不同直徑錨桿與砂漿相互作用的試驗(yàn)研究

李永棟，王 中，喬 婷（.山東新世紀(jì)工程項(xiàng)目管理咨詢有限公司， 山東 煙臺(tái) 6400；.中鐵三局集團(tuán)有限公司， 山西 太原 0004 ；. 自由職業(yè)， 山東 煙臺(tái) 64000）

0 引 言

我國的能源目前仍舊以煤炭為主。一直以來，礦山生產(chǎn)的安全問題就是礦山各類問題中的難點(diǎn)。從 20 世紀(jì)初開始，錨桿錨固技術(shù)就已經(jīng)在各類工程中被廣泛使用。直到20 世紀(jì) 60 年代以后，伴隨著新奧法的出現(xiàn)和使用，錨桿錨固技術(shù)得到了飛速的發(fā)展[1]。錨桿錨固技術(shù)主要是通過在巖層內(nèi)部的錨桿改善擾動(dòng)后巖層的受力狀態(tài)，在支護(hù)體的四周產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)連續(xù)而又可靠的巖層帶，并且通過錨固劑將錨桿與巖層聯(lián)系在一起，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的整體，使它們產(chǎn)生相互作用，從而產(chǎn)生新的力學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)了礦山安全高效開采的目的。這種積極主動(dòng)的錨桿支護(hù)形式的出現(xiàn)，使礦山支護(hù)翻開了一個(gè)新的篇章。錨桿錨固技術(shù)還具有低消耗、強(qiáng)支護(hù)、靈活方便、施工快速和少占空間等各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)[2]。這就使錨桿錨固技術(shù)被廣泛應(yīng)用于礦山的巷道及頂板支護(hù)工程領(lǐng)域。

需要注意的是，在選用錨桿支護(hù)時(shí)，除了錨桿桿體本身的強(qiáng)度之外，桿體直徑、鉆孔孔徑和錨固體直徑(以下簡稱“三徑”)的合理匹配，也是制約錨桿錨固支護(hù)能否達(dá)到最大錨固效果和最佳經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵[3,4]。因此，進(jìn)一步研究和分析錨桿錨固機(jī)理、錨固界面應(yīng)力分布演化規(guī)律以及錨桿與圍巖的相互作用關(guān)系等問題，對(duì)于改善我國的礦山深部開采支護(hù)方面的問題，保證我國礦山生產(chǎn)的安全高效開采具有十分重要的實(shí)踐意義。

1 不同孔徑下錨桿破壞模式分析

本次試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備為靜力拉伸試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)采用橫向拉拔的方法，忽略重力的影響。本試驗(yàn)采用位移控制方式加載，加載速率為 0.1 mm/min。對(duì)上述試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)測試孔徑匹配對(duì)錨固效果的影響，記錄試驗(yàn)過程中的拉力 F 與位移 x 的曲線，進(jìn)行相應(yīng)分析得出最優(yōu)匹配。

1.1 直徑26 mm的鉆孔下錨桿破壞模式分析

如圖 1 所示：圖 1(a) 為 18 mm 直徑錨桿破壞形式；圖1(b) 為 20 mm 直徑錨桿破壞形式；圖 1(c) 為 22 mm 直徑錨桿破壞形式；圖 1(d) 為 24 mm 直徑錨桿破壞形式。

圖 1 26mm直徑鉆孔各錨桿拉拔的破壞形式

由圖 1 可看出：26 mm 直徑的鉆孔下各錨桿破壞形式存在以下三種主要特征。

(1) 錨桿錨固劑與混凝土之間未產(chǎn)生相對(duì)滑移，混凝土試塊產(chǎn)生斷裂。產(chǎn)生該破壞模式的試件為 20 mm 直徑的錨桿。主要表現(xiàn)為：混凝土的斷裂從錨固端頭開始蔓延至試塊邊界，同時(shí)混凝土、錨固劑與錨桿之間未發(fā)生相對(duì)位移。說明此時(shí)試件還未達(dá)到錨固劑與錨桿界面及錨固劑與混凝土界面的抗剪強(qiáng)度，但是拉拔產(chǎn)生的應(yīng)力已經(jīng)超過了混凝土試塊的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致了混凝土試塊在其薄弱部位產(chǎn)生了裂紋，進(jìn)而發(fā)生張拉斷裂。在同強(qiáng)度的混凝土試塊中產(chǎn)生該破壞模式的現(xiàn)象，可以認(rèn)為：此孔徑匹配下，錨固段整體的錨固強(qiáng)度高于混凝土試塊強(qiáng)度，拉拔產(chǎn)生的應(yīng)力還不足以達(dá)到錨桿錨固的極限錨固力，說明 6 mm 孔徑差試驗(yàn)的錨固效果最優(yōu)。

