豆石混凝土锚盘抗拔性能试验

孙世国，苗子臻，冯少杰，解禹

豆石混凝土锚盘抗拔性能试验

孙世国，苗子臻，冯少杰，解禹

（北方工业大学土木工程学院，北京，100144）

盘式锚杆作为一种新型锚杆，其制作简单，对施工工艺要求较低，且抗拔性能较常规锚杆明显提高，工程应用价值十分明显，而锚盘作为盘式锚杆的重要组成部分，其抗拔性能是影响盘式锚杆极限承载力的关键因素。设计了六种不同配合比的豆石混凝土，采用光滑直杆、光滑单锚刺杆、光滑双锚刺杆、螺纹光杆、螺纹单盘杆、螺纹双盘杆六种不同杆体形式，进行了锚盘抗拔性能的试验研究，结果表明：不同杆体形式对锚盘受力性能影响十分显著，螺纹杆及带锚刺杆体形式能更有效发挥混凝土强度，提高锚盘抗拔性能；在保证豆石混凝土具有适宜坍落度的情况下，提高混凝土强度可显著增强锚盘抗拔性能。

豆石混凝土；配合比；坍落度；杆体形式；锚盘；抗拔性能

引言

随着工程建设的发展，岩土工程数量及种类越来越多、规模也越来越大，其中岩土锚固技术的应用也越来越广泛，如矿山巷道、隧道、各类边坡、地下工程等[1-3]。盘式锚杆作为一种新型锚杆，其在杆体不同位置设置不同数量锚盘，一方面，增大了锚固体与围岩体接触面积，提高了锚杆和围岩体界面间粘结力，另一方面，提供了一个围岩体对锚体的端承力，极大提高了锚杆承载能力，盘式锚杆锚固形式如图1所示。盘式锚杆抗拔性能与锚盘直径、锚盘数量、锚盘间距、锚盘埋深、锚盘强度、围岩、灌浆料等众多影响因素相关[4,5]，其中锚盘抗拔性能是影响盘式锚杆抗拔性能的关键因素，因此，本文基于6种不同配合比的豆石混凝土，采用6种不同杆体形式进行了锚盘拉拔试验，研究了混凝土强度及不同杆体形式对豆石混凝土锚盘抗拔性能的影响。

图1　盘式锚杆示意图

1　试验设计

1.1试验方案

一般而言，工程上通常选用砂浆或水泥浆液作为灌浆材料[6,7]，它们具备灌浆便捷、受控因素较少等优点，但其通常需要消耗大量水泥，工程造价过高。因此，根据锚杆灌浆的特点，本文采用小粒径豆石混凝土作为灌浆料进行锚盘受力性能试验。试验根据混凝土强度及自密实性能要求设计了6种不同配合比方案，参数如表1所示，其中B、D、F分别为A、C、E掺加减水剂形成，其中水泥选用42.5级普通硅酸盐水泥，豆石骨料粒径≤10 mm，砂采用细度模数为2.6的中砂，减水剂采用萘系高效减水剂，掺入量为胶凝材料1%，减水率20%。

试验通过对锚固有不同杆体形式的不同配比混凝土立方体试件进行拉拔，研究了混凝土强度及盘内杆体形式对锚盘拉拔性能的影响。试验选取光滑直杆、光滑单锚刺杆、光滑双锚刺杆、螺纹杆、螺纹单盘杆、螺纹双盘杆6种杆体形式，其中光滑无锚刺杆直径φ25，长度400 mm；锚刺直径φ10、长度50 mm；螺纹杆直径φ25，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；具体杆体形式如图2所示。

表1　不同配比的豆石混凝土抗压强度

图2　不同杆体形式

1.2试验装置及步骤

本试验主要试验设备有：万能试验机、坍落度测定仪、混凝土搅拌机、试块固定装置、筛子、试模、刮刀等，其中万能试验机与试块固定装置如图3和图4所示。

图3　万能试验机

图4　试块固定装置

具体试验步骤如下：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进行试块制作，并完成混凝土坍落度测定，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，拉拔速率选取5 mm/min；④试验数据记录。

