氯鹽環(huán)境下螺紋鋼錨桿力學(xué)性能退化研究

張 瑾 王夢雪 朱 淳 奚傳浩 馬子涵 徐傳龍

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 青島 266520;2.海洋環(huán)境混凝土技術(shù)教育部工程研究中心,山東 青島 266520;3.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

隨著交通運(yùn)輸、高層建筑以及礦山開采等工程建設(shè)的快速發(fā)展,工程開挖深度不斷增長,巖土體在開挖過程中頻繁出現(xiàn)圍巖變形、塌陷等現(xiàn)象,為防止該現(xiàn)象的發(fā)生,增強(qiáng)錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性就尤為重要。目前錨固結(jié)構(gòu)多采用以鋼材為原料的預(yù)應(yīng)力錨桿,如HRB 335、HRB 400級螺紋鋼錨桿,含碳量約為0.25%。預(yù)應(yīng)力錨桿錨固屬于隱蔽工程,錨桿常作用于巖土體內(nèi),施工過程中接觸復(fù)雜的工程環(huán)境,高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓力、氧濃度多變、地下水豐富等復(fù)雜的賦存環(huán)境均會對預(yù)應(yīng)力錨桿的耐久性產(chǎn)生影響。20世紀(jì)國內(nèi)外逐漸將錨桿支護(hù)使用于巖土工程領(lǐng)域,如貴州某礦山、朝陽溝公路隧道、圓寶山鐵路隧道,如圖1。1956年錨桿支護(hù)在煤礦中使用,從早期低強(qiáng)度錨桿,發(fā)展到高預(yù)應(yīng)力、高強(qiáng)度錨桿支護(hù),以適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件[1-4]。錨桿在廣泛應(yīng)用巖土工程的同時,也出現(xiàn)許多錨桿錨固失效案例[5-7]。1986年,國際張拉預(yù)應(yīng)力協(xié)會針對錨固結(jié)構(gòu)的破壞,統(tǒng)計(jì)了35例破壞案例,調(diào)查發(fā)現(xiàn):錨固結(jié)構(gòu)銹蝕破壞與錨固類型關(guān)系不大;錨固結(jié)構(gòu)銹蝕時間也不相同,有的半年就開始銹蝕;銹蝕部位也不相同,多發(fā)生在錨頭;并且發(fā)現(xiàn)對于通過增加錨桿直徑以提高錨固結(jié)構(gòu)耐久性的作用微乎其微[8]。瑞士一座管線橋臺由于錨固結(jié)構(gòu)所處環(huán)境賦存腐蝕介質(zhì)且施工工藝不到位,導(dǎo)致錨固結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕破壞。研究表明,腐蝕是導(dǎo)致錨桿失效的主要因素之一[9-10]。圖2所示為某深部礦井下錨桿、托盤銹蝕情況[11]。

圖1 錨桿支護(hù)情況Fig.1 Anchor support situation

圖2 某礦井預(yù)應(yīng)力錨桿及托盤腐蝕情況Fig.2 Corrosion of prestressed anchors and trays in a mine

