張 豪 徐 帥 紀(jì)旭波 楊正明 郭玟志 孫 星

(1.深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110819;2.山東恒邦冶煉股份有限公司,山東 煙臺(tái) 264109;3.山東黃金集團(tuán)西和縣中寶礦業(yè)有限公司,甘肅 隴南 742199)

淺部礦產(chǎn)資源逐漸枯竭,礦產(chǎn)資源深部開采已趨于常態(tài)[1]。隨采深增加,地下工程不可避免地面臨“三高一擾動(dòng)”復(fù)雜開采環(huán)境。巖爆、大變形、采場(chǎng)垮落、巷道底臌、片幫、冒頂?shù)裙こ虨?zāi)害頻發(fā),對(duì)地下工程施工及人員設(shè)備作業(yè)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅[2-3]。因此深部工程災(zāi)害防控需求十分迫切。錨桿支護(hù)是一種基本的巖體加固技術(shù),用于維護(hù)巖石工程穩(wěn)定、控制巖體相對(duì)移動(dòng)和變形[4-5],其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、成本低廉和工程適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在采礦、土木、水利水電工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[6-7]。針對(duì)不同工程災(zāi)害防護(hù),國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)明了各類錨桿,如水泥砂漿錨桿、注漿錨桿、管縫錨桿、樹脂錨桿以及針對(duì)軟巖大變形的負(fù)泊松比效應(yīng)恒阻大變形錨桿[8]、針對(duì)巖爆的Conebolt 吸能錨桿[9]、“D 型”讓壓吸能錨桿[10]和自膨脹管縫錨桿[11]等。

巖體賦存著許多軟弱結(jié)構(gòu)面[12],削弱了巖體的強(qiáng)度,使其更易變形滑移,發(fā)生巖體剪切,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[13]。在自然斜坡及開挖工程邊坡,巖體易沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切滑移,造成滑坡[14]。在巷道和地層側(cè)向變形嚴(yán)重的情況下,巖體剪切對(duì)地下巖石工程構(gòu)成巨大威脅[15]。在深部圍巖巷道易發(fā)生底臌,兩幫巖體發(fā)生剪切錯(cuò)斷變形[16]。巖石工程中普遍采用錨桿支護(hù)來(lái)控制圍巖變形及破壞,維持工程穩(wěn)定性,如通過(guò)加筋底角錨桿可有效控制巷道底板變形[17],錨桿支護(hù)加固邊坡巖體效果顯著[18],但錨桿錨固巖體的同時(shí)受巖體剪切易發(fā)生徑向剪切變形及剪斷破壞,導(dǎo)致錨固失效[19-21]。眾多工程案例[22-24]表明,錨桿剪切破壞在錨桿錨固失效中占比很大。因此,錨桿剪切破壞及錨桿徑向抗剪性能引起了學(xué)者重視。

學(xué)者們研發(fā)室內(nèi)(現(xiàn)場(chǎng))錨桿剪切裝置,開展錨桿剪切的研究。按試驗(yàn)條件不同,錨桿剪切試驗(yàn)裝置分為現(xiàn)場(chǎng)全尺寸錨桿剪切裝置、室內(nèi)縮尺錨桿剪切裝置、室內(nèi)全尺寸錨桿剪切裝置(全尺寸是指試驗(yàn)錨桿參數(shù)與工程應(yīng)用錨桿保持一致)。現(xiàn)場(chǎng)全尺寸錨桿剪切試驗(yàn)是指在工程一線開展工程錨桿的剪切試驗(yàn),直接依托全尺寸錨桿及真實(shí)地質(zhì)條件開展,其試驗(yàn)條件為巖石工程的真實(shí)工況,但由于操作繁瑣、試驗(yàn)難度高、安全性低、試驗(yàn)場(chǎng)地要求苛刻、人力物力耗費(fèi)較大等問(wèn)題,較少開展。目前國(guó)內(nèi)僅有朱煥春等[25]在1999年研發(fā)了現(xiàn)場(chǎng)錨桿剪切試驗(yàn)裝置,該裝置可以對(duì)錨桿橫斷面施加正應(yīng)力并保證剪切過(guò)程中不發(fā)生撓曲變形,通過(guò)對(duì)三峽永久船閘高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)錨桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),證實(shí)了設(shè)置錨桿自由段可以實(shí)現(xiàn)剪應(yīng)力向正應(yīng)力的轉(zhuǎn)化。

