预置节理岩体锚注加固机理研究

摘要：通过应用室内力学实验，建立实验模型，模型主要对节理岩体、锚固节理岩体以及锚注节理岩体的抗剪强度和本构关系进行对比分析。试验结果显示：锚杆加固、注浆加固、以及锚注加固能够很好的提高节理试件的刚度和抗剪强度；从粘聚力和内摩擦角的增幅变化中，发现粘聚力的增幅大于内摩擦角的增幅。通过室内锚注试件的剪切实验和锚注节理边坡的控制效应，发现锚注加固可以有效控制节理岩体的变形和位移，同时对矿山节理岩体的控制和利用有理论指导意义。

关 键 词：节理裂隙 锚注加固 预置节理

中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

引言

节理裂隙作为岩体中的广泛存在，严重影响着岩石的整体稳定性。节理岩体的失稳滑动，其根本原因是岩体在各种外部应力的作用下或者边界条件的改变下，导致岩体内局部应力状态的劣化，当岩体某些局部区域的应力达到岩体的强度值时，将引起该区域岩体的破坏[1]。针对此问题，通过锚注在薄弱环节进行加固来提高岩体的整体刚度和强度，从细观角度对锚注加固节理的力学特征及变形规律进行分析是具有必要性的。

岩体中的节理裂隙往往受压剪作用，在压剪力作用下，节理面处的力学效应主要集中在节理面的法向方向和切向方向，因此，锚注加固效果也最终体现在这两个方面的变化[2]。通过室内剪切实验，对原节理、锚注节理这两种方式下的抗剪强度进行分析对比，同时对剪切强度准则和本构方程加以验证，对比分析锚注工艺对节理岩体的加固效应及其对节理岩体抗剪强度的贡献。

1 .节理裂隙锚注的本构关系

经过大量的研究表明节理面的的抗剪强度符合库伦强度准则[3]，其表达式为：

（1）

式中：

―节理面的内聚力；

―节理面的摩擦角；

―试件的法向应力。

如图1（a）所示，图中节理面与最大主应力的夹角为 [4]。通过绘制强度曲线和摩尔应力圆发现，直线 是岩块的强度曲线，表达式为： ；直线 是节理面的强度曲线，表达式为： 。式中， ， 分别是岩块的摩擦角和内聚力，在图1（b）中表现为直线 与x轴的夹角和在y轴的截距，同理应用弹性理论发现，得出理想节理面方向应力和剪切应力：

（2）

将2式代入1式，经过整理可以得到节理面发生剪切破坏的应力关系：

（3）

从3式可以看出当 或者 时， 始终趋于无穷大。由此发现： 的取值范围 ― 之间。

结合图1（b）和式3发现，在节理面 、 一定的情况下，摩尔应力圆的直径 是 的函数，将其对 求导得；

即： （4）

（a） （b）

图1 单节理面理论分析图

Fig.1 Theoretical analysis diagram of single joint surface

由摩尔强度理论，从图1（b）可以看出，处于强度包络 下的应力圆上的点是不会沿着节理面发生破坏的，可见节理面夹角 满足下列关系：

或者 （5）

显然满足上述条件时，岩块的节理面是不发生破坏的，试件将会沿着岩石某一截面发生破坏。如果应力圆不和包络线相切，而是落于其下，通常这一破坏过程可以应用单节理弱面理论来阐述。

2. 节理试件室内剪切实验材料的选取

1）砂浆材料的选择

砂浆材料选用矿渣硅酸盐水泥、普通河沙及水混合制作的一种复合材料，其配比关系为0.4：1：2。实验分为无锚无注浆和锚注两种方式。加锚角度分30°、45°、60°、三种方式。

2）锚杆材料的选择

考虑试件的抗压强度大约40～45 MPa，实验采用8号铁丝作为锚杆材料，直径 mm，锚杆的具体长度视锚杆的不同倾角而定。

3）预置节理裂隙材料的选择

考虑到现实岩体中的节理裂隙宽度，本次实验采用锯条作为预置贯穿裂隙。其厚度为1 mm、宽度10 mm、长度100 mm。

4） 注浆材料的选择

实验采用矿渣硅盐酸325水泥以及自来水作为注浆材料。注浆材料的水灰比选择为1：4。

3. 试件制作流程

3.1 节理试件的制作

按照试验所确定的水、水泥、河沙0.4：1：2的配比关系，用秤称好。然后将矿渣硅酸盐水泥和河沙搅拌均匀，然后从拌好的料中称出制作一组试件所需的量置于搅拌盆中，边搅拌边倒入称好水，直到拌和均匀。与此同时，将试件成型模具组装起来，将拌和好的材料分层放入模具，每放一层捣实一层。当填料结束时，按试件对角线方向插入2根锯条作为预制节理，其节理迹线长为锯条的宽度10 mm，节理间距为25 mm，岩桥长度为0 mm。其试件标准为70 mm×70 mm×70 mm的立方体。试件养护24小时后，拆去模具。将脱模后的试件保持在相对湿度90%以上的情况下，在常温下养护28天。

