Лабораторные испытания на выдергивание полностью зацементированных анкерных болтов и кабельных болтов: результаты и извлеченные уроки

Абстрактный:

Лабораторные испытания на выдергивание были проведены для следующих анкерных болтов и тросовых болтов: стальной арматуры, гладких стальных стержней, болтов с резьбой из полимера, армированного стекловолокном, гибких кабельных болтов, специальных кабельных болтов IR5/IN и кабельных болтов с мини-клеткой. Диаметр испытанных болтов составлял от 16 мм до 26 мм. Болты были залиты в образец песчаника с использованием смоляных или цементных растворов. Испытания проводились либо при постоянной радиальной жесткости, либо при граничных условиях постоянного горючего давления, приложенных к внешней поверхности образца горной породы. В большинстве испытаний скорость смещения составляла около 0,02 мм/с. Испытания проводились на выдвижном стенде, позволяющем проверять широкий диапазон параметров. В этом документе представлена ​​обширная база данных результатов лабораторных испытаний на выдергивание и подтверждено влияние ограничивающего давления и длины заделки на реакцию выдергивания (скальные болты и тросовые болты). Это также подчеркивает чувствительность результатов к условиям эксплуатации и к поведению образца в целом, чем нельзя пренебрегать, когда результаты испытаний используются для оценки границы раздела болт-раствор или раствор-порода.

Введение

Полностью зацементированные анкерные болты и тросовые анкеры — это два метода армирования, широко используемые в гражданском и горнодобывающем строительстве. Эти системы поддержки сочетают в себе эффективность, гибкость, простоту установки и низкую стоимость (Stillborg, 1994; Fine, 1998). Благодаря этим преимуществам они широко используются в метрополитене для повышения безопасности вдоль дорог и больших проемов.

В общих чертах, анкерный или тросовый анкер состоит из стержня, вставленного в скважину, пробуренного в грунте или горной массе и прикрепленного к нему с помощью приспособления (Виндзор, 1992; Виндзор и Томпсон, 1996). Полностью зацементированные болты состоят из четырех элементов: стержня, окружающего грунта, внутреннего крепления к стене скважины и внешнего крепления к поверхности выемки. Основная характеристика полностью залитых раствором болтов заключается в том, что они обеспечивают поддержку только в том случае, если окружающий грунт пытается деформироваться; таким образом, они представляют собой системы пассивного подкрепления (Tincelin and Fine, 1991).

Мировой опыт показывает, что разрушение полностью залитых цементом болтов, скорее всего, происходит на границе раздела болт-затирка из-за процесса разрушения сцепления, который начинается, если осевая сила на стержень превышает критическое значение, а затем распространяется вдоль границы раздела (Горис, 1990; Hyett et al., 1992, 1995; Kaiser et al., 1992; Stillborg, 1994; Li and Stillborg, 1999; Moosavi et al., 2005). Недавно были предложены аналитические решения для процесса снятия брекетов (например, Li and Stillborg, 1999; Ren et al., 2010; Blanco-Martín et al., 2011). Однако эти решения не учитывают явно нормальное поведение интерфейса. При поддержке Исследовательского фонда угля и стали Европейской комиссии (RFCS) был спроектирован и откалиброван новый выдвижной стенд в контексте программы PROSAFECOAL (Papamichalis et al., 2010), чтобы лучше понять реакцию полностью зацементированные болты (осевое и нормальное направления). Эта скамейка, описанная Бланко-Мартином (2012) и Бланко-Мартином и др. (2013, 2016), позволяет протестировать несколько болтов и исследовать влияние широкого спектра параметров, таких как всестороннее давление, длина заделки, шероховатость стенки скважины или толщина затрубного пространства. Кроме того, можно изучить разрушение на границе между болтом и цементным раствором или на границе между цементным раствором и породой. Бланко-Мартин и др. (2013) предложили процедуру оценки реакции интерфейса болт-затирка на основе экспериментальных результатов и теоретических соображений, а также предложили полуэмпирическую формулировку поведения интерфейса (осевое и нормальное направления) для залитых смолой стальных арматурных стержней и полимера, армированного стекловолокном. (FRP) анкерные болты.

Поскольку минеральные ресурсы в Европе сокращаются, горнодобывающие компании ищут глубже под землей, чтобы удовлетворить потребности клиентов и поддерживать свою деятельность. На большой глубине напряжения выше, и системы поддержки должны быть усилены. В этом контексте в рамках исследовательской программы RFCS AMSSTED была создана новая лабораторная установка (Hadj-Hassen et al., 2015). В этой установке был протестирован большой диапазон типов болтов, и внимание было сосредоточено на влиянии ограничивающего давления и длины анкеровки, поскольку ранее было показано, что эти параметры оказывают сильное влияние на реакцию на выдергивание. (Бенмокрейн и др., 1995; Хайетт и др., 1995; Моосави и др., 2005; Бланко-Мартин и др., 2013). Более того, проведение испытаний показало, что результаты выдергивания очень чувствительны к условиям эксплуатации и реакции образца в целом (например, повреждение образца горной породы заметно влияет на измеренную реакцию выдергивания). Было проведено пятьдесят два испытания анкерных креплений и тридцать два испытания тросовых анкеров, основные результаты представлены здесь.