(2) 錨桿與錨固體被整體拔出。產(chǎn)生該破壞模式的試件為 18 mm 直徑的錨桿。主要表現(xiàn)為：破壞產(chǎn)生于錨固體與混凝土試塊之間的界面，同時(shí)孔內(nèi)錨桿與錨固劑被拔出后，破壞面上劃痕較多且不光滑。說明錨固劑與混凝土試塊之間的化學(xué)吸附力在抵抗拉拔的過程中，還是產(chǎn)生了一定的阻礙變形的效果。并且錨桿與錨固劑之間的機(jī)械咬合力和摩擦力大于錨固劑與混凝土試塊之間的化學(xué)吸附力，也說明了在 8 mm 的孔徑差下錨固劑與混凝土的匹配效果，稍低于錨固劑與錨桿的匹配效果；拉拔產(chǎn)生的應(yīng)力引起變形的時(shí)候首先達(dá)到了化學(xué)吸附力的極限值，導(dǎo)致錨固劑與混凝土試塊發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)。

(3) 錨桿與錨固體部分拔出。產(chǎn)生該破壞模式的試件為 22 mm 以及 24 mm 直徑錨桿。主要表現(xiàn)為：在靠近混凝土試塊部位的錨固端頭上沒有錨固體，破壞產(chǎn)生在錨桿與錨固劑界面以及錨固劑與混凝土試塊界面中；同時(shí)，可以觀察到錨固體與混凝土之間產(chǎn)生的破壞面不光滑，但是錨固體與錨桿之間產(chǎn)生的破壞面光滑。由于發(fā)生在錨桿錨固相對(duì)深處的破壞面未攜帶錨固體，錨桿被光滑地拔出。最明顯的是 24 mm 直徑的錨桿幾乎沒有錨固劑被夾雜著拔出，說明在拉拔過程中，錨桿與錨固劑之間幾乎未產(chǎn)生較多的摩擦，機(jī)械咬合力也要低于錨固劑與混凝土試塊之間的化學(xué)吸附力；在靠近混凝土試塊自由面的部位，在拉拔過程中與 8 mm 孔徑差的破壞模式相同。在該匹配孔徑下，破壞形式主要經(jīng)歷了兩個(gè)不同過程：一是錨固體內(nèi)部沒有形成一個(gè)連續(xù)等強(qiáng)的粘結(jié)體，使其在弱面上產(chǎn)生了裂紋；二是在錨固相對(duì)深處的部位錨桿與錨固劑之間發(fā)生相對(duì)滑移，同時(shí)在靠近混凝土試塊自由面的部位，錨固劑與混凝土試塊發(fā)生了等量的滑移。說明錨桿錨固效果在 2 mm～4 mm 孔徑差的匹配鉆孔下，已經(jīng)不足以提供供錨固劑在相對(duì)深處與錨桿及混凝土試塊之間充分反應(yīng)的空間；產(chǎn)生的錨桿-錨固劑的機(jī)械咬合力和摩擦力，以及錨固劑與混凝土的化學(xué)吸附力都較低，不足以提供理想的抗剪強(qiáng)度，也就達(dá)不到良好的試驗(yàn)錨桿錨固效果。

從對(duì) 26 mm 直徑的孔徑下產(chǎn)生的破壞模式的分析可看出：要想得到較好的錨桿-錨固劑的機(jī)械咬合力和摩擦力，以及錨固劑-混凝土的化學(xué)吸附力，要采用4 mm孔徑差以上的鉆孔進(jìn)行錨桿錨固。

