孫睿澤

(中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大規(guī)模展開。隧道作為公路、鐵路中的重要組成部分，其圍巖的長期穩(wěn)定至關(guān)重要[1]。錨固是控制圍巖穩(wěn)定的常用技術(shù)，在長期荷載作用下，錨固圍巖會(huì)產(chǎn)生變形或垮塌[2-3]。因此，有必要對錨固巖石的長期力學(xué)特性進(jìn)行研究。

近年來，我國學(xué)者對錨固巖石的研究取得了較為豐碩的成果。宋勇軍等[4]通過單軸壓縮蠕變試驗(yàn)研究了錨桿錨固巖石的長時(shí)力學(xué)特性，分析了錨固前后瞬時(shí)應(yīng)變與蠕應(yīng)變之間的差異。趙同彬等[5]對含雙節(jié)理裂隙的巖石進(jìn)行了加錨后的單軸壓縮試驗(yàn)，并基于聲發(fā)射技術(shù)對試樣的破壞過程進(jìn)行了分析。車納等[6]基于顆粒離散元方法對錨桿錨固巖石拉拔段的破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，分析了錨固段長度、圍壓等因素對破壞模式的影響。劉泉生等[7]對白砂巖、大理巖進(jìn)行了加錨后的剪切試驗(yàn)，分析了錨固前后試樣的力學(xué)特性與破壞形式。張福明等[8]通過拉拔試驗(yàn)對拉力型錨桿錨固段長度進(jìn)行了試驗(yàn)研究。滕俊洋等[9]通過單軸壓縮試驗(yàn)對含層理加錨巖石進(jìn)行了研究，分析了無錨、端錨和全長錨固3種試樣的力學(xué)特性。

綜上分析可知，已有研究成果對錨固巖石的蠕變力學(xué)特性進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。文章在已有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合遼寧某在建隧道的工程實(shí)際，對該隧道砂巖進(jìn)行了錨桿錨固前后的單軸蠕變試驗(yàn)，分析了錨固前后試驗(yàn)的蠕變力學(xué)特性的差異，為工程實(shí)際提供可靠的技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試樣材料及參數(shù)選擇

將取自遼寧某在建隧道圍巖(砂巖)按國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工，試樣尺寸為Ф50 mm × 100 mm(直徑 × 高)的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。試驗(yàn)前先從外觀上剔除具有明顯缺陷和節(jié)理、層理的巖樣，然后通過聲波測速技術(shù)剔除縱波差異較大的巖樣。經(jīng)過上述篩選后，試驗(yàn)用巖樣的離散性大大降低，有效避免了因試驗(yàn)材料帶來的誤差。

在錨固巖石單軸壓縮蠕變試驗(yàn)中，為了較為真實(shí)地反映地下工程錨桿支護(hù)的實(shí)際情況，合理選擇錨桿及膠結(jié)材料至關(guān)重要。根據(jù)相似理論，本文試驗(yàn)用錨桿的力學(xué)性能應(yīng)與實(shí)際工程中的錨桿力學(xué)性能保持一致。經(jīng)過反復(fù)的鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)，最終選取45號型鋼加工成的鋼絲作為錨桿，膠結(jié)材料選取環(huán)氧樹脂。在隧道等深部地下工程中，錨桿的支護(hù)參數(shù)一般為：孔徑32 mm，桿徑20 mm，間排距為800 mm × 800 mm。根據(jù)本文試件尺寸及工程實(shí)際參數(shù)，以8∶1作為幾何相似比，最終得到錨固巖石試件的幾何參數(shù)，見表1。受試驗(yàn)試件高度限制，同時(shí)考慮錨桿均勻分布，取試樣三等分點(diǎn)沿水平方向布設(shè)兩根錨桿。

表1 錨固巖石幾何參數(shù)

1.2 錨固試件制備過程

錨固砂巖試件具體制作過程如下：

(1)首先采用游標(biāo)卡尺找到錨桿準(zhǔn)確位置，然后采用臺式鉆機(jī)對試件進(jìn)行鉆孔，孔徑為4 mm；

(2)將制備好的錨桿穿過試件鉆孔，并對其進(jìn)行有效張拉，考慮到錨桿的屈服強(qiáng)度，本文設(shè)置錨桿張拉力大小為1.7 kN；

(3)在張拉狀態(tài)下用注射器將環(huán)氧樹脂注入鉆孔內(nèi)，注滿后用保鮮膜進(jìn)行封堵，靜止48 h后切斷鋼絲，并將端部進(jìn)行磨平處理。制備好的錨固試件見圖1。

