分層多次高壓注漿預(yù)應(yīng)力錨固試驗(yàn)與數(shù)值模擬

謝振華 楊 棟 范冰冰

(1.中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院安全工程系，北京 100048； 2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

分層多次高壓注漿預(yù)應(yīng)力錨固試驗(yàn)與數(shù)值模擬

謝振華1楊 棟2范冰冰2

(1.中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院安全工程系，北京 100048； 2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

為了治理露天礦山破碎巖質(zhì)高陡邊坡，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，從分析錨桿預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)和高壓注漿技術(shù)機(jī)理入手，采用水力劈裂應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算得出高壓劈裂的漿液走向，提出了結(jié)合2種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的分層多次高壓注漿預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)。然后，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)普通錨固體與分層多次高壓注漿劈裂形成的錨固異形體模型分別進(jìn)行拉拔對(duì)比試驗(yàn)，采集錨桿應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，分析其應(yīng)力傳遞規(guī)律，得出分層多次高壓注漿預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)能使錨固段的承載力提高約39.25%，同時(shí)可以避免應(yīng)力集中。最后，利用FLAC3D軟件建立模型進(jìn)行模擬，取4組不同起劈寬度和4組不同的起劈長(zhǎng)度，施加相同的拉拔力，分別進(jìn)行對(duì)比研究，分析其內(nèi)部應(yīng)力分布及傳遞規(guī)律。研究結(jié)果表明：相對(duì)于普通錨固異形體，分層多次高壓注漿劈裂形成的錨固異形體可以承擔(dān)更多的剪應(yīng)力，并且隨著劈裂程度的增大，漿脈的長(zhǎng)度更長(zhǎng)，起劈寬度更大，漿脈應(yīng)力場(chǎng)的影響力更大，錨固效果更好。

破碎巖質(zhì)高陡邊坡 穩(wěn)定性 分層多次高壓注漿 預(yù)應(yīng)力錨固 拉拔試驗(yàn) 應(yīng)力分析 FLAC3D楔形模型

隨著礦山開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)步和資源的不斷利用，我國(guó)露天礦山邊坡呈現(xiàn)出越來(lái)越高、越來(lái)越陡的趨勢(shì)。節(jié)理發(fā)育，巖體較為破碎且邊坡高度在70 m以上、坡腳大于45°[1]的天然或人工邊坡稱(chēng)為破碎巖體高陡邊坡。邊坡的高度和開(kāi)采深度的增加，使得露天礦山高陡邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題越來(lái)越突出，嚴(yán)重阻礙礦山的安全、高效生產(chǎn)[2]。因此，加強(qiáng)礦山不穩(wěn)定邊坡的治理，對(duì)保障礦山的安全生產(chǎn)具有重要的意義。目前，我國(guó)工程上應(yīng)用較多的邊坡加固技術(shù)主要包括支擋類(lèi)、錨固類(lèi)和錨固支擋類(lèi)3類(lèi)[3]。錦豐露天礦采取噴錨網(wǎng)+長(zhǎng)錨索支護(hù)、長(zhǎng)錨索+鋼帶支護(hù)、噴錨網(wǎng)支護(hù)、抗滑樁支護(hù)及 HDPE 防滲膜護(hù)坡等方式進(jìn)行邊坡加固[4]。張布榮針對(duì)撫順西露天礦傾倒型巖石邊坡破壞的特點(diǎn)，提出了“串層錨桿”加固成層傾倒型巖石邊坡的治理措施[5]。這些技術(shù)在一定程度上有效地對(duì)邊坡進(jìn)行了支護(hù)，但是并不能很好地解決破碎巖體高陡邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題[6-7]。因此，本研究根據(jù)露天礦破碎巖體高陡邊坡的巖性、結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度和組合形態(tài)、水文條件等特點(diǎn)，首次提出利用分層多次高壓注漿預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)，進(jìn)行邊坡加固和治理。

1 分層多次高壓注漿預(yù)應(yīng)力錨固機(jī)理

1.1 工藝過(guò)程

分層多次高壓注漿預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的具體工藝過(guò)程為：第1次注漿時(shí)，采用不加壓的方式，使?jié){液在注漿孔范圍內(nèi)流動(dòng)，待其凝固后將在孔內(nèi)形成柱形漿脈，作為其余幾次注漿的止?jié){塞，同時(shí)改善注漿孔周?chē)鷰r體性質(zhì)；之后采取注漿孔內(nèi)預(yù)留長(zhǎng)度不同注漿管的方法，分層次實(shí)施多次注漿，根據(jù)工程實(shí)際情況逐次增加注漿壓力，可在最后1次注漿時(shí)采用高壓注漿，工藝如圖1所示(以4次注漿為例)，最終完成預(yù)應(yīng)力錨固，達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的。在節(jié)理發(fā)育、巖體較為破碎的露天礦邊坡上實(shí)施分層多次高壓注漿預(yù)應(yīng)力錨固，效果尤為明顯。

圖1 分層多次高壓注漿漿液擴(kuò)散示意

1.2 作用原理

分層多次高壓注漿預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)結(jié)合了錨桿預(yù)應(yīng)力錨固和高壓劈裂注漿技術(shù)。預(yù)應(yīng)力錨固主要是利用錨桿與巖體共同的作用，將滑坡推力傳入錨固段，改善邊坡巖體的穩(wěn)定性條件[8]；在預(yù)應(yīng)力錨固施工中采用高壓劈裂注漿，利用較高的注漿壓力向錨桿鉆孔中注入漿體，先后克服巖體的初始應(yīng)力和抗拉應(yīng)力使?jié){體得到有效擴(kuò)散，在地層中產(chǎn)生不規(guī)則注漿漿脈，形成錨固異形體[9]，有效避免了因錨固體從巖土體中拔出而導(dǎo)致的錨固失效。

