岩石膨胀头锚杆抗拔试验探究范文

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摘要：为了提高岩石锚杆抗拔承载力，本文通过对普通锚杆端部加设膨胀头，将混凝土灌浆料注入岩孔内，使得膨胀头锚杆和岩体结合起来形成岩石膨胀头锚杆基础。基于两种不同类型的岩石锚杆进行现场抗拔试验，并对试验数据分析得到单根锚杆极限抗拔力，在相同试验条件下，岩石膨胀头锚杆的极限抗拔力较普通锚杆有较大提高。本研究具有应用价值，为岩石膨胀头锚杆在风机基础中的实际应用提供了参考。

关键词：岩石膨胀头锚杆；混凝土灌浆料；锚杆抗拔试验；抗拔承载力

目前岩石锚杆基础广泛应用于山区工程建设中，随着全球传统能源紧张及生态环境逐步恶化，普通岩石锚杆基础一些弊端问题也显现出来：抗压能力较强的混凝土基础其抗弯能力非常弱，而且混凝土基础在受力状态中稳定性不好，导致地基与基础之间容易发生分离现象；对于较高的建筑结构物，混凝土基础悬挑长度较大，费用也较高；开挖量巨大，改变了原来地貌，造成了环境污染［1-2］。本文在普通岩石锚杆的基础上，从结构上创新制作出膨胀头岩石锚杆，通过在岩孔内注入混凝土灌浆料，使膨胀头锚杆和岩体胶结成一个整体，形成岩石膨胀头锚杆基础，使其从受力形式上突破传统岩石锚杆，通过改变普通岩石锚杆的受力形式，进而提高岩石锚杆的抗拔承载力［3］。在风力发电机基础设计时，将新型的岩石膨胀头锚杆技术应用其中，可以很好地发挥山区地区岩石地基承载力高的优点，具有很好的安全性，在施工工艺上可行，理念先进，显著减少了人工开挖和爆破作业等导致周围环境的大面积破坏，在降低工程成本的同时具有显著的环保效益［4］。本文基于实际工程项目，通过对单根岩石膨胀头锚杆进行抗拔破坏试验，重点探讨了影响岩石膨胀头锚杆抗拔承载力的主要因素，在此基础上通过对比两种岩石锚杆的抗拔承载力，得到岩石膨胀头锚杆的极限抗拔承载力，进一步实现了岩石膨胀头锚杆基础在风电项目中的运用。

1现场抗拔试验

1.1工程试验概况本文所选的试验场地海拔高度为40～380m，地形起伏较大，切割深度大多数小于100m，坡度小于30°。风场场址为地形复杂的山区，场地地貌类型为微弱切割-强剥蚀丘陵，运输条件较差，山区岩石承载力较高。本期建设规模24×2000kW风电机组，勘察期间各勘探点孔口标高介于131.98～357.81m，最大高差225.83m。本次勘探发现，在一定深度范围内地层岩性主要由承载力相对高的岩层所组成，包括大理岩、石英岩等。为了降低土石方开挖量以及风机基础所需要的砂石、水泥、钢材等材料，考虑到山区岩石地基承载力高的特点，本文将岩石膨胀头锚杆作为风力发电机的基础，根据工程提供的设计与施工资料，在普通圆柱型岩石锚杆（如图1）端部加设膨胀头，膨胀头材质为普通钢材，研发出岩石锚杆膨胀头。

1.2试验装置本次现场基本试验采用循环加、卸荷载法，使用横梁反力装置和两台油压千斤顶同时对岩石膨胀头锚杆进行加荷，在加荷载过程中要逐级并且循环施加竖向荷载，在观测锚杆的上拔位移量时要使用大量程的位移传感器，以保证试验结果的准确性。

1.3试验加载本次现场抗拔试验加载方案及加载过程依据《建筑边坡工程技术规范》、《建筑地基基础设计规范》、《土层锚杆设计与施工规范》中相关规定进行［5-6］。采用的加载方法是循环加卸，初始荷载取预计极限抗拔承载力的0.1倍，每级加载数量按照极限抗拔荷载的0.2倍进行逐级试加。每级加载后，要在一定时间内读取锚杆位移变化，并在规定时间内至少读取3次位移计变化量。规定锚头的位移变化量在0.1mm内时，可施加下一级荷载，如果不在0.1mm范围内，要延长观测时间，直到锚头位移变化量在2mm而且时间在2h内，再施加下一级荷载。根据本次试验场地的地质条件属于山区岩层，地基承载力相对较大，考虑到锚杆杆体在此种地层情况下所能承受的极限抗拔承载力，本文将B型锚杆的最大试验荷载取为1400kN，则其初始荷载为140kN，A型锚杆的最大试验荷载取1680kN，其初始荷载为168kN。其他各级荷载按0.2倍的最大加荷荷载累计叠加，最后一级为0.1倍。每级加载完毕以后，位移计在稳定时间内达到稳定后，记录三次锚头位移读数。

