徐 沖，郭佳奇，趙秋林

（1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），陜西西安 710043；3.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南焦作 454000）

錨噴支護(hù)技術(shù)借助錨桿、混凝土噴層和圍巖形成共同作用體系，把一定厚度的圍巖轉(zhuǎn)變成自承拱，從而有效地加固圍巖［1］。錨桿的主要作用是提高圍巖的抗變形能力，使圍巖成為支護(hù)體系的組成部分。其次，混凝土噴層除具有充填黏結(jié)作用和封閉作用外，在共同作用體系中還起著更為重要的結(jié)構(gòu)作用。

近年來(lái)在新型錨桿開(kāi)發(fā)、錨桿支護(hù)受力機(jī)制、錨桿錨固體與圍巖相互作用等方面取得了大量研究成果。史玲［2］研究了傳統(tǒng)噴層條件下圍巖性質(zhì)對(duì)噴層結(jié)構(gòu)的影響，并分析了應(yīng)力控制模式和結(jié)構(gòu)控制模式下噴層的作用。方樹(shù)林等［3］對(duì)井下后噴混凝土受力狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明后噴層在巷道軸向、徑向和切向均有應(yīng)力產(chǎn)生，且外噴層與初噴層的接觸壓力小于初噴層與圍巖的接觸壓力。項(xiàng)偉等［4］研究了凍融循環(huán)條件下圍巖與噴層的變形規(guī)律和相互作用機(jī)理。黃偉等［5］研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土噴層具有柔性讓壓功能。托盤(pán)在錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)體系各部分荷載傳遞過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。楊更社等［6］將托盤(pán)視為受集中力作用的自由邊圓形薄板，計(jì)算了圓形托盤(pán)和圍巖之間的相互作用力。王建智等［7］研究了托盤(pán)對(duì)錨桿內(nèi)力分布的影響?？导t普等［8］采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)井下監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法對(duì)托板的應(yīng)力分布、變形狀況及對(duì)圍巖的支護(hù)作用進(jìn)行了研究。這些研究均是針對(duì)錨噴支護(hù)整體結(jié)構(gòu)體系中某一承載部分開(kāi)展，而托盤(pán)與噴層間耦合作用下錨桿受力特征的研究十分少見(jiàn)。鑒于此，本文利用自制多功能錨桿受力測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行不同托盤(pán)形式與不同強(qiáng)度素混凝土噴層組合下錨桿拉拔性能試驗(yàn)，分析托盤(pán)與噴層耦合作用下錨桿受力狀態(tài)、噴層破壞特征。試驗(yàn)成果可為錨噴支護(hù)的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

自行設(shè)計(jì)了多功能錨桿受力測(cè)試系統(tǒng)，由反力架、錨具、加載裝置、測(cè)量裝置、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成，可提供的拉拔力最大可達(dá)600 kN、拉拔行程可達(dá)300 mm，可模擬錨桿與黏結(jié)材料界面、錨固體與圍巖界面相互作用，研究托盤(pán)與噴層耦合作用下錨桿軸心、偏心受拉力學(xué)性能，見(jiàn)圖1。

圖1 多功能錨桿受力測(cè)試系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)材料

采用室內(nèi)配制的C15、C20、C25 混凝土噴層。水泥采用32.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥；粗骨料選用粒徑20～35 mm 的碎石；細(xì)骨料采用優(yōu)質(zhì)河砂，細(xì)度模數(shù)為2.63，最大粒徑不大于5 mm，級(jí)配良好，干燥。

錨桿采用左旋帶肋高強(qiáng)錨桿，牌號(hào)為MG400，長(zhǎng)度為3 m，直徑為22 mm，屈服強(qiáng)度為400 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為540 MPa。試驗(yàn)中采用平板托盤(pán)、蝶形托盤(pán)、新型托盤(pán)3 種托盤(pán)形式。其中，新型托盤(pán)可利用自身圓鼓外殼形式實(shí)現(xiàn)壓力讓壓功能，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)用托盤(pán)

