李懷珍，賀 炫，龍麗群，范道鵬

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

錨桿支護(hù)是目前我國(guó)煤礦巷道的主體支護(hù)方式[1]，掌握錨桿錨固段載荷傳遞規(guī)律是進(jìn)行錨固支護(hù)設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，為此，許多學(xué)者采用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等研究方法開(kāi)展了錨桿載荷分布和界面剪應(yīng)力傳遞規(guī)律的研究[2-9]。

受煤巷圍巖環(huán)境復(fù)雜多變、測(cè)點(diǎn)布置和數(shù)據(jù)采集困難等因素影響，室內(nèi)張拉試驗(yàn)被廣泛采用。由于研究者的側(cè)重點(diǎn)和工程背景不同，錨桿在軸向承載時(shí)錨固試件約束條件各不相同，主要?jiǎng)澐譃?類：康紅普等開(kāi)展的室內(nèi)張拉試驗(yàn)為第1類[10-12]，試驗(yàn)中錨固試件有側(cè)向約束并被頂端固定；劉波等開(kāi)展的室內(nèi)張拉試驗(yàn)為第2類[13-16]，試驗(yàn)中錨固試件頂端被固定且不受側(cè)向約束；朱煥春等開(kāi)展的室內(nèi)張拉試驗(yàn)為第3類[17-20]，試驗(yàn)中錨固試件張拉時(shí)底端或側(cè)壁被固定，在有側(cè)向約束條件下進(jìn)行軸向加載；韋四江等開(kāi)展的室內(nèi)張拉試驗(yàn)為第4類[21-24]，試驗(yàn)中固定錨固試件的底端，試件在沒(méi)有側(cè)向約束條件下錨桿承受張拉載荷。以上試驗(yàn)研究成果為闡明不同邊界約束條件下錨桿錨固段在載荷傳遞規(guī)律方面提供了有力支撐。

在以往研究中，由于錨固試件在外形尺寸、基體材質(zhì)、錨固方式等方面差異較大，無(wú)法進(jìn)行相關(guān)研究成果的直接對(duì)比分析。同時(shí)，在煤巷圍巖支護(hù)過(guò)程中，錨桿先后經(jīng)歷張拉預(yù)緊、錨桿-圍巖協(xié)調(diào)變形、采掘擾動(dòng)等承載時(shí)段，其錨固圍巖的邊界約束條件明顯不同。因此，基于不同承載時(shí)段錨桿錨固圍巖邊界約束的差異，制作外形尺寸等基本參數(shù)相同的錨固試件，開(kāi)展不同邊界約束方式對(duì)錨桿軸力和界面剪應(yīng)力分布規(guī)律的影響研究，對(duì)巷道圍巖錨固支護(hù)參數(shù)優(yōu)化、錨固效果監(jiān)測(cè)和不同時(shí)段錨桿錨固失效防控均有重要意義。

1 煤巷圍巖錨固單元體承載狀態(tài)分析

巷道開(kāi)挖后須立即進(jìn)行錨固支護(hù)，巷道圍巖錨固支護(hù)情況和錨固單元體示意如圖1所示。

以非全長(zhǎng)樹(shù)脂粘結(jié)錨固錨桿為例進(jìn)行不同承載時(shí)段錨固單元體承載狀態(tài)分析。錨桿在張拉預(yù)緊時(shí)段，主要通過(guò)錨桿鉆機(jī)對(duì)螺母施加扭矩完成安裝，錨桿自由段受張拉作用發(fā)生變形而產(chǎn)生預(yù)緊力力。錨桿錨固段借助錨固劑錨固于深部穩(wěn)定巖層提供錨固力(抗拔力)，錨桿外端通過(guò)螺母、墊板和錨網(wǎng)把軸力傳遞并擴(kuò)散至淺部圍巖產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，防止 淺部圍巖因出現(xiàn)裂隙而降低強(qiáng)度，從而保證巷道圍巖安全穩(wěn)定。取錨桿及其錨固作用影響半徑范圍內(nèi)的圍巖為錨固單元體[25]，對(duì)錨固單元體受力進(jìn)行分析可知，錨桿軸向承載，同時(shí)錨固單元體承受側(cè)向約束和一定圍巖壓力。錨桿在張拉預(yù)緊承載時(shí)段以巷道頂板錨固圍巖為例，錨固單元體及其錨固支護(hù)構(gòu)件受力分析如圖2所示。