室內(nèi)縮尺錨桿剪切試驗(yàn)是指在室內(nèi)模擬工況,測(cè)試錨桿對(duì)工程應(yīng)用錨桿進(jìn)行了尺寸上縮放及結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化的剪切試驗(yàn),具有相對(duì)研究?jī)?nèi)容廣泛、可行性強(qiáng)、試驗(yàn)耗費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)。室內(nèi)縮尺實(shí)驗(yàn)中用縮小比例的錨桿來(lái)開展實(shí)驗(yàn),獲得的錨桿特性,通過(guò)一定的外推,可推測(cè)真實(shí)尺寸的錨桿特性,但由于室內(nèi)縮尺實(shí)驗(yàn)與真實(shí)工況的相似性較難完全保證,對(duì)一些規(guī)律性的揭示尚可,但對(duì)于準(zhǔn)確的數(shù)值,通過(guò)外推獲得的結(jié)果往往不準(zhǔn)?；诳s尺錨桿模型,Chuanqing Zhang 等[26]采用PAC聲發(fā)射(AE)監(jiān)測(cè)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)技術(shù),得到了錨桿—注漿界面剪切破壞過(guò)程聲發(fā)射參數(shù)的演化與剪應(yīng)力曲線的良好相關(guān)性;宋洋等[27]通過(guò)室內(nèi)縮尺試驗(yàn)對(duì)節(jié)理巖體剪切蠕變作用下錨桿預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行了研究;蔣宇靜等[28]研究了恒定法向剛度邊界條件對(duì)錨固節(jié)理剪切的影響。室內(nèi)全尺寸錨桿剪切試驗(yàn)是指基于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬巖石工程真實(shí)工況條件展開,與工程應(yīng)用一致的全尺寸錨桿剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置按剪切面數(shù)量特征可分為錨桿單面剪切、雙面剪切裝置,具有安全、相對(duì)經(jīng)濟(jì)、可控、試驗(yàn)直觀的優(yōu)點(diǎn),較好平衡上述試驗(yàn)類型的優(yōu)勢(shì)及局限,受到學(xué)者們廣泛關(guān)注和重視。

本文針對(duì)錨桿剪切試驗(yàn)的需求,按照剪切面數(shù)量將室內(nèi)全尺寸錨桿剪切裝置劃分為2類,分別介紹了2類剪切裝置的組成、工作原理、國(guó)內(nèi)外剪切裝置案例,分析了相應(yīng)剪切裝置的適用條件、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用情況?；诂F(xiàn)狀分析與總結(jié),提出全尺寸錨桿剪切裝置發(fā)展方向,本文的研究可對(duì)錨桿剪切研究及全尺寸錨桿剪切裝置研發(fā)提供有益參考。

1 錨桿剪切試驗(yàn)

1.1 錨桿剪切定義

錨桿剪切是指錨桿的橫截面受外力作用并沿外力方向發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)變形的現(xiàn)象。錨桿剪切試驗(yàn)原理如圖1所示,錨桿剪切過(guò)程不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,剪切力與受力面垂直且成對(duì)出現(xiàn),均勻分布于受力面。此外,與巖石力學(xué)剪切試驗(yàn)不同,錨桿剪切試驗(yàn)的剪切荷載不是直接施加給錨桿本身,而是通過(guò)施加給模擬鉆孔單元,間接施加于錨桿。

圖1 錨桿剪切原理Fig.1 Principle of rockbolt shear

1.2 模擬鉆孔單元類型

在錨桿性能測(cè)試試驗(yàn)中,模擬鉆孔單元存在2種類型:第一種為厚壁金屬圓管,具有簡(jiǎn)單、高效且成本低廉的優(yōu)勢(shì),但存在約束條件與錨桿真實(shí)鉆孔約束不一致的特殊情況。在剪切試驗(yàn)中,厚壁金屬圓管約束錨桿較易產(chǎn)生金屬對(duì)金屬的剪切現(xiàn)象,影響試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性[29]。厚壁金屬圓管普遍應(yīng)用于測(cè)試錨桿材料本身的抗剪性能的試驗(yàn)。

