全尺寸锚杆剪切试验装置研究现状及发展趋势

张 豪 徐 帅 纪旭波 杨正明 郭玟志 孙 星

(1.深部金属矿山安全开采教育部重点实验室,辽宁 沈阳 110819;2.山东恒邦冶炼股份有限公司,山东 烟台 264109;3.山东黄金集团西和县中宝矿业有限公司,甘肃 陇南 742199)

浅部矿产资源逐渐枯竭,矿产资源深部开采已趋于常态[1]。随采深增加,地下工程不可避免地面临“三高一扰动”复杂开采环境。岩爆、大变形、采场垮落、巷道底臌、片帮、冒顶等工程灾害频发,对地下工程施工及人员设备作业安全带来严重威胁[2-3]。因此深部工程灾害防控需求十分迫切。锚杆支护是一种基本的岩体加固技术,用于维护岩石工程稳定、控制岩体相对移动和变形[4-5],其具有结构简单、施工方便、成本低廉和工程适应性强等优点,在采矿、土木、水利水电工程等领域应用广泛[6-7]。针对不同工程灾害防护,国内外学者发明了各类锚杆,如水泥砂浆锚杆、注浆锚杆、管缝锚杆、树脂锚杆以及针对软岩大变形的负泊松比效应恒阻大变形锚杆[8]、针对岩爆的Conebolt 吸能锚杆[9]、“D 型”让压吸能锚杆[10]和自膨胀管缝锚杆[11]等。

岩体赋存着许多软弱结构面[12],削弱了岩体的强度,使其更易变形滑移,发生岩体剪切,导致结构失稳[13]。在自然斜坡及开挖工程边坡,岩体易沿结构面发生剪切滑移,造成滑坡[14]。在巷道和地层侧向变形严重的情况下,岩体剪切对地下岩石工程构成巨大威胁[15]。在深部围岩巷道易发生底臌,两帮岩体发生剪切错断变形[16]。岩石工程中普遍采用锚杆支护来控制围岩变形及破坏,维持工程稳定性,如通过加筋底角锚杆可有效控制巷道底板变形[17],锚杆支护加固边坡岩体效果显著[18],但锚杆锚固岩体的同时受岩体剪切易发生径向剪切变形及剪断破坏,导致锚固失效[19-21]。众多工程案例[22-24]表明,锚杆剪切破坏在锚杆锚固失效中占比很大。因此,锚杆剪切破坏及锚杆径向抗剪性能引起了学者重视。

学者们研发室内(现场)锚杆剪切装置,开展锚杆剪切的研究。按试验条件不同,锚杆剪切试验装置分为现场全尺寸锚杆剪切装置、室内缩尺锚杆剪切装置、室内全尺寸锚杆剪切装置(全尺寸是指试验锚杆参数与工程应用锚杆保持一致)。现场全尺寸锚杆剪切试验是指在工程一线开展工程锚杆的剪切试验,直接依托全尺寸锚杆及真实地质条件开展,其试验条件为岩石工程的真实工况,但由于操作繁琐、试验难度高、安全性低、试验场地要求苛刻、人力物力耗费较大等问题,较少开展。目前国内仅有朱焕春等[25]在1999年研发了现场锚杆剪切试验装置,该装置可以对锚杆横断面施加正应力并保证剪切过程中不发生挠曲变形,通过对三峡永久船闸高强度结构锚杆进行现场试验,证实了设置锚杆自由段可以实现剪应力向正应力的转化。

室内缩尺锚杆剪切试验是指在室内模拟工况,测试锚杆对工程应用锚杆进行了尺寸上缩放及结构上简化的剪切试验,具有相对研究内容广泛、可行性强、试验耗费低等优点。室内缩尺实验中用缩小比例的锚杆来开展实验,获得的锚杆特性,通过一定的外推,可推测真实尺寸的锚杆特性,但由于室内缩尺实验与真实工况的相似性较难完全保证,对一些规律性的揭示尚可,但对于准确的数值,通过外推获得的结果往往不准。基于缩尺锚杆模型,Chuanqing Zhang 等[26]采用PAC声发射(AE)监测和数字摄像机技术,得到了锚杆—注浆界面剪切破坏过程声发射参数的演化与剪应力曲线的良好相关性;宋洋等[27]通过室内缩尺试验对节理岩体剪切蠕变作用下锚杆预应力损失进行了研究;蒋宇静等[28]研究了恒定法向刚度边界条件对锚固节理剪切的影响。室内全尺寸锚杆剪切试验是指基于实验室内模拟岩石工程真实工况条件展开,与工程应用一致的全尺寸锚杆剪切试验。试验装置按剪切面数量特征可分为锚杆单面剪切、双面剪切装置,具有安全、相对经济、可控、试验直观的优点,较好平衡上述试验类型的优势及局限,受到学者们广泛关注和重视。