圖1 錨固砂巖試件

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本文錨固前后砂巖單軸蠕變試驗(yàn)均在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的全自動(dòng)巖石類材料三軸試驗(yàn)系統(tǒng)上完成，試驗(yàn)在恒溫恒濕條件下進(jìn)行，溫度控制在(26±0.5) ℃。單軸蠕變試驗(yàn)方法采用單試件逐級增量加載法，試驗(yàn)前需對錨固砂巖試樣進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)，得到單軸抗壓強(qiáng)度為75.41 MPa，以此來確定蠕變分級加載應(yīng)力水平。首先對試樣施加軸向荷載至指定應(yīng)力水平，待變形趨于穩(wěn)定后施加下一級應(yīng)力水平，以此類推，直至施加至最后一級應(yīng)力水平，試樣破壞，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，分析試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文錨固前后砂巖試樣共經(jīng)歷了7級應(yīng)力水平，歷時(shí)86 h。圖2為砂巖錨固前后軸向、徑向分級加載蠕變曲線。從圖中可以看出，砂巖錨固前后均具有顯著的蠕變特性，且錨固砂巖的蠕變變形情況得到了有效改善。同一荷載水平下，軸向、徑向錨固試樣的變形量均小于錨固前試樣的變形量，且錨固對于徑向變形的敏感性大于軸向變形，說明錨固對試樣的徑向變形起到了明顯的約束作用。

圖2 錨固前后砂巖分級加載蠕變曲線

根據(jù)蠕變試驗(yàn)結(jié)果，提取不同應(yīng)力水平下錨固前后砂巖的軸向、徑向瞬時(shí)應(yīng)變與蠕應(yīng)變，繪制錨固前后砂巖軸向瞬時(shí)應(yīng)變、蠕應(yīng)變隨應(yīng)力水平的分布曲線，如圖3所示。從圖中可以看出，錨固前后砂巖的軸向瞬時(shí)應(yīng)變均隨應(yīng)力水平呈先減小后增大的變化趨勢，而蠕應(yīng)變則呈逐漸遞增變化趨勢。不同應(yīng)力水平下，錨固后砂巖的瞬時(shí)應(yīng)變和蠕應(yīng)變均小于錨固前。

圖3 軸向應(yīng)變與應(yīng)力水平之間關(guān)系

對于軸向變形，當(dāng)應(yīng)力水平為10 MPa時(shí)，錨固前試樣的瞬時(shí)應(yīng)變?yōu)?.037%，錨固后試樣的瞬時(shí)應(yīng)變?yōu)?.027%；當(dāng)應(yīng)力水平升高至50 MPa時(shí)，錨固前試樣的瞬時(shí)應(yīng)變?yōu)?.031%，錨固后試樣的瞬時(shí)應(yīng)變?yōu)?.022%；應(yīng)力水平由10 MPa提升至50 MPa，錨固前試樣的瞬時(shí)應(yīng)變減小了16.21%，錨固后試樣的瞬時(shí)應(yīng)變減小了18.51%；當(dāng)應(yīng)力水平繼續(xù)升高至70 MPa時(shí)，錨固前試樣的瞬時(shí)應(yīng)變?yōu)?.033%，錨固后試樣的瞬時(shí)應(yīng)變?yōu)?.024%，與應(yīng)力水平50 MPa相比，錨固前試樣的瞬時(shí)應(yīng)變增大了6.45%，錨固后試樣的瞬時(shí)應(yīng)變增大了9.09%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是由于試樣內(nèi)部含有部分微缺陷，導(dǎo)致加載初期試樣內(nèi)部逐漸閉合，試樣的剛度得到提升，致使瞬時(shí)應(yīng)變呈遞減趨勢；隨著軸向應(yīng)力的繼續(xù)增大，試樣內(nèi)部開始產(chǎn)生新的裂隙，試樣的剛度下降，瞬時(shí)應(yīng)變有所提升。

徑向變形與軸向變形情況類似，不同點(diǎn)在于錨固前后試樣的徑向瞬時(shí)應(yīng)變變化量、蠕應(yīng)變變化量均大于軸向，說明錨固有效限制了巖石的徑向變形，提升了巖石抵抗徑向變形的能力。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，錨固前后試樣的軸向、徑向蠕變量總體上呈逐漸遞增趨勢，且錨固后試樣的徑向蠕變量整體小于錨固前的試樣，平均降低15.7%。分析錨固前后試樣的蠕變速率可知，錨固前試樣的蠕變速率明顯大于錨固后的試樣，錨固后試樣達(dá)到穩(wěn)定變形的時(shí)間更短，見圖4，原因可解釋為錨桿預(yù)緊力限制了試樣的變形。