第二種為混凝土試件。鉆孔可以通過(guò)混凝土試件預(yù)留小孔,再通過(guò)鑿巖機(jī)擴(kuò)孔的方式形成。其可以模擬真實(shí)鉆孔環(huán)境,試驗(yàn)結(jié)果更具參考意義,但試件制作成本相對(duì)較高、周期較長(zhǎng)、試驗(yàn)工序相對(duì)繁瑣。在剪切試驗(yàn)中,混凝土試件與錨桿本身均會(huì)產(chǎn)生損傷及破壞。混凝土試件普遍應(yīng)用于錨桿錨固巖體的剪切力學(xué)性能及破壞的研究。

1.3 剪切形式

從剪切功能上,錨桿剪切可分為錨桿純剪切及預(yù)應(yīng)力剪切。錨桿純剪切是指錨桿僅受徑向剪切力而發(fā)生的變形及位移。純剪切時(shí),由于不存在軸向預(yù)應(yīng)力,所以剪切面將不會(huì)產(chǎn)生摩擦力。錨桿預(yù)應(yīng)力剪切是指待剪錨桿被施加一定軸向預(yù)應(yīng)力條件下的剪切。前者對(duì)應(yīng)著無(wú)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù),無(wú)預(yù)應(yīng)力支護(hù)如同砌碹支護(hù)、架棚支護(hù)等屬于被動(dòng)支護(hù)。后者對(duì)應(yīng)著預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù),屬于主動(dòng)支護(hù)[30-31]。通常施加軸向預(yù)應(yīng)力時(shí),人工擰緊螺母施加力一般在10 kN 以下,借助設(shè)備能施加20～30 kN 以上的預(yù)應(yīng)力[32]。

開展在預(yù)應(yīng)力作用下錨桿剪切試驗(yàn)時(shí),存在2種工況:第一種工況是錨桿受軸向應(yīng)力,混凝土試件間緊密接觸,剪切面將產(chǎn)生摩擦力。試驗(yàn)得到的錨桿抗剪強(qiáng)度是錨桿本身的抗剪強(qiáng)度與剪切面摩擦力的疊加。所以部分學(xué)者認(rèn)為該條件下獲得的強(qiáng)度不是錨桿純抗剪強(qiáng)度[29],剪切面摩擦力受多個(gè)因素影響(如剪切面粗糙程度、法向應(yīng)力、接觸面積等[33]),無(wú)法準(zhǔn)確量化錨桿的抗剪性能,使得錨桿抗剪力學(xué)行為解釋變得尤其復(fù)雜[34]。第二種情況是混凝土試件剪切面由于額外的框架約束,試件之間存在縫隙(縫隙通常在4 mm左右),應(yīng)力不會(huì)傳遞,剪切面不產(chǎn)生摩擦力,得到預(yù)應(yīng)力錨桿純抗剪強(qiáng)度。預(yù)應(yīng)力剪切時(shí),剪切面是否產(chǎn)生摩擦力均有價(jià)值,其與研究目的有關(guān):當(dāng)剪切面有摩擦力,對(duì)應(yīng)著剪切荷載下預(yù)應(yīng)力錨桿與圍巖相互作用的研究;剪切面無(wú)摩擦力,對(duì)應(yīng)著圍巖約束下預(yù)應(yīng)力錨桿純抗剪強(qiáng)度的研究。

1.4 研究目的

通過(guò)文獻(xiàn)分析,基于現(xiàn)有剪切裝置存在3 類研究目的:第一類研究為獲得錨桿自身材料的抗剪強(qiáng)度。該研究?jī)H有錨桿自身材料的破壞,所以僅能測(cè)定錨桿自身材料的基本抗剪參數(shù)(屈服、抗剪強(qiáng)度、剪切位移等)。此研究對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)裝置均為厚壁金屬圓管作為模擬鉆孔單元。