本文针对锚杆剪切试验的需求,按照剪切面数量将室内全尺寸锚杆剪切装置划分为2类,分别介绍了2类剪切装置的组成、工作原理、国内外剪切装置案例,分析了相应剪切装置的适用条件、优缺点及应用情况。基于现状分析与总结,提出全尺寸锚杆剪切装置发展方向,本文的研究可对锚杆剪切研究及全尺寸锚杆剪切装置研发提供有益参考。

1 锚杆剪切试验

1.1 锚杆剪切定义

锚杆剪切是指锚杆的横截面受外力作用并沿外力方向发生相对错动变形的现象。锚杆剪切试验原理如图1所示,锚杆剪切过程不产生转矩,剪切力与受力面垂直且成对出现,均匀分布于受力面。此外,与岩石力学剪切试验不同,锚杆剪切试验的剪切荷载不是直接施加给锚杆本身,而是通过施加给模拟钻孔单元,间接施加于锚杆。

图1 锚杆剪切原理Fig.1 Principle of rockbolt shear

1.2 模拟钻孔单元类型

在锚杆性能测试试验中,模拟钻孔单元存在2种类型:第一种为厚壁金属圆管,具有简单、高效且成本低廉的优势,但存在约束条件与锚杆真实钻孔约束不一致的特殊情况。在剪切试验中,厚壁金属圆管约束锚杆较易产生金属对金属的剪切现象,影响试验结果准确性[29]。厚壁金属圆管普遍应用于测试锚杆材料本身的抗剪性能的试验。

第二种为混凝土试件。钻孔可以通过混凝土试件预留小孔,再通过凿岩机扩孔的方式形成。其可以模拟真实钻孔环境,试验结果更具参考意义,但试件制作成本相对较高、周期较长、试验工序相对繁琐。在剪切试验中,混凝土试件与锚杆本身均会产生损伤及破坏。混凝土试件普遍应用于锚杆锚固岩体的剪切力学性能及破坏的研究。

1.3 剪切形式

从剪切功能上,锚杆剪切可分为锚杆纯剪切及预应力剪切。锚杆纯剪切是指锚杆仅受径向剪切力而发生的变形及位移。纯剪切时,由于不存在轴向预应力,所以剪切面将不会产生摩擦力。锚杆预应力剪切是指待剪锚杆被施加一定轴向预应力条件下的剪切。前者对应着无预应力锚杆支护,无预应力支护如同砌碹支护、架棚支护等属于被动支护。后者对应着预应力锚杆支护,属于主动支护[30-31]。通常施加轴向预应力时,人工拧紧螺母施加力一般在10 kN 以下,借助设备能施加20～30 kN 以上的预应力[32]。

开展在预应力作用下锚杆剪切试验时,存在2种工况:第一种工况是锚杆受轴向应力,混凝土试件间紧密接触,剪切面将产生摩擦力。试验得到的锚杆抗剪强度是锚杆本身的抗剪强度与剪切面摩擦力的叠加。所以部分学者认为该条件下获得的强度不是锚杆纯抗剪强度[29],剪切面摩擦力受多个因素影响(如剪切面粗糙程度、法向应力、接触面积等[33]),无法准确量化锚杆的抗剪性能,使得锚杆抗剪力学行为解释变得尤其复杂[34]。第二种情况是混凝土试件剪切面由于额外的框架约束,试件之间存在缝隙(缝隙通常在4 mm左右),应力不会传递,剪切面不产生摩擦力,得到预应力锚杆纯抗剪强度。预应力剪切时,剪切面是否产生摩擦力均有价值,其与研究目的有关:当剪切面有摩擦力,对应着剪切荷载下预应力锚杆与围岩相互作用的研究;剪切面无摩擦力,对应着围岩约束下预应力锚杆纯抗剪强度的研究。

