摘要：完整的锚固系统由锚杆体、粘结材料以及岩土体三部分组成，其间的力的递方式均是由锚杆体传递到粘结材料，再由粘结材料传递到岩土体的。而它们之间的粘结力就成为整个锚固系统极限承载力设计的关键。本文通过室内剪切流变试验，考虑蠕变效应下研究锚杆—灌浆体界面的力学特性以及锚杆的预应力损失随时间的变化情况。结果表明：锚杆的预应力损失在考虑蠕变效应条件下随荷载的增大而随之增大；锚杆—灌浆体界面的剪力分布随杆长迅速增大到峰值，然后在逐渐减小，并随时间的增长，峰值逐渐后移，直到破坏。考虑时间对锚固系统的作用，比较符合实际情况，为以后的相关研究提供了一个很好的思路，具有一定的指导作用。
关键词：锚固界面；室内试验；蠕变效应；力学特性
1引言
众所周知，无论是哪一种锚固系统，力的传递方式均是由锚杆体传递到粘结材料，再由粘结材料传递到岩土体[1]。因此，锚杆杆体和粘结材料之间的粘结作用、粘结材料与岩土体间的粘结作用就是决定锚固系统极限承载力的主要因素，一旦粘结作用失效，整个锚固系统就会失效，最终导致整个结构的破坏。整个锚固系统涉及到两个锚固界面：锚杆杆体—粘结材料界面，粘结材料—岩土体界面。因此本文通过室内剪切流变试验研究锚杆杆体—粘结材料界面的力学特性——这个锚固系统最薄弱部分[2~3]。
针对这个问题国内外学者做了相关研究：伍国军[4]通过室内剪切流变试验，研究了混凝土与花岗岩界面的剪切应力随时间的变化关系，试验表明同一级荷载下锚杆的轴力随杆长逐渐减小，当锚固界面上的剪应力水平很低时，岩石剪切流变速率只表现出初始蠕变和稳态蠕变两个阶段；而当它处于较高剪切应力时，则经历完整的岩石蠕变三个阶段，即初始蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。朱珍德[5]通过进行含软弱夹层的岩石的剪切流变试验，得出了岩石夹层的剪应力τ—剪切位移μ随时间的关系曲线，结果分析得到：含软弱夹层的岩石剪切流变特性与它所受的正应力以及剪应力水平有关，正应力水平越高，其瞬时剪切位移也越大。伍国军[6]通过室内蠕变试验分析了锚杆应力随时间变化的杆长分布及其变化特征，结果表明：当锚固微元体处于受拉状态时，锚杆轴力随时间不断增长；当锚固微元体处于受压状态时，锚杆轴力随时间不断减小。总的来说，有关锚固系统界面的力学特性研究还缺乏共同的认识，以及一个系统性的理论，因此还有待更进深一步的研究。
本文通过室内剪切流变试验，通过考虑岩体的蠕变效应展开了相关研究。首先从考虑锚杆和锚固微元体的受力特点出发，分析它们在外荷载的作用下，研究其力学模型和力学特性，其次就是研究其在考虑蠕变效应的条件下的受力变化情况，针对锚杆—灌浆体界面的特点，研究其在室内蠕变试验下的力学特性，为锚固界面的研究提供了一些思路，具有一定的现实指导意义。
2室内剪切流变试验
2.1试件制备和试验过程
室内试验是在长春朝阳试验仪器有限公司研制的三轴岩石剪切流变机试验仪基础上通过改进以后的流变试验机上进行的，改进后的设备能提供600kN的垂直（法向）拉力，精度≤±3‰，完全能满足试验精度的要求。
锚固系统的基体部分采用混凝土材料制备，在实验室内配制成C30的混凝土作为锚固基体。根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000的相关规定，C30强度锚固基体设计的配合比为：水泥：砂：碎石：水=449：615：1116：220。选用Ф12mm的螺纹钢作为锚杆的杆体材料，锚杆总长度设计为550mm，螺纹钢外露端长度为100mm。灌注体砂浆选用水泥：砂：水=1：3：0.6。基体模型成型后24h拆模，在标准养护条件下养护7d 放入事前处理过的钢筋并灌注砂浆，在标准养护条件下养护 28d 后进行试验。试件分批制作，以满足试验所需试件的要求。另外每批试件还浇筑3个150mm╳150mm╳150mm和6个150mm╳150mm╳300mm同基体一批次的混凝土试块、3个70.7mm╳70.7mm╳70.7mm和6个40mm╳40mm╳160mm同砂浆一批次的砂浆试块，以及一个不经任何处理的标准试件，以此来确定试件材料的常规力学参数和极限抗拔力。
本次试验为锚杆—灌浆体界面的剪切蠕变试验。试验采用分级加载的方式，从某一应力开始逐级增加荷载，直至锚固界面破坏。试验过程中，室内温度恒定，可以忽略温度变化的影响。锚固体蠕变拉拔试验的第一级荷载设计为相应常规拉拔试验极限抗拔力的10%，即取10KN，第二级为20KN，第三级为30KN，第四级为40KN，第五级为45KN，以后每级荷载增量为5KN直至试件破坏试验完成，每一级荷载维持24h，以满足试件蠕变变形的稳定。
2.2力学模型的建立
