锚固岩体力学特性试验研究

付宏渊¹，蒋中明¹，李怀玉²，曾铃¹

(1. 长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙，410004；

2. 长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410004)

摘要：为了研究锚杆加固岩体边坡后的加固效果，通过室内相似材料模型试验，在单轴压缩情况下，研究不同加锚方式对岩体抗压强度、弹性模量，锚固岩体各向异性的影响。研究结果表明：垂直加锚试件和水平加锚试件的峰值强度得到不同程度提高；垂直加锚和水平加锚在相同的加锚密度以及相同的加载条件下，不同的锚杆布置方向表现出不同的强度及变形特征；垂直加锚时试件的弹性模量比水平加锚时的弹性模量高16%~26%，表明在进行稳定性分析时，加锚岩体宜按各向异性材料进行考虑。

关键词：锚固岩体；力学性能；模型试验

中图分类号：TU443          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)07-2095-07

Mechanics properties of anchored rock

FU Hong-yuan¹, JIANG Zhong-ming¹, LI Huai-yu², ZENG Ling¹

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China;

2. School of Traffic and Transportation Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)

Abstract: In order to study the reinforcement effect of an anchor rock slope reinforcement, through laboratory model tests of similar material in the uniaxial compression case and different situations, the compressive strength, elastic modulus and anisotropy of rock mass with anchor were studied. The results show that vertical and horizontal peak intensity of rock mass with anchor are improved to different degrees. Samples of rock mass with vertical and horizontal anchors with the same anchor density and the same load conditions indicate different strength and deformation features in vertical and horizontal direction. The elastic modulus of rock mass with vertical anchors is 16% -26% greater than that of the rock mass with horizontal anchors.

Key words: anchored rock; mechanical properties; model tests

锚杆应用边坡工程是一种有效的加固措施。但由于锚杆直接联系的对象是复杂的岩土体，加之锚杆埋入岩土体中，给锚杆的力学行为及锚固作用效果的研究带来了很大的困难。虽然近年来对岩土锚固效果评价方法的研究已取得很多进展，但是，具体选择哪些评价参数，评价标准是什么，采用什么样的评价方法，国内外一直没有公认的技术标准和规范。目前，研究成果主要还是在试验及数值模拟研究上，研究成果还不够系统和全面^[1-3]。宋志飞等^[4]以砂浆锚杆发生砂浆体-岩体界面破坏为背景，研究了砂浆体-混凝土基体的界面力学特性，计算出开裂面的表征参数。丁秀丽等^[5]应用FLAC软件，建立预应力锚固数值仿真模型，模拟研究了预应力锚索在张拉过程中岩体内形成的表面压缩区特征。程东幸等^[6]采用3DEC方法研究了加锚节理岩体的力学特征，并对岩体结构面进行了数值试验分析。上述研究成果为深入探讨锚固机制及锚杆的支护设计起到了积极的作用，但对锚固岩体力学特性的研究还不够全面。在此，针对这一问题，本文作者试图通过加锚岩体力学性能室内相似模拟试验，研究高边坡岩体系统锚杆加固后其主要力学指标的各向异性程度、弹性模量E、抗压强度σ_c的变化规律，以便为工程实践提供参考。

1  岩体锚固效应试验的相似模型设计

1.1  模型试验相似理论

宇宙中万物都是有联系的，相似理论可以说是在这原理上产生的。任何物质之间的反应都有其相似 性，这种相似可以是运动形式的相似、存在状态的相似，也可以是内在的、外在的、本质上、现象上的相似。相似理论由相似正定理、π定理和相似逆定理^[7-10]构成。

1.2  模型试验相似比确定

本项研究以广西隆林至百色高速公路岩体边坡为研究对象。通过高边坡岩石室内单轴及三轴压缩试验成果的综合分析，得到岩体的抗压强度σ_p=12.2 MPa，弹性模量E_p=6.77 GPa，容重为22.0~25.0 kN/m³。

根据试验条件，应用相似理论和参考文献[11]中研究成果，得到长度相似比C_L=1/30，容重相似比 C­­_γ=1。模型试验的抗压强度σ_p=0.4 MPa，容重为22.0~25.0 kN/m³。

1.3  相似材料的选取

本试验以重晶石粉、石膏粉、石英砂、一级松香以及纯度为99.9%的工业酒精作为原料。重晶石   粉、石膏和石英砂作为模拟类岩的原料，重晶石粉、一级松香和纯度为99.9%的工业酒精作为模拟注浆体的原料。

选用楠竹作为锚杆的相似材料^[11]。楠竹的主要力学参数为：弹性模量E=8.10 GPa，拉应力σ_t=102.05 MPa。然后，根据锚杆弹性模量和截面积等效换    算，将锚杆的直径定为2 mm，锚杆预留孔的直径定为3 mm。

