鄂鑫雨 賈玉波

摘要：通過應(yīng)用室內(nèi)力學(xué)實驗，建立實驗?zāi)Ｐ?，模型主要對?jié)理巖體、錨固節(jié)理巖體以及錨注節(jié)理巖體的抗剪強(qiáng)度和本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行對比分析。試驗結(jié)果顯示：錨桿加固、注漿加固、以及錨注加固能夠很好的提高節(jié)理試件的剛度和抗剪強(qiáng)度；從粘聚力和內(nèi)摩擦角的增幅變化中，發(fā)現(xiàn)粘聚力的增幅大于內(nèi)摩擦角的增幅。通過室內(nèi)錨注試件的剪切實驗和錨注節(jié)理邊坡的控制效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)錨注加固可以有效控制節(jié)理巖體的變形和位移，同時對礦山節(jié)理巖體的控制和利用有理論指導(dǎo)意義。

關(guān) 鍵 詞：節(jié)理裂隙 錨注加固 預(yù)置節(jié)理

中圖分類號：TU47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

引言

節(jié)理裂隙作為巖體中的廣泛存在，嚴(yán)重影響著巖石的整體穩(wěn)定性。節(jié)理巖體的失穩(wěn)滑動，其根本原因是巖體在各種外部應(yīng)力的作用下或者邊界條件的改變下，導(dǎo)致巖體內(nèi)局部應(yīng)力狀態(tài)的劣化，當(dāng)巖體某些局部區(qū)域的應(yīng)力達(dá)到巖體的強(qiáng)度值時，將引起該區(qū)域巖體的破壞[1]。針對此問題，通過錨注在薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固來提高巖體的整體剛度和強(qiáng)度，從細(xì)觀角度對錨注加固節(jié)理的力學(xué)特征及變形規(guī)律進(jìn)行分析是具有必要性的。

巖體中的節(jié)理裂隙往往受壓剪作用，在壓剪力作用下，節(jié)理面處的力學(xué)效應(yīng)主要集中在節(jié)理面的法向方向和切向方向，因此，錨注加固效果也最終體現(xiàn)在這兩個方面的變化[2]。通過室內(nèi)剪切實驗，對原節(jié)理、錨注節(jié)理這兩種方式下的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析對比，同時對剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則和本構(gòu)方程加以驗證，對比分析錨注工藝對節(jié)理巖體的加固效應(yīng)及其對節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

1 .節(jié)理裂隙錨注的本構(gòu)關(guān)系

經(jīng)過大量的研究表明節(jié)理面的的抗剪強(qiáng)度符合庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則[3]，其表達(dá)式為：

（1）

式中：

—節(jié)理面的內(nèi)聚力；

—節(jié)理面的摩擦角；

—試件的法向應(yīng)力。

如圖1（a）所示，圖中節(jié)理面與最大主應(yīng)力的夾角為 [4]。通過繪制強(qiáng)度曲線和摩爾應(yīng)力圓發(fā)現(xiàn)，直線 是巖塊的強(qiáng)度曲線，表達(dá)式為： ；直線 是節(jié)理面的強(qiáng)度曲線，表達(dá)式為： 。式中， ， 分別是巖塊的摩擦角和內(nèi)聚力，在圖1（b）中表現(xiàn)為直線 與x軸的夾角和在y軸的截距，同理應(yīng)用彈性理論發(fā)現(xiàn)，得出理想節(jié)理面方向應(yīng)力和剪切應(yīng)力：

（2）

將2式代入1式，經(jīng)過整理可以得到節(jié)理面發(fā)生剪切破壞的應(yīng)力關(guān)系：

（3）

從3式可以看出當(dāng) 或者 時， 始終趨于無窮大。由此發(fā)現(xiàn)： 的取值范圍 — 之間。

結(jié)合圖1（b）和式3發(fā)現(xiàn)，在節(jié)理面 、 一定的情況下，摩爾應(yīng)力圓的直徑 是 的函數(shù)，將其對 求導(dǎo)得；