由于錨桿長期賦存在惡劣的巖土環(huán)境中,為了保證錨固結(jié)構(gòu)的耐久性,國內(nèi)外學(xué)者針對該問題展開調(diào)查研究。肖玲等對河南焦作地下礦區(qū)10年期管縫式錨桿進(jìn)行坑蝕、桿體極限承載力和塑性性能的腐蝕狀況研究,發(fā)現(xiàn)腐蝕對錨桿的塑性損害極易造成突發(fā)性事故[12]。Hausmann對臨界氯離子濃度有所研究成果后[13],越來越多的學(xué)者開始對臨界氯離子濃度進(jìn)行研究并取得大量成果[14-21]。付宏淵等[22-24]采用室內(nèi)加速實(shí)驗(yàn)方法研究Cl-、pH、環(huán)境氧濃度、地下水等環(huán)境因素對錨桿腐蝕影響,通過力學(xué)試驗(yàn)、腐蝕速率、微觀分析等手法研究環(huán)境對腐蝕的重要影響。Li C等[25-26]采用室內(nèi)試驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)錨桿在氯離子濃度高的環(huán)境中更易發(fā)生腐蝕,腐蝕引起預(yù)應(yīng)力損失導(dǎo)致巖土體穩(wěn)定性退化。綜上所述,巖土工程環(huán)境下有害離子侵蝕是影響錨桿錨固的主要因素,在高溫高濕環(huán)境下陰離子Cl-活化能力高,可以促進(jìn)錨桿腐蝕。因此本文采用鹽霧腐蝕試驗(yàn)?zāi)M氯鹽腐蝕環(huán)境,對腐蝕后錨桿的宏微觀力學(xué)性能進(jìn)行深入研究,并結(jié)合數(shù)值模擬與開挖補(bǔ)償理論,研究錨桿腐蝕后對圍巖穩(wěn)定性的影響,以期對實(shí)際工程的支護(hù)設(shè)計(jì)及耐久性設(shè)計(jì)起到借鑒作用。

1 試驗(yàn)原理

錨桿的銹蝕根據(jù)腐蝕原理的不同主要分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類。當(dāng)錨桿在潮濕環(huán)境或者有鹽溶液存在的情況下,會發(fā)生電化學(xué)腐蝕,電化學(xué)腐蝕是錨桿中最主要的一種腐蝕形式。腐蝕過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下:

陽極因電解分離出Fe2+并釋放,與腐蝕溶液中存在的氯離子發(fā)生反應(yīng)生成FeCl2,FeCl2是一種極易溶于水的物質(zhì)。陰極吸收由陽極通過錨桿傳遞來的電子與溶液中O2、H2O發(fā)生還原反應(yīng)生成的OH-,OH-通過陰陽極之間所產(chǎn)生的帶電區(qū)域向陽極方向傳遞帶負(fù)電的離子,與FeCl2反應(yīng)生成Fe(OH)2沉淀。再與周圍含有氧氣和水的環(huán)境中生成Fe(OH)3沉淀。由于鹽霧試驗(yàn)箱中生成的產(chǎn)物會因環(huán)境繼續(xù)發(fā)生各種反應(yīng),從而會有附著在錨桿上不同顏色鐵銹,Fe(OH)3在脫水后會變?yōu)榧t色銹蝕產(chǎn)物Fe2O3,同時由于Fe(OH)2氧化不完全還會形成黑色銹蝕產(chǎn)物Fe3O4,如圖3所示。根據(jù)反應(yīng)發(fā)現(xiàn),在腐蝕過程中Cl-的濃度不會因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)減少,反而可以循環(huán)利用參與各個反應(yīng)過程,起到催化作用。

圖3 錨桿電化學(xué)腐蝕示意Fig.3 Schematic of electrochemical corrosion of anchor rod

2 試驗(yàn)方案

2.1 試樣制備及方法

錨桿類型選取5根市場上廣泛應(yīng)用的HRB400螺紋鋼錨桿,錨桿直徑18 mm。根據(jù)拉伸試驗(yàn)設(shè)備要求,錨桿試樣長度取400 mm。若錨桿有銹蝕,則錨桿應(yīng)采用12%鹽酸溶液進(jìn)行酸洗,并經(jīng)清水漂凈后,用石灰水中和,再用清水沖洗干凈,擦干后應(yīng)在干燥器中至少存放4 h,然后用天平稱取每根錨桿的初重m0(精確至0.1 g),錨桿應(yīng)存放在干燥器中備用。因考慮到錨桿在鹽霧腐蝕過程后錨桿腐蝕兩端影響拉伸試驗(yàn)結(jié)果,防止錨桿在拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時會斷在夾持端,因此在干燥完成后,用保鮮膜和透明膠對兩端5 cm處進(jìn)行密封以防止腐蝕,如圖4所示。

