巖體裂隙區(qū)全長黏結(jié)錨桿應(yīng)變測試方法

韓 滔, 金長宇, 魯 宇, 劉 冬

(1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819; 2.汕頭大學(xué) 工學(xué)院， 廣東 汕頭 515063)

巖體在漫長地質(zhì)構(gòu)造作用以及人類開挖擾動的影響下，其內(nèi)部往往發(fā)育眾多結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的裂隙.這些裂隙的存在不僅大大降低了巖體的完整性，并使得巖體具有各向異性的力學(xué)特性.因此，近些年針對裂隙巖體錨固方法研究成為巖土領(lǐng)域的熱點.全長黏結(jié)錨桿是地下工程中最常見的支護形式，也是抑制裂隙開裂擴展的最有效加固方式之一[1].裂隙巖體中全長黏結(jié)錨桿的失效模式主要有4種：黏結(jié)破壞、錨桿拉斷、托板失效和錨空失效，其中黏結(jié)破壞失效模式最為常見[2].黏結(jié)破壞是指巖體、黏結(jié)劑以及錨桿桿體非協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生的復(fù)雜剪切破壞，由于這種剪切破壞發(fā)生在膠結(jié)面處，因此全長黏結(jié)錨桿的力學(xué)測試結(jié)果一直無法準確反映錨桿真實的承載能力，也導(dǎo)致錨桿的錨固設(shè)計仍停留在半經(jīng)驗半理論水平，大大阻礙了全長黏結(jié)錨桿在工程中應(yīng)用.

國內(nèi)外學(xué)者針對巖體中全長黏結(jié)錨桿的應(yīng)力分布情況做了大量工作，通常采用先采集錨桿應(yīng)變再轉(zhuǎn)化為應(yīng)力的方式進行研究，而其中用到的應(yīng)變測試方法主要有兩種：靜態(tài)電阻應(yīng)變片(計)技術(shù)和光纖光柵技術(shù).Jarred等[3]在室內(nèi)試驗中，通過粘貼在錨桿外部的應(yīng)變片來研究錨桿-黏結(jié)劑界面的剪切性能.榮冠等[4]和Martin等[5]在室內(nèi)試驗中進行了錨桿的拉拔試驗，將應(yīng)變片直接粘貼在錨桿表面來獲取錨桿應(yīng)變的信息.Yu[6]為評估D型錨桿的錨固性能，將D型錨桿錨固在含有不同裂隙角度和寬度的試件中，通過應(yīng)變片獲得錨桿應(yīng)力分布情況，試驗中應(yīng)變片直接粘貼在錨桿表面且沒有采取任何保護措施.Teymen等[7]為研究黏結(jié)劑強度對全長黏結(jié)錨桿應(yīng)力分布的影響，將4個應(yīng)變計直接安裝在錨桿表面，同樣也未對應(yīng)變計采取任何保護措施，之后將錨桿錨固在無裂隙試件中進行相關(guān)試驗.另外，林傳年等[8]將光柵光纖技術(shù)應(yīng)用到湖北某隧道的錨桿軸向應(yīng)力監(jiān)測中，施工時將光柵直接粘貼在錨桿表面.Jing等[9]通過相似材料試驗研究了試件中所含節(jié)理的傾角對錨固強度的影響，試驗中錨桿的應(yīng)力數(shù)據(jù)是通過安裝在錨桿表面的光柵獲取的.同樣Forbes等[10]和Chai等[11]也都直接將光柵粘貼在錨桿表面來研究錨桿的應(yīng)力情況.

綜上所述，在全長黏結(jié)錨桿應(yīng)力或應(yīng)變分布的測試方法中，均將應(yīng)變片(計)或光柵粘貼在錨桿外表面，這樣會使應(yīng)變片(計)和光柵與黏結(jié)劑直接或間接接觸.但是在測量巖體裂隙處的錨桿應(yīng)變時，由于裂隙處變形較大，錨桿-黏結(jié)劑界面處局部的不均勻變形會導(dǎo)致錨桿與黏結(jié)劑脫離，進而導(dǎo)致應(yīng)變片或光柵無法準確測量錨桿應(yīng)變，最終無法反映巖土體與桿體間的力學(xué)作用機理.為避免黏結(jié)劑的影響，本文在現(xiàn)有測試技術(shù)基本原理的基礎(chǔ)上，采用3D打印技術(shù)制備微型全長黏結(jié)錨桿，在錨桿內(nèi)、外兩側(cè)對應(yīng)位置分別粘貼應(yīng)變片，通過單軸壓縮相似材料試驗獲得裂隙開裂過程中兩種測試結(jié)果的不同響應(yīng).同時利用精細數(shù)值模擬驗證該試驗的研究結(jié)論，進一步證明在錨桿桿體內(nèi)粘貼應(yīng)變片測試方法的可行性.

