大掺量膨胀剂高强预压岩土体锚固技术研究

摘要

锚杆锚固技术以其显著的技术经济效益，获得了广泛的应用。仅2005年国内外各类岩石锚杆已达600余种，使用量就已达2.5亿根之多。提高锚杆抗拔力在锚杆锚固工程中具有极高的经济效益。现有试验研究成果指出，创造并利用锚杆钻孔周围岩体侧向压力，对提高锚杆抗拔力具有重要意义。当前，对于较大掺量的膨胀水泥浆材料在锚杆工程中的应用尚未见有人开展系统研究。大掺量膨胀剂高强预压锚固技术，主要是作为锚杆锚固体，通过限制浆体的膨胀，以获得径向的膨胀压力，提高锚杆抗拔力。
　　本文从膨胀水泥浆基本性质、膨胀水泥浆锚固体长期稳定性、膨胀水泥浆锚固系统破坏模式、锚杆轴力、剪应力预测公式参数获取、锚固技术现场应用等方面开展相关研究，得到研究成果如下：
　　1）膨胀水泥浆基本性质研究
　　采用维卡仪、自主设计的密闭测量筒、CT扫描等技术手段开展试验，结果表明10％掺量膨胀水泥浆的流动性较净浆提高51%、15%掺量膨胀水泥浆初终凝时间提高29%、10%掺量膨胀水泥浆硬化密实度提高5.8%，三者均较水泥净浆向更有利于工程应用的方向发展。
　　2）高强预压锚固系统长期稳定性研究
　　通过试验得到膨胀水泥浆锚固体体积、膨胀压力、锚杆抗拔力三者均具有较好的稳定性，满足工程应用。
　　以钢管为载体灌注膨胀水泥浆，采用高精度数显千分尺以及CT扫描技术分别对其外径及浆体密实度进行监测。518天后结果显示，随着时间的延长，不同膨胀剂含量对应钢管外径较最大膨胀量最高降低31%，并最终趋于稳定。338天后CT数相差仅降低0.5%，因此密实度较稳定。
　　以混凝土试块为载体，采用压力采集系开展长期（531天）浸水条件下拉拔试验，结果显示，长期浸水条件下锚杆抗拔力与膨胀压力较干燥短期条件均未降低。
　　3）高强预压锚固系统破坏模式及机理研究
　　揭示了拉拔过程中锚固系统的破坏演化规律，以便于对工程薄弱环节有针对性的加强。以混凝土立方体试块为载体的拉拔—CT扫描试验结果表明，锚固系统的破坏模式属于围岩渐进式破坏导致锚固系统失效。给出了同一拉拔周期扫描下，锚固体沿轴向密实度变化规律。
　　4）高强预压锚固技术力学计算参数提出及预测公式建立
　　提出高强预压膨胀参数k1、滑移参数k2、变形修正参数k3三个计算参数，建立适用于膨胀水泥浆锚固体的锚杆轴力、剪应力预测公式。将公式计得到的锚杆轴力、剪应力与实测数据进行对比，吻合度较高。
　　5）高强预压锚固技术现场应用研究
　　采用RSM-SY5(T）非金属声波检测仪、I-Motion FEP压力传感器系统、NTS100DI内窥镜在三峡库区现场应用大掺量膨胀水泥浆，并开展相关试验，主要研究结果如下：
　　在土体中，膨胀水泥浆锚固体能使抗拔力增加的原因是，锚固体形成扩头效应，这使锚固体与周围土体的摩阻力增加，上部土体的压覆作用也使抗拔力增加。膨胀水泥浆作为锚固体，单位锚固长度抗拔力较普通水泥浆最大增幅可达294%。同时，抗拔力并不完全随膨胀剂含量增加而提高，这主要是由于钻孔周围土体性质不一，导致锚固体膨胀程度不同，从而影响抗拔力。
　　得到膨胀压力随锚固深度变化规律，相同膨胀剂含量下，锚固体内膨胀压力沿锚固体深度增加，同时，膨胀压力与锚固体深度近似成指数函数关系。这是由于越接近岩土体深部，围岩对锚固体的约束能力越强。
　　在岩体中应用膨胀水泥浆，提出了膨胀水泥浆应用的两个必要条件。结果显示，单位锚固长度抗拔力较普通水泥浆最大增幅可达155%以上。由于围岩性质不同锚杆抗拔力不完全随膨胀剂含量增加单调递增，围岩性质较好时，则围岩能为锚固体提供较好约束，膨胀压力往往较大，抗拔力也相应提高。当膨胀压力过大将围岩胀裂时，抗拔力较不添加膨胀剂更小。
　　提出一种现场快速确定最适膨胀剂含量的方法以及一种通过现场拉拔试验确定最小锚固长度的方法，针对膨胀水泥浆锚固技术的应用，提出一般情况的设计施工流程。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题的研究意义及应用前景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究不足和待解决问题

1.4 主要研究内容及技术路线

2 膨胀水泥浆基本性质研究

2.1 膨胀水泥浆流动性研究

2.2 膨胀水泥浆初、终凝时间研究

2.3 膨胀水泥浆硬化密度研究

2.4 膨胀水泥浆密实度研究

2.5 本章小结

3 大掺量膨胀剂高强预压锚固系统长期稳定性研究

3.1 以钢管为载体的膨胀水泥浆锚固体体积稳定性研究

3.2 浸水工况下膨胀水泥浆锚固体长期稳定性研究

3.3 本章小结

4 大掺量膨胀剂高强预压锚固系统破坏模式研究

4.1 可视化锚固系统破坏模式研究

4.2 基于CT扫描技术的锚固系统破坏模式研究

4.3 本章小结

5.1 强风化泥岩质边坡拉拔试验研究

5.2 中风化砂岩质边坡拉拔试验研究

5.3 本章小结

6 高强预压锚固技术力学参数研究

6.1 锚杆剪应力、轴力计算公式原形

6.2 膨胀水泥浆锚杆剪应力、轴力计算参数提出及预测公式建立

6.3 本章小结

7.1 松软土体浅层锚杆拉拔试验

7.2 三峡库区岩土质边坡锚杆拉拔试验研究

7.3 现场快速确定最适膨胀剂含量的技术方法

7.4 本章小结

8.1 结论

8.2 展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间参与的项目

附录2 攻读硕士学位期间成果

致谢