锚杆长期拉拔荷载下岩体内部应变时空演化特征_胡江春.pdf

锚杆长期拉拔荷载下岩体内部应变时空演化特征 胡江春崔力郝育喜李渊孙发用 1 （中原工学院建筑工程学院， 河南 郑州 451191） 摘要锚固岩体的长期强度是围岩稳定性控制的基本依据和研究热点。以岩锚复合结构为研究对象， 运用 预埋应变技术， 通过全长时效方程黏结锚杆在长期荷载下的拉拔蠕变试验， 研究了锚固体内部应变的时空演化规 律。通过对比提出多项式作为拉拔蠕变时效方程的理论依据。研究结果表明 岩锚复合体的内部蠕变曲线不是单 调递增， 而是存在多个峰值； 随着时间延伸， 荷载对锚固段不同部位应变发展趋势的影响也不同， 具体表现为加载 初期锚固前端应变响应积极， 随着时间推移， 锚固末端应变与前端趋于一致； 锚固段的同一部位轴向应变一般大于 横向应变； 相比伯格斯模型， 多项式时效方程能更好地描述岩锚复合体锚固段的蠕变过程。研究结果可以为锚固 工程稳定性控制提供理论依据。 关键词锚固体蠕变锚杆拉拔内部应变 中图分类号TD315文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -08-044-06 DOI10.19614/ki.jsks.201908008 Temporal and Spatial Evolution Characteristics of Internal Strain of Rock Mass under Long-term Pull-out Load of Anchor Hu JiangchunCui LiHao YuxiLi YuanSun Fayong2 （School of Architecture Civil Engineering， Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 451191， China） AbstractThe long-term strength of anchored rock mass is the basis and hot research of surrounding rock stability con- trol. Taking the rock-anchor composite structure as the research object，the time-space evolution law of strain in the anchor was studied through the pull-out creep test of the full long-term aging equation bonded anchor under long-term load by using the embedded strain technology. Then， the polynomial was proposed as the theoretical basis of the pull-out creep aging equa- tion. The results showed that the internal creep curve of rock-anchor composite is not monotonically increasing， but has multi- ple peaks； As time goes on， the influence of load on the strain development trend of different parts of the anchorage section is also different， which shows that the front strain at the initial stage of loading has a positive response， and the strain at the end of anchorage tends to be consistent with that at the front as time goes by； The axial strain at the same part of the anchorage sec- tion is generally greater than the transverse strain； Compared with the Burgers model， the polynomial aging equation can bet- ter describe the creep process of the anchorage section of rock-anchor composite. The research results can provide theoretical basis for stability control of anchorage engineering. KeywordsAnchorage body， Creep， Bolt drawing， Internal strain. 