圖1 煤巷圍巖錨固單元體示意 Fig.1 Schematic diagram of anchoring unit in surrounding rock of coal roadway

巷道幫部錨固單元體與此類似，該承載狀態(tài)與以往開(kāi)展的第1類室內(nèi)試驗(yàn)錨固試件的約束條件等同。錨桿安裝完畢后，隨著圍巖應(yīng)力的不斷調(diào)整，錨桿與圍巖進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)變形時(shí)段，煤幫圍巖出現(xiàn)裂紋 擴(kuò)展甚至破碎，頂板產(chǎn)生裂隙甚至離層。由于煤巷淺部圍巖破碎變形大于深部圍巖，螺母、墊板、錨網(wǎng)受淺部圍巖變形破壞擴(kuò)容作用，通過(guò)螺母把力傳遞給錨桿，即錨桿-圍巖協(xié)調(diào)變形階段錨桿被動(dòng)軸向承載，錨固單元體承受側(cè)向約束和一定圍巖壓力，錨固單元體由底端或側(cè)面提供反力。錨桿-圍巖協(xié)調(diào)變形承載時(shí)段以巷道幫部圍巖為例進(jìn)行分析，錨固單元體及其支護(hù)構(gòu)件受力分析如圖3所示，該承載狀態(tài)與以往開(kāi)展的第2類室內(nèi)試驗(yàn)錨固試件的約束條件等同。

圖2 頂板錨固單元體承載狀態(tài)分析 Fig.2 Stress analysis of roof anchorage unit body in bearing state

圖3 煤幫錨固單元體承載狀態(tài)分析 Fig.3 Stress analysis of coal side anchorage unit body in bearing state

圖2～3中，L為錨固段長(zhǎng)度；0Z為錨桿自由段長(zhǎng)度；q為錨桿施加預(yù)緊力后圍巖表面與托盤之間分布的預(yù)應(yīng)力；()zτ為錨桿-錨固劑或錨固劑-圍巖界面剪應(yīng)力。

2 試驗(yàn)方案

基于巷道圍巖錨固單元體不同承載狀態(tài)進(jìn)行張拉試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)。以錨固試件頂部施加墊板拉拔模擬錨桿張拉預(yù)緊安裝，錨固單元體側(cè)向約束則以外套管替代；錨桿與圍巖協(xié)調(diào)變形時(shí)段，以錨固試件底端鋼筋骨架提供反力、錨桿承受軸向加載為約束條件進(jìn)行張拉試驗(yàn)，側(cè)向約束由外套管提供。為同時(shí)對(duì)比分析有無(wú)側(cè)向約束對(duì)錨桿錨固段承載特征分布規(guī)律的影響，增加相同加載條件下無(wú)套管錨固試件開(kāi)展對(duì)比研究。因此，張拉試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了4組12個(gè)試件，不同邊界約束試件與巷道錨固單元體承載狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 不同邊界約束試件與錨固單元體承載狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系 Table 1 Corresponding relationship between specimens and bearing state of anchorage unit force-measuring bolt

續(xù)表

3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 錨固試件基體材料配制

基于筆者以往研究成果[12]，選用粗砂、強(qiáng)度等級(jí)42.5的普通硅酸鹽水泥、自來(lái)水為主要原料，按照5∶2∶1的比例配制錨固試件基體材料。加工以上配比材料標(biāo)準(zhǔn)巖樣15個(gè)，采用RMT-150巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行單軸壓縮和三軸壓縮試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，獲得配制材料力學(xué)性能參數(shù)：黏聚力c=9.0 MPa，內(nèi)摩擦角φ=38.6°，單軸抗壓強(qiáng)度 cσ=38.5 MPa，彈性模量E=13.6 GPa，剪切模量G=4.8 GPa，體積模量K=11.5 GPa，泊松比λ=0.32。