即： （4）

（a） （b）

圖1 單節(jié)理面理論分析圖

Fig.1 Theoretical analysis diagram of single joint surface

由摩爾強(qiáng)度理論，從圖1（b）可以看出，處于強(qiáng)度包絡(luò) 下的應(yīng)力圓上的點是不會沿著節(jié)理面發(fā)生破壞的，可見節(jié)理面夾角 滿足下列關(guān)系：

或者 （5）

顯然滿足上述條件時，巖塊的節(jié)理面是不發(fā)生破壞的，試件將會沿著巖石某一截面發(fā)生破壞。如果應(yīng)力圓不和包絡(luò)線相切，而是落于其下，通常這一破壞過程可以應(yīng)用單節(jié)理弱面理論來闡述。

2. 節(jié)理試件室內(nèi)剪切實驗材料的選取

1）砂漿材料的選擇

砂漿材料選用礦渣硅酸鹽水泥、普通河沙及水混合制作的一種復(fù)合材料，其配比關(guān)系為0.4：1：2。實驗分為無錨無注漿和錨注兩種方式。加錨角度分30°、45°、60°、三種方式。

2）錨桿材料的選擇

考慮試件的抗壓強(qiáng)度大約40～45 MPa，實驗采用8號鐵絲作為錨桿材料，直徑 mm，錨桿的具體長度視錨桿的不同傾角而定。

3）預(yù)置節(jié)理裂隙材料的選擇

考慮到現(xiàn)實巖體中的節(jié)理裂隙寬度，本次實驗采用鋸條作為預(yù)置貫穿裂隙。其厚度為1 mm、寬度10 mm、長度100 mm。

4） 注漿材料的選擇

實驗采用礦渣硅鹽酸325水泥以及自來水作為注漿材料。注漿材料的水灰比選擇為1：4。

3. 試件制作流程

3.1 節(jié)理試件的制作

按照試驗所確定的水、水泥、河沙0.4：1：2的配比關(guān)系，用秤稱好。然后將礦渣硅酸鹽水泥和河沙攪拌均勻，然后從拌好的料中稱出制作一組試件所需的量置于攪拌盆中，邊攪拌邊倒入稱好水，直到拌和均勻。與此同時，將試件成型模具組裝起來，將拌和好的材料分層放入模具，每放一層搗實一層。當(dāng)填料結(jié)束時，按試件對角線方向插入2根鋸條作為預(yù)制節(jié)理，其節(jié)理跡線長為鋸條的寬度10 mm，節(jié)理間距為25 mm，巖橋長度為0 mm。其試件標(biāo)準(zhǔn)為70 mm×70 mm×70 mm的立方體。試件養(yǎng)護(hù)24小時后，拆去模具。將脫模后的試件保持在相對濕度90%以上的情況下，在常溫下養(yǎng)護(hù)28天。

3.2 加錨試件的制作

試件在養(yǎng)護(hù)28天后，對于錨固的試件按照與節(jié)理面夾角30°、45°、60°方向打錨桿眼，實現(xiàn)單錨錨固。錨固劑采用礦山水泥錨固劑。加錨完成后對試件繼續(xù)在常溫下養(yǎng)護(hù)2天。

3.3 錨注試件的制作

試件在養(yǎng)護(hù)28天后，按照比例要求對節(jié)理裂隙進(jìn)行水泥注漿，注漿效果通過試件剪切實驗得到體現(xiàn)。注漿完成后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28天。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，對試件實行加錨，方式同加錨試件的制作相同。

試驗采用濟(jì)南試金集團(tuán)生產(chǎn)的微機(jī)控制電液飼服萬能試驗機(jī)WAW-2000進(jìn)行剪切實驗。加載方式采用等速位移加載，其加載速率為0.3 mm/min，最大位移限控制在5 mm。試驗中利用計算機(jī)數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)記錄加載過程中的試驗點、時間、試驗力、位移等數(shù)據(jù)，并用高清晰數(shù)碼相機(jī)對試件的破壞前后的形態(tài)及整個過程的裂隙擴(kuò)展趨勢進(jìn)行即時跟蹤拍照，以綜合評判試件加載全過程的強(qiáng)度變化和試樣變形。

