宋佳寧,曾慶偉,王安東

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

錨桿支護(hù)是隧道、橋梁、礦山等工程中常用的一種主動支護(hù)方式,可顯著提升圍巖的穩(wěn)定性。錨桿支護(hù)中化學(xué)錨栓主要以錨固用結(jié)構(gòu)膠粘劑與混凝土的粘接作用實(shí)現(xiàn)錨固,具有耐久性好、安裝便捷、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn),但很多錨固用結(jié)構(gòu)膠粘劑的高溫耐火性較差,隨著溫度的升高,膠粘劑的粘接強(qiáng)度損失嚴(yán)重。實(shí)際的隧道施工中,施工人員普遍擔(dān)心如果發(fā)生火災(zāi),膠粘型錨栓會出現(xiàn)膠粘劑高溫失效問題,致使被錨固物松脫、圍巖變形、隧道坍塌等,對人們的生命安全與公共財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[1-2]。研究將一種錨固膠注入鋼套筒試件內(nèi)并植入配套的普通螺紋螺桿,采用電熱爐進(jìn)行高溫恒載試驗(yàn),對錨固用結(jié)構(gòu)膠粘劑在高溫下的粘接性能進(jìn)行了測試,并基于有限元分析軟件,對錨栓構(gòu)件溫度場分布進(jìn)行了模擬,以期對錨桿支護(hù)中化學(xué)錨栓的安全評估提供參考。

1 隧道錨桿支護(hù)中錨固膠粘劑概述

錨桿支護(hù)是一種在邊坡、巖土深基坑、隧道以及礦山等工程中廣泛應(yīng)用的加固支護(hù)方式。錨桿加固依賴錨桿與巖體之間的摩擦或膠體的粘接作用,以達(dá)到保持巖體穩(wěn)定、增強(qiáng)巖土整體性、防止應(yīng)力突然釋放等作用。根據(jù)隧道工程的巖層狀況和穩(wěn)定狀況,采用不同的錨固方式以達(dá)到預(yù)期的加固支護(hù)效果[3]。

常用的錨栓有膨脹型錨栓、擴(kuò)底型錨栓、普通化學(xué)錨栓以及特殊倒錐形錨栓等?；瘜W(xué)錨栓在隧道工程中應(yīng)用廣泛,但錨固用結(jié)構(gòu)膠粘劑的高溫穩(wěn)定性差的問題,很可能使得火災(zāi)下錨栓連接失效,對人們的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。錨固用結(jié)構(gòu)膠粘劑按照組分不同大致可分為無機(jī)和有機(jī)2大類結(jié)構(gòu)膠,前者成分如磷酸鹽和硅酸鹽,后者成分如環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯樹脂、聚氨基甲酸酯等。

近年來,國外研發(fā)出了多種新型丙烯酸酯化學(xué)錨栓,提升錨固性能的同時(shí),也體現(xiàn)了其節(jié)能環(huán)保性。從高溫耐火方面而言,相比于有機(jī)錨固用結(jié)構(gòu)膠粘劑,無機(jī)結(jié)構(gòu)膠的耐火性能更加優(yōu)越,部分無機(jī)結(jié)構(gòu)膠的耐熱溫度將近1 000 ℃,遠(yuǎn)高于普通有機(jī)錨固膠的120 ℃,完全可用于高溫環(huán)境下。

2 錨固用結(jié)構(gòu)膠粘劑高溫試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

采用垂直試驗(yàn)爐進(jìn)行高溫試驗(yàn),爐內(nèi)不同位置安裝有熱電偶檢測爐溫,以保證爐內(nèi)溫度按照要求進(jìn)行升溫。將錨固支護(hù)用錨栓試件倒扣置放,下方是耐火磚。螺桿與穿心千斤頂連接,采用穿心千斤頂進(jìn)行剩余承載力的測試,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集螺桿的位移數(shù)據(jù)和承載力。恒載升溫時(shí),先加載到目標(biāo)載荷,再加熱錨栓試件,記錄錨栓從加載升溫到破壞過程中的溫度、荷載以及位移信息[7-8]。試件的分組情況:常溫極限荷載下5個(gè)試件;其他9組的設(shè)定荷載是從50 kN依次減小到10 kN,每組荷載比上一組小5 kN,每組也是5個(gè)試件。

