基于豆石混凝土的不同杆体形式锚杆承载力试验研究*

孙世国 苗子臻 龚之淇 郭 杰

(北方工业大学土木工程学院)



·材料·装备·

基于豆石混凝土的不同杆体形式锚杆承载力试验研究*

孙世国 苗子臻 龚之淇 郭 杰

(北方工业大学土木工程学院)

为了提高锚杆承载力，利用小粒径豆石混凝土作为锚固剂，进行了异型锚杆抗拔性能试验，研究了混凝土强度及杆体形式对锚杆承载力的影响。试验结果表明：杆体形式对锚杆承载力影响显著，螺纹双盘、螺纹单盘锚杆承载性能明显优于螺纹光杆锚杆，螺纹单盘锚杆承载力为螺纹光杆锚杆的1.12倍，螺纹双盘锚杆承载力为螺纹单盘锚杆的1.35倍；对于螺纹单盘及螺纹双盘锚杆，由于金属圆盘的存在，锚固体系荷载传递机制发生改变，传统界面滑脱破坏形态不再发生，破坏形态主要为圆盘上部浆体产生锥形剪切破坏，有利于锚杆承载力提高；在相同条件下，各锚杆承载力与混凝土强度呈非线性关系，随混凝土强度的增加而增大，但其增大幅度随着混凝土强度的提高而逐渐降低。

豆石混凝土 杆体形式 锚杆承载力 拉拔试验

岩土锚固是岩土工程领域的重要分支，在岩土工程中采用锚固技术，能充分调用和提高岩土体的自身强度和自稳能力，有效保证施工安全。在边坡、基坑、矿井、隧洞、坝体及抗倾、抗浮结构等工程中获得广泛应用[1-4]。目前，大量研究及工程实践表明：锚固系统的失效形式主要为注浆体与岩土体、杆体与注浆体界面滑移破坏[5-7]，且工程上常用纯水泥浆液或水泥砂浆作为锚固剂，通常需要消耗大量水泥，工程造价高昂[8-10]。因此，本文采用小颗粒豆石混凝土作为锚固剂，通过室内拉拔试验，对3种不同杆体形式的锚杆抗拔性能及相应破坏模式进行了研究，探讨了混凝土强度、杆体形式对锚杆承载力的影响，以期为岩土锚固新技术的研发进行有益的探索。

1 试验方案设计

一般而言，水泥砂浆或纯水泥浆液作为锚固材料，具备灌浆便捷、受控因素少等优点，但往往需要消耗大量水泥，导致工程造价过高。为此，根据锚杆灌浆的特点，采用小粒径豆石混凝土作为锚固剂，对螺纹光杆、螺纹单盘杆、螺纹双盘杆进行拉拔试验，各杆体形式如图1所示。本试验依据混凝土强度及稠度的要求设计了4种不同配比，参数如表1所示。其中水泥选用42.5级普通硅酸盐水泥，豆石骨料粒径在10 mm以下，中砂，细度模数为2.6，取萘系高效减水剂，掺入量为胶凝材料1%，减水率20%。

图1 不同杆体形式锚杆

试验组号水∶水泥∶砂∶豆石(质量比)外加剂塌落度/mm抗压强度/MPaA1∶1．71∶2．73∶3．62无20035B1∶1．98∶3．15∶4．18减水剂18040C1∶2．22∶2．16∶3．67无18045D1∶2．55∶2．48∶4．22减水剂20050

螺纹杆直径25 mm，长度400 mm；带孔金属圆盘外径50 mm，内径25 mm，厚度10 mm，两盘间距80 mm；选用200 mm×200 mm×200 mm立方体试块。

试验步骤如下：①根据试验方案对各试验材料用量进行计算，准备试验材料；②完成试块制作及混凝土坍落度测定，试件浇筑时不进行振捣，完全依靠混凝土自密实；③自然养护28 d后进行试块拉拔试验，加载时通过特制固定装置，将试块固定在万能试验机上，锚杆通过固定装置中间圆孔与试验机下部夹具相连，拉拔速率选取0.2 kN/s。实验装置如图2、图3所示。

图2 万能试验机

图3 固定装置

2 混凝土强度、杆体形式对锚杆承载力的影响

对12组试块进行拉拔试验，记录每组相应破坏模式及极限承载力，试验结果如表2所示，相应破坏模式大致可分为3类：①形式Ⅰ,多发生在较低混凝土强度的螺纹光杆试块，由于螺纹的存在，随荷载作用，试块沿杆体产生劈裂破坏;②形式Ⅱ,多发生在较强混凝土强度的螺纹光杆试块，主要为杆体与锚固剂(灌浆体)界面的滑脱破坏，杆体被拔出时，有明显浆体碎屑带出;③形式Ⅲ,多发生在螺纹单盘杆及螺纹双盘杆试块，由于金属圆盘的存在，随荷载作用，圆盘上部浆体产生锥形剪切破坏。

承托形式/MPa螺纹光杆/kN螺纹单盘/kN螺纹双盘/kN3574．4984．15109．804084．8698．65136．654597．45105．42144．125099．76109．25147．10破坏形式Ⅰ、ⅡⅢⅢ

根据试验结果,得到杆体形式及混凝土强度对锚杆承载力的影响分别如图4、图5所示,通过对螺纹光杆、螺纹单盘杆及螺纹双盘杆试验数据进行回归分析，得到各杆体形式对应的锚杆拉拔力与混凝土强度回归关系曲线及方程，如图6～图8所示。