1.2 直徑 33 mm 鉆孔下錨桿破壞模式分析

如圖 2 所示：圖 2(a) 為 18 mm 直徑錨桿破壞形式；圖2(b) 為 20 mm 直徑錨桿破壞形式；圖 2(c) 為 22 mm 直徑錨桿破壞形式；圖 2(d) 為 24 mm 直徑錨桿破壞形式。

圖 2 33mm直徑鉆孔各錨桿拉拔的破壞形式

由圖 2 可看出，33 mm 直徑的鉆孔下各錨桿破壞形式存在以下兩種主要特征。

(1) 錨桿光滑拔出。產(chǎn)生該破壞模式的試件為 18 mm和 20 mm 直徑的錨桿。主要表現(xiàn)為：破壞產(chǎn)生于錨固體與錨桿之間的界面，而且觀察到錨桿橫肋中沒有夾雜錨固劑，錨桿表面光滑；當(dāng)孔徑差達(dá)到 13 mm 及以上后，盡管錨固劑的含量增加產(chǎn)生的與混凝土試塊的粘結(jié)力較大，但是相對(duì)于系統(tǒng)較大的粘結(jié)力及良好的錨桿與錨固劑的摩擦條件，錨桿與錨固劑之間的機(jī)械咬合力卻隨著彈性模量較低的錨固劑環(huán)形厚度的增加而降低，不足以抵抗拉拔產(chǎn)生的應(yīng)力，不能達(dá)到錨固劑充分凝固產(chǎn)生的錨固效果。破壞形式表明：錨固劑厚度的增加，導(dǎo)致錨桿與錨固劑之間的機(jī)械咬合力降低，使得錨桿與錨固劑的協(xié)調(diào)變形能力下降，不能達(dá)到良好的試驗(yàn)錨固效果。

(2) 錨桿與錨固體被整體拔出。產(chǎn)生該破壞模式的試件為 22 mm 和 24 mm 直徑的錨桿。主要表現(xiàn)為以下兩種形式。

① 錨桿與錨固體整體拔出且表面光滑錨固體未發(fā)生斷裂。該破壞模式試件為 22 mm 直徑的錨桿，破壞產(chǎn)生于錨固體與混凝土試塊之間的界面，并且觀察到錨固體破壞面沒有斷裂且表面光滑。當(dāng)孔徑差在 11 mm 時(shí)，錨固劑與混凝土受到的在拉拔的過程中產(chǎn)生的化學(xué)粘結(jié)力，未能明顯降低錨固劑與混凝土變形的不協(xié)調(diào)性，在二者的界面處發(fā)生光滑破壞，未能產(chǎn)生較好的試驗(yàn)錨固效果。

② 錨桿與錨固體整體拔出且表面粗糙錨固體產(chǎn)生斷裂。產(chǎn)生該破壞形式的試件為 24 mm 直徑的錨桿。破壞產(chǎn)生于錨固體跟混凝土試塊之間的界面，并且可看出錨固體表面不光滑產(chǎn)生了斷裂，說明 9 mm 孔徑匹配下錨固劑與混凝土試塊間的化學(xué)粘結(jié)力，以及錨桿與錨固劑之間的機(jī)械咬合力均能達(dá)標(biāo)。破壞的主要原因是錨固劑本身強(qiáng)度較低的問題，因此在不考慮材料本身特性的前提下，該孔徑匹配能達(dá)到較好的試驗(yàn)錨固效果。

從 33 mm 直徑的孔徑下產(chǎn)生的破壞模式的分析可以看出，要想得到較好的錨桿-錨固劑的機(jī)械咬合力和摩擦力，以及錨固劑-混凝土的化學(xué)吸附力，要采用 9 mm 孔徑差以下的鉆孔進(jìn)行錨桿錨固。