2.2 試件準(zhǔn)備

采用某公司的一種錨固型快固結(jié)構(gòu)膠粘劑,配套使用該公司的M12普通螺紋螺桿。錨固深度過小無法保障螺桿的垂直度,在此將錨栓的埋深參數(shù)設(shè)定為70 mm。試驗(yàn)過程中爐溫較高,故采用耐熱不銹鋼套管,為有效傳遞溫度,鋼套筒外徑設(shè)定為24 mm。圖1為試件設(shè)計(jì)圖,底座凹槽與螺桿錐頭相配合,均為圓錐形,保證螺桿植入的垂直性。

圖1 試件設(shè)計(jì)

2.3 溫度場分布測試

螺桿和鋼套筒之間的膠體溫度幾乎無法簡單、準(zhǔn)確地測量到,因此,該試驗(yàn)的完成需要一項(xiàng)試驗(yàn)基礎(chǔ),就是加熱時(shí)內(nèi)部膠體處溫度和套筒壁外溫度之間的關(guān)系式,那么就可便捷地通過測量恒載升溫試驗(yàn)過程中套筒壁外溫度,再利用這一關(guān)系式,得到套筒壁內(nèi)結(jié)構(gòu)膠體的溫度,進(jìn)一步探究得到膠體粘接性能和溫度因素之間的關(guān)系。升溫時(shí)間與套筒壁內(nèi)外溫度的計(jì)算公式:

(1)

式中:Ti為套筒壁內(nèi)溫度;T0為套筒壁外溫度;t為升溫時(shí)間[9]。

2.4 高溫下錨栓試件拉拔測試

錨栓試件制備完畢并養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后進(jìn)行恒載升溫試驗(yàn),先以均勻連續(xù)的速度在幾分鐘內(nèi)對試件加載到目標(biāo)荷載,持續(xù)荷載一段時(shí)間保持荷載穩(wěn)定后進(jìn)行升溫,電熱爐以恒定升溫速率升高溫度,升溫過程中應(yīng)保持荷載的恒定,若荷載下降明顯,幅度超出目標(biāo)荷載的5%,應(yīng)及時(shí)調(diào)整穿心千斤頂以調(diào)整對試件施加的荷載。使用錨桿拉力計(jì)對錨栓進(jìn)行拉拔試驗(yàn),測得錨栓高溫環(huán)境下錨固用結(jié)構(gòu)膠粘劑的剩余承載力[10-12]。若試驗(yàn)過程中出現(xiàn)螺桿明顯變形、螺桿鋼材被拉斷,或者錨栓承載力突然下降至目標(biāo)值85%以下,且無法恢復(fù)到目標(biāo)荷載時(shí),滿足這兩點(diǎn)其中一點(diǎn)即視為錨栓試件被破壞[13]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 破壞現(xiàn)象

錨栓經(jīng)拉拔后可能出現(xiàn)膠體破壞、鋼材破壞或者混合破壞。在該試驗(yàn)中,雖然施加的荷載不同,錨栓發(fā)生破壞時(shí)的溫度也不同;但破壞類別均統(tǒng)一為粘接破壞,不存在膠體和鋼套筒之間粘接失效以及鋼材本身的拉斷破壞。表明這是一種有效評估錨固用結(jié)構(gòu)膠粘劑的粘接性能的方法。荷載越大,試件的破壞時(shí)間越短。在錨栓出現(xiàn)滑移時(shí),其初始位移隨荷載的增加而加大,最終產(chǎn)生試件破壞[14]。

3.2 錨固用結(jié)構(gòu)膠粘劑的粘接性能

根據(jù)溫度場分布和膠粘型錨栓試驗(yàn)結(jié)果,由式(1)得出套筒壁內(nèi)結(jié)構(gòu)膠粘劑的溫度,得到破壞荷載時(shí)刻的平均膠體溫度。同時(shí)假設(shè)錨栓粘接應(yīng)力沿螺桿的埋深方向均勻分布,可將試件承載力轉(zhuǎn)換為膠粘劑的粘接強(qiáng)度,用τ表示膠體的粘接應(yīng)力,其表達(dá)式:

(2)

式中:P為施加在錨栓上的荷載,kN;d為錨栓的直徑,mm。hef為錨栓的實(shí)際錨固深度,mm。

結(jié)合式(1)、式(2),根據(jù)不同荷載下錨栓破壞時(shí)的溫度,獲得錨固用結(jié)構(gòu)膠粘劑的粘接強(qiáng)度隨溫度變化的關(guān)系,進(jìn)而得到膠體粘接強(qiáng)度與溫度的擬合曲線,具體如圖2所示[15]。