3.2 測(cè)力錨桿制作

為研究錨桿錨固段軸力、界面剪應(yīng)力的傳遞規(guī)律，專門制作張拉試驗(yàn)用測(cè)力錨桿。截取長(zhǎng)度不低于1.0 m，φ20 mm的左旋無(wú)縱筋MSGLW-500型號(hào)的錨桿14根(含2根備用)，從一端開(kāi)始雙側(cè)對(duì)稱開(kāi)槽，開(kāi)槽長(zhǎng)度不低于600 mm，表面預(yù)處理后進(jìn)行應(yīng)變片張貼和AB膠封槽，測(cè)力錨桿截面與測(cè)點(diǎn)(應(yīng)變片)分布如圖4所示。

圖4 測(cè)力錨桿截面與測(cè)點(diǎn)分布 Fig.4 Cross section and strain gauge layout of bolt

3.3 錨固試件制作

由于主要研究錨桿軸向載荷和沿錨固長(zhǎng)度方向界面剪應(yīng)力分布規(guī)律，錨固試件尺寸參照文獻(xiàn)[21]。選用抗壓等級(jí)為0.8 MPa，直徑為310 mm，壁厚為15 mm的PE供水管作為初期澆筑模具，后期需要側(cè)向約束的PE管保留使用，無(wú)側(cè)向約束的把PE管切割拆除。錨固試件的制作過(guò)程為：按照端頭堵漏、管內(nèi)澆注、預(yù)置反力骨架(僅限底端約束試件)、預(yù)留中心孔、鉆(擴(kuò))孔、灌注植筋膠、置入測(cè)力錨桿等步驟進(jìn)行。

無(wú)側(cè)向約束試件在澆筑成型并養(yǎng)護(hù)7 d后，切割拆除外側(cè)套管。隨后，對(duì)錨固基體內(nèi)置中心孔進(jìn)行鉆(擴(kuò))孔，吹凈孔壁黏附的粉塵，灌注錨固劑(環(huán)氧植筋膠)后快速置入測(cè)力錨桿。為避免張拉試驗(yàn)過(guò)程中錨桿偏心承載，要保證錨桿位于錨孔中心。底端固定錨固試件的外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)如圖5所示。

圖5 錨固試件外觀與剖面 Fig.5 Appearance and section of anchorage specimen

3.4 張拉試驗(yàn)臺(tái)

由于試件尺寸較大，底端固定張拉時(shí)采用專門制作的張拉試驗(yàn)臺(tái)，如圖6所示。張拉試驗(yàn)臺(tái)主要由承載骨架、中空千斤頂、手壓泵、墊板和相關(guān)附件等組成。加載裝置選用RCH20-155單作用空心千斤頂及配套手壓泵，千斤頂行程155 mm，中心孔徑26.9 mm，最大輸出壓力63 MPa，承載能力20 t。承載骨架立柱為100 mm×100 mm×600 mm的方鋼，壁厚10 mm，垂直立柱方向有2圈環(huán)形固定肋板。上下墊板均為500 mm×500 mm×20 mm的鋼板。

圖6 張拉試驗(yàn)臺(tái)效果 Fig.6 Effect picture of tension test bench

4 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)過(guò)程

張拉試驗(yàn)主要分為頂端約束張拉和底端固定張拉。頂端約束張拉時(shí)，在錨固試件的頂端面放置墊板，錨桿穿過(guò)中空千斤頂加裝鎖具后進(jìn)行逐級(jí)加載。底端固定張拉時(shí)，把試件底端固定螺栓固定到張拉試驗(yàn)臺(tái)底部墊板上，將中空千斤頂放置在張拉試驗(yàn)臺(tái)頂部墊板上進(jìn)行張拉，設(shè)計(jì)張拉試驗(yàn)臺(tái)尺寸時(shí)，試件頂端與頂部墊板預(yù)留有100 mm的間隙。為確保試驗(yàn)過(guò)程人員安全，要確保在千斤頂有效載荷和規(guī)定行程內(nèi)操作。張拉載荷通過(guò)液壓表讀數(shù)換算得到，錨桿端頭位移由百分表測(cè)取。

