張福明，張愷玲,陳安敏,趙 健

(1.總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023；2.北京航空航天大學，北京 100191)

巷道支護理論與技術(shù)

拉力型巖石錨桿臨界錨固長度的試驗研究

張福明1，張愷玲2,陳安敏1,趙 健1

(1.總參工程兵科研三所，河南 洛陽 471023；2.北京航空航天大學，北京 100191)

按照臨界錨固長度理論，通過在低、中和高3種強度混凝土中不同長度錨桿的拉拔試驗，研究了巖石中拉力型錨桿臨界錨固長度的試驗條件和方法，并且與其他研究成果相結(jié)合，進一步分析了臨界錨固長度的試驗和判別方法。此次試驗結(jié)果表明：峰值應力轉(zhuǎn)移、零值剪應力轉(zhuǎn)移大體是同時發(fā)生的，此時峰值和零值點間的空間距離就是臨界錨固長度。拉力型巖石錨桿臨界錨固長度是普遍存在的，而且在試驗條件都一致時，可以按照本文的試驗方法測得相同的臨界錨固長度安全值，并且采用此值為依據(jù)進行工程設計是科學合理的。

巖石錨桿；臨界錨固長度；判別方法；試驗；研究

拉力型錨桿是指錨桿承受荷載時錨固段注漿體處于拉伸狀態(tài)的錨桿。錨桿的臨界錨固長度是指一定巖土介質(zhì)中錨固段的極限錨固長度。這一概念的含義在于：在任一巖土介質(zhì)中，錨固段長度都存在一個極限值，未達此值，錨固潛力即未充分發(fā)揮；超過此值，超出部分就將做無用功。

自從臨界錨固長度的問題提出來之后，圍繞此問題國內(nèi)已開展了許多研究[1-10]，對于破碎圍巖的加固，錨索長度L應大于3倍以上的群錨間距d，而d≤(1/2～1/3)L。國外也開展了相近的研究[11-14]，砂介質(zhì)中錨桿臨界錨固長度為6m左右，砂土和黃土中錨桿臨界錨固長度為8m左右[15]。研究所采用的方法大體可歸為4類：數(shù)值分析方法、解析方法、現(xiàn)場監(jiān)控和輔助試驗方法、綜合方法。這些方法能從不同側(cè)面反映或揭示出錨固類結(jié)構(gòu)桿體臨界錨固長度的本質(zhì)，但如何結(jié)合工程現(xiàn)場測得臨界錨固長度，還沒有統(tǒng)一有效的方法。拉拔試驗中要觀測到這一特性，通常應具備以下條件：桿體足夠長，至少長于一個臨界錨固長度值；在錨固體布設5～10個應變測點；注漿較飽滿；圍巖介質(zhì)較均勻；初始荷載低；加載級差??；穩(wěn)壓效果好；逐步加載至破壞。為此，還進行了旨在研究拉力型巖石錨桿臨界錨固長度的現(xiàn)場試驗的條件、方法、分析和臨界錨固長度的判別，并對比分析了其他相關(guān)研究成果[16]，指出臨界錨固長度的存在是一個普遍現(xiàn)象。

1 試驗條件

1.1 錨桿和模擬巖體的混凝土參數(shù)

錨孔直徑為100mm。具體各層模擬巖體的混凝土尺寸和其錨桿設計參數(shù)見表1。

1.2 各層試驗錨桿的設置

錨桿布置見圖1。底層為C20混凝土墊層，厚400mm，寬4.5m，長10.1m。以上3層分別為C21.2，C40.8和C61.3混凝土，每層混凝土的中間布置了8根錨桿，錨桿間距為0.5m。各層拉力型試驗錨桿的編號和設計長度見表2。

表1 試驗錨桿、錨孔、注漿壓力參數(shù)設計

圖1 試驗錨桿的現(xiàn)場布置

模擬巖體等級編號/錨桿長度/m低強度混凝土1-1/101-3/81-5/61-7/4中強度混凝土2-1/82-3/62-5/42-7/2高強度混凝土3-1/63-3/43-5/23-7/1