1.4 研究目的

通过文献分析,基于现有剪切装置存在3 类研究目的:第一类研究为获得锚杆自身材料的抗剪强度。该研究仅有锚杆自身材料的破坏,所以仅能测定锚杆自身材料的基本抗剪参数(屈服、抗剪强度、剪切位移等)。此研究对应的试验装置均为厚壁金属圆管作为模拟钻孔单元。

第二类为模拟围岩钻孔条件下锚杆纯抗剪性能研究。该研究为锚杆在混凝土试件钻孔约束下的变形与破坏,主要测定锚杆及预应力锚杆在模拟围岩钻孔条件下的纯抗剪力学性能参数如剪切力与位移曲线、屈服强度、峰值强度等。此研究对应的试验装置均为混凝土试件作为模拟钻孔单元。

第三类为锚杆锚固围岩条件下,被锚固围岩节理面的剪切研究。该研究为锚杆与混凝土试件损伤破坏的复合,主要研究不同条件(如锚固角度、锚杆数量、法向应力等)剪切荷载下锚杆与围岩之间的相互作用机理及节理面的抗剪强度。此研究对应的试验装置同样以混凝土试件作为模拟钻孔单元。

2 锚杆单面剪切试验装置

2.1 锚杆纯单剪装置

锚杆单面剪切装置(以下简称锚杆单剪装置)是指锚杆单剪切面剪切装置,属于箱式剪切,主要由上剪切箱、下剪切箱、混凝土试件模拟钻孔单元、荷载施加单元组成,如图2所示。箱式剪切过程如下:2个混凝土试件分别安置在上下剪切箱内,试件内部具备钻孔,并安装有待测锚杆,下剪切箱固定于地面,上剪切箱端面紧密贴合下剪切箱,在竖直方向可以位移,上下剪切箱有一定高度差,高度差即为装置最大剪切位移。通过荷载施加单元对上剪切箱施加竖直荷载使其沿竖直方向标准位移,从而实现锚杆单剪切面剪切。该类型剪切装置相对结构简明,无需额外组成部件即可固定约束件。

图2 锚杆箱式单面剪切装置示意(修改自都灵理工学院单剪装置[35])Fig.2 Schematic diagram of rockbolt box single side shear device(modified from Turin Institute of technology single side shear device)

国内外锚杆单剪装置均属于箱式剪切装置,工作原理一致,但在组成部件及结构上有相应的区别。

1993年意大利都灵理工学院Ferrerò A.M.Resistenza 设计和建立的锚杆单剪装置为混凝土试件作模拟钻孔单元单剪装置的典型代表[35],如图2所示。该装置采用传统压力机作为竖向剪切荷载施加单元。2个混凝土试件尺寸均为30 cm×30 cm×40 cm,允许测试锚杆锚固尺寸最大为0.8 m。当施加锚杆预应力,由于混凝土试件间紧密接触,剪切面将产生摩擦力,所以装置不能开展预应力锚杆纯抗剪性能测试。借助该装置,开展了锚杆钢筋的型号、钢筋直径、杆体类型(钢筋和钢管)及岩石类型等因素对锚杆锚固围岩力学性能影响的研究,属于第三类研究类型。

1996年英国标准锚杆剪切测试装置(BS 7861-2)是利用刚性厚壁金属圆管作模拟钻孔单元单剪装置的典型代表,如图3所示。装置使用2 段式一定孔径刚性厚壁钢管作为模拟钻孔单元约束锚杆。装置具有高效、简便、经济等优势,被广泛用于确定各种用于采矿和岩土工程支护锚杆的抗剪性能[29],但不具备测试预应力锚杆的功能,同时还存在着厚壁金属圆管作为模拟钻孔单元不可避免的弊端。

图3 英国标准锚杆剪切测试装置框架及剖面图(BS 7861-2,1996)Fig.3 Frame and section of British standard rockbolt shear test device (BS 7861-2,1996)

