趙同彬，鄒建超，傅知勇，于鳳海

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590; 2.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590; 3.大連理工大學(xué) 運載工程與力學(xué)學(xué)部，遼寧 大連 116024)

在深部開采中，圍巖易形成多區(qū)域、大范圍的節(jié)理裂隙和破裂區(qū)，巷道穩(wěn)定性主要受巖體內(nèi)節(jié)理破裂區(qū)控制。由于節(jié)理巖體變形失穩(wěn)引發(fā)的巷道垮落、冒頂?shù)葹?zāi)害日趨嚴重，給巷道穩(wěn)定性控制帶來了困難[1-5]。錨桿支護具有顯著的加固效果，在工程現(xiàn)場多采取錨桿對節(jié)理巖體進行穩(wěn)定性控制，而室內(nèi)試驗是研究錨桿支護效應(yīng)及錨固機制的重要手段，因此，國內(nèi)外學(xué)者對節(jié)理巖石力學(xué)特性及錨固控制機理開展了大量研究。NIU[6]、GEHLE[7]等通過對節(jié)理巖體力學(xué)特性的研究，認為節(jié)理巖體變形失穩(wěn)模式主要為剪切破壞，并將試件剪切破壞過程分為節(jié)理面擴展、巖橋滑動和節(jié)理面滑動3個階段。楊圣奇等[8]、李宏哲等[9]、劉偉韜等[10]對不同圍壓下節(jié)理巖石進行了試驗研究，得出試件裂紋斷裂具有明顯的圍壓效應(yīng)，且破壞形式和變形特征均取決于最大主應(yīng)力與節(jié)理面夾角的大小。王奇智等[11]基于SHPB動力加載系統(tǒng)和DIC技術(shù)，研究了動載下含節(jié)理巖體的破壞特性，揭示了節(jié)理巖體在動態(tài)荷載下的擴展機理。鄭雪梅等[12]總結(jié)了節(jié)理巖石力學(xué)參數(shù)隨裂隙傾角變大而產(chǎn)生的變化規(guī)律，并探討了節(jié)理巖石裂紋擴展的微觀機制。PELLET[13]、K.SPANG[14]等通過分析錨桿在節(jié)理處發(fā)生變形、局部轉(zhuǎn)動規(guī)律，研究了錨桿錨固角對變形量的影響、錨桿的抗剪能力及錨固作用機制，建立了錨桿抗剪強度的經(jīng)驗公式。LI等[15]在對節(jié)理加錨巖體研究時，提出了單節(jié)理錨固試件在加載過程中錨桿受力解析模型。李術(shù)才等[16]通過試驗和力學(xué)模型研究了錨桿在節(jié)理中的加固作用，認為錨桿的加固作用表現(xiàn)為提高節(jié)理巖石變形能力和抗剪強度，起到增韌止裂作用。張偉等[17]對錨固節(jié)理巖石進行了剪切試驗，試驗結(jié)果表明加錨后節(jié)理的切向剛度和抗剪強度均有所提高;錨桿因節(jié)理的滑動而產(chǎn)生剪切作用，沿桿體的軸向應(yīng)力隨剪切滑移呈增大趨勢，且距節(jié)理越近軸向應(yīng)力越大。葛修潤等[18]、周輝等[19]提出了預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固機制主要表現(xiàn)為“軸壓”和“銷釘”效應(yīng)。

