节理裂隙边坡锚注加固力学模型与实验研究
许万忠1，曹平2，高秉勋3，李光明4，白雪松5
(1. 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明，650093；
2. 中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083；
3. 云南有色地质勘测设计院，云南 昆明，650051；
4. 云南地质工程勘察设计研究院 昆明分院，云南 昆明，650028；
5. 昆明市建筑设计研究院有限责任公司，云南 昆明，650093)
摘 要：
模型进行力学分析，并与注浆胶结裂隙岩体模型力学试验结果进行对比验证。研究结果表明：压力注浆能够提高加锚节理裂隙边坡弱面的抗剪强度及抗剪刚度；裂隙注浆胶结体强度与浆液配比、注浆压力、裂隙所含介质的组成以及岩体赋存应力场、渗流场有关；锚杆与注浆体共同作用能够发挥两者各自的力学特性，从而提高边坡的加固效果。
关键词：
中图分类号：TU 353.6 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)07-2740-06
Mechanics model and test of bolting grouting reinforcement of jointed cranny slope
XU Wan-zhong1, CAO Ping2, GAO Bing-xun3, LI Guang-ming4, BAI Xue-song5
(1. Faculty of Land Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China;
2. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
3. Yunnan Nonferrous Geological Survey and Design Institute, Kunming 650051, China;
4. Kunming Branch of Yunnan Geological Engineering Investigation Design and Research Institute,Kunming 650228, China;
5. Kunming Institute of Architectural Design Limited Company, Kunming 650093, China)
Abstract: Mechanical analysis about the jointed model of bolting grouting was done. Comparison between the jointed model and grouting jointed mechanical model was made. The results show that grouting can increase the resisting shear strength and shear stiffness of bolted weak plane of high slope. The intensity of jointed grouting body is related to serum proportioning grouting pressure, components of cranny medium, stress field and percolation field of rock masses. The interaction of anchor and grouting body can develop their respective mechanical characteristic, which can improve the reinforcing effect of high slope.
Key words: bolting grouting; grouted joint; cranny grouting; interaction; shear intensity; shear stiffness
