(wěn)態(tài)蠕變是不存在的，實際上只是蠕變速度隨時間緩慢減小的近似穩(wěn)態(tài)蠕變過程，最后提出了改進Burgers 模型來描述結(jié)構(gòu)面的剪切蠕變特性;尤春安［3］通過室內(nèi)試驗，研究灌漿體中水灰比、外摻物以及含沙率對錨固界面的力學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)慕档退冶取⑻岣吖酀{體的含沙率能改善錨固界面的分布規(guī)律和力學(xué)性狀，而加入外摻物的效果不是很明顯?？傊?，如今巖體滑坡、圍巖滑坡等災(zāi)害屢見不鮮，這些事故的發(fā)生都與錨固系統(tǒng)失效有關(guān)，即錨固界面的蠕變失效。

本文針對錨固界面開展室內(nèi)剪切蠕變試驗，研究錨固界面在不同荷載下應(yīng)變、界面力學(xué)特性隨時間的變化規(guī)律，以及錨固界面的剪切蠕變情況，分析其影響因素。

1 試件制備及試驗過程

室內(nèi)試驗是在長春朝陽試驗儀器有限公司研制的三軸巖石剪切流變機試驗儀基礎(chǔ)上通過改進以后的流變試驗機上進行的，改進后的設(shè)備能提供600 kN 的垂直(法向)拉力，精度≤±3‰，完全能滿足試驗精度的要求。

錨固系統(tǒng)由三部分組成:基體、灌漿體以及錨桿體?；w部分采用混凝土材料制備，在實驗室內(nèi)配制C30 的素混凝土澆筑成模。灌注體采用普通M10 砂漿，水泥∶砂∶水 =1∶3∶0.6。錨桿體選用Ф16 mm 的HRB400 螺紋鋼作為錨桿的桿體材料，錨桿總長度設(shè)計為550 mm，螺紋鋼外露端長度為100 mm?；w采用兩半成型，模型成型后24 h 拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7 d 后，用環(huán)氧樹脂進行基體的膠合，達到一定強度后放置處理過的錨桿體并進行砂漿的澆筑，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d 后進行試驗。試件基本模型如圖1。試件分批制作，以滿足試驗所需試件的要求。另外每批試件還澆筑3 個150 mm×150 mm×150 mm 同基體一批次的混凝土標(biāo)注試塊、3 個 70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm同砂漿一批次的砂漿標(biāo)注試塊，以及1 個不做任何處理的標(biāo)準(zhǔn)試件，用來確定試件材料的常規(guī)力學(xué)參數(shù)和試件的極限抗拔力。

本次試驗為錨固界面的剪切蠕變試驗。試驗采用分級加載的方式，即從某一應(yīng)力開始逐級增加荷載，直至錨固系統(tǒng)破壞。錨固界面的剪切蠕變試驗的第1 級負(fù)載設(shè)計為相應(yīng)批次試件常規(guī)拉拔試驗極限抗拔力的10%，然后依次遞增，如表1，直至錨固系統(tǒng)失效試驗完成，每一級負(fù)載維持24 h，以滿足變形的穩(wěn)定。試驗監(jiān)測點處應(yīng)變片的布置:基體上沿端口每隔75 mm 布置一組，共7 組;錨桿體上沿端口每隔70 mm 布置一組，共7 組。試驗過程中，室內(nèi)溫度恒定，可以忽略溫度變化的影響。表2為材料常規(guī)力學(xué)參數(shù)。

圖1 試件模型(單位:mm)

表1 試件極限抗拔力及分級加載負(fù)載 kN

表2 材料常規(guī)力學(xué)參數(shù)

2 試驗結(jié)果分析

錨固系統(tǒng)在宏觀上由錨桿體、黏結(jié)材料和巖土體三種介質(zhì)組成，整個錨固系統(tǒng)通過錨固界面為媒介發(fā)揮作用。錨桿體與黏結(jié)材料所接觸的界面稱為“第一錨固界面”，黏結(jié)材料與巖土體所接觸的界面稱為“第二錨固界面”。因此研究錨固界面的特性就是研究第一錨固界面和第二錨固界面的特性。