上述研究從節(jié)理巖石的破壞形式、變形特征，以及錨桿對單節(jié)理巖石的加固作用和錨固控制機制等方面進行了廣泛研究。近年來，我國東部煤礦開采深度超千米的礦井較為多見，在高應(yīng)力強采動條件下巷道圍巖內(nèi)部呈現(xiàn)大范圍的多節(jié)理貫穿形式，造成圍巖不連續(xù)、變形破壞更復(fù)雜，而對于多節(jié)理貫通巖石的變形演化過程的分析，尤其是對加錨多節(jié)理貫通巖石的裂紋擴展、變形破壞模式以及錨桿在多節(jié)理貫通巖石中的受力、變形特點對巖石基體承載、錨固效應(yīng)的影響和錨固機理等方面的研究不多，需要進一步深入分析。筆者通過對45°傾角雙節(jié)理紅砂巖試件進行室內(nèi)壓縮試驗，研究加載過程中錨固雙節(jié)理貫通巖石滑移、次生裂紋的擴展和變形場分布規(guī)律，同時結(jié)合錨桿的受力及變形特征揭示雙節(jié)理巖石的錨固機理。

1 雙節(jié)理錨固巖石試驗

1.1 試件制備

本次試驗選用紅砂巖作為試件基體，制備5組45°傾角雙節(jié)理無錨及加錨試件，試件的尺寸為:50 mm×32 mm×130 mm。節(jié)理采用壓裂處理，形態(tài)與天然節(jié)理接近;節(jié)理面之間填充厚度為2 mm的混合材料，由QH-102防護層砂漿與水按質(zhì)量比4∶1配制，雙節(jié)理之間寬度為10 mm。錨桿選取直徑為4 mm的楠竹代替，長度與試件寬度相同，鉆孔采用直徑5 m的鉆頭鉆進，鉆孔直徑大小為5.2 mm，采取全長錨固的方式，并用環(huán)氧樹脂作為錨固劑;對試件表面進行噴斑處理。先噴黑色漆作為底色，待黑色漆晾干后再均勻地噴上白漆斑點，形成散斑場，如圖1所示。黑底上的白斑均勻分布、黑白面積各自約占一半，斑點大小在圖像中占據(jù)5個像素左右，子區(qū)大小為41pixels×41pixels。

圖1 雙節(jié)理錨固巖石試件制備

1.2 試驗方案

試驗測試系統(tǒng)包括加載系統(tǒng)、聲發(fā)射裝置、數(shù)字散斑設(shè)備，如圖2所示。試驗時采用微機控制RLJW-2000型巖石試驗機進行單軸加載，軸向選擇位移控制，加載速度為0.004 mm/s，用千分表記錄軸向和側(cè)向位移。試驗過程中采用美國物理聲學(xué)PAC(Physical Acoustic Corporation)公司的Sensor Highway Ⅱ聲發(fā)射裝置進行監(jiān)測;同時利用CCD相機對節(jié)理巖石表面的黑白散斑場進行圖像采集，儲存為bmp格式，速度為15 幀/s。試驗前，調(diào)整試驗加載控制系統(tǒng)、聲發(fā)射裝置和數(shù)字散斑設(shè)備的時間同步，確保3者一一對應(yīng)。

圖2 節(jié)理巖石變形破壞監(jiān)測系統(tǒng)

1.3 試驗結(jié)果

對2組45°傾角節(jié)理巖石試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到雙節(jié)理巖石試件軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3 雙節(jié)理巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線

選取其中具有代表性的雙節(jié)理無錨巖石-1和雙節(jié)理加錨巖石-1作為研究對象，繪制雙節(jié)理無錨和加錨巖石試件軸向應(yīng)力-應(yīng)變-聲發(fā)射計數(shù)曲線，如圖4所示。應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰前均出現(xiàn)明顯波動現(xiàn)象，曲線波動前，聲發(fā)射信號頻率較低，能量也較弱，計數(shù)值大多在50以下，產(chǎn)生波動時，聲發(fā)射信號頻率和能量均增大;隨著應(yīng)力增加，在到達峰值前，聲發(fā)射信號頻率和能量出現(xiàn)多次增大現(xiàn)象，計數(shù)值在50以上，有些超過100，對應(yīng)的曲線斜率較波動前明顯降低;峰后曲線表現(xiàn)為“階躍式”應(yīng)力降滑移趨勢，聲發(fā)射信號頻率和能量隨著應(yīng)力降趨勢而出現(xiàn)跳躍;根據(jù)圖4中曲線峰前斜率變化和峰后分布規(guī)律，以及不同階段聲發(fā)射信號強度及持續(xù)狀態(tài)與應(yīng)力-應(yīng)變曲線相對應(yīng)現(xiàn)象，將應(yīng)力-應(yīng)變曲線分成3個階段。雙節(jié)理無錨及加錨巖石在不同階段的力學(xué)參數(shù)見表1。