1 試驗方法

由于現(xiàn)場測試受到干擾因素多，并且相同條件下重復(fù)難度大，因此本文基于室內(nèi)相似材料試驗開展裂隙區(qū)域桿體應(yīng)變測試技術(shù)研究.相似材料試驗是研究巖體力學(xué)性質(zhì)的重要手段，該方法不僅可對影響試驗結(jié)果的多因素進行單項研究分析，還可對力學(xué)機理模糊的工程問題進行探索性研究，因此自20世紀末開始該方法在巖石力學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用[12].

1.1 相似定律及材料配比的確定

相似材料試驗是材料在滿足相似原理前提下，并按一定比例制成模型后進行的試驗，通過觀察模型的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和破壞等情況來分析推測原型的實際情況.若從相似材料試驗中獲得的精確定量數(shù)據(jù)能夠準確代表對應(yīng)原型，那么試驗?zāi)Ｐ秃驮椭g就要滿足一定的相似性，也就是相似原理三定律.

此次物理相似材料試驗以紅透山銅礦深部巷道圍巖的板裂現(xiàn)象為研究對象，該硐室圍巖以片麻巖為主.由于紅透山銅礦的開采深度已經(jīng)達到1 200米，采區(qū)地應(yīng)力達到了40 MPa左右，片麻巖在高應(yīng)力卸荷過程中表現(xiàn)出彈-脆性力學(xué)行為，因此相似材料試驗選擇同樣具有彈-脆性力學(xué)性質(zhì)的石膏作為主要膠結(jié)材料[13].為了進一步改善相似材料的力學(xué)特性，在石膏中加入粒徑為0.5 mm的天然河砂.根據(jù)相似理論確定了試驗?zāi)Ｐ团c原型之間的各物理力學(xué)參數(shù)相似常數(shù)，如式(1)～式(5)所示.

(1)

(2)

Cσc=Cσt=Cσ=ClCγ=13.8,

(3)

CE=CC=Cσ=13.8,

(4)

Cε=Cμ=Cφ=1.

(5)

式中：lp為原型幾何尺寸；lm為試驗?zāi)Ｐ蛶缀纬叽?；γp為原型容重；γm為試驗?zāi)Ｐ腿葜兀籆l為幾何相似常數(shù)；Cγ為容重相似常數(shù)；Cσc為抗壓強度相似常數(shù)；Cσt為抗拉強度相似常數(shù)；Cσ為應(yīng)力相似常數(shù)；CE為彈性模量相似常數(shù)；CC為黏聚強度相似常數(shù)；Cε為應(yīng)變相似常數(shù)；Cμ為泊松比相似常數(shù)；Cφ為內(nèi)摩擦角相似常數(shù).其中，彈性模量、黏聚強度與應(yīng)力的量綱相同,所以相似常數(shù)相同，應(yīng)變、泊松比、內(nèi)摩擦角均無量綱，所以相似常數(shù)為1.

為保證相似材料在力學(xué)參數(shù)方面達到相似比的要求，本文進行了大量的配比試驗,參見表1.根據(jù)原巖的力學(xué)參數(shù)和相似比確定出理想相似材料的力學(xué)參數(shù)，對比發(fā)現(xiàn)河砂、石膏、水的質(zhì)量比為1∶3∶2的相似材料配比方案與理想相似材料的力學(xué)參數(shù)最為接近，如表2所示.

表1 不同配比試件的力學(xué)參數(shù)

表2 相似材料試件與原巖物理力學(xué)參數(shù)對照表

片麻巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，河砂、石膏和水的質(zhì)量比為1∶3∶2的相似材料試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，可以看出該配比試件的破壞過程經(jīng)歷了彈性階段、塑性階段以及脆性破壞階段，此相似材料為脆性材料，與片麻巖的力學(xué)性質(zhì)基本相似，可以滿足試驗要求.因此最終確定采用河砂、石膏和水的質(zhì)量比為1∶3∶2的相似材料配比方案.