第二類為模擬圍巖鉆孔條件下錨桿純抗剪性能研究。該研究為錨桿在混凝土試件鉆孔約束下的變形與破壞,主要測(cè)定錨桿及預(yù)應(yīng)力錨桿在模擬圍巖鉆孔條件下的純抗剪力學(xué)性能參數(shù)如剪切力與位移曲線、屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度等。此研究對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)裝置均為混凝土試件作為模擬鉆孔單元。

第三類為錨桿錨固圍巖條件下,被錨固圍巖節(jié)理面的剪切研究。該研究為錨桿與混凝土試件損傷破壞的復(fù)合,主要研究不同條件(如錨固角度、錨桿數(shù)量、法向應(yīng)力等)剪切荷載下錨桿與圍巖之間的相互作用機(jī)理及節(jié)理面的抗剪強(qiáng)度。此研究對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)裝置同樣以混凝土試件作為模擬鉆孔單元。

2 錨桿單面剪切試驗(yàn)裝置

2.1 錨桿純單剪裝置

錨桿單面剪切裝置(以下簡(jiǎn)稱錨桿單剪裝置)是指錨桿單剪切面剪切裝置,屬于箱式剪切,主要由上剪切箱、下剪切箱、混凝土試件模擬鉆孔單元、荷載施加單元組成,如圖2所示。箱式剪切過(guò)程如下:2個(gè)混凝土試件分別安置在上下剪切箱內(nèi),試件內(nèi)部具備鉆孔,并安裝有待測(cè)錨桿,下剪切箱固定于地面,上剪切箱端面緊密貼合下剪切箱,在豎直方向可以位移,上下剪切箱有一定高度差,高度差即為裝置最大剪切位移。通過(guò)荷載施加單元對(duì)上剪切箱施加豎直荷載使其沿豎直方向標(biāo)準(zhǔn)位移,從而實(shí)現(xiàn)錨桿單剪切面剪切。該類型剪切裝置相對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明,無(wú)需額外組成部件即可固定約束件。

圖2 錨桿箱式單面剪切裝置示意(修改自都靈理工學(xué)院?jiǎn)渭粞b置[35])Fig.2 Schematic diagram of rockbolt box single side shear device(modified from Turin Institute of technology single side shear device)

國(guó)內(nèi)外錨桿單剪裝置均屬于箱式剪切裝置,工作原理一致,但在組成部件及結(jié)構(gòu)上有相應(yīng)的區(qū)別。

1993年意大利都靈理工學(xué)院Ferrerò A.M.Resistenza 設(shè)計(jì)和建立的錨桿單剪裝置為混凝土試件作模擬鉆孔單元單剪裝置的典型代表[35],如圖2所示。該裝置采用傳統(tǒng)壓力機(jī)作為豎向剪切荷載施加單元。2個(gè)混凝土試件尺寸均為30 cm×30 cm×40 cm,允許測(cè)試錨桿錨固尺寸最大為0.8 m。當(dāng)施加錨桿預(yù)應(yīng)力,由于混凝土試件間緊密接觸,剪切面將產(chǎn)生摩擦力,所以裝置不能開展預(yù)應(yīng)力錨桿純抗剪性能測(cè)試。借助該裝置,開展了錨桿鋼筋的型號(hào)、鋼筋直徑、桿體類型(鋼筋和鋼管)及巖石類型等因素對(duì)錨桿錨固圍巖力學(xué)性能影響的研究,屬于第三類研究類型。

1996年英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)錨桿剪切測(cè)試裝置(BS 7861-2)是利用剛性厚壁金屬圓管作模擬鉆孔單元單剪裝置的典型代表,如圖3所示。裝置使用2 段式一定孔徑剛性厚壁鋼管作為模擬鉆孔單元約束錨桿。裝置具有高效、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì),被廣泛用于確定各種用于采礦和巖土工程支護(hù)錨桿的抗剪性能[29],但不具備測(cè)試預(yù)應(yīng)力錨桿的功能,同時(shí)還存在著厚壁金屬圓管作為模擬鉆孔單元不可避免的弊端。

圖3 英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)錨桿剪切測(cè)試裝置框架及剖面圖(BS 7861-2,1996)Fig.3 Frame and section of British standard rockbolt shear test device (BS 7861-2,1996)