1.3 直徑 40 mm 鉆孔下錨桿破壞模式分析

如圖 3 所示，圖 3(a) 為 22 mm 直徑錨桿破壞形式；圖3(b) 為 24 mm 直徑錨桿破壞形式。

圖 3 40 mm直徑鉆孔各錨桿拉拔的破壞形式

由圖 3 可看出，40 mm 直徑的鉆孔下各錨桿破壞形式存在以下特征。

錨桿光滑拔出。產(chǎn)生該破壞模式的試件為 22 mm 和24 mm 直徑的錨桿。主要表現(xiàn)為：破壞產(chǎn)生于錨桿與錨固體之間的界面，并且觀察到錨桿橫肋中沒有夾雜錨固劑，錨桿表面光滑。當(dāng)孔徑差達(dá)到 20 mm 及以上后，盡管錨固劑含量增加產(chǎn)生的與混凝土試塊的粘結(jié)力較大，但是相對(duì)于系統(tǒng)較大的粘結(jié)力和良好的錨桿與錨固劑的摩擦條件，錨桿與錨固劑之間的機(jī)械咬合力卻在隨著彈性模量較低的錨固劑環(huán)形厚度的增加而降低，不足以抵抗拉拔產(chǎn)生的應(yīng)力，不能達(dá)到錨固劑充分凝固產(chǎn)生的錨固效果。破壞形式表明：錨固劑厚度增加導(dǎo)致錨桿與錨固劑之間的機(jī)械咬合力降低，使錨桿與錨固劑的協(xié)調(diào)變形能力下降，不能達(dá)到良好的試驗(yàn)錨固效果。

1.4 錨桿錨固狀態(tài)的破壞形式

綜合本次試驗(yàn)中幾種不同直徑鉆孔下不同直徑錨桿的破壞形式分析表明：本次試驗(yàn)錨桿錨固狀態(tài)的破壞形式，主要有以下四種。

(1) 錨桿光滑拔出。該破壞形式的孔徑差為 13 mm 以上；錨固效果最差。

(2) 錨桿夾雜錨固劑部分拔出。該破壞形式的孔徑差為4 mm 以下；錨固劑未得到充分利用，不能達(dá)到預(yù)期效果。

(3) 錨桿連同錨固劑整體拔出，包括光滑拔出和粗糙拔出兩種模式。光滑拔出的模式是由錨固劑與混凝土試塊界面部位的化學(xué)粘結(jié)力未能有效降低兩種材料變形的不協(xié)調(diào)性所導(dǎo)致。該破壞形式的孔徑差為 11 mm，孔徑匹配不當(dāng)造成錨固效果較差。粗糙拔出的模式主要是由達(dá)到了錨固劑本身的強(qiáng)度而發(fā)生破壞所導(dǎo)致。該破壞形式的孔徑差為8 mm 和 9 mm，在不考慮材料本身物理性質(zhì)的前提下，該孔徑匹配可以達(dá)到預(yù)期的錨固效果。

(4) 混凝土試塊發(fā)生破壞。該破壞形式的孔徑差為6 mm。在同等試驗(yàn)條件下，本孔徑差能夠使錨固效果達(dá)到最優(yōu)。

2 不同鉆孔下同種錨桿極限拉拔力分析

(1) 如圖 4 所示，18 mm 直徑的錨桿最大承受的拉力為 23.6 kN，匹配的孔徑為 26 mm；最小承受的拉力為5.01 kN，匹配的孔徑為 40 mm。二者相差 5 倍。隨著孔徑的增大，錨桿錨固所能承受的拉拔應(yīng)力急速下降，考慮的原因主要是隨著鉆孔直徑的增大，錨固劑的環(huán)形厚度也隨之增加；同時(shí)錨固劑為三種材料強(qiáng)度的最低點(diǎn)。隨著錨固劑含量的增大，將會(huì)降低材料系統(tǒng)的總強(qiáng)度，降低錨桿與混凝土變形的協(xié)調(diào)性而導(dǎo)致錨固效果差。

圖 4 18mm直徑錨桿的F-x曲線圖

(2) 如圖 5 所示，20 mm 直徑的錨桿最大承受的拉力為 26.02 kN，匹配的孔徑為 26 mm；最小承受的拉力為6.3 kN，匹配的孔徑為 40 mm。二者相差4倍。隨著孔徑的增大，錨桿錨固所能承受的拉拔應(yīng)力急速下降，考慮的原因主要是隨著鉆孔直徑的增大，錨固劑的環(huán)形厚度也隨之增加；同時(shí)錨固劑為三種材料強(qiáng)度最低點(diǎn)。隨著錨固劑含量的增大，將會(huì)降低材料系統(tǒng)的總強(qiáng)度，降低錨桿與混凝土變形的協(xié)調(diào)性而導(dǎo)致錨固效果差。