張拉開(kāi)始前先進(jìn)行應(yīng)變儀、百分表和千斤頂歸零調(diào)試，選用備用測(cè)力錨桿進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定。張拉過(guò)程中手動(dòng)泵液壓表每增加1 MPa進(jìn)行錨桿端頭位移記錄。選用DH3816N靜態(tài)應(yīng)變儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，采樣頻率1 Hz，采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)12個(gè)，橋壓2 V，采用1/4橋接。張拉過(guò)程中考慮到試驗(yàn)安全，并未將錨桿完全從錨固基體中拔出，在錨固試件發(fā)生崩解、錨桿出現(xiàn)明顯偏心承載或多數(shù)應(yīng)變儀數(shù)據(jù)采集異常時(shí)終止張拉，因此，各試件停止張拉時(shí)的最大載荷不同。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 不同邊界約束錨固試件張拉破壞情況

張拉試驗(yàn)結(jié)束后，試件B-1受張拉載荷作用錨固基體崩解為3塊，如圖7所示。分析認(rèn)為受張拉載荷作用，錨桿橫肋與植筋膠之間發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)和剪脹作用，由于錨固基體沒(méi)有側(cè)向約束或壓力，導(dǎo)致錨固基體崩解。植筋膠與錨固基體全錨固段未發(fā)生滑移脫粘，說(shuō)明植筋膠與錨固基體粘結(jié)強(qiáng)度較大。由錨桿橫肋劃痕可知，張拉承載條件下錨桿和植筋膠之間發(fā)生嚴(yán)重剪切錯(cuò)動(dòng)。

圖7 試件B-1破壞情況 Fig.7 Failure of specimen B-1

其他試件錨固失效或破壞情況見(jiàn)表2，不同約束條件下試件破壞情況如圖8所示。

表2 不同邊界約束條件下試件張拉破壞情況 Table 2 Tensile failure of specimens under different boundary constraints

圖8 不同邊界約束條件下試件破壞情況 Fig.8 Failure of specimens with different boundary constraints

4.2.2 軸向加載條件下錨桿位移變化曲線分析

選取不同約束條件下的部分試件，結(jié)合壓力表讀數(shù)繪制錨桿端頭位移-載荷曲線，如圖9所示。

圖9 錨桿載荷-位移曲線 Fig.9 Relation curves between load and displacement of bolt

由圖9可知，隨著張拉載荷的增加，不同邊界約束試件的錨桿端頭位移逐漸增加，各試件在張拉載荷約120 kN時(shí)，錨桿端頭位移呈現(xiàn)大幅增加現(xiàn)象，相同載荷作用下的各試件的位移從大到小依次為D-3，C-3，B-1，A-2。為保證試驗(yàn)安全，試件A-2在液壓表讀數(shù)為49 MPa時(shí)主動(dòng)停止加壓，試件B-1在液壓表讀數(shù)為45 MPa時(shí)發(fā)生崩解，試件C-3在液壓 表讀數(shù)為51 MPa時(shí)發(fā)生放射狀裂縫，試件D-3在壓力表讀數(shù)為42 MPa時(shí)發(fā)生崩解，位移回0(以上對(duì)應(yīng)載荷見(jiàn)表2)。結(jié)合錨固試件破壞情況分析認(rèn)為，錨桿載荷較低時(shí)，錨桿和錨固劑發(fā)生彈性變形，錨桿端頭位移基本呈線性遞增；隨著錨桿承載增加，特別是軸向載荷增加至120 kN后，錨固劑發(fā)生彈塑性剪切變形，手壓泵數(shù)值出現(xiàn)波動(dòng)但位移持續(xù)增加。受錨桿橫肋咬合和剪脹作用的影響，有側(cè)向套管約束試件的錨桿端頭位移值小于無(wú)側(cè)向約束錨桿端頭位移值。同時(shí)，在張拉載荷的作用下，受底端約束試件因反力螺栓疊加變形等因素影響，同等載荷作用下試件D-3錨桿端頭位移較大。