圖1 片麻巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 河砂、石膏和水的質(zhì)量比為1∶3∶2的試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2 相似模型試件的制作

根據(jù)強度確定的相似比，制作的模型試件尺寸為150 mm×150 mm×200 mm(長×寬×高).為了模擬硐室圍巖表層的裂隙發(fā)育區(qū)域，模型試件有兩條平行布置的預(yù)制裂隙，且均為長70 mm，寬0.4 mm的貫穿裂隙，如圖3所示.

圖3 模型試件

預(yù)制裂隙采用薄片抽條法制作，用于制作裂隙的鋼片長70 mm，厚0.4 mm.首先在模具內(nèi)壁和鋼片雙面上均勻涂一層潤滑油，將河砂、石膏和水按比例充分攪拌后倒入模具中并用振動棒將里面空氣排出，然后將鋼片插入試件的預(yù)定位置，同時對試件表面進行打磨使表面平整光滑，待試件初凝之前將鋼片拔出，最后待試件完全凝固后進行拆模，將試件晾干至質(zhì)量不再變化.

1.3 3D打印錨桿

3D打印是一種快速成型技術(shù)，它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體.經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在技術(shù)更加成熟、精確且價格低廉，已經(jīng)被運用到多個科學(xué)領(lǐng)域.

由于現(xiàn)有的錨桿桿體拉應(yīng)變測試技術(shù)均將應(yīng)變片或傳感器粘貼在錨桿外部，致使其與黏結(jié)劑直接或間接接觸，影響測試結(jié)果的準確性，本文利用3D打印技術(shù)制備微型全長黏結(jié)錨桿，將應(yīng)變片粘貼在錨桿內(nèi)部，可避免黏結(jié)劑的影響.3D打印制備錨桿的材料為PLA聚乳酸，PLA材料可隨試件產(chǎn)生較大變形但不會被拉斷，錨桿長135 mm，直徑為12 mm，此錨桿為空心錨桿，其截面形狀為外圓內(nèi)方且在制備時將其分為兩個單獨部分，空心部分邊長為6 mm.在錨桿內(nèi)、外部分別粘貼應(yīng)變片(錨桿外部在制作時留有水平凹槽方便粘貼應(yīng)變片)，其位置與試件裂隙位置相對應(yīng)，即在桿體內(nèi)部粘貼應(yīng)變片1#，2#，在桿體外部粘貼應(yīng)變片3#，4#，其中應(yīng)變片1#，3#在裂隙A處，應(yīng)變片2#，4#在裂隙B處，如圖4a所示.之后將兩個單獨部分的錨桿用特定膠水粘合在一起，組成完整錨桿，如圖4b所示.

圖4 3D打印錨桿及應(yīng)變片粘貼

由于試驗中采用的錨桿屬于拼接式，與常用的完整錨桿在結(jié)構(gòu)形式上存在一定區(qū)別，為研究試驗中所用的拼接式錨桿和完整錨桿在受拉伸力作用下的力學(xué)性能，分別對其進行了靜力拉伸試驗.拉伸試驗中所用錨桿試驗段長度、直徑與上文所用桿體尺寸一致，其中拼接式錨桿空心邊長為6 mm，完整錨桿為實心桿.在拼接式錨桿內(nèi)外對應(yīng)位置處和完整錨桿外部分別粘貼應(yīng)變片以便采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，錨桿如圖5所示.試驗拉伸速度為5 mm/min.

1—完整錨桿； 2—拼接式錨桿.

拼接式錨桿與完整錨桿拉伸試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示.從圖中曲線可知，兩種錨桿都具有彈塑性變形性質(zhì)，完整錨桿的抗拉強度大于拼接式錨桿的抗拉強度，同時拼接式錨桿的內(nèi)外測點的曲線基本重合.因此可以說明拼接的方式不會改變錨桿的變形性質(zhì)，空心的形式只會降低其抗拉強度，同時在錨桿外部無黏結(jié)劑時，拼接式錨桿內(nèi)外應(yīng)變值基本一致.