1.3 試驗水泥漿的配制

水泥漿的水泥采用的是P.C42.5復合硅酸鹽水泥。漿液配合比為水∶水泥=0.45∶1。其試驗結(jié)果見表3。

表3 水泥漿抗壓強度 MPa

1.4 試驗用螺紋鋼筋試驗結(jié)果

試驗錨桿的桿體為直徑22mmHRB400螺紋鋼筋，其力學性能見表4。

表4 試驗錨桿桿體材料力學性能

1.5 測點布置

試驗量測點設置應變和位移2種。應變量測量采用應變片粘貼在鋼筋表面上用2臺應變儀進行記錄。試驗時，對鄰近錨桿的應變測點進行監(jiān)測，試圖探討剪應變沿桿體軸線和垂直于該軸線的衰減情況。位移測點設置在錨桿外露端部，用千分表量測錨桿伸長值隨拉拔力增加的變化情況，用作輔助分析。大于等于4m的錨桿，測點間距為1m，2m長的錨桿測點間距為0.5m，1m長錨桿測點間距為0.25m。

1.6 加載等級

加載等級見表5，分11級，初始荷載為10kN，每級荷載增量為20kN，直到鋼筋屈服為止。

表5 壓力表讀數(shù)與千斤頂出力對應

2 試驗方法

本次試驗是利用穿心千斤頂和電動油泵對錨桿進行加載，試驗錨桿張拉時，嚴格按照設計加載等級進行逐步加載，加載速率緩慢均勻。在加載穩(wěn)定時，方可進行試驗錨桿的位移和應變的量測并記錄。

3 試驗結(jié)果

當千斤頂出力達到200kN時，錨桿桿體最大伸長值為139mm，錨桿桿體斷裂，而錨孔中的水泥柱體未見變化。試驗錨桿在各級荷載下錨桿長度與應變值的關(guān)系曲線見圖2～10。

從圖2～10中可以看出，錨桿應變值在錨桿口部具有最大值，在錨固段內(nèi)具有較小值。隨著荷載增大，錨固段口部應變值呈增大趨勢，錨桿內(nèi)的應變值也呈增大趨勢，但隨著錨桿向內(nèi)延伸，應變值逐漸減小。在荷載達到峰值所對應的零值點之前的所有應變零值，均隨著荷載的增加而增加，因此，只有荷載達到峰值點，應變同時達到零值點時的錨桿長度才能是錨桿臨界錨固長度。

圖2 1-3在各級荷載時錨桿長度與應變值的關(guān)系

圖3 1-5在各級荷載時錨桿長度與應變值的關(guān)系

圖4 2-3在各級荷載時錨桿長度與應變值的關(guān)系

圖5 2-5在各級荷載時錨桿長度與應變值的關(guān)系

(1)從圖2～3中看出，1-3和1-5錨桿口部的應變峰值雖然在第9級荷載之后出現(xiàn)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象(在試驗中，當荷載達到此值時，錨桿桿體達到極限強度，桿體上的應變片已破壞，在圖中顯示為0。其他圖同樣)。隨著荷載的增加，應變零值點由L=1m處向L=3m處轉(zhuǎn)移，3m以后，各級荷載下的應變值均接近于零，因此可判斷此試驗條件下的拉力型錨桿在C20強度的模擬巖體混凝土中的臨界錨固長度為3m。

(2)從圖4～5中看出， 2-3和2-5錨桿口部的應變峰值在第9級荷載之后出現(xiàn)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。隨著荷載的增加，應變零值點由L=1m處向L=2m處轉(zhuǎn)移，2m以后，各級荷載下的應變值均接近于零。而圖6中的2-7試驗錨桿，由于錨桿2m點的應變片出現(xiàn)故障，在荷載達到最大值前，1.5m處的應變零值點仍未出現(xiàn)。因此可判斷此試驗條件下的拉力型錨桿在C40強度的模擬巖體混凝土中的臨界錨固長度為2m。