2015年印度理工学院土木工程系岩土工程实验室为了实现剪切过程中,在竖直方向施加法向力,水平方向施加剪切力,将传统锚杆箱式剪切装置的剪切方向由竖向改为了横向,研发了伺服控制大尺寸直剪试验装置[36],如图4所示。该装置采用伺服控制液压千斤顶施加剪切力可达到2 000 kN,最大法向力可达到1 500 kN。2个混凝土试件尺寸为75 cm×75 cm×90 cm(可由多个小尺寸试件堆叠形成)可以安装多根锚杆,开展群锚剪切试验。装置的局限性表现在受结构设计限制试验锚杆不能被施加预应力。依托此装置,学者开展了不同锚杆数量、锚杆间距、法向应力条件下的节理抗剪强度试验。

图4 伺服控制大尺寸直剪试验装置Fig.4 Servo controlled large size direct shear test device

2018年澳大利亚Megabolt 公司为了测试长度更长的锚杆和锚索抗剪性能,研发了MISSR 单剪装置[37],如图5所示。由于锚索轴向长度远远大于锚杆,该装置将混凝土试件由长方体改为圆柱体并增加了轴向长度,并在外部设置半剖钢箍对其进行加固。装置钻孔模拟单元单个圆柱试件直径25 cm,长1.8 m,强度40 MPa,由2 段90 cm 圆柱试件连接而成。剪切荷载施加单元为120 t 的压力机。装置可以开展最长3.6 m 锚固长度锚杆及锚索的单剪测试。依托该装置学者通过19 次锚索单剪试验,研究了锚索类型、表面轮廓类型、预紧载荷、电缆球根结构、黏结和脱黏的影响及其破坏模式。但需要指出的是,该装置依然不具备测试预应力锚索纯抗剪强度的功能。

图5 锚索单剪测试装置Fig.5 Rockbolt cable single shear test device

2.2 锚杆单剪综合测试装置

锚杆单剪综合测试装置是指具备锚杆单剪及其他基础性能测试功能的装置,具有功能模块化、集成度较高的特点,主要有拉剪综合测试装置、多功能综合测试装置。此类装置均以混凝土试件作为模拟钻孔单元。

1995年挪威特隆赫姆的SINTEF 和挪威科技大学的岩石力学实验室构建的[38]SINTEF/NTNU 锚杆试验装置,是最具代表性的全尺寸拉—剪综合测试装置。该装置主要由刚性框架、2个立方体混凝土试件(尺寸为95 cm)及加压油泵组成[39],如图6所示,可测试最长1.9 m 锚固长度的锚杆。该试验装置具备独立拉拔、独立剪切及拉剪耦合测试的功能[34]。但装置仍具有一些不足,如混凝土试件与框架在拉拔及剪切方向均存在较大摩擦,以及不具备预应力锚杆纯剪切测试功能。基于该装置,Yu Chen 等[34]测试剪切荷载下的“D”型让压吸能锚杆,获得了“D 型”锚杆剪切及拉剪综合作用下位移—荷载试验曲线。

图6 SINTEF/NTNU 锚杆试验装置及静力拉剪实验示意Fig.6 Schematic diagram of SINTEF/NTNU rockbolt test rig and static tensile shear experiment

2020年中南大学为了减小混凝土试件与刚性框架之间的摩擦力,基于SINTEF/NTNU 锚杆试验装置设计了新的锚杆拉—剪综合测试装置,如图7所示[40]。该锚杆剪切装置将2个立方体混凝土试件尺寸改为100 cm,利用滚轮减小了混凝土试件与装置框架之间的摩擦阻力。基于该装置,Yu Chen 等[34]开展了拉剪作用下全注浆锚杆变形研究。

图7 中南大学改进的锚杆测试装置Fig.7 Improved bolt testing equipment of Central South University

2020年中国煤炭高效开采与洁净利用国家重点实验室康红普院士团队为了进一步综合锚杆性能测试功能,研发了锚杆综合力学性能测试装置[41],如图8所示。该装置具备独立拉伸、扭转、弯曲、剪切、冲击功能,并且各个功能模块可以相互组合。就剪切模块而言,装置采用的混凝土圆柱体试件作为模拟钻孔单元,试件分为2 部分,半径为12 cm,长度分别为1 m 及0.2 m。剪切面是2个试件的接触面,位于端部0.2 m 处,即全长锚固试件1/6 处。该装置可以测试最长1.2 m 锚固长度锚杆,但不具备预应力锚杆纯抗剪强度测试功能。基于该装置,开展了预紧、张拉、扭转、弯曲、剪切和冲击等加载条件下锚杆力学行为的试验研究。