1.3 試驗(yàn)方法與方案

托盤(pán)與噴層體系制作方法：拉拔試驗(yàn)采用的混凝土噴層尺寸為500 mm（長(zhǎng)）×500 mm（寬）×150 mm（高），將噴層中央預(yù)留直徑為50 mm 的圓孔作為錨桿錨固預(yù)留鉆孔。首次澆筑60 mm 作為初噴層，而后澆筑厚度為90 mm 的復(fù)噴層，復(fù)噴層澆筑時(shí)中間緊靠初噴層預(yù)留安裝托盤(pán)的尺寸為160 mm×160 mm的方孔。

拉拔試驗(yàn)方法：首先將加工的可拆卸模具固定在試驗(yàn)系統(tǒng)的一端，模擬圍巖的基底、混凝土噴層依次放入模具內(nèi)鎖定，模具對(duì)基底和噴層起到約束作用；然后將錨桿通過(guò)預(yù)留孔錨固在拉拔端和噴層端，其中拉拔端為錨固端，采用直徑為21 mm 的球形錨具錨固。錨噴支護(hù)體系安裝就位后，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄拉拔荷載和錨桿伸長(zhǎng)量。當(dāng)加載系統(tǒng)達(dá)到最大行程或噴層嚴(yán)重破壞或錨桿尾部破壞時(shí)停止試驗(yàn)。本文共進(jìn)行3 種托盤(pán)和3 種強(qiáng)度噴射噴層組合下的9組拉拔試驗(yàn)。

圖3 不同組合下錨桿應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系

2 不同情況下錨桿拉拔力位移

托盤(pán)和混凝土噴層不同組合情況下錨桿拉拔力—變形關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

由圖3可知：①托盤(pán)與素混凝土噴層耦合下的錨桿拉拔力與伸長(zhǎng)量關(guān)系曲線具有大致相同的變化趨勢(shì)，曲線可分為彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段3 個(gè)階段，且每階段特征十分明顯。②相同托盤(pán)形式時(shí)，混凝土噴層本身強(qiáng)度對(duì)錨桿屈服強(qiáng)度影響不大?；炷羾妼訌?qiáng)度對(duì)線性彈性階段的錨桿剛度有明顯的影響，該階段錨桿剛度隨混凝土噴層強(qiáng)度的增大而增大。如采用蝶形托盤(pán)時(shí)，混凝土噴層強(qiáng)度由C15提高至C25，錨桿剛度隨之由4.45 MN/m 增大到4.86 MN/m；反映出錨噴支護(hù)中過(guò)高的混凝土噴層強(qiáng)度不利于圍巖壓力釋放和自身承載能力的發(fā)揮。③相同混凝土噴層強(qiáng)度時(shí)，平板托盤(pán)條件下的錨桿拉拔曲線在線性彈性階段的曲線斜率高于蝶形托盤(pán)和新型托盤(pán)，故平板托盤(pán)不具有讓壓功能，不利于錨噴支護(hù)體系彈性階段的充分發(fā)展，進(jìn)而影響隧洞開(kāi)挖初期圍巖應(yīng)力釋放。④采用平板托盤(pán)時(shí)，隨混凝土噴層強(qiáng)度的增加錨桿屈服強(qiáng)度變化不大，屈服平臺(tái)寬度均為42 mm；但屈服時(shí)的絕對(duì)伸長(zhǎng)量隨混凝土噴層強(qiáng)度的增加而略微延長(zhǎng)。⑤采用蝶形托盤(pán)時(shí)，不同混凝土噴層強(qiáng)度錨桿屈服狀態(tài)時(shí)的伸長(zhǎng)量和屈服強(qiáng)度基本相同，但隨混凝土噴層強(qiáng)度的降低，屈服平臺(tái)寬度逐漸增長(zhǎng)。說(shuō)明蝶形托盤(pán)條件下混凝土噴層強(qiáng)度的提高不利于錨桿的讓壓。⑥采用新型托盤(pán)時(shí)，錨桿屈服強(qiáng)度隨混凝土噴層強(qiáng)度的增大先增大后減小，C20 時(shí)錨桿屈服平臺(tái)寬度達(dá)到47 mm，進(jìn)入屈服狀態(tài)時(shí)不同混凝土噴層強(qiáng)度下錨桿的伸長(zhǎng)量基本相同。

