玻璃钢锚杆支护锚固力的试验分析

       锚杆作为岩体工程的主要支护材料，广泛应用于岩土与地下工程中。锚杆加固的实质是对岩体施加锚固力，以提高岩体的稳定性。锚杆的锚固力是指锚杆对支护体产生的约束力，是岩体支护工程设计中的一个关键因素，是反映锚杆支护效果的重要指标。然而，锚固力的锁定值随岩体条件、锚固长度、水、温度及施工质量等因素的变化而变化。锚杆锚固力损失超过一定值时，将导致其锚固功能减弱或支护失效，给工程带来极大危害。因此有必要对锚杆锚固力和锚固效果的影响因素进行分析和研究。

　　由于锚杆在岩石介质中受力状态复杂多变，锚杆的锚固力难以直接通过试验获得，锚固力的计算也相对较困难。因此，工程中常用拉拔试验来间接测定铺杆铺固力，通过拉拔试验测得拉拔力来分析锚杆与锚固体(如混凝土)之间的锚固效果。本研究选用的玻璃钢锚杆属于黏结型锚杆，其与岩体之间的锚固性能是通过黏结作用实现的。因此，影响玻璃钢锚杆锚固力大小的因素有很多，除了锚固材料的黏结强度、锚固长度、锚固时间等这些明显的因素外，温度、围岩条件、锚杆质量等因素对玻璃钢锚杆的锚固力也有较大的影响。为了深入分析玻璃钢锚杆的锚固机理和合理设计玻璃钢锚杆支护参数，本研究进行了室内拉拔试验以分析其锚固力和锚固效果的影响因素和规律。在结合现场调研的基础上，针对锚固长度、锚固时间、锚固材料等主要影响因素，设计进行了3种对比试验方案，通过室内玻璃钢锚杆拉拔试验来研究它们对玻璃钢锚杆锚固力的影响规律。

1　试验概况

       试验采用的玻璃钢锚杆是以玻璃纤维(GFRP)为增强材料，以合成树脂为基体材料，并掺入适量的辅助剂，采用拉挤成型技术和特殊的表两处理所形成的一种新型复合材料锚杆，基本参数为：直径18 mm，杆体抗拉力140 kN，杆体抗拉强度650 MPa，连接部分及螺纹承载力50 kN。树脂锚固剂基本参数见表1。


       试验过程中，采用水泥砂浆制作的混凝土块模拟现场岩体，混凝土块的尺寸为2000 mm×20 mm×200 mm(长×宽×高)。水泥砂浆采用325#水泥及细粒沙子制作而成，水沙比为1:2:5，水的用量为2.2 m3／kg。水泥砂浆作锚固材料时，直接在制作而成的模型中插入玻璃钢锚杆；树脂锚固剂作锚固材料时，需在模型中预留占径30 cm的钻孔，以塞入锚固剂对锚杆进行锚固。试验采用ZY型锚杆拉拔仪测定玻璃钢锚杆的最大抗拉拔力。试验装置如图1所示。

2　试验方案和结果

       试验主要从锚固长度、锚固时间、锚固材料3个方面对锚固力的影响进行分析研究。受试验工作量影响，采用单因素对比分析方法，即在分析某一影响因素时，将其他因素统一，从而分析该因素的变化对于拉拔力大小的影响程度。为此，分别设计了3个对比试验方案。

        2.1　锚固长度对锚固力的影响

　　 试验过程中，设计进行了8组不同锚固长度的玻璃钢锚杆锚固试验，锚固长度分别为18、36、54、72、90、108、126、144cm，每种锚固长度列应1件试验模型，通过8组试验模型分析锚固长度对锚固力大小的影响。锚固剂的长度为18cm，试验通过增减锚固剂的数量改变锚固长度研究不同锚固长度对拉拔力的影响规律。其中，第1-1件模型锚固长度18cm，采用1根锚固剂端头锚固；第1-2件模型锚固长度为36cm，采用的是2根锚固剂端头锚固；...，第1-8件模型锚固长度为144 cm，采用全长锚固的形式。试验方案和试验结果见表2。