圖7 3-1在各級荷載時錨桿長度與應變值的關(guān)系

圖8 3-3在各級荷載時錨桿長度與應變值的關(guān)系

圖9 3-5在各級荷載時錨桿長度與應變值的關(guān)系

(3)從圖7～9中看出，3-1,3-3和3-5錨桿口部的應變峰值在第9級荷載之后出現(xiàn)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。隨著荷載的增加，應變零值點由L=0.5m處向L=1m處轉(zhuǎn)移，1m以后，各級荷載下的應變值均接近于零。而圖10中的3-7試驗錨桿，由于錨桿1m點的應變片出現(xiàn)故障，在荷載達到最大值前，在0.75m處的應變零值點仍未出現(xiàn)。因此可判斷此試驗條件下的拉力型錨桿在C60強度的模擬巖體混凝土中的臨界錨固長度為1m。

圖10 3-7在各級荷載時錨桿長度與應變值的關(guān)系

由于1-1,1-7,2-1和3-1錨桿在各級加載時錨桿長度與應變值的關(guān)系圖與同級混凝土的曲線相似，在此不再表述。

(4)此次試驗是在除了模擬巖體的混凝土強度不同外，其他條件都相同的情況下進行的，其中：C20模擬巖體混凝土拉力型錨桿臨界錨固長度為3m；C40強度的模擬巖體混凝土中的臨界錨固長度為2m；C60強度的模擬巖體混凝土中的臨界錨固長度為1m，因此，臨界錨固長度是隨著混凝土的強度的增加而增加的，其回歸關(guān)系式為：L0=-0.049C+4.09，其中L0為臨界錨固長度，C為模擬巖體的混凝土強度。

4 結(jié) 論

(1)拉力型錨桿的臨界錨固長度是普遍存在的，采用以臨界錨固長度為依據(jù)進行工程設計是科學合理的。

(2)峰值應力轉(zhuǎn)移、零值剪應力轉(zhuǎn)移大體是同時發(fā)生的，此時峰值和零值點間的空間距離就是臨界錨固長度。

(3)臨界錨固長度與錨桿所處的模擬巖體的混凝土強度、錨桿桿體材料、水泥漿材料、錨孔直徑、加載方法等有關(guān)，因此，在實際應用中，只要各種條件都一致時，就能用以上的試驗方法取得相同的臨界錨固長度安全值。

(4)此次試驗條件下的C20模擬巖體混凝土拉力型錨桿臨界錨固長度為3m；C40強度的模擬巖體混凝土中的臨界錨固長度為2m；C60強度的模擬巖體混凝土中的臨界錨固長度為1m。

(5)2個測點間的距離是臨界錨固長度的試驗誤差值，在實踐中應予以考慮。

(6)巖石中拉力型錨桿的臨界錨固長度是隨著巖體強度的增加而增長，其關(guān)系式為：L0=-0.049C+4.09，其中L0為臨界錨固長度，C為模擬巖體的混凝土強度。

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[責任編輯：姜鵬飛]

Experimental Study of Critical Anchorage Length of Tensile-type Rock Anchor

ZHANG Fu-ming1，ZHANG Kai-ling2，CHEN An-min1,ZHAO Jian1

(1.General Political Department Engineering Corps 3 Research Institute，Luoyang 471023,Henan；2.Beihang University，Beijing 100191，China)

According critical anchorage length theory，and different pull out test with different length rock bolts in three different strength concretes，which include low，middle and high，experimental condition and distinguish method of tensile type rock anchor critical anchorage length in rock were studied，with other studying results，experiment condition and distinguish of critical anchorage length were studied future.The results showed that peak value stress transfer and zero value shear stress transfer appeared almost at the same time，the space distance between peak value and zero value is critical anchorage length.Critical anchorage length of tensile type rock anchor is ubiquitous，and in the same experiment situations,the same safety value of critical anchorage length could be obtained，and engineering design is reasonable based on it.

rock bolt；critical anchorage length；discrimination method；test；studying

2016-11-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.013

國家自然科學基金項目(51278492)

張福明(1964-)，男，山西忻州人，副研究員，主要從事巖土工程和防護工程方面的研究工作。

張福明,張愷玲,陳安敏，等.拉力型巖石錨桿臨界錨固長度的試驗研究[J].煤礦開采，2017，22(3)：41-44.

TD353.6

A

1006-6225(2017)03-0041-04