收稿日期2019-07-07 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51574296） 。 作者简介胡江春 （1971） ， 男， 教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 518 期 2019 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 518 August 2019 近年来， 随着岩石工程不断向纵深发展，“三高 一扰动” 引起的地质灾害愈发增多， 尤其是高地应力 引起的锚固围岩蠕变现象愈发明显， 由此导致的工 程事故屡见不鲜 ［1-3］。大量数据表明多数锚固工程的 失稳破坏都是在工程运行后期发生的。同时， 地下 工程支护设计时， 也较少考虑围岩的蠕变效应， 因 此， 对锚固岩体内部蠕变特性进行研究是做好锚固 工程灾害防治的前提 ［4-8］。 锚固体力学特性的研究多集中在锚固机制方 面。汤雷等 ［9］较早地开展了锚杆拉拔试验， 得出了最 大拉拔力和锚固力之间的关系； 贺若兰等 ［10］通过拉 拔试验数据分析， 建立了可以通过极限荷载反算出 界面抗剪强度和解耦长度的理论模型； 尹延春等 ［11］ 通过拉拔试验和数值模拟， 研究了锚固体应力分布 44 ChaoXing 演化规律及其影响因素； 康红普等 ［12］运用多种手段， 研究了树脂锚杆的锚固性能和其影响因素， 得出不 同条件下剪应力分布特征； 肖同强等 ［13］开展了不同 锚固长度下锚杆拉拔特性的试验研究， 得出了锚固 长度和抗拔力之间的关系； 周炳生等 ［14］研究了全长 黏结式锚杆界面剪应力分布及荷载传递问题， 得到 了锚杆接触面荷载位移解答。 基于前人对锚固机制的研究成果， 近几年国内 一批学者率先开展了锚固体蠕变效应的研究。张振 普等 ［15］以锚固体蠕变特性为切入口， 得到了锚固体 在不同应力水平下的蠕变规律； 赵同彬等 ［16］对加锚 岩体锚固控制机制进行分析， 建立了基于广义开尔 文模型的加锚体流变本构方程； 在此基础上， 辛亚军 等 ［17］通过室内锚固体蠕变试验， 构建了基于伯格斯 模型的加锚体流变本构方程； 董恩远等 ［18］通过工程 实例对构建的围岩锚杆耦合流变模型进行验证； 接着， 刘韵然等 ［19］开展了不同加载方式下锚杆应力 时间效应的研究， 得到了不同加载方式下锚杆应力 的长期变化规律。 但是， 上述成果都是基于岩体表面的蠕变变形， 而起因是从岩体内部开始的。基于此， 本研究开展 了锚杆拉拔蠕变试验， 着重分析了锚固体内部应变 的时空演化特征， 并依据试验结果对伯格斯模型与 多项式进行了对比分析， 旨在进一步探明锚固体的 蠕变特性及其内在机理。 1试验方案 试验采用锚杆拉拔仪进行加载， 荷载等级为10 kN。试验终止条件 试样表面出现明显裂缝或锚杆 被拔出5 cm。实际加载结束时， 锚杆被拔出， 试样表 面未出现明显裂缝， 共历时96 h， 应变花布置如图1 所示， 蠕变试验装置如图2所示。 试样模型与原型的物理和几何相似比均为1 ∶ 1， 模拟红砂岩， 具体尺寸 模具400 mm400 mm 1 600 mm， 锚杆直径ϕ32 mm， 钻孔孔径ϕ50 mm。 相似材料配比铁精粉∶重晶石粉∶石英砂1 ∶0.67 ∶ 0.19， 石英砂规格40目； 辅助材料 石膏占材料总重 2.5， 松香酒精溶液摩尔浓度10， 松香酒精溶液占 材料总重5。其中， 锚固体钻孔黏结材料为工程常 用植筋胶。 2试验结果与分析 试验安置A、 B 2组应变花， 沿锚杆两侧布置， 分 别距锚杆50 mm和100 mm， 每个应变花测量轴向和 横向应变。 2. 1轴向应变时效特征分析 A、 B 2组应变花的轴向应变变化曲线如图3～图9 所示。 胡江春等 锚杆长期拉拔荷载下岩体内部应变时空演化特征2019年第8期 45 ChaoXing 从图3、 图4可以看出， A、 B 2组整体的轴向应变 不是呈单调递增的趋势， 而是有多个峰值， 且随着与 锚固前端纵向距离的增加， 轴向应变逐渐降低。在 锚固前端， A、 B 2组初始轴向应变较大并随加载时间 的增加而逐渐减小； 在远离锚固端部分， A、 B2组初始 轴向应变值较小， 且随时间增加不断增大， 在接近破 坏的时候， 首末两端的轴向应变最终趋于一致， 说明 拉拔力初期对锚固前端影响最大， 表现出的初始应 变也最大， 末端影响较小， 初始应变也较小， 随着时 间推移， 锚杆荷载效应对有效锚固段首末两端的影 响趋于一致。 