2  岩体锚固效应的室内试验

2.1  试件制作

确定好配合比之后，按照试验研究方案制作所需要的各种试件，包括完整试件、无锚试件以及各种加锚方式的加锚试件^[12-15]。本试验的主要步骤有以下几点：(1) 称质量；(2) 搅拌；(3) 准备模具(本次试验的模具自行设计，模具为长方体，长、高、宽分别为12，24和12 cm)；(4) 填料；(5) 试件成型；(6) 拆模；     (7) 第1次养护；(8) 加锚试件的注浆和加锚；(9) 第2次养护。

2.2  试验加载模式

本试验采用压力机对试件进行单轴压缩试验，在垂直方向施加压力，在加载过程中记录加载荷载、应力、应变、位移等参数，并用数码相机对试件在加载过程中破坏前后的形态拍照，以综合评判试件加载全过程的强度变化和试样变形。加载方式如图1所示。

图1  加载示意图

Fig.1  Load schematic diagram

2.3  试验成果及分析

本文主要研究不同加锚试件在单轴压缩条件下的力学性质，如抗压强度、弹性模量等的变化规律，以便为锚杆群的布设方案和参数设计提供依据。

为了更清楚地了解不同锚固方式对试件力学性能的影响，分别对完整无锚试件、各种不同加锚方式的试件进行单轴压缩试验。这里只针对部分试验成果进行分析。

2.3.1  无锚试件的试验结果分析

对无锚试件进行单轴压缩试验，得到的应力-应变曲线如图2所示。对2组试件进行单轴压缩试    验，得到的平均峰值抗压强度为0.4 MPa。从图2可以看出：完整无锚试件很快就进入了弹性变化阶段。这说明试件内部结构比较致密，内部缺陷比较少，试件很快到达峰值强度；继续加载后，试件的残余强度下降得比较快。图3所示为试件最终破坏时的形态。从图3可见：无锚试件的破坏主要以劈裂破坏(拉破坏)为主。

图2  无锚试件应力-应变曲线

Fig.2  Stress-strain curves of specimen without anchor

图3  无锚试件破坏形态

Fig.3  Failure modes of specimen without anchor

2.3.2  垂直加锚(2根)试件的试验结果分析

对垂直加锚(2根)试件进行单轴压缩试验，得到的应力-应变曲线如图4所示。从图4可见：在单轴压缩试验条件下，试件的峰值抗压强度平均值为0.55 MPa。应力-应变曲线表明加锚(2根)试件与无锚试件相比存在明显的压密段，说明此时锚杆起到了一定的作用；试件进入弹性变化阶段后，随着试件的变形，峰值强度明显增加，锚杆的作用开始显现，试件的峰值强度提高37%；到达峰值强度之后，试件的抗压强度在一段时间内下降得比较快，但在其强度下降到峰值强度的77%左右时，强度的下降趋势变缓。说明试件变形开始变大时，锚杆发挥承载能力的作用开始增大，从而较大地发挥锚杆的锚固作用；随着试件的继续变形，锚杆与周围介质之间开始剥落或者注浆体开始破坏，试件的承载能力又开始出现大幅度下降。这种台阶式曲线从一定程度上说明了锚杆与其周围介质通过注浆层起作用的过程。

试件的最终破坏形态如图5所示。从图5可见：试件的破坏方式还是以劈裂破坏(拉破坏)为主，但在加锚两面出现了明显的剪切破坏的特征，这主要反映了锚杆的增韧止裂作用。

图4  垂直加锚(2根)试件应力-应变曲线

Fig.4  Stress-strain curves of vertical anchored (2 anchors) sample

图5  垂直加锚(2根)试件破坏形态

Fig.5  Failure modes of vertical anchored (2 anchors) specimen

2.3.3  水平加锚(2根)试件的试验成果分析

对水平加锚(2根)试件进行单轴压缩试验，得到的应力-应变曲线如图6所示。从图6可见：在水平加锚(2根)条件下，试件的峰值抗压强度平均值为0.46 MPa；与无锚试件相比，其峰值强度提高15%，与垂直布锚(2根)相比，提高幅度较小；当试件进入弹性变化阶段时，在达到峰值强度之后，承载能力迅速下降，随后下降速度趋缓。

图6  水平加锚(2根)试件应力-应变曲线

Fig.6  Stress-strain curves of horizontal anchored (2 anchors) sample

3  锚杆对岩体强度和变形特性的影响

3.1  锚杆对岩体强度的影响分析

3.1.1  垂直加锚时不同加锚密度试件的抗压强度分析

加锚方式如图7所示。将这4种不同加锚密度的试件进行单轴压缩试验，绘出4种不同加锚密度试件和无锚试件的应力-应变曲线如图8所示。

从图8可以看出：垂直加锚试件与无锚试件相比峰值强度得到不同程度提高。峰值强度提高幅度见表1。从表1可见：无锚试件在达到峰值强度之后，其承载能力迅速下降，而加锚试件在达到峰值强度之后，承载能力下降不很明显，且加锚密度越大，其下降幅度越小。由图9所示的峰值强度与加锚数量的关系可以看出：对于垂直加锚试件，试件的峰值强度随着加锚密度几乎呈线性增长，表明这种加锚方式下锚杆密度的增加对提高试件的力学性能有明显的作用。但随着锚杆密度增加到一定程度后，峰值强度的提高速度比较缓慢，表明继续增加锚杆密度，锚杆加固效应并不能更大程度地提高。