从表2中的试验数据和试验现象对比可以看出，当锚固长度较小时，即采用端头锚固形式时，玻璃钢锚杆出现松动，甚至被拔出的现象，且所测拉拔力很小，如第1-1、1-2、1-3件模型；当锚固长度继续增加，锚固力也开始增大，表现为拉拔力逐渐增大，玻璃钢锚杆未出现松动，但锚杆被拔出4 cm左右，如第1-4、1-5件模型；当锚固长度增加到总长的1／2以上时，玻璃钢锚杆未出现松动，拉拔过程中伴随着“吧吧”的响声，锚杆拉拔力也开始增大，平均拉拔力大小超过支护工程要求的拉拔力大小，但锚杆仍被拔出3 cm左右，如第1-6、1-7件模型；当进行全长锚固时，玻璃钢锚杆未被拔出，测得锚杆拉拔力也较大，满足工程支护的要求，如第1-8件模型。

　　根据玻璃钢锚杆拉拔力与锚固长度的关系曲线(本文从略)，随着锚固长度的增加，锚杆拉拔力也增大，但不存在线件关系，锚杆拉拔力大小受锚固长度影响较显著。玻璃钢锚杆拉拔试验过程中锚固长度不同时，玻璃钢锚杆、锚固剂、混凝土块界面之间的黏结摩阻力不同，导致玻璃钢锚杆抗拉拔力随着锚固长度的增加而增大。

　　实验室开展拉拔试验时，玻璃钢锚杆抗拉拔力的大小主要取决于锚杆杆体材料强度、锚固剂与杆体间的黏结摩擦力及锚杆与锚固剂组成的锚固体与混凝土块蒯的黏结摩擦力。试验选用的玻璃钢锚杆杆体材料强度致，而锚固体与混凝土块之间的黏结摩擦力由3部分组成：①水泥胶体与混凝土块表面的化学胶着力。②锚固体外表而与混凝土块接触面上的摩擦力。⑧锚固体外表面粗糙产生的机械咬合作用。其中，化学胶着力很小，发生相对滑动时，黏结力主要由摩擦力和咬合力提供，当锚固剂数量越多，锚固长度越长时，锚固体与混凝土块间的摩擦力和咬合力越大，黏结力越大，锚杆的抗拉拔力越大。

　　另一方面，锚固剂与锚杆杆体之间的黏结摩擦力实际上也由3部分组成：①锚固剂凝结形成胶凝体剥玻璃钢锚杆表面产生的胶结力。②锚固剂收缩将杆体裹紧而产生的摩擦力。③杆体表面凹凸不平与锚固剂之间产生的机械咬合作用力。当锚固长度越长时，锚固剂列锚杆的胶结力越大，且锚杆杆体与锚固剂接触面积越大，锚固剂与杆体间的摩擦力和机械咬合力越大，锚杆的抗拉拔力越大。因此，玻璃钢锚杆的抗拉拔力随着锚固长度的增加而增大。

　　采用端头锚固时，锚杆拉拔力为22.1 kN(模型1)、29.1 kN(模型2)；采用全长锚固时，锚杆拉拔力为89.7 kN(模型8)。而一般工程支护过程中，锚杆拉拔力要求不低于50 kN。因此，端头锚固时的玻璃钢锚杆拉拔力不满足支护要求；当锚固长度处于端头锚固和全长锚固之间时，玻璃钢锚杆的拉拔力虽然满足支护要求，但玻璃钢锚杆出现被拔出的现象，整个支护体系出现松动，不能有效地满足巷道支护的要求；全长锚固时，玻璃钢锚杆的平均拉拔力达到90 kN，且没有出现松动现象，可以适应围岩松软破碎地质条件复杂的支护环境，故宜进行全长锚固。

2.2　锚固时间对锚固力的影响

　　考虑到水泥砂浆凝固受时间影响较大，试验选用水泥砂浆作为锚固材料来研究锚固时间与锚固力之间的关系。试验方案和试验结果见表3。