2　试验结果分析

通过对36组108块不同杆体形式、不同配比混凝土立方体试块进行拉拔试验，最终数据如表2所示，混凝土强度对不同杆体形式锚盘极限拉拔力影响如图5所示，杆体形式对不同配比混凝土锚盘极限拉拔力影响如图6所示，部分杆体形式锚盘破坏形态如图7所示。

由图5可知，随着不同配比混凝土强度的提高，锚盘极限拉拔力呈上升趋势，但对于E配比混凝土，相比D、F配比混凝土，各杆体形式锚盘极限拉拔力有明显降低。具体原因分析如下：E配比混凝土无减水剂掺入，其坍落度为60 mm，抗压强度52.70 MPa，相比其他配比混凝土，其坍落度明显降低，混凝土的流动性能明显降低，自密实性能减弱，导致混凝土成盘出现局部缺陷，锚盘极限拉拔力下降。因此，在盘式锚杆现场施工中，不仅要保证豆石混凝土强度达到相应要求，同时要保证其坍落度在某一适宜范围，如坍落度过小，则豆石混凝土很难达到自密实的要求；反之，混凝土又会出现泌水现象，从而导致锚盘极限拉拔性能降低。通过本次试验结果分析可知，豆石混凝土坍落度宜取180 mm～210 mm，以保证混凝土强度得到较好发挥。

图5　锚盘极限拉拔力随混凝土配比变化曲线

图6　锚盘极限拉拔力随杆体形式变化曲线

图7　部分杆体形式锚盘破坏形态

由图5可知，随着不同配比混凝土强度的提高，锚盘极限拉拔力呈上升趋势，但对于E配比混凝土，相比D、F配比混凝土，各杆体形式锚盘极限拉拔力有明显降低。具体原因分析如下：E配比混凝土无减水剂掺入，其坍落度为60 mm，抗压强度52.70 MPa，相比其他配比混凝土，其坍落度明显降低，混凝土的流动性能明显降低，自密实性能减弱，导致混凝土成盘出现局部缺陷，锚盘极限拉拔力下降。因此，在盘式锚杆现场施工中，不仅要保证豆石混凝土强度达到相应要求，同时要保证其坍落度在某一适宜范围，如坍落度过小，则豆石混凝土很难达到自密实的要求；反之，混凝土又会出现泌水现象，从而导致锚盘极限拉拔性能降低。通过本次试验结果分析可知，豆石混凝土坍落度宜取180 mm～210 mm，以保证混凝土强度得到较好发挥。

综合表2及图6可知，不同杆体形式对锚盘受力性能影响十分显著，锚刺、螺纹及金属圆盘的存在使锚盘抗拔性能大大提高，且随着锚刺、金属圆盘数量的增加，锚盘极限承载力有不同程度提高。其中相对光滑无锚刺杆体形式锚盘，光滑单锚刺杆、光滑双锚刺杆、螺纹光杆、螺纹单盘杆、螺纹双盘杆锚盘拉拔力分别平均提高75.8%、84.7%、77.5%、103.6%、161.3%；光滑双锚刺杆体形式锚盘拉拔力较光滑单锚刺杆体形式锚盘平均提高5%；螺纹双盘杆体形式锚盘拉拔力较螺纹单盘、螺纹光杆杆体形式锚盘分别平均提高28.6%、47.3%；螺纹光杆杆体形式锚盘拉拔力较光滑单锚刺杆体形式锚盘平均提高0.8%，基本持平。

另外，由图7可知，通过不同杆体形式锚盘破坏形式对比，可以发现光滑无锚刺杆体形式锚盘的破坏模式为杆体直接拔出，混凝土未发生破坏，锚盘拉拔力主要为杆体与混凝土之间的握裹力；其他杆体形式锚盘破坏模式由混凝土破坏引起，螺纹、锚刺、金属圆盘的存在使混凝土强度获得充分发挥，锚盘极限拉拔力显著提高。

