锚杆与浆体之间的粘结与破坏机制探究

锚杆与浆体之间的粘结与破坏机制探究

1 引言

岩石锚杆通过约束岩体的变形起到加固岩体的作用，在土木工程与采矿工程中得到了广泛应用。隧道、矿井等岩体中的锚杆，从受力特点一般可分为自由段和锚固段两部分。岩石锚杆设计的关键是确定锚固段中锚固荷载的作用机理。

经过大量学者的研究，在锚固荷载传递机理方面已有大量的成果，这些工作主要是在试验和现场测试的基础上采用拟合的方法给出锚固段剪应力的分布规律，如Hawkers & Evans（1951）[1]将其表述为，其中，为距离锚固端外端x 处的结合应力；为锚固端外端处的结合应力；为锚束体直径；为锚束体与浆体间的结合应力与主应力相关的常数。但该计算过于简单，不能反映锚束体与围岩体相对刚度对侧阻力变化规律的影响。

文[3]采用Kelvin问题的求解方法得出的剪应力分别亦为指数形式。

本文对锚杆锚固段拉拔破坏的力学机制进行分析，提出了一种锚杆-浆体接触面剪应力分布模式，并采用FLAC3D程序进行了模拟。

2锚杆与浆体之间的粘结与破坏机制

注浆锚杆受拉时，可能发生破坏的部位包括：锚杆-浆体接触面、浆体内部和浆体-岩体接触面[4]。程良奎[5]等指出：在岩层锚固中，发生破坏的最薄弱环节是浆体与杆体间的粘结，而不是灌浆体与岩层间的粘结；大量的试验已经证实，随着对锚杆施加荷载的增加，杆体与灌浆体结合应力的最大值移向固定段的下端，并以渐进的方式发生滑动和改变着结合应力的分布。因此本文的研究中，我们着重分析锚杆与浆体之间的接触面的破坏。

通常来说，锚杆与浆体接触面的抗剪强度由三部分组成：粘结、机械咬合和摩擦[4]。当锚杆受到逐渐增大的拉力时，首先锚杆和浆体之间的粘结受到破坏，锚杆发生脱粘，脱粘后的一段锚杆的剪切强度降低为机械咬合和摩擦两部分的强度。脱粘后锚杆-浆体接触面的抗剪强度变为残余强度。

Cai Yue等[6]采用二段线性函数来描述预应力锚索锚固段岩体与灌浆材料之间的接触面上的剪应力-剪切位移关系。第一阶段对应于弹性阶段，锚束体与围岩体之间完全耦合，接触面上剪应力与剪切位移成比例变化，在此阶段，接触面

处于无损状态；第二阶段对应于接触面上的残余强度，此时锚杆与浆体之间产生了相对运动，接触面之间只有残余强度存在。

6 结论

本文通过对锚杆锚固段的粘结与破坏模式进行了分析，提出了锚杆沿与浆体的粘结面破坏时的剪应力分布模式。通过分析得出了以下结论：（1）全长粘结锚杆的剪应力呈指数形分布，

由受拉端向另一端迅速衰减。

（2）当锚杆受的拉力逐渐增大，接触面剪应

力超过其峰值抗剪强度时，锚杆沿与浆体的接触面发生渐进的脱粘破坏，直至锚杆完全从锚固体中拔出。

（3）锚杆的极限抗拔力與锚杆长度不是线

性关系。当锚固长度达到一定值后，锚固长度的增加对极限抗拔力的贡献降低。

（4）利用FLAC3D接触分析可以模拟锚杆

与浆体接触面的力学特性，得到的结果与理论计算相符合。

参考文献（References）：

[1] Hawkes JM，Evans RH. Bond stresses in reinforced concrete columns and beams. Journal of the Institute of Structural Engineers 1951；XXIX（X）：322-7

[2] Farmer IW. Stress distribution along a resin grouted rock anchor. Int J Rock Mech Min Sci and Geomech Abstr 1975；12：347-351