圖4 錨桿試件制備Fig.4 Preparation of anchor rod specimens

2.2 腐蝕環(huán)境設(shè)置

鹽霧試驗(yàn)開展參照《GB/T 10125-2021 人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》[27],由于國內(nèi)對鹽霧試驗(yàn)時間沒有專門的標(biāo)準(zhǔn),因此本試驗(yàn)采用間歇式噴霧的腐蝕方式,采用噴4 h、間歇20 h為1個循環(huán)周期(1 d),腐蝕試驗(yàn)周期分為3、10、15、20、50 d。本次試驗(yàn)采用的是邦億精密量儀(上海)有限公司型號為Byes-60C的鹽霧試驗(yàn)機(jī)。溶液為5%的NaCl溶液,pH值為6.5～7.2,溫度設(shè)定為(35±2)℃,鹽霧沉降率為1～2 ml/80(cm2/h),飽和氣壓桶溫度在(47±1)℃,噴霧氣源壓力控制在0.8～1.0 kg/cm2,盡量將試件擺放角度與豎直方向成20°。在相應(yīng)腐蝕時間結(jié)束后取出錨桿,在自然條件下放置干燥,用酸溶液對錨桿表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行清洗,用純水沖洗并干燥。用相機(jī)記錄除銹前后錨桿銹蝕的宏觀形貌,并對錨桿除銹后質(zhì)量稱重,記為m1。

質(zhì)量損失率α可用腐蝕前后的損失質(zhì)量來衡量,表達(dá)式為

腐蝕速率γ用暴露時間內(nèi)單位面積的損失質(zhì)量來表達(dá):

式中,A為表面面積,m2;t為暴露時間,h。

2.3 拉伸試驗(yàn)

錨桿拉伸試驗(yàn)采用型號為HUALONG WEW-1000B的萬能材料試驗(yàn)機(jī)。拉伸過程中采用50 mm/min均勻的速率拉伸錨桿直至試樣破壞,標(biāo)距l(xiāng)1為20 cm,拉伸過程中斷裂位置均在夾持端中間部位。拉伸斷裂后記錄錨桿抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能參數(shù),卸下錨桿測量其斷后標(biāo)距長度l0及斷口直徑并計(jì)算延伸率:

2.4 電鏡掃描

腐蝕后的錨桿采用高清相機(jī)拍攝表面腐蝕狀況,采用型號JSM-7900F電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行掃描,在高倍數(shù)下分析錨桿斷口微觀腐蝕形貌。

鹽霧試驗(yàn)總過程如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)過程Fig.5 Experimental process

3 腐蝕試驗(yàn)現(xiàn)象

隨著腐蝕時間增加,錨桿試驗(yàn)部分均出現(xiàn)腐蝕痕跡,銹蝕程度逐漸增大,腐蝕除銹前后的表面形態(tài)如圖6～圖10所示。各圖(a)為錨桿腐蝕除銹前表面形態(tài),各圖(b)為錨桿腐蝕除銹后表面形態(tài)。

圖6 腐蝕3 dFig.6 Corrosion for 3 days

由圖6可以看出,試件腐蝕3 d后,表面局部有輕微銹蝕產(chǎn)物,仍能看出試件本身形貌,整體并無太明顯變化;對試件表面除銹后,可以看到有小程度的腐蝕現(xiàn)象,主要發(fā)生為點(diǎn)蝕,蝕坑大小較均勻,多分布在肋紋凹處且深度較淺。

由圖7可以看出,試件腐蝕10 d后,表面已經(jīng)附著一層片狀橘黃色銹蝕產(chǎn)物,銹蝕層厚度加深,已基本看不到試件本身形貌;試件表面除銹后,在肋紋凹處由點(diǎn)蝕發(fā)展為片狀坑蝕,基本未發(fā)生在肋紋中間處,深度較淺。

圖7 腐蝕10 dFig.7 Corrosion for 10 days

由圖8可以看出,試件腐蝕15 d后,表面開始產(chǎn)生黑色銹蝕產(chǎn)物,已完全看不到試件本身形貌,銹蝕部位有碎屑狀產(chǎn)物脫落,表面粗糙;試件表面除銹后,在肋紋凸處有點(diǎn)狀坑蝕,肋紋凹處由點(diǎn)蝕發(fā)展為片狀坑蝕,深度仍然較淺,坑蝕逐漸向肋紋中間處發(fā)展。

