楊自友， 吳德義， 徐景茂

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601；2.軍事科學(xué)院 國際工程研究院， 河南 洛陽 471023)

0 引言

錨桿加固作為一種主動(dòng)、經(jīng)濟(jì)的巖體加固方式，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地下工程、邊坡工程以及國防工程等領(lǐng)域。對于錨桿在動(dòng)載作用下，特別在爆炸與沖擊荷載作用下的錨桿加固機(jī)理方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定程度的研究，取得了一些成果。例如，沈俊等[1]、徐景茂等[2]通過模型試驗(yàn)，研究了在集中裝藥下錨桿加固洞室圍巖的穩(wěn)定性與抗爆性能。Shin等[3]探討了軟巖隧道的爆破振動(dòng)效應(yīng)。Deng等[4]采用數(shù)值試驗(yàn)方法研究了爆破沖擊波作用下的節(jié)理巖體隧道損傷規(guī)律。Duan等[5]對爆破引起的洞室圍巖振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了探索，分析了振動(dòng)速度變化規(guī)律。Li等[6]通過數(shù)值模擬分析了爆破荷載作用下深埋隧道的動(dòng)應(yīng)力集中與能量演化特征。李桂林等[7]用快速拉格朗日差分分析(FLAC)軟件研究了爆炸荷載下的錨桿受力特征。Zhang等[8]研究了灌漿錨桿中應(yīng)力波的傳播規(guī)律。Tannant等[9]通過現(xiàn)場和數(shù)值試驗(yàn)，研究了錨桿縱向、橫向振動(dòng)規(guī)律。Ortlepp等[10]對錨桿在大變形、動(dòng)靜載下隧道圍巖的支護(hù)特性進(jìn)行了研究。馬海春等[11]通過現(xiàn)場爆炸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)擁有碗形墊板的錨桿對圍巖的加固效果好于板式墊板的錨桿。楊建華等[12]通過數(shù)值模擬研究了爆破開挖誘發(fā)洞室圍巖損傷和顆粒振動(dòng)速度峰值的規(guī)律。陳銳林等[13]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)泡沫混凝土夾層能有效降低洞室內(nèi)空氣壓力峰值、削弱沖擊波強(qiáng)度。綜合上述文獻(xiàn)可知，已有研究在爆炸平面波作用下，錨桿加固洞室圍巖內(nèi)部應(yīng)力、變形和加速度等規(guī)律的成果相對較少。

本文研究爆炸平面波在自由場中的衰減規(guī)律，以及毛洞及加固洞室的洞壁環(huán)向應(yīng)變、加速度和頂?shù)装逑鄬ξ灰浦g的差異性，并比較2種錨桿對洞室加固效果的優(yōu)劣。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喗?/h3>

模型試驗(yàn)研究的原型是開挖于Ⅲ類巖體中的直墻拱頂型洞室，跨度6 m、埋深20 m. 按照Froude相似定律，要求Ks=KdKl. 其中，Ks為應(yīng)力相似比例系數(shù)，Kd為密度相似比例系數(shù)，Kl為長度相似比例系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，確定Ks=0.075，Kl=0.1，Kd=0.75，其他比例系數(shù)可據(jù)此推導(dǎo)出，由此計(jì)算出要求材料的密度、黏聚力等參數(shù)。建立模型長2.4 m×寬1.5 m×高2.3 m，如圖1所示，洞室高度42 cm，跨度60 cm. 洞室沿1.5 m寬度方向分為3個(gè)試驗(yàn)段，分別為洞室M0、M1和M2，如圖1(a)、圖1(b)所示；每段長48 cm，中間段為毛洞，兩邊為錨桿加固洞室，每兩試驗(yàn)段之間用1 cm寬的間隙隔開。圖1中的虛線表示平面裝藥位置，分別為自由場試驗(yàn)和加固洞室抗爆試驗(yàn)。自由場試驗(yàn)時(shí)未開挖洞室，裝藥埋深20 cm. 試驗(yàn)中，沿著模型中央部位豎直方向布置5個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)P1～P5，沿水平方向布置4個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)P6～P9，9個(gè)測點(diǎn)測量垂直應(yīng)力。采用低標(biāo)號水泥砂漿模擬巖體，其參數(shù)根據(jù)質(zhì)量比為砂∶水泥∶水∶速凝劑=15∶1∶1.6∶0.016 6制作模型和試件，分別在室內(nèi)自然干燥3 d、7 d、14 d，測定試件的密度、黏聚力等模型材料參數(shù)。發(fā)現(xiàn)14 d后材料強(qiáng)度參數(shù)趨于穩(wěn)定，開始爆炸模型試驗(yàn)。模型材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 模型試驗(yàn)布置Fig.1 Model test configuration