岩质边坡的滑动失稳与岩体内的节理、裂隙、层理等弱面结构密切相关[1-2]，因此，对弱面结构的加固处理是控制坡体滑动的重要措施。目前，预应力锚杆作为一种有效的边坡抗滑手段被大量采用[3]，它通过主动施加预应力，从而提高弱面的抗剪强度。但当此方法单独使用时，也存在许多问题，如应力不集中、应力松弛、应力腐蚀、杆体本身横向抗剪强度低、使用寿命和可靠度低等。此类问题严重者，将导致锚杆预应力削弱与丧失，造成边坡“复滑”，产生所谓“锚杆定时炸弹问题”[4]。这些预应力锚杆存在的问题，有些是方法本身的弊端。如何在工艺方法上弥补这些不足，是当前技术上迫切需解决的课题。压力注浆[5-6]锚杆作为锚注一体的加固措施，不同于一般的黏接型锚杆，它是通过压力注浆和定向注浆工艺，将浆液大量充填、渗透于危险滑动面区域，且与节理、裂隙、断层胶结，并与锚杆共同作用，形成钢筋混凝土复合结构体。在边坡支护加固设计时，要考虑滑动面范围内注浆胶结体对坡体抗剪强度的贡献，因而，提高了边坡岩体自身的抗剪强度、稳定性和抗渗性，从而能够克服了锚杆单独作用所存在的弊病，达到了治本的目的。目前，锚注加固工法在巷道工程中被大量采 用[7-8]，起到了很好的技术与经济效果，但其在边坡加固工程中应用理论还不成熟。为此，本文作者对边坡锚注加固效应进行研究。
1 锚注节理模型的力学分析
1.1 锚杆注浆复合体对加锚节理抗剪强度的影响
杨延毅等[9-10]对加锚节理的抗剪强度问题进行了大量的研究。葛修润等[11]借鉴国外某些算法，提出估算加锚节理面抗剪强度的公式：
(1)
式中：
为层理面本身的抗剪强度，
；
为由杆体“销钉”作用引起的换算抗剪强度，
；
为由杆体轴向力相对层理面的法向力引起的换算抗剪强度，
；
为由杆体轴向力相对层理面的切向分力引起的换算抗剪强度，
；
和
分别为锚杆在节理面处的轴力和剪力。
若将大量的浆液渗透胶结于加锚层理面中，则形成钢筋混凝土复合胶结体如图1所示。假设注浆前弱面的抗剪强度为：
则注浆后弱面的抗剪强度为：
图1 加锚注浆层理面抗剪性能示意图
Fig.1 Diagram of bolted and grouted layer rockmass
锚注加固后弱面抗剪强度为：
锚注加固后弱面抗剪强度提高值为：
(2)
由式(2)可推知：加锚层理面注浆渗透胶结后，因 c和φ提高，弱面的抗剪强度将随之增大。因而，可以证明：锚注加固能够提高弱面的抗剪强度,从而达到提高节理边坡稳定性的目的。见图2。其中：cr，cj和c1j分别为未注浆、注浆和锚注所形成岩土体的黏聚力；σr，σj和σ1j分别为未注浆、注浆和锚注所形成岩土体的破坏莫尔圆的最大主应力；σ3为这3种岩土的破坏莫尔圆的最小主应力。
图2 加锚注浆层理面抗剪性能示意图
Fig.2 τ-σ curves of shear test after grouting and bolting in joint plane
1.2 节理注浆胶结体对加锚节理面剪切变形刚度的影响
假设锚杆、注浆结石体、岩体形成一连续的胶结复合体，锚杆的根部置于节理下盘稳固的岩体中，在下滑力的作用下，节理上盘带动软弱夹层面产生弹性变形。因为岩体的刚度远大于弱面的刚度，在考虑弱面的变形时，可认为上部岩体滑块不变形，同时，将锚杆的作用均化到复合体中，所以，复合体的变形应满足变形一致性协调条件。如图3所示，注浆胶结后锚固复合体在剪切面上剪切模量为：
而注浆前弱面剪切模量为：
式中：Ga为注浆后胶结体剪切模量；Gb为均化后的锚杆截面剪切模量。则在小变形条件下，有：
注浆后剪切面剪切变形为：
式中：θ为弱面剪切转角；τ为剪切面平均剪切应力；h为弱面厚度。注浆前剪切面剪切变形为：
因为Ga＞Gd，故δ＜δ0。由此可见：加锚层理面灌浆加固后，变形减小，刚性增强，由单一锚杆的柔性支护转变为锚注一体的刚性支护，结构体的性质发生改变，而且混凝土蠕变变形量低于钢筋的蠕变量，长期的变形稳定性更强，因而能有效地控制结构体的变形量，对于变形有严格要求的工程有利。
图3 加锚注浆层理面变形示意图
Fig.3 Deformation of bolted and grouted layer rockmass
由锚注节理模型的力学分析可知：注浆可以提高加锚节理的抗剪强度与抗剪刚度。因而，证明锚注加固方法可以提高节理边坡的稳定性。
2 节理注浆效应的实验分析
2.1 实验目的
边坡锚注加固技术的关键是：加固浆液能否有效地渗透、扩散并与节理裂隙牢固地结合在一起，从而弥补裂隙岩体原有的损伤，达到提高其抗剪强度的目的[12]。目前，国内对于裂隙注浆加固体加固效果的研 究较少。为此，本文作者结合湖南常德—张家界高速公路边坡锚注加固研究，进行相应的现场及室内试验，以期验证注浆加固的效果。
2.2 实验内容
在通常情况下，岩石的物理力学性质可以在实验室中得到有效测定，但岩体结构面的物理力学性质受岩体赋存条件的影响较大，岩体节理裂隙灌浆效果较适合作现场试验，所以，在现场进行声波检测、钻孔变形试验及抗剪切试验。为了检验坡面卸荷裂隙带碎裂岩石注浆效果，取现场岩石试样进行相应的室内力学试验。
2.2.1 声波检测
声波测试法是以测试声波在介质中传播的时间和在介质中传波一定距离的脉冲衰减为依据，用注浆前后岩体声学参数的变化来检测注浆固结体的质量和效果。实验中采用跨孔对穿的方法，沿孔深每隔30 cm测速1次，从而掌握全孔深范围内声波速度的变化，最终判断灌浆后岩体质量的改善效果，所测结果如表1和图4所示。