圖8 腐蝕15 dFig.8 Corrosion for 15 days

由圖9可以看出,試件腐蝕20 d后,隨著時間增加,表面黑色腐蝕產(chǎn)物層厚度增加,黑色產(chǎn)物和橘黃色產(chǎn)物均存在試件表面,橘黃色產(chǎn)物部位可以看出明顯的坑蝕;對試件表面除銹后,片狀坑蝕部位面積增大,深度有所加深,肋紋凸處開始有明顯腐蝕,表面仍保留基本光澤。

圖9 腐蝕20 dFig.9 Corrosion for 20 days

由圖10可以看出,試件腐蝕50 d后,試件直徑明顯變細(xì),表面腐蝕凹凸不平,腐蝕深度進(jìn)一步增加,腐蝕坑明顯;經(jīng)過除銹后,試件表面坑蝕已由最初小面積的點(diǎn)蝕發(fā)展為均勻腐蝕,許多腐蝕坑連為一片分布在試件表面,表面已基本失去光澤,肋紋高度有所減少,但仍無裂紋產(chǎn)生。

圖10 腐蝕50 dFig.10 Corrosion for 50 days

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 腐蝕對錨桿質(zhì)量損失影響

質(zhì)量損失率和腐蝕速率與腐蝕時間關(guān)系,如圖11和表1所示。試件質(zhì)量損失率用腐蝕質(zhì)量衡量,由表1數(shù)據(jù)可以看出,隨著時間不斷增長,腐蝕損失的質(zhì)量逐漸增加,質(zhì)量損失率由開始損失時的0.325 g逐漸增加到1.922 g;當(dāng)試件腐蝕第3天時腐蝕速率最大,為15.35 g/(m2·h),腐蝕第50 d腐蝕速率最小,為5.38 g/(m2·h)。試件在腐蝕10～20 d有小幅度波動,在腐蝕15 d后,質(zhì)量損失率與腐蝕速率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,隨著質(zhì)量損失率增加,腐蝕速率反而下降,這是由于試件表面產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物有一定保護(hù)作用抑制了試件腐蝕速率。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data

圖11 試件質(zhì)量損失率和腐蝕速率與腐蝕時間關(guān)系Fig.11 Relationship of mass loss rate and corrosion rate and corrosion time of samples

4.2 腐蝕對錨桿力學(xué)性能影響

錨桿之所以能夠在巷道圍巖中廣泛應(yīng)用,主要體現(xiàn)在其力學(xué)性能,力學(xué)性能的優(yōu)良決定巷道圍巖穩(wěn)定性,而通過試驗(yàn)腐蝕對錨桿錨固作用的影響,分析力學(xué)性能的各項(xiàng)指標(biāo)是否能符合規(guī)定要求。Du Y G[28]研究了腐蝕對錨桿力學(xué)性能影響,發(fā)現(xiàn)腐蝕會使延伸率有顯著下降;魏源等[29]通過加速腐蝕試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)得出結(jié)論,力學(xué)性能會隨著腐蝕率增大呈線性下降趨勢。