2015年印度理工學(xué)院土木工程系巖土工程實(shí)驗(yàn)室為了實(shí)現(xiàn)剪切過(guò)程中,在豎直方向施加法向力,水平方向施加剪切力,將傳統(tǒng)錨桿箱式剪切裝置的剪切方向由豎向改為了橫向,研發(fā)了伺服控制大尺寸直剪試驗(yàn)裝置[36],如圖4所示。該裝置采用伺服控制液壓千斤頂施加剪切力可達(dá)到2 000 kN,最大法向力可達(dá)到1 500 kN。2個(gè)混凝土試件尺寸為75 cm×75 cm×90 cm(可由多個(gè)小尺寸試件堆疊形成)可以安裝多根錨桿,開展群錨剪切試驗(yàn)。裝置的局限性表現(xiàn)在受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制試驗(yàn)錨桿不能被施加預(yù)應(yīng)力。依托此裝置,學(xué)者開展了不同錨桿數(shù)量、錨桿間距、法向應(yīng)力條件下的節(jié)理抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖4 伺服控制大尺寸直剪試驗(yàn)裝置Fig.4 Servo controlled large size direct shear test device

2018年澳大利亞Megabolt 公司為了測(cè)試長(zhǎng)度更長(zhǎng)的錨桿和錨索抗剪性能,研發(fā)了MISSR 單剪裝置[37],如圖5所示。由于錨索軸向長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錨桿,該裝置將混凝土試件由長(zhǎng)方體改為圓柱體并增加了軸向長(zhǎng)度,并在外部設(shè)置半剖鋼箍對(duì)其進(jìn)行加固。裝置鉆孔模擬單元單個(gè)圓柱試件直徑25 cm,長(zhǎng)1.8 m,強(qiáng)度40 MPa,由2 段90 cm 圓柱試件連接而成。剪切荷載施加單元為120 t 的壓力機(jī)。裝置可以開展最長(zhǎng)3.6 m 錨固長(zhǎng)度錨桿及錨索的單剪測(cè)試。依托該裝置學(xué)者通過(guò)19 次錨索單剪試驗(yàn),研究了錨索類型、表面輪廓類型、預(yù)緊載荷、電纜球根結(jié)構(gòu)、黏結(jié)和脫黏的影響及其破壞模式。但需要指出的是,該裝置依然不具備測(cè)試預(yù)應(yīng)力錨索純抗剪強(qiáng)度的功能。

圖5 錨索單剪測(cè)試裝置Fig.5 Rockbolt cable single shear test device

2.2 錨桿單剪綜合測(cè)試裝置

錨桿單剪綜合測(cè)試裝置是指具備錨桿單剪及其他基礎(chǔ)性能測(cè)試功能的裝置,具有功能模塊化、集成度較高的特點(diǎn),主要有拉剪綜合測(cè)試裝置、多功能綜合測(cè)試裝置。此類裝置均以混凝土試件作為模擬鉆孔單元。

1995年挪威特隆赫姆的SINTEF 和挪威科技大學(xué)的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的[38]SINTEF/NTNU 錨桿試驗(yàn)裝置,是最具代表性的全尺寸拉—剪綜合測(cè)試裝置。該裝置主要由剛性框架、2個(gè)立方體混凝土試件(尺寸為95 cm)及加壓油泵組成[39],如圖6所示,可測(cè)試最長(zhǎng)1.9 m 錨固長(zhǎng)度的錨桿。該試驗(yàn)裝置具備獨(dú)立拉拔、獨(dú)立剪切及拉剪耦合測(cè)試的功能[34]。但裝置仍具有一些不足,如混凝土試件與框架在拉拔及剪切方向均存在較大摩擦,以及不具備預(yù)應(yīng)力錨桿純剪切測(cè)試功能?；谠撗b置,Yu Chen 等[34]測(cè)試剪切荷載下的“D”型讓壓吸能錨桿,獲得了“D 型”錨桿剪切及拉剪綜合作用下位移—荷載試驗(yàn)曲線。