圖2 錨固膠粘劑的粘接強(qiáng)度擬合曲線

由圖2可知,高溫作用對結(jié)構(gòu)膠的粘接強(qiáng)度與錨栓的承載力影響非常大。結(jié)構(gòu)膠的粘接抗剪強(qiáng)度最大值取自20 ℃條件下,為21.4 MPa;隨著溫度的升高,粘接強(qiáng)度迅速降低,此時(shí)錨栓的承載力會大幅下降。當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃后,膠體的粘接強(qiáng)度過低,幾乎失效。該試驗(yàn)中需要檢驗(yàn)套筒內(nèi)壁能否起到實(shí)際的混凝土孔壁的作用,進(jìn)一步經(jīng)過常溫和高溫條件下鋼套筒試驗(yàn)與混凝土試驗(yàn)的對比,在同樣的試驗(yàn)條件下進(jìn)行混凝土試件的約束拉拔破壞試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)2種情況下錨栓均為螺栓-膠體界面的粘接破壞,極限承載力平均值相差較小,表明該試驗(yàn)方法能夠用于檢測常溫與高溫環(huán)境下混凝土試件中錨固用結(jié)構(gòu)膠粘劑的粘接強(qiáng)度,其對結(jié)構(gòu)膠粘劑的粘接強(qiáng)度測試是可信的[16]。

4 化學(xué)錨栓溫度場有限元分析

發(fā)生火災(zāi)時(shí),熱量經(jīng)熱輻射和熱對流方式傳遞到錨栓構(gòu)件受火面,再經(jīng)自身熱傳導(dǎo)將熱量向內(nèi)傳導(dǎo)到試件膠體、試件內(nèi)部?；趥鳠釋W(xué)理論基礎(chǔ),確定鋼材和混凝土的熱工參數(shù)、錨栓試件的尺寸和邊界條件等,通過ABAQUS有限元軟件,建立火災(zāi)后化學(xué)錨栓溫度場計(jì)算模型,模擬錨固區(qū)溫度場分布。為更好模擬和對比試驗(yàn)用混凝土試件,建立與實(shí)際構(gòu)件非常相似的三維溫度場分析模型。模型中錨栓和混凝土熱傳遞單元的尺寸最小5 mm。錨栓試件是單面受火,從20 ℃開始升溫,熱對流系數(shù)設(shè)為1 500 W/(m2·℃),綜合輻射系數(shù)設(shè)定為0.5[17-18]。

通過模擬計(jì)算試件內(nèi)部溫度場,受火時(shí)長總計(jì)120 min,一共進(jìn)行了4次溫度場云圖的獲取。選擇3個(gè)測點(diǎn),觀察升溫過程中試驗(yàn)測定結(jié)果與模擬分析結(jié)果是否存在差距,通過溫度場云圖發(fā)現(xiàn):在30 min時(shí),錨栓外露螺桿部分受火達(dá)到整個(gè)錨栓的最高溫度,約700 ℃,混凝土試件表面大范圍為500 ℃,從外向內(nèi)溫度逐漸降低,試件的背火面不受升溫影響;受火時(shí)間越久,試件溫度越高,受火面的溫度升高幅度較大;相比于混凝土,鋼材溫度由外部向內(nèi)部傳導(dǎo)的速度更快,相同的橫斷面位置處,混凝土的溫度較低[19];模擬值與試驗(yàn)值整體較為吻合,模擬值總是略微偏高,高出10%～20%。在有限元模擬中,模擬條件均按照理想狀態(tài)考慮,而實(shí)際試驗(yàn)過程中,混凝土澆注密度是否均勻,過火后錨固用結(jié)構(gòu)膠粘劑能否重新凝結(jié)等因素都會造成有限元模擬值無法完全代替試驗(yàn)值。此次有限元模擬所得溫度場數(shù)值稍高于試驗(yàn)值,更加安全保守,在實(shí)際的隧道、橋梁等工程中可用于相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度場分析以及承載力評估[20]。

5 結(jié)語

實(shí)際的隧道工程中化學(xué)錨栓的應(yīng)用性能和表現(xiàn)是難以預(yù)測的,為實(shí)現(xiàn)對膠粘型錨栓性能和承載力的有效分析,設(shè)計(jì)了高溫下錨固用結(jié)構(gòu)膠粘劑粘接性能測試實(shí)驗(yàn),得出膠粘劑粘接強(qiáng)度隨溫度變化情況。并采用有限元分析軟件進(jìn)行錨栓溫度場分布模擬,模擬值與試驗(yàn)值基本吻合,表明該方法可較好用于火災(zāi)下化學(xué)錨栓應(yīng)用安全性的評估。