(1)應(yīng)力及應(yīng)變?？估瓘?qiáng)度是錨桿在巖土圍巖中施加應(yīng)力時所能承受抵抗斷裂失效的最大拉力,其值越大說明錨桿強(qiáng)度越大,而屈服強(qiáng)度是抵抗錨桿塑性變形的最大應(yīng)力,一旦超出應(yīng)力值,錨桿會發(fā)生永久變形,無法恢復(fù)原始形態(tài),屈服強(qiáng)度值是設(shè)計(jì)錨桿的基礎(chǔ)。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度值的比值是屈強(qiáng)比的體現(xiàn),其值越大抵抗變形能力越大。隨著巖土體中錨桿需提供更高的錨固承載力,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的提高對錨桿在巖土應(yīng)用中有著重要意義。圖12(a)中紅圈內(nèi)為屈服強(qiáng)度值變化范圍圖,黃框內(nèi)為抗拉強(qiáng)度值變化范圍圖,從圖中可以看出,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在腐蝕3～20 d整體呈上升趨勢,在第10 d時變化都有明顯上升,之后腐蝕天數(shù)內(nèi)隨著時間增加有略微下降,在第50 d時屈服強(qiáng)度值和抗拉強(qiáng)度值都有略大的變化幅度。由圖12(b)看出從腐蝕0～50 d內(nèi),屈服強(qiáng)度從最初的457 MPa下降到443 MPa,但屈服強(qiáng)度仍大于400 MPa,根據(jù)《GB/T 33953-2017鋼筋混凝土用耐蝕鋼筋》[30]規(guī)范可知依然滿足對試件屈服強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)。由圖12(c)看出抗拉強(qiáng)度從639 MPa下降到624 MPa,符合抗拉強(qiáng)度大于540 MPa的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的要求。

圖12 不同腐蝕周期錨桿應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.12 Stress-strain curves of anchor rods with different corrosion periods

(2)延伸率。巷道圍巖中經(jīng)常發(fā)生錨桿與巖體錨固失效的現(xiàn)象,主要是因?yàn)殄^桿變形和圍巖變形互相不匹配,在錨桿設(shè)計(jì)中錨桿伸長量需要大于圍巖變形量,這樣可以有效減少錨固失效事故發(fā)生,延伸率指標(biāo)的優(yōu)良可以使錨桿在巷道圍巖中工作時能夠有更強(qiáng)的能量吸收和安全儲備,是巷道工作安全和可靠的保障。如表2和圖13所示,試件延伸率隨著腐蝕時間增加不斷減小,相比未腐蝕試件,延伸率由最初20.91%減少到16.67%,變化幅度4.24%,根據(jù)《GB/T 33953-2017 鋼筋混凝土用耐蝕鋼筋》[30]規(guī)范可知延伸率需不小于16%,伸長率已接近規(guī)范下限。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data

圖13 試件延伸率與腐蝕時間關(guān)系Fig.13 Relationship between extensibility and corrosion time of sample

5 腐蝕狀態(tài)下錨桿斷口形態(tài)分析

5.1 宏觀斷口分析

對錨桿極限拉伸后的斷口狀態(tài)進(jìn)行分析,由圖14斷口側(cè)視圖可以看出,斷口均呈劈裂狀,隨著腐蝕時間增加試件頸縮現(xiàn)象明顯。從圖15斷口正視圖中試件在拉伸后都能夠清晰看出斷口的纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū),為典型的韌性斷裂;裂紋源通常位于中心纖維狀區(qū)域(圖14箭頭處),裂紋源進(jìn)一步向外擴(kuò)展形成放射狀線條,叫做放射區(qū)。由于裂紋源偏離試樣中心,放射線較粗,而導(dǎo)致放射線花樣發(fā)生彎曲。最后斷口外側(cè)形成剪切唇,剪切唇在拉力作用下快速不穩(wěn)定地?cái)U(kuò)展,與拉伸方向呈45°,表面較光滑。

圖14 斷口側(cè)視圖Fig.14 Lateral view of fracture

圖15 斷口正視圖Fig.15 Front view of fracture

5.2 微觀斷口分析

為了分析錨桿在地下工程中易斷裂失效的原因,采用掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜儀(EDS)結(jié)合,對試件進(jìn)行微觀形貌及物質(zhì)微區(qū)成分分析,本文主要取未腐蝕試件和腐蝕50 d除銹后試件為例進(jìn)行對比分析。首先對試樣進(jìn)行切割取樣,并用超聲波的方法對試樣表面雜質(zhì)進(jìn)行清除。分別在放大500、2 000倍的條件下觀察HRB400螺紋鋼顯微組織。