由表2、图4可知，在其他条件相同时，螺纹单盘锚杆承载力约为螺纹光杆锚杆承载力的1.12倍，螺纹双盘锚杆承载力约为螺纹单盘锚杆承载力的1.35倍，可知杆体形式的改变对锚杆承载力影响显著，金属圆盘的存在使锚杆承载力明显提高。此外，通过各杆体相应破坏形式对比，可知金属圆盘的存在，使锚固体系荷载传递机制发生改变，充分发挥了机械咬合力的作用，避免了传统破坏形式的发生。

图4 杆体形式对锚杆承载力的影响

图5 混凝土强度对锚杆承载力的影响

图6 螺纹光杆锚杆拉拔力与混凝土强度关系曲线

图7 螺纹单盘锚杆拉拔力与混凝土强度关系曲线

图8 螺纹双盘锚杆拉拔力与混凝土强度关系曲线

根据表2及图5可知，在其他条件相同时，豆石混凝土强度从35 MPa提高至40 MPa,锚杆承载力提高14%～17%；从40 MPa提高至45 MPa, 锚杆承载力提高5%～12%；从45 MPa提高至50 MPa,锚杆承载力提高2%～5%。结合图6～8可知，对于螺纹光杆、螺纹单盘、螺纹双盘3种杆体形式，锚杆承载力与混凝土强度呈非线性关系，尽管随混凝土强度的增加锚杆承载力增大，但其增加幅度随着混凝土强度的提高而逐渐降低。

3 结 论

(1)杆体形式的改变对锚杆承载力影响显著，对于螺纹单盘及螺纹双盘锚杆，由于金属圆盘的存在，锚固体系荷载传递机制发生改变，传统界面滑脱破坏形态不再发生，圆盘挤压混凝土形成的机械咬合力使锚杆承载力显著增加。

(2)对螺纹光杆、螺纹单盘、螺纹双盘3种不同的杆体形式，其锚杆承载力均与混凝土强度呈非线性关系，随混凝土强度的增加锚杆承载力增大，但其增大幅度随着混凝土强度的提高而逐渐降低。

[1] 程良奎,胡建林,张培文.岩土锚固技术新发展[J].工业建筑,2010,40(1):98-101.

[2] 刘泉声,雷广峰,彭星新.深部裂隙岩体锚固机制研究进展与思考[J].岩石力学与工程学报,2016,35(2):312-332.

[3] 叶 强,刘 强.岩土锚固技术在公路边坡治理中的应用[J].公路,2011(12):43-45.

[4] 张乐文,李术才.岩土锚固的现状与发展[J].岩石力学与工程学报,2003,22(S1):2214-2221.

[5] 程良奎.岩土锚固[M]．1版.北京：中国建筑工业出版社，2003.

[6] 何思明,田金昌,周建庭.胶结式预应力锚索锚固段荷载传递特性研究 [J]．岩石力学与工程学报，2006，25(1):117.

[7] 尤春安.锚固系统应力传递机理理论及应用研究[D].青岛：山东科技大学，2004.

[8] 国家能源局.DL/T 5083—2010 水电水利工程预应力锚索施工规范[S].北京：中国电力出版社,2011.

[9] 国家能源局.DL/T 5703—2014 水电水利工程预应力锚杆用水泥锚固剂技术规程[S].北京：中国电力出版社,2014.

[10] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50086—2015 岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范[S].北京：中国计划出版社,2015.

Test on the Bearing Capacity of the Anchor Bolt with Different Rod Forms Based on Pisolite Concrete

Sun Shiguo Miao Zizhen Gong Zhiqi Guo Jie

(College of Civil Engineering,North China University of Technology)

In order to improve the bearing capacity of the anchor bolt, the small diameter pea gravel concrete is taken as the anchoring agent, the uplift performance test of special shaped anchor bolt is conducted to analyze the influence of concrete strength and rod form on the bearing capacity of the anchor bolt. The test results show that the influence of rod form to the bearing capacity of anchor bolt is significant,the bearing performance of the threaded bolt with a disc and threaded bolt with two discs are obviously better than the pure threaded bolt,the bearing capacity of the threaded bolt with a disc and threaded bolt with two discs is the 1,12 and 1,25 times of the one of pure threaded bolt respectively;for the threaded bolt with one disc or two discs,the load transfer mechanism of anchorage system is changed,the traditional interface failure mode is no longer occurred,the failure mode is mainly cone shear failure that is generated in the upper part of the disc,which is conducive to the improvement of the baring capacity of the anchor bolt;under the same condition,the relationship between the bearing capacity of anchor bolt and concrete strength is non-linear,the bearing capacity of anchor bolt is increased with the increasing of concrete strength,however,the increase amplitude is decreased with the increasing of concrete strength.

Pisolite concrete,Rod form,Bearing capacity of anchor bolt,Pull out test

*国家自然科学基金项目(编号：41172250)；国家十二五科技支撑项目(编号：2012BAK09B06)；北京市创新团队提升计划项目(编号：IDHT20140501)；北京市科研基地建设-科研创新平台、科研专项-冲击地压微震监测与预警体系的构建项目(编号：XN083)；新型锚杆加固技术现场试验研究及研究生能力实训项目(编号：XN107)。

2016-09-05)

孙世国(1959—)，男，教授，博士生导师，博士后，100144 北京市石景山区晋元庄路5号。