圖 5 20mm直徑錨桿的F-x曲線圖

(3) 如圖 6 所示，22 mm 直徑的錨桿最大承受的拉力為16.62 kN，匹配的孔徑為 26 mm；最小承受的拉力為8.13 kN，匹配的孔徑為 40 mm。二者相差 2 倍。比較圖6 中的位移，雖然 26 mm 在 26 mm 與 33 mm 直徑鉆孔中的拉拔力相差不大，但是變形相差甚大；33 mm 直徑鉆孔的錨桿錨固在極限拉力峰后變形緩慢。這一對(duì)比表明：33 mm 的匹配性明顯優(yōu)于其余兩種。原因主要有以下兩方面：26 mm 直徑的鉆孔由于環(huán)形厚度過小，充填的錨固劑量不能達(dá)到強(qiáng)度要求，不能將兩個(gè)界面覆蓋充分，變形??；40 mm 直徑的鉆孔由于錨固劑環(huán)形厚度太大，同時(shí)錨固劑為三種材料強(qiáng)度的最低點(diǎn)。隨著錨固劑含量的增大，將會(huì)降低材料系統(tǒng)的總強(qiáng)度，降低錨桿與混凝土變形的協(xié)調(diào)性，導(dǎo)致錨固效果差。

圖 6 22mm直徑錨桿的F-x曲線圖

(4) 如圖 7 所示，24 mm 直徑的錨桿最大承受的拉力為 19.5 kN，匹配的孔徑為 33 mm；最小承受的拉力為8.4 kN，匹配的孔徑為 40 mm。二者相差 2 倍。33 mm直徑的鉆孔中明顯優(yōu)于其余兩種直徑鉆孔。主要原因是由于 26 mm 直徑鉆孔環(huán)形厚度已經(jīng)不足以使得錨固劑充分與錨桿及混凝土界面發(fā)生反應(yīng)，而且充填的錨固劑量太少，不能達(dá)到強(qiáng)度要求，變形小；40 mm 直徑的鉆孔由于錨固劑環(huán)形厚度太大，同時(shí)錨固劑為三種材料強(qiáng)度最低點(diǎn)，隨著錨固劑含量的增大，將會(huì)降低材料系統(tǒng)的總強(qiáng)度，降低錨桿與混凝土變形的協(xié)調(diào)性，導(dǎo)致錨固效果差。

圖 7 24mm直徑錨桿的F-x曲線圖

綜合對(duì)比圖 4、圖 5、圖 6 和圖 7 中的受力與位移狀況可以發(fā)現(xiàn)，錨桿直徑-鉆孔直徑為 18 mm-26 mm、20 mm-26 mm、22 mm-26 mm 和 24 mm-33 mm 分別比同孔徑下不同錨桿直徑極限力要高。

3 結(jié) 語

(1) 本次試驗(yàn)各直徑錨桿與不同直徑的鉆孔的最優(yōu)匹配區(qū)間在 6 mm～11 mm。

(2) 不考慮錨固劑的材料特性，采用的橫向拉拔試驗(yàn)環(huán)境導(dǎo)致結(jié)果只與拉拔力 F 有關(guān)。各錨桿的破壞曲線主要會(huì)經(jīng)歷錨桿的彈性變形、錨固劑極限變形、界面脫粘和界面破壞四個(gè)階段。在不同的孔徑差下，各階段的破壞形式也不同。主要的破壞形式可分為：錨桿光滑拔出、錨桿與錨固體部分拔出并產(chǎn)生錨固體斷裂、錨桿與錨固體整體拔出以及混凝土斷裂四種破壞形式。

(3) 錨桿在拉拔過程中，錨桿的變形規(guī)律是：自由端處的變形量最大，從自由端至錨固端錨桿的變形量逐漸變小。同時(shí)，錨固劑也發(fā)生變形，變形的規(guī)律與錨桿的變形規(guī)律相同。