由图 5～图 9 可知， B 组轴向应变整体远小于 A 组， 在靠近锚杆的A组应变花轴向应变正负均有出 现， 且波动范围较大， 远离锚杆的B组应变花轴向应 变基本维持在正值， 波动范围不大， 说明锚杆存在横 向有效锚固范围， 且只有在极小的横向锚固范围内 轴向应变的时效特征才具有明显的波动性。 2. 2横向应变时效特征分析 A、 B 2组应变花的横向应变变化曲线如图10～图 16所示。 金属矿山2019年第8期总第518期 46 ChaoXing 从图10、 图11可以看出， 加载初期锚固前端横向 应变较大， 末端较小， 加载接近破坏时首末两端趋于 一致， 即时效拉拔力初期对锚固前端的影响大于末 端， 后期影响趋于一致， 同时各测点横向应变随着与 锚固端距离不断增加而减小， 这2点与轴向应变的结 论一致； 部分测点加载初期应变有剧烈转折性变化， 主要是由于材料的不均质性， 以及裂缝的存在、 形成 和发展造成的。 由图12～图16可知， A组测点横向应变初期测试 值大于B组的测试值， 中期的小于B组， 后期的值与B 组的测试值趋于一致， 即越靠近锚杆， 应变量波动范 围越大， 而稍远处则应变变化比较平稳， 最终两者的 应变趋向一致。数据显示 有效锚固段横向方向上， 拉拔试验时， 恒定荷载对靠近锚杆部位影响大， 对远 处影响小， 但两者应变最终趋于一致。 综合轴向应变和横向应变时效图可以看出 同 一部位的轴向应变整体上要远大于横向应变。所以 对锚固工程而言， 研究工程长期稳定性时， 应重点监 测锚固前端的轴向蠕变变形。 3锚固体内部蠕变理论分析 伯格斯模型能较好地反映软岩材料的流变性 质， 该模型的蠕变方程为 ε t S′0 2E1 S′0 2η1t S′0 2E2 （1-e E2 η2t） ，（1） 式中，S′0,E1,E2,η1,η2均为常数。 令 S′0 2E1 a, S′0 2η1 b, S′0 2E2 c, E2 η2 d， 得 ε t abtc 1-e-dt,（2） 式中，a,b,c,d均为大于零的常数。 实际工程中， 岩体多为岩锚复合结构， 内部均 质性差， 多含节理和裂隙， 此时， 材料本构模型很难 准确描述复合结构的蠕变方程， 而经验公式往往能 针对性地作为岩锚复合结构的蠕变方程。根据锚 杆拉拔蠕变试验应变时效图， 设蠕变方程为 ε t a0a1ta2t2a3t3antn,（3） 式中，a0,a1,a2,a3,,an均为常数。 分别选取A组X、 Y方向3个测点数据， 对伯格斯 模型和多项式进行拟合， 得到如图17～图22所示拟合 结果。 由图17～图22拟合结果可知 无论X方向还是Y 胡江春等 锚杆长期拉拔荷载下岩体内部应变时空演化特征2019年第8期 47 ChaoXing 方向， 伯格斯模型对试验曲线拟合程度都很低， 不符 合本次试验的蠕变方程。究其原因是复合材料的不 均质性、 岩体内部含有的大量节理和裂隙， 以及加载 过程中新裂缝的形成与发展。相反， 多项式对试验 曲线拟合程度高， 且随着n的不断增大， 拟合程度越 来越高， 一般认为， 超过3次以上的多项式， 拟合参数 受多种因素影响， 难以准确获取， 而图中的3次多项 式已经能较好程度地描述蠕变曲线， 次数的增多并 没有大幅提升拟合精度。由此可见， 出于实用价值 考虑， 锚杆在拉拔荷载的长期作用下， 3次多项式便 可较准确地描述锚固体内部蠕变过程。因此可以用 多项式预测工程锚固围岩内部蠕变状态， 为锚固围 岩的稳定性控制提一定的理论参考价值。 4结论 （1） 拉拔蠕变条件下， 锚固体内部应变时程曲线 不是单调递增， 而是存在多个峰值。 （2） 拉拔蠕变初期， 荷载对锚固前端影响最大， 末端影响较小， 随着时间推移， 末端应变与前端应变 逐渐趋于一致， 所以在锚固工程不同时期应采取不 同的变形监测方式和内容。 （3） 拉拔蠕变条件下， 锚固体同一部位轴向应变 一般大于横向应变。所以， 在工程监测过程中应更 金属矿山2019年第8期总第518期 48 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ ［17］ ［18］ ［19］ 加注重锚固前端轴向位移的变化情况， 横向位移可 以作为一种辅助监测对象。 （4） 理论分析表明3次多项式便可较好地解译锚 杆在拉拔力作用下锚固段的蠕变过程。因此， 可以 依据室内试验结果， 利用多项式拟合锚固工程长期 强度相关参数。 参 考 文 献 赵同彬， 谭云亮， 尹延春. 锚固岩石变形破坏力学试验与模拟 ［M］ . 北京 科学出版社， 2016. 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