从表1和图4可以看出：灌浆使岩体的性能得到明显改善，灌浆使岩体的平均波速提高35%，尤其使最小值提高88%，说明灌浆使岩体比较薄弱的部位加固效果更加明显。
表1 岩体灌浆前后声波速度变化
Table 1 Variations of sound wave velocities before and after grouting in rock mass
图4 岩体灌浆前后声波波速-测孔深度关系曲线
Fig.4 Relationship between sound wave velocity and borehole depth before and after grouting
灌浆前，波速变化较大，明显存在低速段，局部波速较低部位；灌浆后，波速变化范围较小，曲线变缓，说明岩体的均一性得到明显提高。
注浆对岩体的较薄弱部位加固效果更好，岩体性能改善更明显。
2.2.2 钻孔变形试验
钻孔变形试验结果表明：岩体注浆后弹性模量E有不同程度地提高，最小值提高15.31%，最大值提高44.39%；岩体注浆加固效果具有一定的离散性，这与岩体节理裂隙的各向异性及注浆加固具有相对的随机性有关。岩体灌浆前后钻孔变形试验对比结果见表2。
表2 岩体灌浆前后钻孔变形试验对比表
Table 2 Borehole deformation before and after grouting
2.2.3 抗剪强度试验
节理裂隙边坡的失稳滑动主要受潜在滑移带区域节理裂隙及软弱夹层的控制[13-14]。注浆能否使危险区域弱面岩体的抗剪强度提高至关重要[15]，因此，在边坡注浆区域现场，注浆前后各挖1个检测平硐，作2组岩体节理面原位抗剪强度试验。试验所得节理面抗剪强度试验剪切强度τm与正压力σ的关系曲线如图5所示。灌浆前抗剪强度为：τm=2.0+0.54σ；灌浆后抗剪强度为：τm=2.8+0.55σ，弱面黏聚力提高40%，可见岩体的加固效果很明显。
图5 节理面抗剪强度试验剪切强度τm与正压力σ的关系曲线
Fig.5 τ-σ curves of shear test in joint plane
2.2.4 碎裂岩体注浆加固效果试验
为了检测边坡卸荷裂隙带碎裂岩体注浆效果，通过现场取岩石样进行室内试验，共取4块砂岩样、4块灰岩样。首先在常规压力试验机上对试块进行单轴抗压强度的加载试验，测得岩石的残余抗压强度；加载破坏后，再在特制的压注浆装置上进行注浆，待浆液达到龄期强度时，重新作单轴抗压强度试验，并测得加固后抗压强度，所得结果如表3和图6所示。
从表3和图6可知：碎裂岩体的强度注浆后普遍提高，其效果与被注岩体的性质有关，其次与注浆压力、浆液配比有关。
从图6可知：灰岩的注浆效果较好，说明被注岩体的弹性模量越低，材质越松软，其注浆后的强度提高幅值越大，效果越好。浆液的水灰比越小，注浆后强度提高值越大。注浆压力的影响效果与浆液渗透充填的程度有关，在不破坏原岩的条件下，注浆压力越大，岩体强度的提高值越大。
表3 碎裂岩体注浆加固效果试验结果
Table 3 Test results of fragile rock mass before and after grouting
图6 碎裂岩体注浆后单轴抗压强度对比柱状图
Fig.6 Contrast histogram of uniaxial compressive strength in fragile rock mass
3 结论
(1) 锚注加固工艺方法可以用于节理裂隙边坡的抗滑加固工程，可以发挥锚杆和注浆体各自的结构优势，并克服各自的不足。
(2) 注浆可以提高岩体的抗剪强度和抗剪刚度，对具体的软弱区域可进行针对性加固。
(3) 锚注加固使锚杆对边坡的柔性加固方式转变为刚性加固方式，使边坡的变形量减小。
(4) 边坡岩体注浆加固的效果与岩体结构、岩性组成及注浆压力、浆液配比等因素有关。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2011-08-15；修回日期：2011-10-22
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50274074)
通信作者：许万忠(1965-)，男，黑龙江海林市人，副教授，从事边坡工程、地基基础处理研究；电话：15559884918；E-mail: hebxwz@163.com
摘要：对加锚注浆节理模型进行力学分析，并与注浆胶结裂隙岩体模型力学试验结果进行对比验证。研究结果表明：压力注浆能够提高加锚节理裂隙边坡弱面的抗剪强度及抗剪刚度；裂隙注浆胶结体强度与浆液配比、注浆压力、裂隙所含介质的组成以及岩体赋存应力场、渗流场有关；锚杆与注浆体共同作用能够发挥两者各自的力学特性，从而提高边坡的加固效果。