Данная статья организована следующим образом. Сначала мы опишем экспериментальный стенд, используемый в лабораторных условиях, и установку, предназначенную для предотвращения отвинчивания при испытании кабельных болтов. Затем мы представляем процедуру подготовки образцов, а также основные характеристики болтов, тампонажных материалов и типа породы, использованной для подготовки образцов. Далее представлены основные результаты, полученные для анкеров, а затем результаты для тросовых анкеров. Для данного типа и размеров болтов наши результаты хорошо сравниваются с предыдущими исследованиями (Бенмокран и др., 1995; Хайетт и др., 1995; Моосави и др., 2005; Иванович и Нейлсон, 2009). Представленные здесь экспериментальные данные расширяют имеющуюся базу данных результатов испытаний на выдергивание и могут использоваться как в качестве технического справочника в заданных условиях, так и в качестве средства сравнения прогнозов модели (которые включают условия эксплуатации, а также образцы компонентов и поведение). ) и данные лабораторного масштаба.

Выводы

В данной статье представлены результаты испытаний на выдергивание, проведенных в лабораторных условиях на трех типах анкерных болтов и трех типах тросовых анкеров. Каждый болт был протестирован с использованием заделки разной длины и ограничивающего давления. В качестве материалов для цементации использовались смола и цемент, и во всех случаях болты были залиты в образец песчаника. Испытания проводились на выдвижном стенде, позволяющем проверять широкий диапазон параметров. В качестве граничных условий использовалось постоянное ограничение или постоянная радиальная жесткость. Представленное исследование было проведено в статических условиях, и его основная цель — изучить нарушение сцепления на границе раздела болтового раствора.

Результаты экспериментов показывают, что адгезия поверхности раздела, трение и механическая блокировка (резьбовые стержни) способствуют соединению болта с раствором. Сравнение результатов выдергивания гладких и резьбовых болтов ясно показывает, что профиль болта играет важную роль: не только максимальная нагрузка больше для болтов с резьбой, но и послепиковая фаза демонстрирует более постепенное снижение силы. Кроме того, профиль болта отражается на колебаниях, измеренных в постпиковой фазе, периодичность которых соответствует отпечаткам испытуемого стержня.

Результаты для болтов с резьбой HA25 и FRP показывают в целом схожие тенденции: жесткая, квазилинейная предпиковая фаза, за которой следует падение жесткости, максимальная сила и, наконец, постпиковая фаза, в которой осевая сила уменьшается до остаточной. значение, намного ниже пиковой силы. В зависимости от удерживающего давления происходят колебания нагрузки по профилю болта; эти колебания менее выражены при высоких давлениях, при которых происходит сдвиг раствора между выступами болта. Условия эксплуатации в радиальном направлении влияют как на радиальную, так и на осевую реакцию. В нынешней конфигурации стенда преимущество использования условий постоянной радиальной жесткости заключается в том, что изменение давления в удерживающем пространстве можно использовать для оценки радиального смещения. Результаты, полученные для тросовых болтов, также согласуются и демонстрируют аналогичные тенденции с анкерами, при этом соотношение осевой нагрузки и смещения показывает четыре различные фазы, а профиль и геометрия болта наблюдаются в постпиковой фазе. Однако результаты, полученные для анкерных и тросовых анкеров, показывают важные различия в постпиковой фазе, при этом в случае анкерных креплений происходит гораздо более резкое снижение нагрузки. Двумя вероятными причинами этой разницы являются тип стержня (сплошной относительно первоначально скрученных проволок) и профиль болта (геометрия углублений).

Что касается кабельных болтов Mini-cage, то их профиль вызвал серьезные повреждения образца горной породы. В случае болтов IR5/IN результаты выдергивания были очень чувствительны к конфигурации свободного конца. Эти результаты, а также радиальное разрушение, которое часто происходит при низких давлениях горения (скальные болты и кабельные болты), подчеркивают сложность оценки поведения поверхности раздела болт-раствор на основе необработанных данных извлечения, а также важность рассмотрения поведения образец в целом, прежде чем сосредоточиться на интерфейсе. Чтобы точно изучить реакцию интерфейса, конфигурация стенда должна быть максимально простой, чтобы уменьшить неопределенность в измерениях и лежащих в его основе процессах (разрыв пласта, реакция породы, калибровка стенда и т. д.).

Представленные результаты согласуются с предыдущими результатами испытаний на выдергивание аналогичных анкерных болтов и тросовых анкеров и представляют собой обширную базу данных результатов лабораторного масштаба, в которой основное внимание уделяется влиянию ограничивающего давления и длины закрепки на реакцию выдергивания полностью залитые болты. Эти данные можно использовать как в качестве технической справки при определенных условиях, так и в качестве средства сравнения прогнозов модели (которые включают условия эксплуатации, компоненты и поведение образца) и данных лабораторного масштаба.