3.2 加锚试件的制作

试件在养护28天后，对于锚固的试件按照与节理面夹角30°、45°、60°方向打锚杆眼，实现单锚锚固。锚固剂采用矿山水泥锚固剂。加锚完成后对试件继续在常温下养护2天。

3.3 锚注试件的制作

试件在养护28天后，按照比例要求对节理裂隙进行水泥注浆，注浆效果通过试件剪切实验得到体现。注浆完成后继续养护28天。养护结束后，对试件实行加锚，方式同加锚试件的制作相同。

试验采用济南试金集团生产的微机控制电液饲服万能试验机WAW-2000进行剪切实验。加载方式采用等速位移加载，其加载速率为0.3 mm/min，最大位移限控制在5 mm。试验中利用计算机数据同步采集系统记录加载过程中的试验点、时间、试验力、位移等数据，并用高清晰数码相机对试件的破坏前后的形态及整个过程的裂隙扩展趋势进行即时跟踪拍照，以综合评判试件加载全过程的强度变化和试样变形。

4. 试验结果及分析

4.1 无锚无注浆节理裂隙试件剪切实验

图a 无注浆无锚杆载荷―位移曲线图 图b 无注浆无锚杆摩尔―库仑剪切强度曲线

图2 无注浆无锚杆节理剪切曲线

Fig.2 Joint shear curve of no grouting and bolt

表1 无注浆无锚杆试件剪切特征

Table 1 Shear characteristics of no grouting and bolt

无锚无注浆 最大破坏载荷（kN） 最大位移量（ m）

正应力（MPa） 剪应力（MPa）

变角板45° 76.3 1804 10.97 10.97

变角板50° 60 1501 8.94 8.67

变角板60° 37 1048 3.78 6.54

表1和图2是无锚杆无注浆试件在三种夹角情况下特征值及剪切曲线。通过万能试验机首先对含节理的水泥试件在变角板45°、50°、60°方向进行变角板法剪切实验，每个角度选择3块进行实验。试件按照一定速率加载，直至试件发生剪切破坏，记录最大破坏载荷。从表1可以看出，随着变角板夹角的递增最大破坏载荷和最大位移量相应减小，其剪切变化特征符合摩尔―库伦准则。

4.2 锚注节理裂隙试件剪切实验

图a 注浆30°锚杆载荷―位移曲线 图b 有注浆30°锚杆摩尔―库仑剪切强度曲线

图3 注浆30°锚杆节理剪切曲线

Fig.3 Jionts shear curve of grouting and 30°bolt

表2 注浆30°锚杆剪切特征值

Table 7 Shear characteristics of grouting and 30°bolt

注浆加30°

锚杆加固 最大破坏载荷（kN） 最大位移量

（ ）

正应力

（MPa） 剪应力

（MPa）

变角板45° 90 1035 12.99 12.99

变角板50° 69 911 9.05 10.79

变角板60° 50 798 5.10 8.83

表2和图3是加30°锚杆注浆时的剪切特征值及剪切强度曲线。锚注加固后，试件的最大破坏载荷和刚度较无注浆30°锚杆的情况相比，可以发现各参数值均有明显提高。从摩尔库仑剪切强度曲线出发，锚注试件的内摩擦角和粘聚力均增加。可见，锚注加固后能够明显提高节理试件的抗剪强度。此时试件的抗剪强度由浆液和锚杆共同承担，二者组合成了复合加固结构模式，此期间二者之间变形将会处于一致阶段。浆液在双重载荷的作用下处于压剪状态，而锚杆在复合结构体中处于拉剪状态。同时两者的有效组合规避了单一加固的不足之处，发挥了锚注加固的最大作用。