3 托盤(pán)與噴層耦合作用下噴層應(yīng)變

C20 素混凝土噴層與3 種托盤(pán)不同組合情況下噴層應(yīng)變與錨桿拉拔力的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖4。

由圖4可知：①混凝土噴層的應(yīng)變隨著錨桿拉拔力的增加而增大；在鉆孔周圍，加載后期混凝土噴層表現(xiàn)出明顯的屈服特征。②在相同拉拔力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)距鉆孔形心相同距離條件下，初噴層與圍巖接觸面處比初噴層與復(fù)噴層接觸面處應(yīng)變稍大。說(shuō)明初噴層與圍巖接觸面應(yīng)力大于初噴層與復(fù)噴層接觸面應(yīng)力，且同一層面上的應(yīng)變片，距離鉆孔越遠(yuǎn)處應(yīng)變?cè)叫?。③采用新型托盤(pán)時(shí)，復(fù)噴層外表面鉆孔外20 mm處曲線斜率局部突增。隨荷載增加，新型托盤(pán)發(fā)生變形，對(duì)噴層產(chǎn)生壓力，阻止應(yīng)變?cè)龃?，體現(xiàn)出限制噴層過(guò)度變形的性能。

圖4 噴層應(yīng)變-錨桿拉拔力關(guān)系曲線

4 不同情況下的噴層破壞形態(tài)

素混凝土具有明顯的脆性，且隨著其強(qiáng)度的增大脆性愈加明顯，即在托盤(pán)傳遞來(lái)的荷載作用下噴層表面裂紋由微裂紋迅速發(fā)展成裂縫、長(zhǎng)裂縫、寬裂縫直至貫通噴層表面。以C20素混凝土噴層為例，托盤(pán)與噴層耦合作用下錨桿軸心拉拔試驗(yàn)中噴層的破壞形態(tài)見(jiàn)圖5。

圖5 C20素混凝土噴層破壞形態(tài)

由圖5可知：①平板托盤(pán)、蝶形托盤(pán)與素混凝土噴層耦合作用下噴層破壞特征基本相同，裂紋由初噴層鉆孔周邊向噴層四周及復(fù)噴層延伸，直至噴層破壞，裂紋呈以鉆孔為中心向外發(fā)散的輻射狀。②新型托盤(pán)與素混凝土噴層耦合作用下，裂紋在初噴層上以鉆孔為中心向外單軸輻射，復(fù)噴層上裂紋貫通于一個(gè)方向。這是由于托盤(pán)隨著錨桿拉拔力的增大而發(fā)生變形，對(duì)噴層產(chǎn)生一定的壓力，阻止其裂紋的產(chǎn)生，說(shuō)明新型托盤(pán)有阻止噴層破壞的功能。

5 結(jié)論

1）混凝土噴層強(qiáng)度對(duì)錨桿屈服強(qiáng)度影響不大，但對(duì)彈性階段的錨桿剛度有明顯的影響，該階段錨桿剛度隨混凝土噴層強(qiáng)度的增大而增大。

2）平板托盤(pán)條件下，錨桿的屈服強(qiáng)度受混凝土噴層強(qiáng)度影響不大，但錨桿進(jìn)入屈服時(shí)的伸長(zhǎng)量隨混凝土噴層強(qiáng)度的增加而略微增大；蝶形托盤(pán)條件下，屈服平臺(tái)寬度隨混凝土噴層強(qiáng)度的降低逐漸增加；新型托盤(pán)條件下，進(jìn)入屈服狀態(tài)時(shí)不同混凝土噴層強(qiáng)度下錨桿的伸長(zhǎng)量基本相同。蝶形托盤(pán)和新型托盤(pán)具有讓壓性能。

3）采用平板托盤(pán)和蝶形托盤(pán)時(shí)，裂紋呈以鉆孔為中心向外發(fā)散的輻射狀；采用新型托盤(pán)時(shí)，裂紋在初噴層上以鉆孔為中心向外輻射，復(fù)噴層上裂紋貫通于一個(gè)方向，在一定程度上表現(xiàn)出阻止噴層破壞的性能。