從圖16～圖18中可知,在未腐蝕狀態(tài)下試件的韌窩主要是等軸韌窩;隨著腐蝕時間延長在腐蝕50 d狀態(tài)下試件的韌窩仍是等軸韌窩,且小而密集,存在部分拉長韌窩,是由于腐蝕后的試件韌性下降,導(dǎo)致韌窩深度變淺,韌窩尺寸減小且數(shù)量增加。

圖16 斷口微觀形貌(500倍)Fig.16 Microscopic appearance of fracture (×500)

圖17 未腐蝕斷口微觀形貌(2 000倍)Fig.17 Microscopic appearance of uncorroded fracture(×2 000)

圖18 腐蝕50 d斷口微觀形貌(2 000倍)Fig.18 Microscopic appearance of 50 days corrosion fracture(×2 000)

利用JSM-7900F型掃描電鏡分析斷口微觀形貌,并結(jié)合能譜分析儀對未腐蝕和腐蝕50 d的試件斷口表面物質(zhì)成分進(jìn)行分析,如圖19。根據(jù)《GB/T 1499.2-2018 鋼筋混凝土用鋼 第2部分:熱軋帶肋鋼筋》[31]的技術(shù)要求可知HRB400鋼錨桿的化學(xué)成分主要是C、Si、P、Mn、Fe,而在腐蝕50 d后發(fā)現(xiàn)斷口處O元素存在,O含量增加,Fe含量有所減少,表明在腐蝕環(huán)境下試件內(nèi)部出現(xiàn)銹蝕情況,Fe元素以氧化物的形式存在試件表面,根據(jù)斷口元素成分含量分析腐蝕程度隨著時間延長有所增大。

圖19 斷口能譜分析圖Fig.19 EDS analysis chart of fracture

6 腐蝕狀態(tài)下錨桿支護(hù)效果研究

許多研究表明,巷道圍巖開挖后會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞,本質(zhì)是因?yàn)閲鷰r應(yīng)力重分布超過極限強(qiáng)度。陶志剛等[32]研究木寨嶺隧道開挖過程中軟巖大變形問題,并提出了開挖補(bǔ)償理論。在礦井工程建設(shè)時,地下水豐富且高滲透壓,大部分巷道圍巖變形現(xiàn)象較嚴(yán)重,錨桿支護(hù)極易受到腐蝕環(huán)境影響進(jìn)而導(dǎo)致事故發(fā)生。結(jié)合摩爾-庫倫準(zhǔn)則與開挖補(bǔ)償理論,隧道開挖后圍巖穩(wěn)定性和錨桿支護(hù)之間的關(guān)系,如圖20所示。隧道未開挖之前,圍巖應(yīng)力分布為原巖應(yīng)力水平,處于曲線下面不會發(fā)生破壞,如圖中狀態(tài)①。在隧道開挖后,圍巖應(yīng)力會發(fā)生重分布,隧道開挖應(yīng)力逐漸喪失,切應(yīng)力變大,圍巖應(yīng)力狀態(tài)從三維變成二維或近一維狀態(tài),如圖中狀態(tài)①向狀態(tài)②發(fā)展。隨著隧道進(jìn)一步開挖,圍巖發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大主應(yīng)力σ1增大,莫爾圓半徑增大,圍巖所受剪切應(yīng)力增大,超過摩爾-庫倫曲線,達(dá)到極限承載狀態(tài),隧道圍巖發(fā)生大變形,如圖中狀態(tài)②向狀態(tài)③發(fā)展。由于開挖工程的擾動使圍巖產(chǎn)生變形,因此為了保證隧道圍巖穩(wěn)定性,采用預(yù)應(yīng)力錨桿在隧道中作為支護(hù)結(jié)構(gòu)使用,支護(hù)應(yīng)力有所提升,應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱,最大主應(yīng)力σ1減小,所受剪切應(yīng)力減小,圍巖應(yīng)力處于摩爾-庫倫曲線以下,隧道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài),如圖中狀態(tài)③向狀態(tài)④發(fā)展。而經(jīng)上文研究發(fā)現(xiàn),由于在深部腐蝕環(huán)境下圍巖中含有豐富的氯離子,錨桿在長期氯鹽腐蝕環(huán)境下,力學(xué)性能有所下降,使得最小主應(yīng)力σ3減小,圍巖再次出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大主應(yīng)力σ1增大,圍巖的剪切應(yīng)力增加,應(yīng)力會超過摩爾-庫倫曲線,圍巖支護(hù)失效,如圖中狀態(tài)④向狀態(tài)⑤發(fā)展。因此在隧道圍巖支護(hù)中提高錨桿耐腐蝕性能是保證隧道穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

