热害隧道全长粘结式锚杆力学性能及损伤机理研究

Bolting is a kind of effective method of ensuring tunel adjacent rock stability. The property of bolt system and bond property between grouting material and adjacent rock are key issues about supporting structure. Heat-harm becomes more extrusive as turnal construction towards long,wide and deep. Physical properties of grouting material, bond properties between grounting material and bolt, adjacent rock will occur larger changes. Intensity may significantiy reduced and system volume stability become poor in the hygrothermal (hotdry) environment. Binding power of first interface and second interface will also deteriorate seriously. Some may debond or crack and lose its support function. The experiments of matching property of materials , environment simulation, numerical simulation and microscopic test technology will be carried out in the project. The changing regularity of physical propertyes of grounting material and bond property of first interface and second interface, hot microstructure, interface transition zone mechanism will be research and revealed in thedifferent high geotherm environment. The bond mechanics model and debond deterioration criteria of first interface and second interface will be setted up. The influences of heat-harm to grounting material microstructure and macroscopic properties will be analysed. Reasonable composition materials and construction technology of grounting material and bolt will be suggested which will ensure tunnel initial support security and long-term stability.

锚杆支护是保证隧道围岩稳定的一种有效支护方式，其锚固体系本身的性能、灌浆料与围岩基体之间的粘结性能是关系到支护结构作用能否很好发挥的关键问题。随着隧道建设逐渐向长大深埋方向发展，热害（高地温）问题日渐突出，在湿（干）热环境下，灌浆料的物理性能指标、灌浆料与锚杆（第一界面）及灌浆料与围岩（第二界面）的粘结性能都会发生较大的变化，可能出现强度倒缩加剧、系统体积稳定性变差以及第一、第二界面粘结力严重损失，甚至脱粘开裂丧失支护作用。本项目通过材料组配性能试验、模拟环境试验和数值方法及微观测试技术研究揭示不同高地温情况下灌浆料物理性能、第一界面及第二界面粘结力学性能的变化规律，热微观结构及界面过渡区作用机理。建立高地温情况下第一界面及第二界面粘结力学模型及脱粘损伤判据。分析热害对灌浆料微观结构和宏观性能的影响，提出有效的热害情况下灌浆料及锚杆的合理组成材料和施工措施，以保证围岩支护安全及长期稳定。

在模拟热害环境基础上，通过材料组配性能试验、锚杆拉拔模型试验、界面粘结力试验及扫描电镜等微观试验展开相关研究工作。主要进行的研究工作包括：.（1）研究了水泥灌浆料在不同温度（20℃、35℃、50℃、70℃）及湿度条件下抗压强度的变化规律。研究表明：湿热环境下水泥砂浆灌浆料的抗压强度随温度的升高而升高；干热环境下水泥灌浆料的抗压强度呈现出倒缩的趋势。湿热环境影响灌浆料强度的主要原因是早期高温养护效应，而干热环境下灌浆料抗压强度损失机理更加复杂，水化不充分，材料失水导致干缩、不良界面效应等。.（2）分析了高温条件下灌浆料的收缩机理和抑制措施。分别对比了水胶比、胶砂比、掺和料种类和含量对水泥浆体收缩的影响，结果表明：增大水胶比，水泥浆体的收缩也随之增大；收缩主要发生在较早的龄期；相同水胶比下，水泥胶砂试件的收缩要小于纯水泥试件；掺入30%粉煤灰、2%玄武岩纤维、10%重晶石粉和2%短钢纤维能够有效抑制水泥浆体的收缩。通过对试验数据的分析，提出不同配合比和矿物掺合料的收缩率预测模型。 .（3）设计了干热环境下不同温度及围岩粗糙度下锚杆灌浆料抗拔强度的试验。结果表明：锚杆的养护温度对试件在第一、二界面拉拔试验中的破坏模式影响较小，但不同粗糙度的锚杆其破坏模式差异较大；当养护温度低于35℃时，锚杆的抗拔强度随温度升高而增大，当养护温度高于50℃时，锚杆的抗拔强度随温度升高而减小；对于无螺纹锚杆试件，第一界面的黏结强度大于第二界面，此类锚杆在工程应用中第二界面较第一界面更容易发生剪切破坏。围岩的粗糙度对锚杆的抗拔强度有较大的影响，围岩粗糙度越大，锚杆的抗拔强度越高，锚固效果越好。.（4）针对锚固段1000mm长的锚固体试件展开界面粘结应力分布试验研究，得到锚杆与灌浆体界面的轴力和剪应力分布随温度的升高，锚固段最大剪应力值越小，轴力沿锚固段长度衰减快。.研究成果可为改善热害隧道围岩支护中灌浆料及锚杆与灌浆料粘结性能提供一定的技术支持。