岩体锚固界面剪切蠕变特性研究

袁 超，高文华，向德强

(湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

岩土锚固作为一种优越的岩土体加固技术，广泛应用于我国水利、交通、矿山等工程建设中，已成为提高岩体工程稳定性和解决复杂工程地质问题以及地质灾害防治最为经济、最为有效的方法之一［1］。众所周知，锚固系统在宏观上由锚杆体、黏结材料和岩土体三种介质组成。无论哪一种锚固系统，它们的相互作用均是通过它们之间的接触界面作为媒介完成的，即通过锚固界面发挥作用。大量的实验和工程实践表明，大多数岩体中锚杆的失效是发生在锚固界面上，这是锚固系统的薄弱部分［2－4］。同时锚固系统的失稳并不是从一开始就出现的，而是一个渐变的过程，它与岩土体和锚固界面的蠕变密切相关。因此开展对锚固界面的剪切蠕变特性研究是具有现实的意义和价值的。

国内外一些学者已经开展了相关研究，并取得了一些成果:朱珍德［5］针对锦屏二级水电站的软弱围岩进行了含软弱夹层岩石的剪切流变试验，得到其剪应力τ—剪切位移μ 的时程曲线，通过把含软弱夹层岩石的长期强度参数与快剪试验所获得的参数对比发现岩石的长期强度参数有所弱化，且粘聚力对剪切流变特性的影响要略大于内摩擦系数;张清照［6］进行对规则齿形结构面在不同法向应力条件下的剪切蠕变试验，研究不同角度结构面在不同法向应力的作用下的剪切蠕变特性，根据试验结果，对不同角度结构面的剪切蠕变特性进行了描述，并指出结构面的蠕变试验中，严格意义上的稳态蠕变是不存在的，实际上只是蠕变速度随时间缓慢减小的近似稳态蠕变过程，最后提出了改进Burgers 模型来描述结构面的剪切蠕变特性;尤春安［3］通过室内试验，研究灌浆体中水灰比、外掺物以及含沙率对锚固界面的力学性质的影响，结果表明，适当的降低水灰比、提高灌浆体的含沙率能改善锚固界面的分布规律和力学性状，而加入外掺物的效果不是很明显。总之，如今岩体滑坡、围岩滑坡等灾害屡见不鲜，这些事故的发生都与锚固系统失效有关，即锚固界面的蠕变失效。

本文针对锚固界面开展室内剪切蠕变试验，研究锚固界面在不同荷载下应变、界面力学特性随时间的变化规律，以及锚固界面的剪切蠕变情况，分析其影响因素。

1 试件制备及试验过程

室内试验是在长春朝阳试验仪器有限公司研制的三轴岩石剪切流变机试验仪基础上通过改进以后的流变试验机上进行的，改进后的设备能提供600 kN 的垂直(法向)拉力，精度≤±3‰，完全能满足试验精度的要求。

锚固系统由三部分组成:基体、灌浆体以及锚杆体。基体部分采用混凝土材料制备，在实验室内配制C30 的素混凝土浇筑成模。灌注体采用普通M10 砂浆，水泥∶砂∶水 =1∶3∶0.6。锚杆体选用Ф16 mm 的HRB400 螺纹钢作为锚杆的杆体材料，锚杆总长度设计为550 mm，螺纹钢外露端长度为100 mm。基体采用两半成型，模型成型后24 h 拆模，在标准养护条件下养护7 d 后，用环氧树脂进行基体的胶合，达到一定强度后放置处理过的锚杆体并进行砂浆的浇筑，在标准养护条件下养护28 d 后进行试验。试件基本模型如图1。试件分批制作，以满足试验所需试件的要求。另外每批试件还浇筑3 个150 mm×150 mm×150 mm 同基体一批次的混凝土标注试块、3 个 70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm同砂浆一批次的砂浆标注试块，以及1 个不做任何处理的标准试件，用来确定试件材料的常规力学参数和试件的极限抗拔力。