對比表1中數(shù)據(jù)可知:第1階段，與無錨試件相比，加錨后節(jié)理巖石的起裂強度和彈模均呈增大趨勢，分別提高了30.7%和45%。第2階段，加錨節(jié)理巖石的峰值強度由無錨時的11.68 MPa增大到13.28 MPa，提高了13.7%;且峰值應(yīng)變?yōu)?.24×10-2，加錨使得節(jié)理巖石抗變形性能提高了109.9%，而加錨節(jié)理巖石峰值點割線泊松比僅是無錨試件的50%。第3階段，加錨雙節(jié)理巖石的峰后殘余強度比無錨時增大了0.68 MPa，提高了26.8%。

表1 節(jié)理巖石力學(xué)參數(shù)

2 錨固巖石破壞模式

結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線，選取不同加載階段無錨及加錨節(jié)理巖石表面散斑位移場如圖5所示。加載到一定應(yīng)力時，無錨巖石雙節(jié)理內(nèi)的填充物受壓并發(fā)生從左端面向右端面逐漸擴展的錯動;當(dāng)填充物錯動一定程度后，巖石基體的滑移致使兩節(jié)理之間的巖橋產(chǎn)生次生裂紋;隨著應(yīng)力的增大，節(jié)理巖石的滑移變形逐漸增加，但上下巖石基體基本保持完整。

圖5 節(jié)理巖石變形失穩(wěn)演化過程

加錨節(jié)理巖石受壓后下端部節(jié)理先于上端部節(jié)理產(chǎn)生錯動，且填充物的錯動由左、右兩端向中間逐漸擴展，當(dāng)?shù)撞抗?jié)理完全錯動貫通后，上部節(jié)理才逐漸產(chǎn)生滑移;隨著加載的進行，在錨桿與兩節(jié)理之間的巖橋貫通部位分別產(chǎn)生裂紋，同時節(jié)理填充物逐漸被壓縮擠出;隨后，下部巖石先產(chǎn)生裂紋，擴展至巖石底部后，上部巖石開始產(chǎn)生裂紋并擴展。通過演化過程可以清晰看到加錨節(jié)理巖石裂紋擴展形成斜交節(jié)理面的斷裂，最終貫通失穩(wěn)破壞。

試驗中發(fā)現(xiàn)，加錨與無錨雙節(jié)理巖石的變形破壞模式及形態(tài)有所差別，錨桿對雙節(jié)理巖石變形破壞模式的影響規(guī)律如圖6所示。

圖6 錨桿對節(jié)理巖石變形破壞模式的影響

由圖6可知，無錨雙節(jié)理巖石以滑移失穩(wěn)破壞為主，兼有2條垂直節(jié)理面貫通的次生裂紋產(chǎn)生，裂紋集中在兩節(jié)理之間的巖橋上，而上、下巖石基體基本保持完整。錨固雙節(jié)理巖石的破壞模式以斷裂失穩(wěn)為主，兩節(jié)理之間的巖石破壞較嚴重，產(chǎn)生5條裂紋;上、下巖石各產(chǎn)生1條擴展至端部的裂紋，并通過節(jié)理間的巖石裂紋貫通形成斜交節(jié)理面的斷裂，且側(cè)面也形成沿錨桿豎向貫通的裂紋，節(jié)理填充物被擠壓產(chǎn)生較大變形。