表1 原型和模型材料物理力學(xué)參數(shù)

爆炸試驗(yàn)在抗爆模型試驗(yàn)裝置(見圖2)中進(jìn)行，該裝置有4個(gè)側(cè)面。為了避免平面波在4個(gè)側(cè)面發(fā)生反射，模型制作時(shí)對材料進(jìn)行強(qiáng)夯，使水泥砂漿與外面約束裝置緊密貼合，在外面約束裝置的迎爆面上布置含孔率達(dá)50%的鋁制消波板，從而消除側(cè)面對平面波的反射。

圖2 抗爆模型試驗(yàn)裝置Fig.2 Anti-explosion model test device

1.2 測點(diǎn)布置及測試內(nèi)容

抗爆模型試驗(yàn)在洞室開挖后進(jìn)行，為了比較洞壁環(huán)向應(yīng)變、加速度和頂?shù)装逑鄬ξ灰齐S裝藥位置的變化規(guī)律，將裝藥埋深分別設(shè)置為57 cm、59 cm和73 cm，進(jìn)行3次爆炸試驗(yàn)。

平面裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了使每個(gè)試驗(yàn)段中作用有相同的爆炸荷載，試驗(yàn)采用等距離鋪設(shè)黑索今導(dǎo)爆索的方式，裝藥量是279 g/m2. 大部分導(dǎo)爆索平行于洞室軸線方向布置，兩邊垂直于洞室軸向布置的2根導(dǎo)爆索用于連接各段導(dǎo)爆索。整個(gè)電爆網(wǎng)路由兩端的電雷管引爆。起爆后，各導(dǎo)爆索生成的爆炸應(yīng)力波相互疊加而成平面波。

圖3 平面裝藥示意圖Fig.3 Schematic diagram of plane charge

6個(gè)洞壁環(huán)向應(yīng)變測點(diǎn)ε1～ε6和4個(gè)加速度測點(diǎn)a1～a4布置及其位置關(guān)系如圖4(a)所示。其中ε1～ε3位于拱部，ε4～ε6在右?guī)筒课唬?、ε4在拱腳，故又稱為拱腳測點(diǎn)；測點(diǎn)a1、a3分別量測拱頂、右?guī)痛怪毕蛳碌募铀俣?，a2、a4分別測定底板向上、左幫向右的加速度；每個(gè)洞室布置2個(gè)測量頂?shù)装逑鄬ξ灰茰y點(diǎn)U1、U2，如圖4(b)所示。

圖4 洞室測點(diǎn)布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of arrangement of measuring points in caverns

洞室M1、M2分別采用全長粘結(jié)式錨桿、自由式錨桿加固圍巖，錨桿選用直徑為φ2.1 mm的鋁絲模擬。全長粘結(jié)式錨桿全長21.5 cm，錨固長度為20 cm，自由式錨桿全長23 cm，錨固長度為7 cm，自由段長度為13 cm，兩種錨桿其余部分為墊板及彈簧等。洞室M1、M2錨桿間距、排距都是6.7 cm.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文抗爆模型試驗(yàn)中，先進(jìn)行自由場爆炸試驗(yàn)，僅測量巖體應(yīng)力。然后開挖洞室，布置錨桿加固，并安裝布設(shè)其他測量儀器設(shè)備。接著分別進(jìn)行第1炮～第3炮的爆炸試驗(yàn)，這3炮沒有再測量巖體中的應(yīng)力，而是測量3個(gè)洞室的洞壁環(huán)向應(yīng)變、加速度和頂?shù)装逑鄬ξ灰啤?/p>