圖4 錨固前后砂巖蠕變速率曲線

綜上分析可知，無論瞬時(shí)應(yīng)變還是蠕應(yīng)變、軸向應(yīng)變還是徑向應(yīng)變，錨固后試樣的形變量均小于錨固前的試樣，尤其對于徑向變形效果更加明顯，可以認(rèn)為錨桿錨固深部地下工程圍巖主要限制圍巖的徑向變形與瞬時(shí)變形。

根據(jù)圖2不同應(yīng)力水平的蠕變曲線可知，本文錨固前后砂巖的蠕變曲線表現(xiàn)為兩階段蠕變特征，即衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變。根據(jù)經(jīng)典元件模型理論可知，Burgers模型能夠較為準(zhǔn)確地對巖石類材料的衰減蠕變階段和穩(wěn)定蠕變階段進(jìn)行描述，Burgers模型一維蠕變方程可由下式表示：

(1)

式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；E1為瞬時(shí)彈性模量；E2為黏彈性模量；η1、η2為材料的黏性系數(shù)；t為時(shí)間。

為了對比錨固前后模型參數(shù)的變化規(guī)律，采用Origin軟件對本文錨固前后砂巖蠕變曲線進(jìn)行最小二乘擬合，應(yīng)力水平30、40和50 MPa下參數(shù)擬合結(jié)果見表2。

表2 Burgers模型擬合參數(shù)結(jié)果

由表2可知，錨固前后砂巖的蠕變曲線擬合相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，說明Burgers模型能夠較好地描述錨固前后砂巖的蠕變變形行為，不同點(diǎn)在于參數(shù)值大小有所差異，具體如下：

(1)不同應(yīng)力水平下，錨固后試樣的軸向、徑向瞬時(shí)彈性模量均大于錨固前的試樣，且徑向差值較大，說明錨桿對巖石的瞬時(shí)彈性模量，特別是徑向彈性模量影響顯著，錨固的布設(shè)有效降低了巖石的瞬時(shí)變形。從表中還可以看出，錨固前后砂巖的軸向瞬時(shí)彈性模量隨應(yīng)力水平逐漸遞增，而徑向瞬時(shí)彈性模量則隨應(yīng)力水平呈逐漸遞減趨勢。

(2)同一應(yīng)力水平下，錨固后試樣的黏性系數(shù)η1均大于錨固前試樣，表明黏性系數(shù)η1受錨桿影響顯著，充分反應(yīng)了錨桿能夠有效降低巖石的蠕變速率；從表中還可以看出，隨著應(yīng)力水平的逐漸增大，黏性系數(shù)η1表現(xiàn)為先增再減的變化趨勢，由于巖石的蠕變硬化及損傷的綜合作用，當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，試樣在蠕變過程中逐漸硬化，黏性降低，進(jìn)而導(dǎo)致黏性系數(shù)上升；當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí)，試樣內(nèi)部損傷逐漸增大，黏性上升，進(jìn)而導(dǎo)致黏性系數(shù)減小，整體上表現(xiàn)為非線性蠕變。

(3)隨著應(yīng)力水平的升高，η2/E2逐漸增大，試樣進(jìn)入穩(wěn)定蠕變的時(shí)間延長。對比錨固前后砂巖的η2/E2值發(fā)現(xiàn)，二者之間未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。

3 結(jié)論

(1)相同應(yīng)力水平下，錨固后砂巖的軸向、徑向變形量均小于錨固前，且錨固對于徑向變形的敏感性更大；

(2)錨固前后砂巖的軸向、徑向瞬時(shí)應(yīng)變均隨應(yīng)力水平的升高呈先減后增的變化趨勢，蠕應(yīng)變則呈逐漸遞增變化趨勢。不同應(yīng)力水平下，錨固后試樣的瞬時(shí)應(yīng)變和蠕應(yīng)變均小于錨固前。

(3)不同應(yīng)力水平下，錨固后砂巖的軸向、徑向瞬時(shí)彈性模量均大于錨固前；相同應(yīng)力水平下，錨固后砂巖的黏性系數(shù)η1均大于錨固前；隨著應(yīng)力水平的升高，η2/E2逐漸增大，試樣進(jìn)入穩(wěn)定蠕變的時(shí)間逐漸延長。