從雙節(jié)理巖石的位移場和破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，加錨雙節(jié)理巖石填充物壓縮變形程度遠大于無錨節(jié)理試件，且加錨雙節(jié)理巖石可以承受較大的軸向變形而不發(fā)生失穩(wěn)破壞，這就使得錨固節(jié)理巖石的破壞特性由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有?，從而提高了?jié)理巖石的穩(wěn)定性和整體性。

根據(jù)文獻[20-22]對聲發(fā)射信號事件的分類，本文通過分析雙節(jié)理巖石在不同階段的變形演化特征與聲發(fā)射數(shù)據(jù)活躍點位置及數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射計數(shù)在各階段的活躍點位置對應(yīng)節(jié)理巖石滑移或裂紋起裂及擴展。加載初始，節(jié)理填充物壓縮、摩擦引起的聲發(fā)射信號頻率低、能量較弱，表現(xiàn)出摩擦型信號特征，當(dāng)節(jié)理填充物滑動時導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)波動，引起聲發(fā)射信號頻率和能量增大;隨著應(yīng)力增加，巖橋部位產(chǎn)生初始裂紋，對應(yīng)于峰值前彈性階段聲發(fā)射表現(xiàn)出的破裂型信號特征;在底部巖石基體承載能力達到極限逐漸產(chǎn)生裂紋時，聲發(fā)射信號出現(xiàn)明顯增大現(xiàn)象，并伴隨應(yīng)力大幅度跌落;峰后底部巖石基體裂紋持續(xù)擴展的同時，上部巖石基體開始產(chǎn)生裂紋并擴展，聲發(fā)射產(chǎn)生多次頻率和能量較高的破裂型信號，應(yīng)力-應(yīng)變曲線也表現(xiàn)出“階躍式”應(yīng)力降的形式;隨著節(jié)理巖石繼續(xù)承載，聲發(fā)射信號再次突增，此時巖石基體和巖橋裂紋貫通，隨后聲發(fā)射信號和應(yīng)力值趨于平緩。因此，如圖7所示,將錨固節(jié)理巖石變形失穩(wěn)劃分為節(jié)理填充物滑動、節(jié)理面錯動致裂、底部巖石起裂、上部巖石裂紋擴展、裂紋貫通5個階段。

3 雙節(jié)理錨固機理分析

加錨節(jié)理巖石抗壓剪強度的增強主要是由于錨桿分擔(dān)外力產(chǎn)生拉壓、剪切和彎曲變形，圖8為試驗后錨桿的變形形態(tài)。建立如圖9所示的錨固雙節(jié)理巖石剪切滑移變形示意圖，錨桿變形主要發(fā)生在貫穿節(jié)理區(qū)段，而錨桿兩端除了產(chǎn)生脫錨外，與巖石基體之間的黏結(jié)相對完好。

結(jié)合受力分析及錨桿的變形形態(tài)，對雙節(jié)理巖石的錨固控制機理進行分析?？紤]到本文試驗是對節(jié)理巖石進行單軸加載，因此建立壓剪狀態(tài)下錨固節(jié)理巖石力學(xué)模型，圖10中節(jié)理與水平方向夾角為θ，模型受軸壓σ1作用。建立如圖10所示的坐標(biāo)系xoy，節(jié)理填充物滑動之前，加錨雙節(jié)理巖石的剪切強度主要由節(jié)理面垂直應(yīng)力和節(jié)理填充物黏聚力決定:

圖7 節(jié)理巖石裂紋擴展及貫通模式

圖8 錨桿剪切破壞形態(tài)

圖9 錨固節(jié)理巖石剪切滑移

τeff=σ1sinθcosθ-c

(2)