2.1 爆炸平面波強(qiáng)度衰減規(guī)律

為了研究爆炸平面應(yīng)力波在巖體中的衰減規(guī)律，自由場試驗(yàn)共放2炮，應(yīng)力測點(diǎn)布置如圖1(a)所示。試驗(yàn)結(jié)束后，將沿豎直方向的測點(diǎn)P1～P5和沿水平方向的測點(diǎn)P6～P9的應(yīng)力峰值數(shù)據(jù)先平均化，再進(jìn)行無量綱化處理，得到無量綱應(yīng)力與比例距離之間的衰減擬合曲線及其關(guān)系式，如圖5所示。圖5中，σ為應(yīng)力，R為比例距離，W為裝藥量。

圖5 平面波強(qiáng)度衰減擬合曲線及關(guān)系式Fig.5 Fitting curve and relational expression of plane wave intensity attenuation

由圖5(a)、圖5(b)可以看出，所測應(yīng)力數(shù)據(jù)較為集中，均勻地分布于擬合曲線上及其兩側(cè)，同現(xiàn)有關(guān)于自由場應(yīng)力波衰減規(guī)律的文獻(xiàn)[14-16]相比較可知，試驗(yàn)所測爆炸平面波清晰地反映了其強(qiáng)度衰減的規(guī)律性。從圖5(a)、圖5(b)擬合曲線的傾斜度可以看出，平面波沿豎直方向較為平緩，而沿水平方向較為陡峭，表明其沿水平方向衰減得快，沿豎直方向衰減得慢；另外，由圖5(a)、圖5(b)中擬合關(guān)系式進(jìn)一步可知，爆炸平面波沿垂直、水平方向的衰減系數(shù)分別為1.378 8、2.671，后者約為前者的1.94倍，可見平面波在垂直方向的衰減速度要比水平方向慢一些。造成上述現(xiàn)象的原因是爆炸平面波主要是沿垂直方向向下傳播，是平面波強(qiáng)度的主要部分，且豎向有4個(gè)測點(diǎn)距離裝藥位置比水平測點(diǎn)近，所測應(yīng)力較大，而水平方向4個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)距離平面裝藥位置較遠(yuǎn)，再加上傳播過程中發(fā)生了衰減，所測應(yīng)力峰值較小。

2.2 洞壁環(huán)向應(yīng)變比較

圖6～圖8所示為3個(gè)洞室洞壁環(huán)向應(yīng)變峰值分布形態(tài)，測點(diǎn)相對位置關(guān)系如圖4(a)所示。圖6～圖8中的數(shù)值正、負(fù)分別表示該處圍巖產(chǎn)生了拉應(yīng)變、壓應(yīng)變，大小為其絕對值。

圖6 毛洞M0環(huán)向應(yīng)變分布Fig.6 Circumferential strain distribution of M0

圖7 洞室M1環(huán)向應(yīng)變分布Fig.7 Circumferential strain distribution of M1

圖8 洞室M2環(huán)向應(yīng)變分布Fig.8 Circumferential strain distribution of M2

由圖6～圖8可知，3炮中3個(gè)洞室的拱頂無論是受壓還是受拉，其變形都是各洞室6個(gè)測點(diǎn)中最小的，表明拱頂處是洞室中抗變形能力相對最大的；毛洞M0大部分測點(diǎn)處是壓應(yīng)變，但拱腳處在后兩炮中產(chǎn)生了超過1 300×10-6的拉應(yīng)變，而兩個(gè)加固洞室拱腳測點(diǎn)處則一直受壓，雖然數(shù)值相對較大，但由于巖土類材料抗壓變形的能力遠(yuǎn)大于其抗拉變形，只要不超過加固圍巖的抗壓變形能力就不至于破壞。由上述分析可知，拱腳是極容易產(chǎn)生拉應(yīng)變的地方，采用錨桿加固能夠改變其圍巖的受力狀態(tài)，即由受拉變形轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌鹤冃?。在工程?yīng)用中應(yīng)對此處采取加強(qiáng)維護(hù)措施，以防止其受拉變形過大而導(dǎo)致破壞。

比較2個(gè)加固洞室拱部測點(diǎn)ε1～ε3發(fā)現(xiàn)，除了第1炮M1洞室ε1測點(diǎn)外，3炮中該洞室拱部測點(diǎn)的變形均比M2洞室相應(yīng)測點(diǎn)處的小，表明減小拱部變形，采用全長粘結(jié)式錨桿加固比自由式錨桿效果好。拱部是最先與爆炸平面波相互作用的，此時(shí)平面波的強(qiáng)度相對較大，而自由式錨桿僅在端部加固，提供的加固力相對較小，因此應(yīng)該使用全長粘結(jié)式錨桿加固洞室拱部。