2.1 第一錨固界面剪切蠕變特性研究

本剪切蠕變試驗數(shù)據(jù)量大，干擾因素多，現(xiàn)采用一些有效數(shù)據(jù)進行分析。由試驗數(shù)據(jù)分析可得錨桿體軸力測試結(jié)果的分布情況如圖2所示，錨桿體在外力的作用下主要承受拉力，最大軸力值出現(xiàn)在端口位置，然后沿錨桿體軸向向錨桿體尾端逐漸減小。隨著外荷載的增大，錨桿體的軸力也隨之增大，且軸力分布基本呈冪函數(shù)規(guī)律，這是由于錨桿體的軸力從上端傳遞到尾端時，錨桿體與灌漿體本是粘結(jié)在一起的，阻礙了軸力的向下傳遞過程，所以表現(xiàn)為上端軸力大，下端軸力小的沿軸向的呈冪函數(shù)規(guī)律。

圖2 錨桿軸力分布

由力的平衡條件得到第一錨固界面剪應(yīng)力的分布情況如圖3所示，剪應(yīng)力的峰值主要集中在錨固端部的42～172 mm 的范圍內(nèi)，即在錨固端口處剪應(yīng)力較低，向下迅速增長到一個峰值區(qū)，然后再逐漸減低，在錨固段的后半段界面剪力衰減較快，一直到錨固端尾處于一個很低的剪力水平。同時，隨著外荷載的增加，第一錨固界面剪應(yīng)力也呈正相關(guān)性出現(xiàn)。

圖3 第一錨固界面剪應(yīng)力分布

對于剪切蠕變試驗試件1－1 總共歷時168.03 h，采用分級加載共加載8 級，總位移達3.89 mm，最終錨固系統(tǒng)失效，試件破壞。試件1－2 總共歷時168.2 h，采用分級加載共加載8 級，總位移達3.46 mm，第一錨固界面失效，錨桿被拔出，試件破壞。

如圖4a、圖5a 所示，在加載的瞬間，錨固界面產(chǎn)生很大的瞬時變形，整個試驗過程中的瞬時變形有3.17 mm，占總位移的81.5%。從圖4b、圖5b 可以看出，在低應(yīng)力水平時，錨固界面蠕變經(jīng)過初始蠕變后，進入蠕變速率接近零的衰減蠕變階段，在該階段應(yīng)變持續(xù)增加，發(fā)展速度快，但速率隨時間在不斷降低，即 ε ＞0，＞0，＜0;在較高應(yīng)力水平時，錨固界面蠕變經(jīng)過初始蠕變后，進入蠕變速率基本為一常數(shù)的穩(wěn)定蠕變(等速蠕變)，在穩(wěn)定蠕變階段變形隨時間持續(xù)發(fā)展，變形速率隨蠕變應(yīng)力的大小而不同，即 ε ＞0，＞0，=0，如圖4c、圖5c;如圖4d、圖5d，錨固系統(tǒng)在處于高應(yīng)力水平時，很快就失效了，錨固系統(tǒng)破壞。該階段時間極短或者說錨固系統(tǒng)還沒時間反應(yīng)就已經(jīng)破壞。由于錨固界面不同于巖體或者巖石本身，在前兩個階段，錨桿軸力向下傳遞的過程中，在錨固界面上表現(xiàn)為剪切效應(yīng)，剪切力隨荷載的增大而增大，而且不斷向下傳遞，同時蠕變區(qū)域也向下發(fā)展，產(chǎn)生較大變形，隨著時間的增長，剪切效應(yīng)很快使錨固界面失效，表現(xiàn)為界面上產(chǎn)生脫粘，甚至滑移，所以高應(yīng)力水平時剪切效應(yīng)很快貫穿整個錨固界面，錨固系統(tǒng)失效，試件破壞，而巖石在高應(yīng)力水平時，雖然內(nèi)部微裂隙、孔隙產(chǎn)生擴展、匯聚、貫通，變形很大，但是由于巖石本身的殘余強度，所以能表現(xiàn)出一定的加速蠕變階段。在該階段應(yīng)變快速發(fā)展，變形加速度大于零，當(dāng)巖石達到極限，巖石破壞。因此，嚴(yán)格意義上的錨固界面的加速蠕變階段，是不存在的。

