考虑托盘影响的锚杆拉拔试验装置及试验方法

考虑托盘影响的锚杆拉拔试验装置及试验方法

战玉宝，薛路通，石朝霞*，阮通，李贺，刘延庆

山东科技大学 资源学院，山东 泰安 271019

摘要：目前进行的锚固结构实验室模型试验中，试验装置与方法很难与现场受力条件相同。研究一种能够考虑托盘影响的锚杆拉拔试验装置与试验方法对于获得更加准确的锚杆拉拔试验结果具有重要的意义。本文设计了一套能够考虑锚杆托盘影响的试验装置及其试验方法，通过该装置与方法，可以较好的反应出托盘对锚杆受力性能的影响，使实验室内锚杆试件的受力条件与现场实际受力条件更加接近，从而获得更加准确的试验数据，为锚固结构力学特性的研究奠定基础。

关键词：锚固结构；托盘；试验装置；试验方法

中图分类号：      文献标志码：              文章编号：

通讯作者：石朝霞

泰安市科技创新发展项目：2021GX078

1引言

岩土锚固技术是近代岩土工程领域中的一个重要分支，由于它的安全性、经济性和有效性，已广泛地应用于各个领域[1]。比如在我国水利水电工程中，龙滩水电站高边坡预应力锚索设计张拉力3000kN，数量达3000根；漫湾水电站边坡预应力锚索最大设计张拉力3000kN，锚索总根数2168根；三峡水电站船闸高边坡及中隔墩，最大设计张拉力3000kN，锚索总根数为2113根；锦屏一级水电站预应力锚索最大设计张拉力5000kN，总根数3800根，单根锚索最长达120m；小湾水电站边坡锚索最大设计张拉力6000kN，锚索总根数1662根，单根锚索长度为80m。在我国交通工程中，如渝怀铁路沿线路基边坡共用2121根锚索；京珠高速公路粤境小塘至太和段，有100多处为病害边坡，完成的预应力锚索累计长430km，普通锚杆100km，投资数亿元。近20年来，公路隧道建设规模不断扩大，建成多座10km以上的特长公路隧道，不断刷新着世界纪录[2]。截止到2021年底，已经建成的10km及以上的公路特长隧道16条，正在建设的10km以上的公路特长隧道21条，规划中的10km以上的特长隧道5条，并且公路隧道建设总里程也名列世界前茅。除此之外，我国矿产资源日益缺乏，而开采深度的增加和深凹露天开采将带来岩体稳定的问题，采用锚固结构进行岩体的加固也是矿山企业安全生产的重要保障。不难看出，岩土锚固技术已经在国内外岩土工程建设中发挥了巨大的作用，有着其他工程技术不可比拟的发展势头。可以说，在21世纪，面对着更加复杂的地质条件、更加艰难的施工环境，以及更加宏大的工程规模，岩土锚固技术必将发挥更大的作用，显示出它的巨大潜力，并将产生巨大的经济效益和社会效益。

2模型试验存在的问题

一个多世纪以来，灌浆锚杆作为一种主要的岩体稳定支护工具，在土木工程和采矿工程中被广泛应用。在灌浆锚杆系统中，锚杆通过杆体与灌浆体以及灌浆体与周围岩土体之间的粘结应力来提供工程支护时所需的锚固力。锚杆在拉拔荷载作用下的破坏可能发生在岩石锚杆、灌浆介质、锚杆-灌浆体界面或灌浆体-岩石界面上。大量研究表明，只要杆体材料尺寸满足要求，大多数锚杆系统的失效发生在锚杆-灌浆体或者灌浆体-岩石之间的界面上[3-5]。因此，对锚杆界面力学特性及荷载传递机理的深入了解，将有助于锚杆设计的改进。