圖6 SINTEF/NTNU 錨桿試驗(yàn)裝置及靜力拉剪實(shí)驗(yàn)示意Fig.6 Schematic diagram of SINTEF/NTNU rockbolt test rig and static tensile shear experiment

2020年中南大學(xué)為了減小混凝土試件與剛性框架之間的摩擦力,基于SINTEF/NTNU 錨桿試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了新的錨桿拉—剪綜合測(cè)試裝置,如圖7所示[40]。該錨桿剪切裝置將2個(gè)立方體混凝土試件尺寸改為100 cm,利用滾輪減小了混凝土試件與裝置框架之間的摩擦阻力?；谠撗b置,Yu Chen 等[34]開展了拉剪作用下全注漿錨桿變形研究。

圖7 中南大學(xué)改進(jìn)的錨桿測(cè)試裝置Fig.7 Improved bolt testing equipment of Central South University

2020年中國(guó)煤炭高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室康紅普院士團(tuán)隊(duì)為了進(jìn)一步綜合錨桿性能測(cè)試功能,研發(fā)了錨桿綜合力學(xué)性能測(cè)試裝置[41],如圖8所示。該裝置具備獨(dú)立拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲、剪切、沖擊功能,并且各個(gè)功能模塊可以相互組合。就剪切模塊而言,裝置采用的混凝土圓柱體試件作為模擬鉆孔單元,試件分為2 部分,半徑為12 cm,長(zhǎng)度分別為1 m 及0.2 m。剪切面是2個(gè)試件的接觸面,位于端部0.2 m 處,即全長(zhǎng)錨固試件1/6 處。該裝置可以測(cè)試最長(zhǎng)1.2 m 錨固長(zhǎng)度錨桿,但不具備預(yù)應(yīng)力錨桿純抗剪強(qiáng)度測(cè)試功能?；谠撗b置,開展了預(yù)緊、張拉、扭轉(zhuǎn)、彎曲、剪切和沖擊等加載條件下錨桿力學(xué)行為的試驗(yàn)研究。

圖8 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)錨桿綜合測(cè)試裝置Fig.8 Design of the integrated testing device for anchor rods at China University of Mining and Technology

3 錨桿雙面剪切試驗(yàn)裝置

3.1 錨桿純雙剪裝置

錨桿雙面剪切裝置(以下簡(jiǎn)稱錨桿雙剪裝置)是指開展具有2個(gè)剪切面的錨桿剪切裝置,相較錨桿單剪裝置,雖然僅僅增加一個(gè)剪切接觸面,但其剪切原理與箱式剪切截然不同。錨桿雙剪裝置如圖9所示,由三段式模擬鉆孔單元及中部豎向荷載施加單元組成,其中兩端模擬鉆孔單元固定,中部模擬鉆孔單元豎直方向沒(méi)有約束,錨桿置入鉆孔模擬單元內(nèi),裝置通過(guò)荷載施加單元對(duì)中部鉆孔模擬單元施加豎直方向剪切荷載,推動(dòng)其豎直向下位移,實(shí)現(xiàn)錨桿雙剪切面剪切。

圖9 錨桿雙面剪切原理Fig.9 Principle of rockbolt double-sided shear

2016年New Concept Mining (NCM)公司設(shè)計(jì)了雙剪厚壁金屬鋼管模擬鉆孔單元,在約翰內(nèi)斯堡CSIR 中心進(jìn)行錨桿測(cè)試[39],雙剪示意及厚壁鋼管如圖10所示。該裝置能夠開展錨桿雙剪性能測(cè)試,與英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)單剪裝置一樣具備效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn),但同樣存在無(wú)法測(cè)試預(yù)應(yīng)力錨桿的純抗剪強(qiáng)度。

圖10 CSIR 中心雙剪切原理及試驗(yàn)金屬模具Fig.10 CSIR central double shear principle and test metal mold