圖6 兩種錨桿應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 室內(nèi)相似材料試驗

2.1 試驗系統(tǒng)及試驗方案

試驗開始前，用沖擊鉆在試件側(cè)面垂直于側(cè)面方向鉆孔，鉆孔穿過兩個裂隙，但未貫穿試件，未貫穿距離為30 mm.之后將作為黏結(jié)劑的環(huán)氧樹脂膠灌滿鉆孔，再將錨桿放入鉆孔中，以保證錨桿與環(huán)氧樹脂膠充分接觸，24 h后環(huán)氧樹脂膠即可達到最大強度.試驗系統(tǒng)包括壓力試驗機、靜態(tài)應(yīng)變儀、壓力傳感器、“L”型擋板、試件等.試驗采用的壓力機為濟南時代試金試驗機有限公司制造的YAW-2000B型微機控制電液伺服壓力試驗機，采用位移控制方式進行加載，加載速率為0.12 mm/min.靜態(tài)應(yīng)變儀使用揚州晶明JM3812多功能靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，每5 s采集一次數(shù)據(jù).為減小端部效應(yīng)，加載前在試件頂、底部與壓力機端頭間放置0.5 mm厚的聚四氟乙烯墊板，同時在墊板與端頭之間均勻涂抹凡士林.根據(jù)硐室圍巖的卸荷特點，本次試驗采用雙軸試驗機進行多次“加-卸”載力學(xué)試驗(如圖7所示)，但是通過多次雙軸加載測試發(fā)現(xiàn)，在加載過程中試件左右兩個面的位移約束對測試結(jié)果影響非常小，幾乎可以忽略，而且在雙向加、卸載過程中，又難以觀察裂隙擴展情況和試件失穩(wěn)模式.因此為簡化試驗并易于觀測裂隙破壞過程，本文采用單軸壓縮試驗進行等效，僅在巖體后側(cè)放置一個“L”型擋板對其一側(cè)位移進行限制，試驗加載系統(tǒng)如圖8所示.

1—試件； 2—錨桿.

1—試件； 2—錨桿； 3—壓力傳感器； 4—“L”型擋板.

2.2 試驗結(jié)果與分析

試件壓縮過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曾被文獻[14]研究過，且其文中有詳細的記錄與分析，本文不再累述.這次試驗僅對裂隙處錨桿的應(yīng)變規(guī)律進行詳細觀測.試驗?zāi)Ｐ椭校?#應(yīng)變片與3#應(yīng)變片、2#應(yīng)變片與4#應(yīng)變片，分別為桿體同一位置處桿體內(nèi)外應(yīng)變片的測試點，參見圖4.在壓縮加載過程中，4個測點出現(xiàn)了不同程度的拉應(yīng)變.由于1#應(yīng)變片(裂隙A處錨桿內(nèi)部測點)與3#應(yīng)變片(裂隙A處錨桿外部測點)的應(yīng)變-時間曲線的變化趨勢與應(yīng)變片2#和4#的基本相同，但其數(shù)值較小，故本次試驗以應(yīng)變片2#，4#的測試結(jié)果為例進行分析.圖9為2#應(yīng)變片(裂隙B處錨桿內(nèi)部測點)和4#應(yīng)變片(裂隙B處錨桿外部測點)的應(yīng)變-時間曲線圖.

圖9 應(yīng)變-時間曲線

根據(jù)加載過程中應(yīng)變片隨時間的變化關(guān)系以及裂隙的開裂情況，將應(yīng)變曲線劃分為3個階段：

階段 Ⅰ：加載初期，試件內(nèi)部孔隙逐漸閉合壓實，其變形以豎向壓縮變形為主，水平向變形很小，因此錨桿受到的拉力也很小，2#和4#應(yīng)變片的數(shù)值緩慢增長，直至280 s時，裂隙B處開始發(fā)生開裂，并在豎直方向上擴展，如圖10a所示.此時，黏結(jié)劑與錨桿之間沒有發(fā)生明顯的相對滑動，故2#應(yīng)變與4#應(yīng)變數(shù)值大小近乎相等.

階段 Ⅱ：在試件加載到約300 s時，裂隙B突然開裂，如圖10b所示，導(dǎo)致錨桿在裂隙B受到的拉力也突然變大，使得桿體上2#和4#應(yīng)變片的數(shù)值同時出現(xiàn)陡增現(xiàn)象.隨著豎向荷載持續(xù)增大，錨桿受到的拉力持續(xù)增大，2#應(yīng)變片和4#應(yīng)變片的測試量值線性增長，但4#應(yīng)變片的增長速率明顯大于2#應(yīng)變片.在這個階段，裂隙B附近的黏結(jié)劑發(fā)生部分破壞，使得部分黏結(jié)劑與錨桿之間發(fā)生了相對滑動，而黏結(jié)劑與4#應(yīng)變片接觸，黏結(jié)劑與錨桿間的相對滑動會對4#應(yīng)變片的測量結(jié)果產(chǎn)生干擾，但2#應(yīng)變片不受黏結(jié)劑破壞影響，因此4#應(yīng)變片與2#應(yīng)變片測量數(shù)值出現(xiàn)了一定的差異.