图a 注浆45°锚杆载荷―位移曲线 图b 注浆45°锚杆摩尔―库仑剪切曲线

图4 注浆45°锚杆节理剪切曲线

Fig.4 Jionts shear curve of grouting and 45°bolt

表3 有注浆45°锚杆剪切特征值

Table 3 Shear characteristics of grouting and 45°bolt

注浆加45°锚杆加固 最大破坏载荷

（kN） 最大位移量

（ ）

正应力

（MPa） 剪应力

（MPa）

变角板45° 103 951 14.86 14.86

变角板50° 81 828 10.63 12.66

变角板60° 56 753 5.71 9.90

表3和图4是加45°锚杆注浆时的剪切特征值及剪切强度曲线。与30°锚杆有注浆加固基本相似。随着锚固角度的增加，锚杆在节理弱面出提供法向应力的逐渐增加，且锚杆的横向剪应力也同步增大。从图a中看出，较30°锚杆注浆试件的载荷位移曲线走向不明显，但从载荷和位移量的数值，依然表明有注浆45°锚杆优于有注浆30°锚杆的情况，由摩尔库仑剪切强度曲线也可得到验证，试件的抗剪强度得到提高。说明，注浆加固对于提高试件整体稳定度和强度时的效果要高于单一锚杆的作用。但是由于单一注浆存在抗拉强度低的特点，所以实施锚注加固来控制节理岩体从理论上来说是比较合理的。

图a 注浆60°锚杆载荷―位移曲线图 图b 注浆60°锚杆摩尔―库仑剪切强度曲线

图5 注浆60°锚杆节理剪切曲线

Fig.5 Jionts shear curve of grouting and 60°bolt

表4 注浆60°锚杆剪切特征值

Table 4 Shear characteristics of grouting and 60°bolt

注浆加60°锚杆加固 最大破坏载荷（kN） 最大位移量

（ ）

正应力

（MPa） 剪应力

（MPa）

变角板45° 121 896 17.46 17.46

变角板50° 90 798 11.81 14.07

变角板60° 65 703 6.63 11.49

表4和图5是加60°锚杆注浆时的剪切特征值及剪切强度曲线。纵观单一锚杆加固、注浆加固还是不同的锚注角度可以发现，当试件在注浆和60°锚杆双重加固时，试件的粘聚力和内摩擦角以及试件在不同夹角下的最大破坏载荷都达到最大值。从载荷位移曲线图中可以看出锚注后试件位移收敛明显，而从载荷位移曲线的走向看出，试验力攀升较快，说明此时试件呈现刚特特征。

分析发现由锚杆与浆液的组成的复合结构中，节理弱面受到剪切应力将由注浆胶结体和锚杆共同承担，鉴于此原理二者将保持同步变形。上述锚杆实验中，60°的锚固角为最佳锚固角。注浆后结构体属于弹性变形，充分发挥了不同锚固角度之间的差异。

可见，注浆和最优锚固角度的选择的在实验的中和现实工程中的现实意义。

5. 结论

经过对上述各表和剪切强度曲线的分析，我们可以看到这些不同节理状态下的节理面强度既有差别又有内在的本质联系。对比试验结果表明：节理试件经过锚杆加固后，其强度和最大位移量特性都得到明显改善，得到如下主要结论：

1）通过对不同加锚方式分析和对比，发现锚杆加固能够很好地提高节理试件的抗剪力，但随着锚杆与节理面的夹角越大，节理面的抗剪强度会出现峰值。夹角继续增大，而抗剪强度则会降低。

2）试件注浆后，试件的抗剪强度有明显的提高，试件的粘聚力增幅较大，位移量得到很好的控制。

3）试件锚注后，注浆和锚杆双重组合有效地发挥了二者的长处，规避了不足。随着锚杆与节理面夹角的增大，试件的试件的抗剪强度和刚度呈抛物线状出现，在60°处出现峰值。

参考文献：

[1] 许万忠，曹平，彭振斌等. 考虑弱面注浆因素对加锚层理边坡抗剪性能影响的力学机制分析[J]. 岩石力学与工程学报. 2006（07）128-131.

[2] 许万忠，彭振斌，袁海平. 节理裂隙边坡锚注加固抗剪切效应研究[J]. 矿冶工程. 2006（04）：238-241.

[3] 唐志成，夏才初，宋英龙. 粗糙节理的峰值抗剪强度准则[J]. 岩土工程学报. 2013（03）：56-59.

[4]李宏哲，夏才初，许崇帮，王晓东，张春生. 基于多级破坏方法确定岩石卸荷强度参数的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报. 2008（S1）：86-90.