2003年澳洲Wollongong 大學(xué)Aziz 等[29]研發(fā)了小型錨桿雙剪裝置,如圖11所示。裝置選擇萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)作為剪切荷載施加單元,混凝土試件作為模擬鉆孔單元,其中兩端的混凝土試件尺寸均為15 cm×15 cm×15 cm,中間試件尺寸為15 cm×15 cm×30 cm,決定了裝置混凝土試件約束的總長(zhǎng)度最大僅為60 cm,測(cè)試錨桿尺寸范圍有限。裝置采用小型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)作為剪切荷載施加單元,施加剪切荷載能力有限。裝置兩端設(shè)置剛性框架對(duì)端部混凝土試件進(jìn)行豎向位移約束,并通過(guò)擰緊螺母,可在端部試件施加圍壓。Aziz 等[29]研究了不同軸向荷載條件下(水泥、樹脂作為錨固劑)螺紋鋼錨桿的抗剪性能。在測(cè)試22 mm桿徑錨桿時(shí),由于尺寸較小,混凝土試件先于待測(cè)錨桿破壞,可見(jiàn),該裝置不適合大尺寸錨桿及更高荷載的測(cè)試。

圖11 小型錨桿雙剪裝置Fig.11 Small-sized double shear device

2005年英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院G.Grasselli[42]為了對(duì)混凝土試件施加軸向荷載并開展錨桿不同數(shù)量(1～4根)與剪切面不同角度的剪切試驗(yàn),將剛性框架水平軸向設(shè)置,研發(fā)了錨桿雙剪裝置,如圖12所示。單個(gè)混凝土試件尺寸為60 cm×60 cm×100 cm,該裝置可以測(cè)試最長(zhǎng)1.8 m 錨固長(zhǎng)度錨桿?；谠撗b置,G.Grasselli[42]開展了全注漿錨桿和水力膨脹錨桿加固節(jié)理巖體的研究。

圖12 帝國(guó)理工學(xué)院錨桿雙剪裝置及原理Fig.12 Rockbolt double shear device and principle of Imperial College

2010年澳洲Wollongong 大學(xué)Craig 和Aziz[15]針對(duì)其小型錨桿雙剪裝置存在的混凝土試件尺寸較小以及小型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)輸出剪切荷載有限等問(wèn)題,將初代裝置大型化,研發(fā)了MKII 雙剪裝置,如圖13所示。雙剪裝置大型化后兩端的混凝土試件尺寸為30 cm×30 cm×30 cm,中間試件尺寸為30 cm×30 cm×45 cm。該裝置混凝土試件約束錨桿的長(zhǎng)度最大為105 cm,測(cè)試范圍依然有限。裝置剪切荷載施加單元由小型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)換成了大型壓力機(jī)。針對(duì)預(yù)應(yīng)力剪切時(shí),試件間緊密接觸,剪切面將產(chǎn)生摩擦力,無(wú)法測(cè)試預(yù)應(yīng)力錨桿純抗剪強(qiáng)度的問(wèn)題。

圖13 MKII 雙剪裝置Fig.13 MKII double shear device

2016年Aziz等[29]對(duì)MKII雙剪裝置再次做了改進(jìn),如圖14所示。改進(jìn)后的裝置設(shè)置獨(dú)立的軸向剛性框架提供橫向支撐,目的是施加錨桿預(yù)應(yīng)力剪切過(guò)程中,避免混凝土試件之間緊密接觸從而阻斷預(yù)應(yīng)力在試件之間的傳遞,從而消除剪切面產(chǎn)生的摩擦力。Aziz 等[29]對(duì)借助MKIII與MKII 雙剪裝置測(cè)得的錨桿剪切試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果表明由于消除了混凝土試件間的摩擦,MKIII 試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于MKII。

圖14 MKIII 雙剪裝置Fig.14 MkIII double shear device

3.2 錨桿沖擊雙剪裝置

2019年Li 等[43]為了實(shí)現(xiàn)沖擊荷載下的錨桿雙剪測(cè)試,將常規(guī)雙剪裝置的中部剪切荷載單元由壓力機(jī)改成沖擊錘,研發(fā)了沖擊雙剪裝置,如圖15所示。裝置具備最大理論沖擊能量5.439 kJ(185 kg×9.8 m/s2×3 m),最大沖擊速度為7.67 m/s。單個(gè)混凝土試件尺寸為30 cm×30 cm×20 cm。裝置可以測(cè)試最長(zhǎng)0.9 m 錨固長(zhǎng)度的錨桿,但不具備預(yù)應(yīng)力錨桿純沖擊剪切強(qiáng)度測(cè)試功能?；谘b置,Li 等[43]開展了不同桿體直徑、安裝角度與沖擊能量下的錨桿動(dòng)載荷沖擊雙剪研究。