图7  垂直加锚不同加锚密度

Fig.7  Different densities of vertical anchor

图8  不同垂直加锚与无锚试件应力-应变曲线

Fig.8  Stress-strain curves of different vertical anchored specimens and no anchored specimens

表1  垂直加锚不同加锚密度峰值强度提高幅度

Table 1  Raised degree table of peak strength of samples with different densities of vertical anchor

图9  垂直加锚时峰值强度与加锚数量的关系

Fig.9  Relationship between peak strength and amount of vertical anchors

3.1.2  水平加锚时不同加锚密度试件抗压强度分析

加锚方式如图10所示，应力-应变曲线如图11所示。从图11可见：水平加锚试件较无锚试件的峰值强度同样得到了不同程度的提高，但其提高程度相对较小(见表2)。与垂直加锚一样，水平加锚试件在达到峰值强度之后承载能力下降速率与无锚试件相比差别不大，但比垂直加锚试件的下降速率明显加快，说明水平加锚的锚固效果没有垂直加锚的锚固效果大。峰值强度与加锚数量的关系如图12所示。从图12可以看出：在水平加锚下，试件的峰值强度与锚杆数量关系也呈线性关系。

3.2  锚杆对岩体变形模量的影响分析

垂直加锚、水平加锚试件得到的各组弹性模量见表3。

图10  水平加锚不同加锚密度

Fig.10  Different densities of horizontal anchor

图11  不同水平加锚与无锚试件应力-应变曲线图

Fig.11  Stress-strain curves of different horizontal anchored specimens and no anchored specimens

表2  水平加锚不同加锚密度峰值强度提高程度

Table 2  Raised degree of peak strength of samples with different densities of horizontal anchor

从表3可知；垂直加锚和水平加锚试件的弹性模量随着锚杆密度的增加而增加，但其增幅与抗压强度的增幅相比有所减小。对于表3中的数据，用最小二乘法拟合出水平加锚和垂直加锚时试体弹性模量E与锚杆密度N的经验公式如下。

对水平加锚：E=4.9N+79.55；

对垂直加锚：E=6.97N+104.4。

式中：E的单位为MPa；N的单位为根/m²。

图12  水平加锚时峰值强度与加锚数量关系

Fig.12  Relationship between peak strength and amount of horizontal anchors

4  锚固岩体的各向异性力学特性分析

若取无锚试件的弹性模量为1，则加锚试件的弹性模量如表4所示。

从表4可以看出：垂直加锚和水平加锚在相同的加锚密度以及相同的加载条件下，不同的锚杆布置方向表现出不同的变形特征。相对而言，垂直加锚时试件的弹性模量比水平加锚时的相应值要高16%~26%。出现这种现象的原因可能是：当锚杆垂直加锚时，锚杆的方向正好是加载方向，也就是试件所受的最大应力方向，同时也是试件最大变形的方向，此时，锚杆对提高试件的刚度作用发挥的程度高。在这种情况下，锚杆对提高试件抵抗变形能力最强。而当试件抵抗变形能力增强后，其力学性能也会呈比例上升。与其相对应，当水平加锚时，锚杆主要是约束岩体水平方向的变形，而水平方向的变形相对于垂直方向的变形小得多，因此，水平加锚的锚杆对提高试件主要变形方向上的作用不很明显。故水平加锚时锚杆对弹性模量的提高要明显小于垂直加锚时的相应值。

表3  垂直加锚和水平加锚试件的弹性模量

         Table 3  Elastic modulus of vertical anchored specimen and horizontal anchored specimen               MPa

表4   有锚试件和无锚试件弹性模量之间的关系

       Table 4  Relationship between elastic modulus between anchored specimen and un-anchored specimen        MPa

5  结论

(1) 垂直加锚试件与无锚试件相比，其峰值强度得到了较明显提高。垂直加锚试件在达到峰值强度之后承载能力与无锚试件的承载能力相比下降不是很明显。而水平加锚试件在达到峰值强度之后刚开始一段时间内承载能力与无锚试件承载力变化一致，都下降得较为明显，但之后则开始变缓。水平加锚试件承载能力下降速率与垂直加锚试件下降速度相比较快。说明锚固岩体承受垂直于锚杆方向的作用力明显小于平行于锚杆布置方向的作用力。

(2) 垂直加锚试件和水平加锚试件在相同的加锚密度以及相同加载条件下，表现出明显不同的强度及变形特征，垂直加锚试件的弹性模量比水平加锚试件的弹性模量要高16%~26%。表明锚固岩体具有明显的各向异性特性。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-02-25；修回日期：2011-05-08

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078042)；广西交通科技计划项目(2009017)；西部交通科技计划项目(2009318000048)；湖南省科技计划重点项目(2009JT1021)

通信作者：付宏渊(1965-)，男，湖北随州人，博士，教授，博士生导师，从事岩土工程方面的教学与研究工作；电话：0731-85258397；E-mail: fuhy1@163.com