4. 試驗結(jié)果及分析

4.1 無錨無注漿節(jié)理裂隙試件剪切實驗

圖a 無注漿無錨桿載荷—位移曲線圖 圖b 無注漿無錨桿摩爾—庫侖剪切強(qiáng)度曲線

圖2 無注漿無錨桿節(jié)理剪切曲線

Fig.2 Joint shear curve of no grouting and bolt

表1 無注漿無錨桿試件剪切特征

Table 1 Shear characteristics of no grouting and bolt

無錨無注漿 最大破壞載荷（kN） 最大位移量（ m）

正應(yīng)力（MPa） 剪應(yīng)力（MPa）

變角板45° 76.3 1804 10.97 10.97

變角板50° 60 1501 8.94 8.67

變角板60° 37 1048 3.78 6.54

表1和圖2是無錨桿無注漿試件在三種夾角情況下特征值及剪切曲線。通過萬能試驗機(jī)首先對含節(jié)理的水泥試件在變角板45°、50°、60°方向進(jìn)行變角板法剪切實驗，每個角度選擇3塊進(jìn)行實驗。試件按照一定速率加載，直至試件發(fā)生剪切破壞，記錄最大破壞載荷。從表1可以看出，隨著變角板夾角的遞增最大破壞載荷和最大位移量相應(yīng)減小，其剪切變化特征符合摩爾—庫倫準(zhǔn)則。

4.2 錨注節(jié)理裂隙試件剪切實驗

圖a 注漿30°錨桿載荷—位移曲線 圖b 有注漿30°錨桿摩爾—庫侖剪切強(qiáng)度曲線

圖3 注漿30°錨桿節(jié)理剪切曲線

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

表2 注漿30°錨桿剪切特征值

Table 7 Shear characteristics of grouting and 30°bolt

注漿加30°

錨桿加固 最大破壞載荷（kN） 最大位移量

（ ）

正應(yīng)力

（MPa） 剪應(yīng)力

（MPa）

變角板45° 90 1035 12.99 12.99

變角板50° 69 911 9.05 10.79

變角板60° 50 798 5.10 8.83

表2和圖3是加30°錨桿注漿時的剪切特征值及剪切強(qiáng)度曲線。錨注加固后，試件的最大破壞載荷和剛度較無注漿30°錨桿的情況相比，可以發(fā)現(xiàn)各參數(shù)值均有明顯提高。從摩爾庫侖剪切強(qiáng)度曲線出發(fā)，錨注試件的內(nèi)摩擦角和粘聚力均增加?？梢姡^注加固后能夠明顯提高節(jié)理試件的抗剪強(qiáng)度。此時試件的抗剪強(qiáng)度由漿液和錨桿共同承擔(dān)，二者組合成了復(fù)合加固結(jié)構(gòu)模式，此期間二者之間變形將會處于一致階段。漿液在雙重載荷的作用下處于壓剪狀態(tài)，而錨桿在復(fù)合結(jié)構(gòu)體中處于拉剪狀態(tài)。同時兩者的有效組合規(guī)避了單一加固的不足之處，發(fā)揮了錨注加固的最大作用。