2抗拔试验成果分析

2.1岩石锚杆的抗拔承载力分析对两组岩石锚杆分别进行加载并记录其实测数据，将实测数据输入计算机经过计算，绘制两组岩石锚杆上拔荷载Q和锚杆位移S之间的关系曲线、荷载Q-弹性位移Se曲线以及荷载Q-塑性位移Sp曲线。

2.1.1A型锚杆（浇灌混凝土且加设膨胀头）试验数据分析

2.3岩石锚杆破坏形式分析

2.3.1普通岩石锚杆的破坏形式根据现场试验实际情况发现，试验B组的三根普通岩石锚杆的破坏都是因为杆体和混凝土灌浆料所构成的锚固体与围岩体之间的黏结摩阻力不够，进而使得岩孔内的整个锚固体被拔出。2.3.2膨胀头岩石锚杆的破坏形式从常见的破坏形式上来看，新型岩石膨胀头锚杆的破坏形式理论上也会存在的，根据现场试验实际情况发现，试验A组的三根膨胀头岩石锚杆有两根是因为杆体和混凝土灌浆料所构成的锚固体与围岩体之间的黏结摩阻力不够，导致整个锚固体从岩孔中被拔出，而另一根是因为锚杆杆体自身强度不足，锚杆杆体被拉断。

2.3.3两种破坏情况对比分析通过两组岩石锚杆的现场破坏情况以及对地面裂缝的测量发现，在相同锚固条件下相同几何参数的两种岩石锚杆，膨胀头岩石锚杆破坏时上拔角平均为15°，而普通岩石锚杆破坏时的上拔角平均为10.2°。这说明相比较普通岩石锚杆，膨胀头岩石锚杆通过改变受力形式增大了上拔角度，增加了膨胀头锚杆锚固体和周围岩体相互之间的作用力，提高了岩石锚杆的极限抗拔承载力。

3结语

本研究通过对普通锚杆端部加设膨胀头，将混凝土灌浆料注入岩孔内，使得膨胀头锚杆与岩体胶结成整体，形成岩石膨胀头锚杆，以某风机基础项目为背景，研究了普通岩石锚杆和膨胀头岩石锚杆的现场抗拔试验，从而得到了两组岩石锚杆的极限抗拔承载力与其对应的位移关系曲线，经过对试验数据的分析，探讨了新型的岩石膨胀头锚杆在风电基础中的应用，得到以下结论：（1）膨胀头岩石锚杆所承受的剪应力要比普通岩石锚杆所承受的剪应力大，膨胀头岩石锚杆有更高的极限抗拔承载力；（2）对于新型岩石锚杆膨胀头岩石锚杆的破坏形式是因为杆体和混凝土灌浆料所构成的锚固体与围岩体之间的黏结摩阻力不够造成；（3）在其他条件相同的情况下，膨胀头岩石锚杆的极限抗拔承载力要比普通岩石锚杆的极限抗拔承载力要大，膨胀头岩石锚杆从结构形式上的改变，有效地提高了岩石锚杆抗拔承载力。（4）相对普通岩石锚杆，膨胀头岩石锚杆更不容易出现应力集中现象，膨胀头岩石锚杆要比普通岩石锚杆更能很好地发挥锚杆抗拔能力。膨胀头岩石锚杆通过改变受力形式增大了上拔角度，使得膨胀头锚杆锚固体与周围岩体之间的作用力加大，有效地提高了岩石锚杆的极限抗拔承载力。

参考文献：

［1］文鹏宇.扩大头抗拔锚杆承载特性试验研究［D］.郑州：郑州大学，2016.

［2］高雅静.岩石锚杆在风机基础中的应用研究［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2016.

［3］张志平.风机塔架岩石锚杆基础力学特性分析及其试验研究［D］.南昌：南昌大学，2017.

［4］张文勇.岩石锚杆基础在风电基础工程中的应用与研究［D］.湘潭：湖南科技大学，2015.

［5］孙长帅，杨海巍，徐光黎.岩石锚杆基础抗拔承载力计算方法探究［J］.岩土力学，2009，30（S1）：75-78.

［6］程鹏，邓德全.岩石锚杆在风轮机基础设计中的应用［J］.武汉大学学报（工学版），2012，45（S1）：158-161.

作者：赵俭斌1，赵中华2，马丽珠2，郭丙善3 单位：1.沈阳建筑大学，2.沈阳城市建设学院，3.协合新能源集团有限公司