圖20 圍巖應(yīng)力狀態(tài)與支護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)關(guān)系(開挖補(bǔ)償理論)Fig.20 Relationship between surrounding rock stress state and support structure state(excavation compensation theory)

7 巷道開挖數(shù)值模擬分析

由于深部軟巖巷道存在變形破壞嚴(yán)重的特點(diǎn),而錨桿在圍巖巷道中腐蝕現(xiàn)象突出,因此以某礦區(qū)巷道實(shí)際工程為模型進(jìn)行Abaqus數(shù)值模擬分析,研究錨桿在軟巖環(huán)境中受到腐蝕后的圍巖穩(wěn)定性情況。該工程的圍巖以泥巖為主,巖性均勻,巖層的力學(xué)參數(shù)見表3。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),建立30 m×30 m的模型,巷道斷面為矩形,矩形巷道的幾何尺寸為6 m×5 m,巷道埋深為900 m。在進(jìn)行數(shù)值模擬時,需對位移邊界和應(yīng)力邊界進(jìn)行固定,本例固定左右邊界的水平位移,下邊界固定約束,模型上部邊界加載上覆巖層自重為1.62×107N/m2。該巷道采用全錨桿支護(hù),錨桿直徑為18 mm,頂板及兩幫錨桿間排距為1 m。

表3 巷道圍巖力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of roadway surrounding rock

7.1 巷道圍巖位移量變化

從錨桿支護(hù)下巷道圍巖垂直位移分布圖(圖21)可知,巷道開挖完成后,位移場分布規(guī)律相近,巷道頂?shù)装逄幬灰屏坑兴龃?錨桿支護(hù)前期,錨桿基本無腐蝕,頂板位移量為260.00 mm。隨著時間延長,錨桿不斷腐蝕,巷道頂板處位移量變化到310.00 mm,相比未腐蝕錨桿圍巖位移量變化僅增長了29%。

圖21 錨桿支護(hù)時垂直位移分布Fig.21 Vertical displacement map under anchor rod support

圖22為未腐蝕錨桿和腐蝕后錨桿支護(hù)下巷道兩幫圍巖位移云圖,可以看出圍巖兩幫位移量較大,隨著時間不斷增長,巷道圍巖兩幫位移量有明顯的增大,錨桿未腐蝕情況下巷道左幫位移量達(dá)到82.44 mm,右?guī)臀灰屏窟_(dá)到82.42 mm,總的兩幫位移量達(dá)到了164.86 mm;支護(hù)一段時間后錨桿受到腐蝕,左幫位移量達(dá)到146.00 mm,右?guī)臀灰屏窟_(dá)到146.20 mm,總的兩幫位移量達(dá)到了292.20 mm,相比支護(hù)初期增加了77.24%。

圖22 錨桿支護(hù)時水平位移分布Fig.22 Level displacement distribution under anchor rod support

7.2 巷道圍巖應(yīng)力變化

從錨桿支護(hù)下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖(圖23)中可知,巷道較高應(yīng)力主要分布在兩幫位置,主要受到壓應(yīng)力,隨著錨桿的逐漸腐蝕,錨桿強(qiáng)度有所下降,巷道兩幫最大壓應(yīng)力從27.35 MPa增加到29.20 MPa,而最大拉應(yīng)力主要分布在頂?shù)装逦恢?最大拉應(yīng)力值從0.27 MPa下降到0.17 MPa,兩幫位置受壓應(yīng)力現(xiàn)象明顯,受拉應(yīng)力現(xiàn)象相對減弱,錨桿支護(hù)效果減弱。