圖15 沖擊雙剪裝置Fig.15 Impact double shear device

4 錨桿剪切裝置的發(fā)展趨勢(shì)

自最初錨桿單剪裝置誕生以來(lái),錨桿剪切裝置經(jīng)歷了多次的革新與發(fā)展,剪切裝置功能由錨桿單剪到錨桿雙剪再到預(yù)應(yīng)力錨桿雙剪,由單一錨桿剪切功能到錨桿拉剪綜合再到錨桿多功能綜合測(cè)試。由此,本文提出未來(lái)全尺寸錨桿剪切裝置的發(fā)展趨勢(shì)如下:

(1)以混凝土試件作鉆孔模擬單元,更加真實(shí)地模擬礦山支護(hù)工況;試驗(yàn)錨桿的長(zhǎng)度逐漸接近于工程實(shí)際,室內(nèi)試驗(yàn)工況更為接近真實(shí)的模擬地下工況的室內(nèi)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)工況。

(2)試驗(yàn)裝置同時(shí)具備靜力學(xué)下單雙剪切功能和沖擊剪切測(cè)試功能。

(3)具備復(fù)雜條件下的錨桿剪切試驗(yàn)功能,如不同剪切間距、節(jié)理粗糙度、熱—應(yīng)力腐蝕、真三軸應(yīng)力條件下的錨桿與加固節(jié)理之間的剪切。

東北大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)了新型全尺寸錨桿拉剪綜合測(cè)試裝置,裝置將由3個(gè)30 cm×30 cm×80 cm 混凝土試件模擬鉆孔單元、剛性框架、一個(gè)軸向拉拔作動(dòng)器、一個(gè)徑向剪切作動(dòng)器、伺服油壓控制單元組成。如圖16所示,拉拔功能上具備1 000 kN 施加力、80 cm 大行程;剪切功能具備1 000 kN 施加力,20 cm 位移。裝置具備測(cè)試大尺寸錨桿的功能,測(cè)試最長(zhǎng)2.4 m 錨固長(zhǎng)度錨桿。裝置將具備獨(dú)立錨桿拉拔、獨(dú)立試件拉拔(間接拉拔錨桿)、獨(dú)立錨桿單雙剪切、拉剪耦合測(cè)試等試驗(yàn)工況。裝置特性在于能夠?qū)崿F(xiàn)單雙剪切面切換并在施加錨桿預(yù)應(yīng)力時(shí),可控制剪切面摩擦力。

圖16 裝置設(shè)計(jì)方案Fig.16 Design scheme of device

5 結(jié) 論

(1)錨桿剪切裝置存在2種不同模擬鉆孔單元類型即厚壁金屬圓管和混凝土試件。以厚壁金屬圓管為模擬鉆孔單元的剪切裝置,僅能測(cè)試未施加預(yù)應(yīng)力錨桿自身材料的剪切性能。

(2)現(xiàn)有錨桿箱式單剪裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、使用方便的優(yōu)點(diǎn),但不具備預(yù)應(yīng)力錨桿純抗剪強(qiáng)度測(cè)試的功能;錨桿雙剪能開展更多條件下的錨桿剪切測(cè)試。錨桿剪切綜合測(cè)試裝置,能實(shí)現(xiàn)剪切與拉拔、沖擊等工況的耦合測(cè)試,但不具備測(cè)試預(yù)應(yīng)力錨桿純抗剪強(qiáng)度的功能。

(3)測(cè)試預(yù)應(yīng)力作用下錨桿純抗剪強(qiáng)度具有重要意義,裝置開展錨桿預(yù)應(yīng)力剪切時(shí),剪切面摩擦力是否存在研究?jī)r(jià)值,應(yīng)由研究目的而定。

(4)裝置混凝土試件約束錨桿長(zhǎng)度及單雙剪切面對(duì)錨桿剪切的影響有待進(jìn)一步研究。