圖a 注漿45°錨桿載荷—位移曲線 圖b 注漿45°錨桿摩爾—庫侖剪切曲線

圖4 注漿45°錨桿節(jié)理剪切曲線

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

表3 有注漿45°錨桿剪切特征值

Table 3 Shear characteristics of grouting and 45°bolt

注漿加45°錨桿加固 最大破壞載荷

（kN） 最大位移量

（ ）

正應(yīng)力

（MPa） 剪應(yīng)力

（MPa）

變角板45° 103 951 14.86 14.86

變角板50° 81 828 10.63 12.66

變角板60° 56 753 5.71 9.90

表3和圖4是加45°錨桿注漿時的剪切特征值及剪切強(qiáng)度曲線。與30°錨桿有注漿加固基本相似。隨著錨固角度的增加，錨桿在節(jié)理弱面出提供法向應(yīng)力的逐漸增加，且錨桿的橫向剪應(yīng)力也同步增大。從圖a中看出，較30°錨桿注漿試件的載荷位移曲線走向不明顯，但從載荷和位移量的數(shù)值，依然表明有注漿45°錨桿優(yōu)于有注漿30°錨桿的情況，由摩爾庫侖剪切強(qiáng)度曲線也可得到驗證，試件的抗剪強(qiáng)度得到提高。說明，注漿加固對于提高試件整體穩(wěn)定度和強(qiáng)度時的效果要高于單一錨桿的作用。但是由于單一注漿存在抗拉強(qiáng)度低的特點，所以實施錨注加固來控制節(jié)理巖體從理論上來說是比較合理的。

圖a 注漿60°錨桿載荷—位移曲線圖 圖b 注漿60°錨桿摩爾—庫侖剪切強(qiáng)度曲線

圖5 注漿60°錨桿節(jié)理剪切曲線

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

表4 注漿60°錨桿剪切特征值

Table 4 Shear characteristics of grouting and 60°bolt

注漿加60°錨桿加固 最大破壞載荷（kN） 最大位移量

（ ）

正應(yīng)力

（MPa） 剪應(yīng)力

（MPa）

變角板45° 121 896 17.46 17.46

變角板50° 90 798 11.81 14.07

變角板60° 65 703 6.63 11.49

表4和圖5是加60°錨桿注漿時的剪切特征值及剪切強(qiáng)度曲線?？v觀單一錨桿加固、注漿加固還是不同的錨注角度可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試件在注漿和60°錨桿雙重加固時，試件的粘聚力和內(nèi)摩擦角以及試件在不同夾角下的最大破壞載荷都達(dá)到最大值。從載荷位移曲線圖中可以看出錨注后試件位移收斂明顯，而從載荷位移曲線的走向看出，試驗力攀升較快，說明此時試件呈現(xiàn)剛特特征。

分析發(fā)現(xiàn)由錨桿與漿液的組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，節(jié)理弱面受到剪切應(yīng)力將由注漿膠結(jié)體和錨桿共同承擔(dān)，鑒于此原理二者將保持同步變形。上述錨桿實驗中，60°的錨固角為最佳錨固角。注漿后結(jié)構(gòu)體屬于彈性變形，充分發(fā)揮了不同錨固角度之間的差異。

可見，注漿和最優(yōu)錨固角度的選擇的在實驗的中和現(xiàn)實工程中的現(xiàn)實意義。

5. 結(jié)論

經(jīng)過對上述各表和剪切強(qiáng)度曲線的分析，我們可以看到這些不同節(jié)理狀態(tài)下的節(jié)理面強(qiáng)度既有差別又有內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系。對比試驗結(jié)果表明：節(jié)理試件經(jīng)過錨桿加固后，其強(qiáng)度和最大位移量特性都得到明顯改善，得到如下主要結(jié)論：

1）通過對不同加錨方式分析和對比，發(fā)現(xiàn)錨桿加固能夠很好地提高節(jié)理試件的抗剪力，但隨著錨桿與節(jié)理面的夾角越大，節(jié)理面的抗剪強(qiáng)度會出現(xiàn)峰值。夾角繼續(xù)增大，而抗剪強(qiáng)度則會降低。

2）試件注漿后，試件的抗剪強(qiáng)度有明顯的提高，試件的粘聚力增幅較大，位移量得到很好的控制。

3）試件錨注后，注漿和錨桿雙重組合有效地發(fā)揮了二者的長處，規(guī)避了不足。隨著錨桿與節(jié)理面夾角的增大，試件的試件的抗剪強(qiáng)度和剛度呈拋物線狀出現(xiàn)，在60°處出現(xiàn)峰值。

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