同一炮次中，毛洞M0和洞室M2的側(cè)墻處3個(gè)測點(diǎn)變形數(shù)值大都在依次減小，而洞室M1側(cè)墻部位3個(gè)測點(diǎn)變形卻在逐漸增大，3炮中ε4、ε5測點(diǎn)應(yīng)變先減小、后增大，由于平面應(yīng)力波自上向下傳播過程中發(fā)生能量衰減，ε6測點(diǎn)處變形理應(yīng)最小，但ε6測點(diǎn)第3炮的應(yīng)變數(shù)值顯著增大，且此處位于側(cè)墻根部，易發(fā)生壓剪變形，因此可知該測點(diǎn)處圍巖可能發(fā)生了局部剪脹破壞。

2.3 洞壁加速度比較

洞壁加速度反映了洞室圍巖受力大小及其穩(wěn)定性程度。加速度過大，表明圍巖受力大，會危及洞室穩(wěn)定性，因此有必要測定洞壁加速度數(shù)值。每個(gè)洞室布置4個(gè)測點(diǎn)，如圖4(a)所示。洞室各測點(diǎn)加速度峰值如表2所示。由于a4測點(diǎn)未測得數(shù)據(jù)，這里只給出測點(diǎn)a1、a2和a3的數(shù)據(jù)并分析。其中測點(diǎn)a1、a3分別測定拱頂向下、右?guī)拖蛳碌募铀俣龋粶y點(diǎn)a2測定底板向上加速度。表2中加速度峰值正負(fù)僅表示方向，大小為其絕對值，正值表示與圖4(a)所示方向相同，負(fù)值表示與圖4(a)所示方向相反。

表2 洞室測點(diǎn)加速度峰值

由表2可知，隨著平面裝藥位置的下移，從第1炮～第3炮，各個(gè)洞室內(nèi)拱頂處的加速度最大，右?guī)拖蛳碌募铀俣却沃装宓募铀俣茸钚?，其中?個(gè)炮次的拱頂測點(diǎn)加速度比相應(yīng)的底板測點(diǎn)加速度約大一個(gè)數(shù)量級。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：1)爆炸產(chǎn)生的平面應(yīng)力波向下傳播，爆炸壓力的主要作用方向向下；2)底板加速度是平面波經(jīng)洞室繞射到此處與其相互作用而產(chǎn)生的，在向下傳播過程中平面波的強(qiáng)度發(fā)生了衰減。因此，拱頂和右?guī)拖蛳碌募铀俣认鄬^大，而底板的加速度相對較小。

3個(gè)洞室的拱頂加速度全為正，表明在爆炸平面波作用下，此刻拱頂受力方向全部向下。在3個(gè)炮次中， 洞室M1拱頂?shù)募铀俣茸畲?，M0的次之，M2的最小。其中最大拱頂加速度約是最小拱頂?shù)?.4倍。造成洞室M1拱頂加速度大的原因，可能是全長粘結(jié)式錨桿加固使得其拱頂圍巖顆粒結(jié)合的更加牢固，整體性增強(qiáng)，受到的爆炸壓力比其他2個(gè)洞室拱頂?shù)拇?，因此其拱頂加速度峰值?個(gè)洞室中是最大的；洞室M2使用自由式錨桿加固，該類型錨桿墊板兩端分別是空隙和彈簧，其軸線方向正好與波的傳播方向一致，起到緩沖和吸收爆炸平面波能量的作用，加之錨桿布置數(shù)量相對較多，使緩沖和吸能作用得到進(jìn)一步加強(qiáng)，因此洞室M2拱頂加速度最??；毛洞M0的拱頂未加固，也不存在對爆炸平面波的吸收，其圍巖也可能較為松散，整體性不強(qiáng)，因此其拱頂加速度介于洞室M1、M2之間。