图8 中国矿业大学锚杆综合测试装置Fig.8 Design of the integrated testing device for anchor rods at China University of Mining and Technology

3 锚杆双面剪切试验装置

3.1 锚杆纯双剪装置

锚杆双面剪切装置(以下简称锚杆双剪装置)是指开展具有2个剪切面的锚杆剪切装置,相较锚杆单剪装置,虽然仅仅增加一个剪切接触面,但其剪切原理与箱式剪切截然不同。锚杆双剪装置如图9所示,由三段式模拟钻孔单元及中部竖向荷载施加单元组成,其中两端模拟钻孔单元固定,中部模拟钻孔单元竖直方向没有约束,锚杆置入钻孔模拟单元内,装置通过荷载施加单元对中部钻孔模拟单元施加竖直方向剪切荷载,推动其竖直向下位移,实现锚杆双剪切面剪切。

图9 锚杆双面剪切原理Fig.9 Principle of rockbolt double-sided shear

2016年New Concept Mining (NCM)公司设计了双剪厚壁金属钢管模拟钻孔单元,在约翰内斯堡CSIR 中心进行锚杆测试[39],双剪示意及厚壁钢管如图10所示。该装置能够开展锚杆双剪性能测试,与英国标准单剪装置一样具备效率高、成本低的优点,但同样存在无法测试预应力锚杆的纯抗剪强度。

图10 CSIR 中心双剪切原理及试验金属模具Fig.10 CSIR central double shear principle and test metal mold

2003年澳洲Wollongong 大学Aziz 等[29]研发了小型锚杆双剪装置,如图11所示。装置选择万能试验机作为剪切荷载施加单元,混凝土试件作为模拟钻孔单元,其中两端的混凝土试件尺寸均为15 cm×15 cm×15 cm,中间试件尺寸为15 cm×15 cm×30 cm,决定了装置混凝土试件约束的总长度最大仅为60 cm,测试锚杆尺寸范围有限。装置采用小型万能试验机作为剪切荷载施加单元,施加剪切荷载能力有限。装置两端设置刚性框架对端部混凝土试件进行竖向位移约束,并通过拧紧螺母,可在端部试件施加围压。Aziz 等[29]研究了不同轴向荷载条件下(水泥、树脂作为锚固剂)螺纹钢锚杆的抗剪性能。在测试22 mm杆径锚杆时,由于尺寸较小,混凝土试件先于待测锚杆破坏,可见,该装置不适合大尺寸锚杆及更高荷载的测试。

图11 小型锚杆双剪装置Fig.11 Small-sized double shear device

2005年英国帝国理工学院G.Grasselli[42]为了对混凝土试件施加轴向荷载并开展锚杆不同数量(1～4根)与剪切面不同角度的剪切试验,将刚性框架水平轴向设置,研发了锚杆双剪装置,如图12所示。单个混凝土试件尺寸为60 cm×60 cm×100 cm,该装置可以测试最长1.8 m 锚固长度锚杆。基于该装置,G.Grasselli[42]开展了全注浆锚杆和水力膨胀锚杆加固节理岩体的研究。

图12 帝国理工学院锚杆双剪装置及原理Fig.12 Rockbolt double shear device and principle of Imperial College

2010年澳洲Wollongong 大学Craig 和Aziz[15]针对其小型锚杆双剪装置存在的混凝土试件尺寸较小以及小型万能试验机输出剪切荷载有限等问题,将初代装置大型化,研发了MKII 双剪装置,如图13所示。双剪装置大型化后两端的混凝土试件尺寸为30 cm×30 cm×30 cm,中间试件尺寸为30 cm×30 cm×45 cm。该装置混凝土试件约束锚杆的长度最大为105 cm,测试范围依然有限。装置剪切荷载施加单元由小型万能试验机换成了大型压力机。针对预应力剪切时,试件间紧密接触,剪切面将产生摩擦力,无法测试预应力锚杆纯抗剪强度的问题。