本次试验为锚固界面的剪切蠕变试验。试验采用分级加载的方式，即从某一应力开始逐级增加荷载，直至锚固系统破坏。锚固界面的剪切蠕变试验的第1 级负载设计为相应批次试件常规拉拔试验极限抗拔力的10%，然后依次递增，如表1，直至锚固系统失效试验完成，每一级负载维持24 h，以满足变形的稳定。试验监测点处应变片的布置:基体上沿端口每隔75 mm 布置一组，共7 组;锚杆体上沿端口每隔70 mm 布置一组，共7 组。试验过程中，室内温度恒定，可以忽略温度变化的影响。表2为材料常规力学参数。

图1 试件模型(单位:mm)

表1 试件极限抗拔力及分级加载负载 kN

表2 材料常规力学参数

2 试验结果分析

锚固系统在宏观上由锚杆体、黏结材料和岩土体三种介质组成，整个锚固系统通过锚固界面为媒介发挥作用。锚杆体与黏结材料所接触的界面称为“第一锚固界面”，黏结材料与岩土体所接触的界面称为“第二锚固界面”。因此研究锚固界面的特性就是研究第一锚固界面和第二锚固界面的特性。

2.1 第一锚固界面剪切蠕变特性研究

本剪切蠕变试验数据量大，干扰因素多，现采用一些有效数据进行分析。由试验数据分析可得锚杆体轴力测试结果的分布情况如图2所示，锚杆体在外力的作用下主要承受拉力，最大轴力值出现在端口位置，然后沿锚杆体轴向向锚杆体尾端逐渐减小。随着外荷载的增大，锚杆体的轴力也随之增大，且轴力分布基本呈幂函数规律，这是由于锚杆体的轴力从上端传递到尾端时，锚杆体与灌浆体本是粘结在一起的，阻碍了轴力的向下传递过程，所以表现为上端轴力大，下端轴力小的沿轴向的呈幂函数规律。

图2 锚杆轴力分布

由力的平衡条件得到第一锚固界面剪应力的分布情况如图3所示，剪应力的峰值主要集中在锚固端部的42～172 mm 的范围内，即在锚固端口处剪应力较低，向下迅速增长到一个峰值区，然后再逐渐减低，在锚固段的后半段界面剪力衰减较快，一直到锚固端尾处于一个很低的剪力水平。同时，随着外荷载的增加，第一锚固界面剪应力也呈正相关性出现。

图3 第一锚固界面剪应力分布

对于剪切蠕变试验试件1－1 总共历时168.03 h，采用分级加载共加载8 级，总位移达3.89 mm，最终锚固系统失效，试件破坏。试件1－2 总共历时168.2 h，采用分级加载共加载8 级，总位移达3.46 mm，第一锚固界面失效，锚杆被拔出，试件破坏。

如图4a、图5a 所示，在加载的瞬间，锚固界面产生很大的瞬时变形，整个试验过程中的瞬时变形有3.17 mm，占总位移的81.5%。从图4b、图5b 可以看出，在低应力水平时，锚固界面蠕变经过初始蠕变后，进入蠕变速率接近零的衰减蠕变阶段，在该阶段应变持续增加，发展速度快，但速率随时间在不断降低，即 ε ＞0，＞0，＜0;在较高应力水平时，锚固界面蠕变经过初始蠕变后，进入蠕变速率基本为一常数的稳定蠕变(等速蠕变)，在稳定蠕变阶段变形随时间持续发展，变形速率随蠕变应力的大小而不同，即 ε ＞0，＞0，=0，如图4c、图5c;如图4d、图5d，锚固系统在处于高应力水平时，很快就失效了，锚固系统破坏。该阶段时间极短或者说锚固系统还没时间反应就已经破坏。由于锚固界面不同于岩体或者岩石本身，在前两个阶段，锚杆轴力向下传递的过程中，在锚固界面上表现为剪切效应，剪切力随荷载的增大而增大，而且不断向下传递，同时蠕变区域也向下发展，产生较大变形，随着时间的增长，剪切效应很快使锚固界面失效，表现为界面上产生脱粘，甚至滑移，所以高应力水平时剪切效应很快贯穿整个锚固界面，锚固系统失效，试件破坏，而岩石在高应力水平时，虽然内部微裂隙、孔隙产生扩展、汇聚、贯通，变形很大，但是由于岩石本身的残余强度，所以能表现出一定的加速蠕变阶段。在该阶段应变快速发展，变形加速度大于零，当岩石达到极限，岩石破坏。因此，严格意义上的锚固界面的加速蠕变阶段，是不存在的。