對于底板加速度，洞室M1第1炮、第3炮的都比另2個(gè)洞室的大，僅在第2炮比洞室M0相應(yīng)測點(diǎn)的小17%，但比洞室M2相應(yīng)測點(diǎn)的大62%. 造成洞室M1底板加速度相對較大的原因可能是其拱頂加速度是3個(gè)洞室中最大的，爆炸平面波傳到洞室M1的能量就是最大的，因此經(jīng)過傳播路程的衰減及繞射后，到達(dá)底板的能量應(yīng)該比另2個(gè)洞室的大，故造成底板的加速度相對較大。底板是洞室內(nèi)人員站立及工作場所，由文獻(xiàn)[17]知，洞室內(nèi)人員在各種姿勢和約束狀態(tài)下，100%無損傷允許的最大爆炸沖擊垂直加速度為130 m/s2，則表2中所列底板加速度均超過人體允許值。因此，需要對底板采取隔震措施，必要時(shí)應(yīng)重點(diǎn)加固。

3個(gè)洞室中，M0右?guī)偷募铀俣茸畲?，M2的次之，M1的最小。毛洞M0右?guī)臀床捎缅^桿加固，因而抵抗爆炸平面波的沖擊能力相對不大，造成其右?guī)彤a(chǎn)生了最大加速度；洞室M1為全長粘結(jié)式錨桿加固且呈水平布置，恰好與向下傳播的爆炸平面波方向垂直，使圍巖能有效抵抗爆炸壓力的沖擊作用，故該洞室右?guī)图铀俣茸钚?；洞室M2用自由式錨桿加固，具有部分緩解爆炸平面波作用力的能力，故其右?guī)拖蛳碌募铀俣染又小?/p>

2.4 洞室頂?shù)装逑鄬ξ灰票容^

爆炸平面波與洞室相互作用時(shí)，會導(dǎo)致其頂板下沉，底板鼓起，從而產(chǎn)生瞬間的相對位移。3個(gè)洞室頂板與底板相對位移峰值如表3所示。表3中，由于洞室M1位移測點(diǎn)U2已損壞，未測到數(shù)據(jù)。

表3 洞室頂板與底板相對位移峰值

由表3可以看出，隨著裝藥位置的下移，從第1炮～第3炮，除了洞室M2測點(diǎn)U2第1炮外，各洞室頂板與底板相對位移都在增大；3個(gè)洞室頂板與底板相對位移的平均值也在增大，分別比第1炮增大約15%、24%和13%.

另外，從表3中可知，從第1炮～第3炮，洞室M0的頂板與底板相對位移最大，M2的次之，M1的最小。其中M2洞室頂板與底板相對位移平均值分別比相應(yīng)的M0洞室約小21%、21%和12%. 由于洞室M0為毛洞，未加固，故其頂板與底板相對位移相對較大，洞室M2采用自由式錨桿加固，部分缺少錨固劑，致使圍巖顆粒結(jié)合的不是太緊密，故其頂板與底板相對位移居中；洞室M1采用全長粘結(jié)式錨桿加固，使得圍巖顆粒結(jié)合的更加緊密，相對位移相對較小。因此，從減少頂板與底板相對位移的角度看，適宜采用全長粘結(jié)式錨桿加固洞室。

3 結(jié)論

本文通過對爆炸平面波強(qiáng)度衰減特性、3個(gè)洞室環(huán)向變形、頂板與底板相對位移和測點(diǎn)加速度的分析，得到如下主要結(jié)論：

1)爆炸平面波沿垂直方向的衰減系數(shù)約為水平方向的一半，其強(qiáng)度沿垂直方向比水平方向衰減的慢一些。

2)在本文研究條件下，每個(gè)洞室內(nèi)拱頂?shù)目棺冃文芰Ρ绕渌课坏拇螅还澳_是洞室中極易產(chǎn)生拉應(yīng)變的地方；錨桿加固能夠使拱腳圍巖由受拉變形改變?yōu)槭軌鹤冃?，即錨桿起到改變拱腳處圍巖受力狀態(tài)的作用；在減小洞室拱部變形和頂板與底板相對位移方面，采用全長粘結(jié)式錨桿的加固效果比自由式錨桿的好。

3)每個(gè)洞室內(nèi)拱頂處加速度最大，底板加速度最小。全長粘結(jié)式錨桿的加固使拱頂和底板都產(chǎn)生了相對較大的加速度，對減小洞室拱頂和底板加速度的效果不如自由式錨桿，但在減小右?guī)图铀俣确矫婧糜谧杂墒藉^桿。