階段 Ⅲ：當試件加載到約510 s時，裂隙B開裂貫穿，裂隙A上部萌生的裂紋也已擴展到試件邊緣，此時試件的應(yīng)力得到部分釋放，錨桿受到的拉力在到達局部峰值后出現(xiàn)小幅度下降.隨著荷載的繼續(xù)增大，黏結(jié)劑完全破壞，黏結(jié)劑無法再施加給錨桿拉應(yīng)力，因此2#應(yīng)變片的數(shù)值逐漸趨于穩(wěn)定，而4#應(yīng)變片因與黏結(jié)劑之間還存在一定的摩擦力，故其數(shù)值呈現(xiàn)線性增長，直到試件最終失穩(wěn)破壞, 如圖10c所示.

圖10 模型試件破壞過程

通過本文設(shè)計的裂隙處錨桿應(yīng)變測試試驗可以發(fā)現(xiàn)：硐室圍巖卸荷后，如果巖體內(nèi)部裂隙處于密閉狀態(tài)，桿體內(nèi)、外應(yīng)變片的測試值基本一致.如果巖體內(nèi)部裂隙進入張開狀態(tài)，桿體內(nèi)、外粘貼應(yīng)變片的測試值變化趨勢基本相同，但是桿體外側(cè)粘貼應(yīng)變片的測試值明顯大于桿體內(nèi)側(cè)的測試值.根據(jù)錨桿的受力機理可知，圍巖卸荷變形通過黏結(jié)劑自身的剪切作用使得桿體產(chǎn)生拉應(yīng)變，進而抑制圍巖變形，因此錨桿內(nèi)部粘貼應(yīng)變片的方式在整個試驗過程中不受黏結(jié)劑影響，其測量數(shù)值可以真實反映桿體的變形情況.然而，應(yīng)變片粘貼在桿體外部時，應(yīng)變片不僅受錨桿拉力作用，同時還受到黏結(jié)劑與應(yīng)變片之間剪切力作用，其測量數(shù)值為桿體拉應(yīng)變與剪切應(yīng)變綜合體現(xiàn)，因此外部粘貼應(yīng)變片的測試值大于桿體內(nèi)部粘貼應(yīng)變片的測試值.如果巖體卸荷至破壞狀態(tài)(即發(fā)生板裂破壞時)，錨桿在裂隙局部失去剪切作用，錨桿應(yīng)力值無法繼續(xù)增加；相反桿體外粘貼的應(yīng)變片受到黏結(jié)劑的作用，會依然跟隨裂隙的開裂在局部繼續(xù)產(chǎn)生拉應(yīng)變(黏結(jié)劑能夠產(chǎn)生較大塑性變形)，此時的桿體外部粘貼應(yīng)變片的測試方法就不能準確反映錨桿的力學(xué)狀態(tài).Kilic等[15]曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)錨桿應(yīng)力測試結(jié)果已經(jīng)超過錨桿抗拉極限強度2～3倍時，錨桿依然沒有斷裂的現(xiàn)象，這在一定程度上可以說明錨桿外部粘貼應(yīng)變片會受到黏結(jié)劑的影響.因此桿體內(nèi)粘貼應(yīng)變片的測試方法更為可靠.

3 數(shù)值模擬分析

為了進一步驗證室內(nèi)試驗研究結(jié)論，本文利用FLAC3D對室內(nèi)試驗過程進行了精細化模擬.FLAC3D是目前公認的適合模擬巖土體的計算軟件，軟件自帶的本構(gòu)模型包括了大部分適于分析巖土體的本構(gòu)模型，而且顯式計算方法提高了非線性的計算能力，因此很多學(xué)者利用該軟件進行理論分析[16].

此次數(shù)值模擬的幾何模型尺寸與室內(nèi)試件一致，即：150 mm×150 mm×200 mm(長×寬×高).試件中的人造裂隙長度為70 mm，并將其簡化為圓弧形的空腔，裂隙最大間距為0.5 mm.黏結(jié)劑簡化為實體，其厚度為0.25 mm，其中黏結(jié)劑與錨桿桿體和相似材料之間的黏結(jié)面采用接觸單元分析.為模擬高應(yīng)力硬巖的脆性力學(xué)特性，試件采用應(yīng)變軟化本構(gòu)模型[17]，黏結(jié)材料具有極強的塑性力學(xué)特性，采用理想彈塑性本構(gòu)模型，而錨桿桿體基本在彈性范圍內(nèi)，錨桿桿體采用彈性本構(gòu)模型，其材料數(shù)值計算力學(xué)參數(shù)見表3和表4.為了獲取監(jiān)測計算過程中裂隙附近錨桿與膠結(jié)材料應(yīng)變的變化規(guī)律，與室內(nèi)試驗一樣，在兩裂隙處的錨桿內(nèi)、外側(cè)分別設(shè)置監(jiān)測點，共4個監(jiān)測點.數(shù)值計算模型如圖11所示.