4.2.3 邊界約束對(duì)錨桿錨固段承載特征的影響

(1) 對(duì)錨桿軸力分布規(guī)律的影響

把手壓泵液壓表的讀數(shù)折算為千斤頂張拉載荷，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的微應(yīng)變對(duì)應(yīng)換算為錨桿軸力，選擇4個(gè)代表性試件進(jìn)行分析，分別為：頂端設(shè)置張拉墊板、有側(cè)向約束套管的試件A-2；頂端設(shè)置張拉墊板、無(wú)側(cè)向約束套管的試件B-1；底端固定、有側(cè)向約束套管的試件C-3；底端固定、無(wú)側(cè)向約束套管的試件D-3。繪制了4個(gè)試件在張拉載荷級(jí)差為15 kN時(shí)的錨桿軸力分布曲線，如圖10所示。

圖10 不同邊界約束錨固試件錨桿軸力分布曲線 Fig.10 Distribution curves of axial force of bolt with different boundary constraints

由圖10可知，錨固試件在軸向張拉承載時(shí)邊界約束條件雖然不同，但錨桿軸力沿錨固長(zhǎng)度呈遞減分布的規(guī)律一致，有側(cè)向約束試件A-2，C-3的載荷均達(dá)到150 kN以上，無(wú)側(cè)向約束試件B-1外端口測(cè)點(diǎn)6在載荷達(dá)到150 kN時(shí)因微應(yīng)變溢出正常范圍而監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)效。同時(shí)，有側(cè)向約束套管的試件A-2，C-3比無(wú)側(cè)向約束試件B-1，D-3的錨桿軸力遞減速度更快。由此可知，有側(cè)向約束條件下錨桿承載能力較大，錨固段軸力衰減速度更快；無(wú)側(cè)向約束條件下，錨桿-錨固劑界面在相對(duì)較低載荷下即發(fā)生錨固劑滑移脫粘甚至基體崩裂。因此，在巷道圍巖錨固支護(hù)工程中，深部高應(yīng)力圍巖或高壓注漿圍巖中錨桿的抗拔力較高，其有效錨固長(zhǎng)度可適當(dāng)減小。另外，頂端固定的A-2，B-1試件較底端固定的C-3，D-3試件錨固始端軸力相對(duì)集中，因此錨桿預(yù)緊張拉時(shí)要考慮合理預(yù)緊力大?。坏锥斯潭〞r(shí)錨桿軸力遞減速度明顯低于頂端固定時(shí)的遞減速度，結(jié)合前文錨桿承載狀態(tài)受力分析，錨桿-圍巖協(xié)調(diào)變形階段錨固段軸力分布相對(duì)平緩，施工中應(yīng)盡量做到錨固段充分粘結(jié)，最大程度發(fā)揮錨桿錨固段的承載作用。