圖4 試件1 －1

2.2 第二錨固界面剪切蠕變特性研究

本試驗采用數(shù)據(jù)較為完整且有代表性的監(jiān)測點進行分析。圖6為試件1－1 第二錨固界面上離端口最近的監(jiān)測點1－1－1，圖7為試件 1－2 第二錨固界面上中間偏下部位的監(jiān)測點1－2－4。

圖5 試件1－2

圖6 分級荷載下監(jiān)測點1－1－1 變化情況

圖7 分級荷載下監(jiān)測點1－2－4 變化情況

通過在第二錨固界面上布置監(jiān)測點對第二錨固界面上的應(yīng)變進行實時的測定。監(jiān)測點1－1－1 最靠近端口，在該處錨桿的應(yīng)變最大，則錨桿的軸力在該處也最大，沿著桿長向端尾，錨桿的軸力逐漸衰減，在端尾達到最小值。剪切效應(yīng)在第一錨固界面上沿桿長向下發(fā)展，剪應(yīng)力表現(xiàn)為從端口開始迅速增大到最大值，然后向下逐漸減小，即其最大值在距端口一定距離的位置上。外界荷載將力傳遞給錨桿體，錨桿體與黏結(jié)材料在第一錨固界面上產(chǎn)生剪切效應(yīng)，同時第二錨固界面也表現(xiàn)出了這種效應(yīng)。監(jiān)測點1－1－1 在荷載施加的瞬間產(chǎn)生比較大的瞬時變形，荷載恒定后隨著時間的增長表現(xiàn)出了剪切蠕變的特性，即應(yīng)力不變的情況下，應(yīng)變隨時間而不斷增長。當(dāng)荷載在20 kN 以下時，應(yīng)變隨時間增長不大，即達到第二錨固界面的長期強度［7］后的衰減蠕變階段;當(dāng)荷載在一個較大的水平時，瞬時變形后錨固界面表現(xiàn)出應(yīng)變隨時間逐漸增大的現(xiàn)象，且變化的速率趨于一恒定的值，即表現(xiàn)出穩(wěn)定蠕變的特性;當(dāng)荷載達到60 kN 時，錨固界面很快失效，試件破壞。由于其時間極短，所以沒有表現(xiàn)出蠕變特性的加速蠕變階段，與第一錨固界面相似。監(jiān)測點1－2－4 靠近中部偏下的位置，在低應(yīng)力水平時也表現(xiàn)出了衰減蠕變階段，以及在較高應(yīng)力水平時的穩(wěn)定蠕變階段，由于界面的剪切效應(yīng)是由端口向端尾傳遞發(fā)展的，即端口發(fā)展快，端尾發(fā)展慢，因此當(dāng)端尾附近的監(jiān)測點快要達到極限時，此時端口附近的監(jiān)測點已經(jīng)破壞，此時錨固系統(tǒng)已經(jīng)失效，這也就說明監(jiān)測點1－2－4 沒有表現(xiàn)監(jiān)測點1－1－1 最后破壞的性狀。

3 結(jié)論

本文通過進行室內(nèi)剪切蠕變試驗，研究錨固界面的剪切蠕變特性，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析，得出結(jié)論如下:

1)錨桿體軸力在錨固端口最大，沿桿長向下逐漸減小。

2)第一錨固界面上的剪力呈拋物線分布，即從端口迅速增大到最大值，然后向下逐漸減小。隨著荷載的增大和剪切效應(yīng)的向下傳遞，第一錨固界面上只表現(xiàn)出了衰減蠕變階段和穩(wěn)定蠕變階段，沒有表現(xiàn)加速蠕變階段就已經(jīng)失效。

3)第二錨固界面上也只表現(xiàn)出衰減蠕變階段和穩(wěn)定蠕變階段，且由于監(jiān)測點位置的差異，靠近端口附近的監(jiān)測點表現(xiàn)了破壞的性狀，而靠近端尾附近的監(jiān)測點沒有。

4)本文分析了錨固界面的剪切蠕變特性，試驗真實、合理，為相關(guān)方面的研究提供了一些參考，具有一定的工程實用價值。

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