图4 试件1 －1

2.2 第二锚固界面剪切蠕变特性研究

本试验采用数据较为完整且有代表性的监测点进行分析。图6为试件1－1 第二锚固界面上离端口最近的监测点1－1－1，图7为试件 1－2 第二锚固界面上中间偏下部位的监测点1－2－4。

图5 试件1－2

图6 分级荷载下监测点1－1－1 变化情况

图7 分级荷载下监测点1－2－4 变化情况

通过在第二锚固界面上布置监测点对第二锚固界面上的应变进行实时的测定。监测点1－1－1 最靠近端口，在该处锚杆的应变最大，则锚杆的轴力在该处也最大，沿着杆长向端尾，锚杆的轴力逐渐衰减，在端尾达到最小值。剪切效应在第一锚固界面上沿杆长向下发展，剪应力表现为从端口开始迅速增大到最大值，然后向下逐渐减小，即其最大值在距端口一定距离的位置上。外界荷载将力传递给锚杆体，锚杆体与黏结材料在第一锚固界面上产生剪切效应，同时第二锚固界面也表现出了这种效应。监测点1－1－1 在荷载施加的瞬间产生比较大的瞬时变形，荷载恒定后随着时间的增长表现出了剪切蠕变的特性，即应力不变的情况下，应变随时间而不断增长。当荷载在20 kN 以下时，应变随时间增长不大，即达到第二锚固界面的长期强度［7］后的衰减蠕变阶段;当荷载在一个较大的水平时，瞬时变形后锚固界面表现出应变随时间逐渐增大的现象，且变化的速率趋于一恒定的值，即表现出稳定蠕变的特性;当荷载达到60 kN 时，锚固界面很快失效，试件破坏。由于其时间极短，所以没有表现出蠕变特性的加速蠕变阶段，与第一锚固界面相似。监测点1－2－4 靠近中部偏下的位置，在低应力水平时也表现出了衰减蠕变阶段，以及在较高应力水平时的稳定蠕变阶段，由于界面的剪切效应是由端口向端尾传递发展的，即端口发展快，端尾发展慢，因此当端尾附近的监测点快要达到极限时，此时端口附近的监测点已经破坏，此时锚固系统已经失效，这也就说明监测点1－2－4 没有表现监测点1－1－1 最后破坏的性状。

3 结论

本文通过进行室内剪切蠕变试验，研究锚固界面的剪切蠕变特性，并对试验数据进行分析，得出结论如下:

1)锚杆体轴力在锚固端口最大，沿杆长向下逐渐减小。

2)第一锚固界面上的剪力呈抛物线分布，即从端口迅速增大到最大值，然后向下逐渐减小。随着荷载的增大和剪切效应的向下传递，第一锚固界面上只表现出了衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段，没有表现加速蠕变阶段就已经失效。

3)第二锚固界面上也只表现出衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段，且由于监测点位置的差异，靠近端口附近的监测点表现了破坏的性状，而靠近端尾附近的监测点没有。

4)本文分析了锚固界面的剪切蠕变特性，试验真实、合理，为相关方面的研究提供了一些参考，具有一定的工程实用价值。

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