(2) 對(duì)錨桿-錨固劑剪應(yīng)力分布規(guī)律影響

根據(jù)相鄰2個(gè)測(cè)點(diǎn)錨桿軸力差和環(huán)面積可以計(jì)算出測(cè)點(diǎn)間錨桿-錨固劑界面的平均剪應(yīng)力。圖11為代表性試件界面剪應(yīng)力分布曲線，橫坐標(biāo)為計(jì)算剪應(yīng)力時(shí)對(duì)應(yīng)的2個(gè)測(cè)點(diǎn)的錨固深度區(qū)間，圖中同一載荷曲線測(cè)點(diǎn)顯示不全的為應(yīng)變數(shù)據(jù)異?；蚴?。由圖11可知，頂部施加墊板、有側(cè)向套管約束的試件A-2在各級(jí)載荷作用下，界面剪應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度逐漸減小，錨孔外端口剪應(yīng)力測(cè)取的最大有效值達(dá)11.36 MPa。底端固定、有側(cè)向套管約束的試件C-3在低于135 kN載荷時(shí)界面剪應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度遞減，但隨著張拉載荷的繼續(xù)增加，端口附近界面剪應(yīng)力不再是最大值，剪應(yīng)力峰值向深部延伸。分析認(rèn)為：軸向加載達(dá)到一定載荷后，錨固外端口首先發(fā)生界面滑移脫粘破壞，在側(cè)向約束條件下界面摩擦阻力發(fā)揮作用；B-1試件在張拉載荷低于75 kN時(shí)，界面剪應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度呈遞減分布，隨著載荷的繼續(xù)增加，剪應(yīng)力峰值逐漸向深部轉(zhuǎn)移，外端口剪應(yīng)力降低；結(jié)合圖8(b)中錨桿橫肋明顯的剪切劃痕說(shuō)明錨固段剪應(yīng)力較大，受剪脹作用影響錨固基體發(fā)生崩解；試件D-3在張拉載荷較小時(shí)界面剪應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度呈遞減分布，載荷稍大后界面剪應(yīng)力峰值位于2號(hào)與3號(hào)測(cè)點(diǎn)之間。綜上分析，不同邊界約束對(duì)界面剪應(yīng)力的峰值大小、沿錨固段分布和動(dòng)態(tài)變化的影響較大。

圖11 界面剪應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度分布規(guī)律 Fig.11 Distribution of interfacial shear stress along anchorage length

5 結(jié) 論

(1) 以硬質(zhì)圍巖為錨固基體，以環(huán)氧植筋膠作為錨固劑，錨孔和錨桿直徑分別為30和20 mm的錨固體，錨固長(zhǎng)度為450 mm時(shí)錨桿抗拔能力達(dá)到150 kN以上，試驗(yàn)條件下錨固界面剪應(yīng)力可達(dá)11 MPa以上。

(2) 不同邊界約束錨固單元體錨固失效模式主要分為錨固劑破碎、以錨孔為中心出現(xiàn)輻射狀裂紋、錨固基體崩解、錨固基體出現(xiàn)軸向貫通裂紋導(dǎo)致錨桿滑脫4種模式。錨孔外端口錨固劑破碎是錨桿發(fā)生滑移脫粘的前期征兆。

(3) 不同邊界約束錨固試件錨桿軸力沿錨固長(zhǎng)度均呈遞減規(guī)律分布，有側(cè)向約束錨固試件錨桿軸力遞減速度大于無(wú)側(cè)向約束試件，說(shuō)明側(cè)向約束或一定圍巖壓力可以減小有效錨固長(zhǎng)度，高應(yīng)力或注漿煤巷圍巖更有利于錨固支護(hù)。

(4) 錨桿-錨固劑界面剪應(yīng)力分布規(guī)律受邊界約束影響顯著。頂端固定、有側(cè)向套管約束條件下，載荷較小時(shí)界面剪應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度呈明顯遞減規(guī)律分布，峰值在外端口；隨著載荷增加，界面剪應(yīng)力沿錨固長(zhǎng)度按遞減規(guī)律分布，錨固劑剪切破碎或錨桿滑移脫粘發(fā)生后，端口剪應(yīng)力降低，峰值內(nèi)移。底端固定、有側(cè)向套管約束條件下界面剪應(yīng)力遞減較緩，載荷達(dá)到一定數(shù)值后剪應(yīng)力峰值內(nèi)移。底端固定、無(wú)側(cè)向套管約束條件下界面剪應(yīng)力峰值不在錨固段外端口，而在一定錨固深度處。