式中,c為節(jié)理填充物的黏聚力。

當(dāng)施加的載荷在節(jié)理面上引起的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力超過節(jié)理面間最大抗壓強度σc與抗剪強度τc，即σeff>σc,τeff>τc時，節(jié)理填充物受壓擠出，并逐漸引起節(jié)理面相互滑動，如圖9所示。而錨桿自身的抗剪強度限制了節(jié)理錯動，分擔(dān)了節(jié)理面上的外力，致使下端部節(jié)理由左、右兩端向中間逐漸擴展貫通后，上端部節(jié)理才開始產(chǎn)生錯動;考慮到雙節(jié)理面上摩擦效應(yīng)，所以錨固雙節(jié)理巖石有效剪應(yīng)力和壓應(yīng)力為

σeff=σ1cos2θ

(3)

τeff=σ1sinθcosθ-μσ1cos2θ-τm

(4)

式中,μ為節(jié)理填充物間的摩擦因數(shù);τm為錨桿剪應(yīng)力。

當(dāng)兩節(jié)理均產(chǎn)生滑移錯動后，錨桿在剪力作用下開始產(chǎn)生變形，且隨著σ1增加，節(jié)理巖石的切向應(yīng)力大部分由錨桿承擔(dān)，由于錨桿受拉壓、剪切及彎矩的作用，圖9中A,B,C,D區(qū)域開始承受錨桿的壓力，由于節(jié)理間的巖石承載力弱，因此在B,C區(qū)域先產(chǎn)生次生裂紋。

圖10 壓剪狀態(tài)下錨固節(jié)理巖石力學(xué)模型

錨桿通過變形對節(jié)理巖石施加了沿著桿體軸向的側(cè)向應(yīng)力σm，使得錨桿對節(jié)理巖石的側(cè)向約束隨著巖石基體的滑移逐步增大，給節(jié)理面施加更大的法向壓力，有效延緩了次生裂紋的擴展以及法向和切向變形，使得次生裂紋繼續(xù)擴展需要提供更高的軸向應(yīng)力，提高了節(jié)理巖石抗壓剪強度:

σeff=σ1cos2θ+σmsin2θ

(5)

τeff=(σ1-σm)sinθcosθ-μ(σ1cos2θ+

σmsin2θ)-τm

(6)

由式(6)可知，裂紋貫通后，節(jié)理巖石承載能力大幅度下降，而錨桿自身抗剪能力發(fā)揮作用以及σm的施加將降低τeff的大小，進而有效抑制上下巖石基體相對滑動，提高了節(jié)理巖石峰后殘余強度。

4 結(jié) 論

(1)通過對45°傾角雙節(jié)理無錨及加錨巖石單軸試驗數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明:加錨后雙節(jié)理巖石的起裂強度、彈模、峰值強度、峰值應(yīng)變、殘余強度較無錨試件均呈增大趨勢，分別提高了30.7%,45.0%,13.7%,109.9%和26.8%;加錨雙節(jié)理巖石的割線泊松比僅是無錨試件的50%，加錨雙節(jié)理巖石可以承受較大的軸向變形而不發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(2)無錨時兩節(jié)理受壓后同時發(fā)生錯動，僅節(jié)理間的巖橋產(chǎn)生2條次生裂紋，而巖石基體保持完整，以滑移失穩(wěn)破壞為主;加錨后，下端部節(jié)理先于上端部產(chǎn)生錯動，且錯動由左、右兩端向中間逐漸擴展;節(jié)理間的巖橋在與錨桿貫通部位產(chǎn)生多條裂紋，下、上巖石基體先后各產(chǎn)生1條擴展至端部的裂紋，最終形成斜交節(jié)理面的斷裂破壞。

(3)錨桿通過分擔(dān)外力產(chǎn)生拉壓、剪切和彎曲變形，從而有效延緩次生裂紋的擴展以及法向和切向變形，使得裂紋繼續(xù)擴展需要提供更高的軸向應(yīng)力;同時，錨桿自身抗剪能力可以抑制巖石基體相對滑動，提高節(jié)理巖石抗壓剪強度、節(jié)理變形能力和峰后殘余強度。