3　结论

通过对不同配合比及不同杆体形式豆石混凝土锚盘受力性能进行试验，得出了以下结论：

（1）在保证豆石混凝土具有适宜坍落度的前提下，锚盘极限承载力随混凝土强度的提高而提高，且豆石混凝土坍落度宜取180 mm～210 mm，以保证混凝土强度能得到较好发挥。

（2）不同杆体形式对锚盘受力能影响十分显著。对于光滑无锚刺杆体形式，锚盘多发生杆体拔出破坏，未有效发挥灌浆材料强度，锚盘极限拉拔力较低；而对于其他杆体形式，锚盘破坏多由混凝土破坏引起，螺纹、锚刺、金属圆盘的存在能更有效发挥混凝土强度，提高锚盘极限拉拔力。因此在实际工程应用中盘式锚盘的杆体宜多采用带螺纹、带锚刺、带圆盘等形式。

国家自然科学基金(41172250)；国家十二五科技支撑项目(2012BAK09B06)；北京市创新团队提升计划项目(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(XN083)；新型锚杆加固技术现场试验研究及研究生能力实训(XN107)。

[1]程良奎.岩土锚固研究与新进展[J].岩石力学与工程学报,2005,24(21):3804-3805, doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2005.21.001.

[3]闫莫明,徐祯样,苏自约.岩士锚固技术手册[M].北京:人民交通出版社,2005

[4]辛方超.盘式锚杆锚盘强度与锚固单元匹配的试验研究[D].北京:北方工业大学,2013.

[5]陈静. 盘式锚杆加固的工程造价与浇筑试验的研究[D].北京:北方工业大学,2012

[6]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

[7]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.

孙世国(1959-)，男，教授，博士后，博士生导师，北方工业大学矿山安全与岩土工程研究中心主任，土木工程一级学科责任教授，国家和北京市政府安全生产专家组成员，中国岩石力学与工程学会理事，国际工程地质与环境协会中国专家组成员。

苗子臻，男，硕士研究生，主要从事岩土工程方面研究工作。

E-mail: 406818699@qq.com

Experimental Study on Anti-pulling Behavior of Pisolite Concrete Anchor Plate

SUN Shi-guo, MIAO Zi-zhen, FENG Shao-jie, XIE Yu
(College of Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing , 100144, China)

Plate type anchor rod, as a new type of anchor rod, has advantages of easy manufacture and low construction technology requirements. Its anti-pulling behavior is significantly improved compared to traditional anchor rods, and thus has considerable engineering application value. Anchor plate, as an essential part of plate type anchor rod, its anti-pulling behavior is a key factor affecting ultimate bearing capacity of it. Designs of pisolite concretes with 6 different mix proportions are carried out in conjunction with using 6 different anchor rod forms, namely, smooth straight anchor rod, smooth single stinging anchor rod, smooth dual stinging anchor rod, screw anchor rod, screw single plate anchor rod, screw dual plate anchor rod, for investigation of anti-pulling behavior of anchor plate. The results show that, with the premise of appropriate slump of pisolite concrete, increase of concrete strength can significantly improve anti-pulling behavior of anchor plate; various anchor rod forms have obvious effects on force performance of anchor plate; rods with screw or sting can improve concrete strength more effectively, as to further enhance anti-pulling behavior of anchor plate.

Pisolite Concrete; Mix Proportion; Slump; Rod Form; Anchor Plate; Anti-pulling Behavior

TU473

A

2095-8412 (2016) 05-925-04工业技术创新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.026

[2]徐湘涛.岩土锚固技术研究现状及发展趋势[J].路基工程, 2009,(02):72, 10.3969/j.issn.1003-8825.2009.02.037.