近年来，国内外进行了大量的试验研究，以评价锚固结构各界面在拉伸荷载作用下的力学性能。其中，实验室试验是开展此项研究的主要方法之一。实验室室内试验与现场试验最大的区别在于，实验室试验很难完全还原现场锚杆的实际受力情况。科研人员为了让室内试验与锚杆现场受力情况尽量一致也做了大量的努力。比如，在试件周边施加围压或者在试件四周施加刚性约束来模拟锚杆锚固段所受围岩压力情况；尽可能的增大试件尺寸以减少边界对试验结果的影响，等等。但是，在已经开展的众多的室内试验研究中，锚杆托盘对锚杆锚固性能的影响很少被考虑，显然这是不合理的。在锚杆支护中，托盘是锚杆支护系统中的一个重要部件。由于锚杆作用于围岩表面的力为一集中点载，若锚杆直接作用于围岩，将产生极大的应力集中，很容易穿透围岩而导致锚杆失效。放置托盘以后，由于锚杆通过托盘与杆体组成工作构件,锚杆的轴向力使托盘紧压岩石,使围岩处于三向受力状态，使围岩受力更加合理。因此,在锚杆眼孔口架设托盘,实属必要,且其作用是不容忽视的。同时，由于托盘的存在，势必会影响到整个锚杆系统的破坏模式。因此，设计出一种能够在室内试验条件下考虑锚杆托盘影响的试验装置及其试验方法是十分必要的。

3试验装置与试验方法

3.1 试验装置

该装置包括两块刚性板组成的反力装置，其中刚性反力顶板中间留有空洞，空洞大小与锚杆蝶式托盘的尺寸相匹配。拉拔试验时，将制作好的带有锚杆的试件放在刚性反力底板上，锚杆依次穿过锚杆托盘与刚性反力顶板，然后用四组螺栓将刚性反力顶板与刚性反力底板相连。将试件放置在此反力装置的正中央位置，锚杆与试验机上部夹具相连。刚性反力底板底部中心点处焊接一拉杆，拉杆固定在试验机的下部夹具上，拉杆中心与锚固在试件中的锚杆中心须在同一轴线上。该装置将锚杆托盘直接放置在试件上，使得室内试验能够真实反映拉拔荷载作用下锚杆托盘对锚杆力学性能的影响。试验装置如图1所示。

（a）侧面图                                         （b）内部构造图

1.锚杆托盘 2.刚性反力底板 3.刚性反力顶板 4.拉杆 5.螺栓 6.螺杆 7.试验机夹具 8.锚杆 9.试件 10.灌浆材料

图1 试验装置

3.2 试验方法与步骤

1.将制作好的试件放置在刚性反力底板上。

2.将锚杆托盘及刚性反力顶板依次穿过锚固在试件中的锚杆。

3.用四组螺栓将刚性反力底板与刚性反力顶板相连，形成锚杆拉拔试验时的反力装置。拧紧螺栓，使锚杆托盘与试件上表面及刚性反力顶板紧密接触。

4.将锚杆与试验机顶部夹具相连，将焊接在刚性反力底板上的拉杆与试验机底部夹具相连，调整试件位置，保证锚杆与拉杆在同一轴线上。

5.启动拉力试验机，以位移模式进行加载，收集并分析试验数据。

4 优点

1.通过一块圆心焊接一拉杆的刚性反力底板与一块中间开孔的圆形刚性顶板以及四组螺栓组成了锚杆拉拔试验的反力装置，很好的解决了试验中的荷载施加问题。

2.将锚杆托盘放置在试件与刚性反力顶板之间，较好的还原了锚杆的实际受力状态，体现了锚杆托盘对试验结果的影响，使得试验结果与实际情况更加相符。

3.该发明，不仅适用于蝶式锚杆托盘，而且对其他类型的托盘同样适用；同时，该发明还能适用于不同形状及大小的试件，并且能为试件施加围压或者刚性约束留有空间。

4.试验装置制作简单，试验工作可在一般常用的材料力学实验机上进行，不需要对试验设备进行特殊的改造，更不需要配置专用试验仪器及设备。

参考文献：

[1] 闫莫明, 徐祯祥, 苏自约. 岩土锚固技术手册[M], 北京: 人民交通出版社, 2004

[2] 秦峰, 王少飞, 肖博, 等. 截至2021年底中国10km以上特长公路隧道统计[J]. 隧道建设(中英文). 2022, 42(6):1111.

[3] B. Benmokrane, A. Chennouf, H. S. Mitri. Laboratory evaluation of cement-based grouts and grouted rock anchors [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science. 1995, 32(7):633-642.

[4] M. Moosavi, A. Jafari, A. Khosravi. Bond of cement grouted reinforcing bars under constant radial pressure [J]. Cement and Concrete Composites. 2005, 27(1):103-109.

[5] A. Ivanovi, R. D. Neilson. Modelling of debonding along the fixed anchor length [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science. 2009, 46 (4):699-707.