FLAC3D的模擬計算結(jié)果如圖12所示.可以發(fā)現(xiàn)，在圍巖裂隙逐漸開裂的過程中，錨桿內(nèi)部單元體與黏結(jié)劑處單元體的受力狀態(tài)也經(jīng)歷了3個過程：

過程1 加載初期試件水平變形較小，黏結(jié)劑層與相似材料試件的變形基本協(xié)調(diào)，黏結(jié)劑層與巖體之間沒有形成剪切變形.此時，錨桿桿體幾乎沒有產(chǎn)生水平變形，錨桿與黏結(jié)劑層之間的接觸面出現(xiàn)了剪切位移.由于該階段水平變形很小，接觸面沒有出現(xiàn)滑移現(xiàn)象(參見圖13a)，錨固體完整性良好(參見圖14)，錨桿內(nèi)部應(yīng)變與黏結(jié)劑表面監(jiān)測點的應(yīng)變時程曲線基本一致.

過程 2 在豎向壓力逐漸增大過程中，相似材料試件的側(cè)向變形逐漸增加，表面變形最大達到0.9 cm，而錨桿變形基本可以忽略不計(參見圖13b)，非裂隙區(qū)域材料與錨桿桿體之間的剪切作用逐漸增強，并且在局部出現(xiàn)了滑移錯動(參見圖14)，開裂范圍也由臨空面向巖體內(nèi)部逐漸擴展.此時臨近裂隙區(qū)域錨桿內(nèi)部應(yīng)變與黏結(jié)劑表面監(jiān)測點的應(yīng)變時程曲線的量值出現(xiàn)了差異.

表3 數(shù)值計算力學(xué)參數(shù)

表4 接觸面力學(xué)參數(shù)

圖11 數(shù)值計算模型

過程3 當試件內(nèi)裂隙開裂貫通后，錨桿與黏結(jié)劑層之間的接觸失效(參見圖14)，其桿體不再承受其軸向的剪切作用，使得在裂隙處的全長黏結(jié)桿體變成了無黏結(jié)錨桿，裂隙處的局部變形被釋放，被平均到整個桿體上，因此應(yīng)變曲線在達到彈性階段峰值后，出現(xiàn)了一定程度的降低.此時鄰近裂隙區(qū)域錨桿內(nèi)部應(yīng)變與黏結(jié)劑表面監(jiān)測點的應(yīng)變時程曲線出現(xiàn)了不同的變化趨勢

圖12 裂隙B處的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

通過數(shù)值模擬分析結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，不僅可以證明室內(nèi)相似材料試驗結(jié)果的正確性，同時也進一步表明裂隙處全長黏結(jié)錨桿應(yīng)變的測試方法不同，其測試結(jié)果也截然不同.因此根據(jù)相似材料力學(xué)試驗與數(shù)值模擬分析的結(jié)論，在裂隙巖體內(nèi)測試全長黏結(jié)錨桿強度時，建議在錨桿內(nèi)部布設(shè)應(yīng)變片，以獲得更為準確的測試結(jié)果.

圖13 相似材料與錨桿的水平向變形

圖14 錨桿-黏結(jié)劑接觸面剪切滑移情況

4 結(jié) 論

本文提出基于3D打印技術(shù)的錨桿桿體內(nèi)粘貼應(yīng)變片的測試方法.通過單軸壓縮試驗發(fā)現(xiàn)，桿體內(nèi)、外粘貼應(yīng)變片的測試結(jié)果確實不同，且外壁應(yīng)變片受黏結(jié)劑影響較大，一旦黏結(jié)劑與桿體接觸面破壞，外壁應(yīng)變數(shù)據(jù)容易失真，尤其在裂隙開裂大變形后，測試結(jié)果已經(jīng)不能反映錨桿的真實受力狀態(tài).并通過FLAC3D軟件對室內(nèi)單軸壓縮試驗進行模擬分析，其理論分析結(jié)果與室內(nèi)試驗所得結(jié)果完全吻合，進一步證明本文提出測試方法的正確性.