试验过程中，将试件与剪切流变仪器连接，在锚杆外露端头施加一拉力F，在F的作用下锚杆体（HRB400螺纹钢筋）将产生一定的拉伸力学效应。同时，锚固系统通过锚杆与灌浆体之间的界面，将力由锚杆体传到灌浆体，此处产生一定的剪切力学效应，其力学模型如图1所示
Fig.1 Mechanical model of interface between bolt and binder
通过锚杆体上应变片测定的应变值可以计算出该处所受的轴力，即获得锚杆体上不同位置的轴力分布情况，由公式（1）可知，
（1）
式中:——第i点应变片处的轴力；
E——钢筋的弹性模量；
——第i点测得的应变值；
A——杆体钢筋的截面积；
由锚固体的平衡条件可知：在锚杆体不与灌浆体发生脱粘的情况下，任何一段锚杆体两端的轴力差都与其表面所受到的平均剪应力相平衡，因此可以通过锚杆体沿轴向的轴力推出锚杆——灌浆体界面剪应力的分布规律。
由平衡关系可得：
（2）
式中:——锚杆界面第i和第i+1点之间的平均剪应力；
d——锚杆体计算直径；
——两个应变片之间的间距；
2.3实验结果及数据分析
实验过程共制作4个试件，由于试件制作过程以及实验加载过程的操作问题，现选取1-1、1-2两个试件数据进行分析，每个试件沿轴向平均粘贴7个应变片，即1-1-1~1-1-7和1-2-1~1-2-7，每个应变片的轴向间距为65mm，每个应变片均能采集有效数据。
通过公式（1）计算，得到锚杆体轴力测试结果的分布情况如图2、图3所示，锚杆体在外力的作用下主要承受拉力，最大轴力值出现在1-1-1和1-2-1位置，即距离孔口最近的位置，然后沿锚杆体轴向向锚杆体尾端逐渐减小，即1-1-7和1-2-7位置为最小值。随着外荷载的增大，锚杆体的轴力也随之增大，且轴力分布基本呈幂函数规律，这是由于锚杆体的轴力从上端传递到尾端时，锚杆体与灌浆体本是粘结在一起的，阻碍了轴力的向下传递过程，所以表现为上端轴力大，下端轴力小的沿轴向的呈幂函数规律。另一方面可以看出，随着外荷载的增大，锚杆体轴力也随之增大的同时，由于考虑时间效应，即蠕变效应，锚杆体的预应力损失越来越大，表现为最大轴力值与实际荷载值差值不断增大。
通过公式（2）计算，得到锚杆体—灌浆体界面剪应力测试结果的分布情况如图4、图5所示，剪应力的峰值主要集中在距离锚固端部的42mm~172mm的范围内，即在锚固端口剪应力较低，向里迅速增长到一个峰值区，然后再逐渐减低，在锚固段的后半段界面剪力衰减较快，一直到锚固端尾处于一个很低的剪力水平。同时，随着外荷载的增加，锚杆—灌浆体界面剪应力也呈正相关性出现。当考虑时间效应，即蠕变效应时，界面剪力的峰值增量逐渐减小，而且峰值区随外荷载增大有向下发展的趋势，即锚杆体172mm~302mm范围内的界面剪力增量随荷载增大而不断增大。
试件1-1、1-2均达到其极限承载能力，表现为沿锚杆—灌浆体界面的蠕变拉拔破坏。
3结论
通过采用分级加载的方式进行室内剪切流变试验，研究不同荷载下锚杆和锚杆—灌浆体界面随时间效应影响的力学特性：
当外荷载处于较低水平时，锚固系统处于粘弹阶段，锚杆轴力在端口处于最大值，剪应力在锚固端口一定范围内处于较高的值域，同时界面剪应力产生蠕变的区域也靠近端口，其表现为锚杆最大轴力值的衰减，且持续整个阶段；
当外荷载处于中等水平时，锚固系统由粘弹阶段变为粘塑阶段，随着外荷载的增加，锚杆轴力随之增大，并向下传递，界面剪应力的峰值区域也逐渐向下发展，其峰值的增量逐渐减小，界面上的蠕变区域也随之向下发生转移，在这个过程中锚杆最大轴力值衰减不断增大；
当外荷载增加到接近极限情况时，锚固系统处于脱粘阶段，由于蠕变区域的不断向下转移，使整个界面都产生较大的蠕变变形，并且该阶段的蠕变速率较大，最终导致整个锚杆—灌浆体界面的剪切拉拔破坏。
考虑蠕变效应对锚固系统的影响，比较符合实际情况，为以后相关研究提供一种思路，具有一定的现实指导意义。
参考文献：
[1]孙钧. 岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26(6)：1018–1106.
[2]尤春安.锚固系统应力传递机理理论及应用研究[D].泰安：山东科技大学，2004
[3]赵同彬.深部岩石蠕变特性试验及锚固围岩变形机理研究[D] .青岛：山东科技大学，2009
[4]伍国军，陈卫忠，王永刚．地下工程锚固界面力学模型及其时效性研究[J].岩土力学，2011,32(1)：237–243.
[5]朱珍德，李志敬，朱明礼．岩体结构面剪切流变试验及模型参数反演分析[J].岩土力学，2009,30(1)：99–104.
[6]伍国军，陈卫忠，王永刚．基于岩体蠕变效应的锚杆应力分布及其变化规律研究[J].岩土力学，2010,31(8)：150–155.