图13 MKII 双剪装置Fig.13 MKII double shear device

2016年Aziz等[29]对MKII双剪装置再次做了改进,如图14所示。改进后的装置设置独立的轴向刚性框架提供横向支撑,目的是施加锚杆预应力剪切过程中,避免混凝土试件之间紧密接触从而阻断预应力在试件之间的传递,从而消除剪切面产生的摩擦力。Aziz 等[29]对借助MKIII与MKII 双剪装置测得的锚杆剪切试验结果进行了比较,结果表明由于消除了混凝土试件间的摩擦,MKIII 试验结果优于MKII。

图14 MKIII 双剪装置Fig.14 MkIII double shear device

3.2 锚杆冲击双剪装置

2019年Li 等[43]为了实现冲击荷载下的锚杆双剪测试,将常规双剪装置的中部剪切荷载单元由压力机改成冲击锤,研发了冲击双剪装置,如图15所示。装置具备最大理论冲击能量5.439 kJ(185 kg×9.8 m/s2×3 m),最大冲击速度为7.67 m/s。单个混凝土试件尺寸为30 cm×30 cm×20 cm。装置可以测试最长0.9 m 锚固长度的锚杆,但不具备预应力锚杆纯冲击剪切强度测试功能。基于装置,Li 等[43]开展了不同杆体直径、安装角度与冲击能量下的锚杆动载荷冲击双剪研究。

图15 冲击双剪装置Fig.15 Impact double shear device

4 锚杆剪切装置的发展趋势

自最初锚杆单剪装置诞生以来,锚杆剪切装置经历了多次的革新与发展,剪切装置功能由锚杆单剪到锚杆双剪再到预应力锚杆双剪,由单一锚杆剪切功能到锚杆拉剪综合再到锚杆多功能综合测试。由此,本文提出未来全尺寸锚杆剪切装置的发展趋势如下:

(1)以混凝土试件作钻孔模拟单元,更加真实地模拟矿山支护工况;试验锚杆的长度逐渐接近于工程实际,室内试验工况更为接近真实的模拟地下工况的室内试验现场工况。

(2)试验装置同时具备静力学下单双剪切功能和冲击剪切测试功能。

(3)具备复杂条件下的锚杆剪切试验功能,如不同剪切间距、节理粗糙度、热—应力腐蚀、真三轴应力条件下的锚杆与加固节理之间的剪切。

东北大学设计研发了新型全尺寸锚杆拉剪综合测试装置,装置将由3个30 cm×30 cm×80 cm 混凝土试件模拟钻孔单元、刚性框架、一个轴向拉拔作动器、一个径向剪切作动器、伺服油压控制单元组成。如图16所示,拉拔功能上具备1 000 kN 施加力、80 cm 大行程;剪切功能具备1 000 kN 施加力,20 cm 位移。装置具备测试大尺寸锚杆的功能,测试最长2.4 m 锚固长度锚杆。装置将具备独立锚杆拉拔、独立试件拉拔(间接拉拔锚杆)、独立锚杆单双剪切、拉剪耦合测试等试验工况。装置特性在于能够实现单双剪切面切换并在施加锚杆预应力时,可控制剪切面摩擦力。

图16 装置设计方案Fig.16 Design scheme of device

5 结 论

(1)锚杆剪切装置存在2种不同模拟钻孔单元类型即厚壁金属圆管和混凝土试件。以厚壁金属圆管为模拟钻孔单元的剪切装置,仅能测试未施加预应力锚杆自身材料的剪切性能。

(2)现有锚杆箱式单剪装置具有结构简明、使用方便的优点,但不具备预应力锚杆纯抗剪强度测试的功能;锚杆双剪能开展更多条件下的锚杆剪切测试。锚杆剪切综合测试装置,能实现剪切与拉拔、冲击等工况的耦合测试,但不具备测试预应力锚杆纯抗剪强度的功能。

(3)测试预应力作用下锚杆纯抗剪强度具有重要意义,装置开展锚杆预应力剪切时,剪切面摩擦力是否存在研究价值,应由研究目的而定。

(4)装置混凝土试件约束锚杆长度及单双剪切面对锚杆剪切的影响有待进一步研究。