圖23 錨桿支護(hù)時垂直應(yīng)力分布Fig.23 Vertical stress distribution under anchor rod support

7.3 巷道圍巖塑性區(qū)分布

從錨桿支護(hù)塑性區(qū)分布圖(圖24)中可知,錨桿在巷道圍巖中腐蝕后,巷道圍巖附近分布的塑性區(qū)分布面積已有明顯變化,巷道兩幫相比頂?shù)装迤茐母訃?yán)重,塑性區(qū)分布范圍沿頂角與底角延伸,錨桿兩幫與頂?shù)捉鞘切枰攸c(diǎn)支護(hù)的區(qū)域。

圖24 錨桿支護(hù)時塑性區(qū)分布Fig.24 Distribution of plastic zone under anchor rod support

通過對巷道圍巖的應(yīng)力、位移場及塑性區(qū)分布狀態(tài)可以分析出,錨桿由于受到巷道環(huán)境的腐蝕影響使桿體強(qiáng)度等力學(xué)特性會有所下降,使得巷道圍巖位移變形量大,出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象,圍巖影響范圍增大,導(dǎo)致圍巖穩(wěn)定性有所下降,但在相應(yīng)時間下總體變化不大,錨桿仍然具有良好支護(hù)效果。為了保證錨桿的使用年限及圍巖穩(wěn)定性,就需要對錨桿本身抗腐蝕措施進(jìn)行進(jìn)一步研究。

錨桿鋼的防腐技術(shù)已經(jīng)作為鋼生產(chǎn)和使用的一種技術(shù)手段,采取良好防腐措施對地下工程安全和穩(wěn)定性有著直接影響關(guān)系,像在鹽湖和濱海等地區(qū),長年受鹽霧天氣和鹽類物質(zhì)侵蝕影響,需要采取合適的防腐措施以提升工程結(jié)構(gòu)耐久性。目前,常用的防腐措施主要包括注漿包裹法、錨桿(樹脂)鍍(鋅)法及套管隔離法等。而經(jīng)研究在地下工程中針對錨桿腐蝕問題,采用3種及以上的多重防腐效果最佳[33]。由于預(yù)應(yīng)力錨桿在地下工程使用的普遍性,為保證工程活動的安全性,采取相應(yīng)防腐措施使錨桿發(fā)揮出最好的支護(hù)效果是之后研究工作的重要方向。

8 結(jié) 論

(1) 在深部氯鹽腐蝕環(huán)境下,HRB400螺紋鋼錨桿在3～50 d腐蝕周期內(nèi),外觀由點(diǎn)狀腐蝕逐漸發(fā)展到片狀局部腐蝕進(jìn)而到均勻腐蝕,表面卻并未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。錨桿在腐蝕15 d后,由于試件表面產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物有一定抑制作用,隨著質(zhì)量損失率增加,腐蝕速率反而下降。氯鹽腐蝕會使錨桿的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能下降,但仍能在一定周期內(nèi)保持其良好性能。

(2) 通過分析微觀形貌,隨著腐蝕時間增加,錨桿極限拉伸后斷口頸縮現(xiàn)象明顯,斷口韌窩深度變淺,韌窩尺寸有所減小,腐蝕后的部分韌窩呈拉長特征,表明腐蝕后的試件韌性下降。錨桿腐蝕后斷口處O含量增加,Fe含量減少,表明錨桿內(nèi)部材料腐蝕過程中產(chǎn)生相應(yīng)氧化物。

(3) HRB400螺紋鋼錨桿在巷道支護(hù)中能夠一定程度上保證巷道穩(wěn)定性,根據(jù)數(shù)值模擬分析,錨桿由于受到巷道環(huán)境的腐蝕影響使桿體強(qiáng)度等力學(xué)特性會有所下降,使得巷道圍巖位移變形量大,圍巖影響范圍增大,巷道兩幫應(yīng)力集中現(xiàn)象最明顯,塑性區(qū)沿著頂?shù)捉欠较虬l(fā)展。