采用高壓注漿能有效地提高錨桿的承載力，主要表現(xiàn)在[10-11]：高壓劈裂注漿的擠壓作用可以提高巖體原始凝聚力；提高錨固段巖土體的內(nèi)摩擦角；提高錨固段巖土體剪切面上法向應(yīng)力值；改善巖體軟弱面的力學(xué)性質(zhì)提高了巖體的穩(wěn)定性和錨固效果；提高巖體自身的抗水性，降低其透水性，使破碎巖體更趨于完整，增強(qiáng)邊坡巖體的穩(wěn)定性。

1.3 水力劈裂機(jī)理

水力劈裂是分層多次高壓注漿的基本機(jī)理，在實(shí)施錨注時(shí)，必然需要對(duì)鉆孔進(jìn)行高壓注漿，由此產(chǎn)生的水壓致裂現(xiàn)象是形成錨固異形體的基礎(chǔ)。理論上，在巖體中打孔后，即破壞了其原來(lái)的應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，使得孔壁周?chē)膽?yīng)力重新分布。根據(jù)彈性力學(xué)中雙向受力的無(wú)限大平板中有一孔的模型來(lái)分析，可以得到在注入壓力時(shí)，鉆孔起劈前的應(yīng)力場(chǎng)為[12]。

(1)

式中，σr為鉆孔徑向主應(yīng)力，Pa；σθ為鉆孔周向切向主應(yīng)力，Pa；τrθ為鉆孔軸向切應(yīng)力，Pa；σ1、σ2、σ3分別為鉆孔附近巖體3個(gè)主應(yīng)力，Pa；p0為鉆孔注漿壓力，Pa；r0為鉆孔半徑，m。

根據(jù)式(1)，令

有：θ=90°或270°。因此，對(duì)于帶有鉆孔的模型，水力劈裂起劈總是于90°或270°方向上，裂縫分布處于垂直最小主應(yīng)力軸方向。另外，由于孔壁處最小周向應(yīng)力為

σθ=3σ3-σ1-p0.

(2)

根據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則[13-14]，若σθ>σt(巖體抗拉強(qiáng)度)時(shí)，孔壁隨即產(chǎn)生破裂且起劈壓力為

p0=3σ3-σ1+σt.

(3)

根據(jù)以上分析，劈裂后的鉆孔呈如圖2的狀態(tài)。

2 高壓注漿錨固技術(shù)應(yīng)力分布試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)的方法與方案

為研究一般錨固體與分層多次(以2次注漿為例)高壓注漿形成的錨固異形體在應(yīng)力分布和錨固效果上的不同，特在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，將錨固體部分做成試件，采用將錨固體從基體拔出的試驗(yàn)方案。

圖2 劈裂后的鉆孔

2.1.1 試驗(yàn)材料

(1)混凝土基體。采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥和平潭標(biāo)準(zhǔn)砂按照灰砂比1∶3的比例制作。基體呈圓柱形，總體高度600 mm，直徑400 mm。

(2)錨固體灌漿材料。采用1∶2的水泥砂漿，水泥為強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，砂子采用平潭標(biāo)準(zhǔn)砂。

(3)錨桿。采用φ16 mmⅡ型螺紋鋼筋，鋼筋屈服強(qiáng)度σe=370 MPa，極限強(qiáng)度560 MPa，彈模E=2×105MPa，L=600 mm，其中外露長(zhǎng)度200 mm，錨固長(zhǎng)度400 mm。使用時(shí)按照要求打磨加工。

(4)應(yīng)變片。采用5 mm×3 mm箔式膠基應(yīng)變片，電阻值為(120±0.1)Ω。

(5)模具?；w模具采用內(nèi)徑為400 mm的波紋管；一般錨固體模具采用外徑為60 mm的PVC管；錨固異形體模具采用內(nèi)徑為245 和60 mm的PVC管，使用時(shí)按照要求將模具截成相應(yīng)長(zhǎng)度。

2.1.2 模型制作

(1)一般錨固體的制作。截取φ16 mmⅡ型螺紋鋼600 mm作為錨桿，距錨桿頂端200 mm處取一基點(diǎn)，自上而下依次按照距離基點(diǎn)10、30、60、100、150、200、250、300、350、400 mm處黏貼應(yīng)變片。將處理完畢的錨固放入長(zhǎng)度為400 mm的封底的一般錨固體模具，灌入錨固體灌漿材料，養(yǎng)護(hù)成型后取下模具，錨固體制作完成。

(2)錨固異形體的制作。截取內(nèi)徑為245 mm的PVC管400 mm，取塑料薄膜包裹著的不同大小巖石沿管內(nèi)壁碼放一周(模型中心預(yù)留直徑約60 mm的空間)，碼放高度為200 mm,巖石與管內(nèi)壁之間縫隙充滿(mǎn)砂土。將經(jīng)過(guò)同上處理的錨桿放入模型中心，套入200 mm長(zhǎng)的φ60 mm PVC管，管下端與石塊緊密相接，不留縫隙，在兩管之間空間加入沙土。隨后向內(nèi)層管內(nèi)灌入灌漿材料，漿液侵入石塊之間縫隙，形成模擬高壓注漿漿脈，如圖3。漿液灌滿(mǎn)后養(yǎng)護(hù)成型，取出模具、石塊和砂土，錨固異形體制作成功。

圖3 錨固異形體的制作

2.1.3 試驗(yàn)方法

將2個(gè)錨固體放置于高度為400 mm的封底基體模具中心，灌入混凝土，養(yǎng)護(hù)成型后去掉模具，進(jìn)行拉拔應(yīng)力測(cè)試。試驗(yàn)采用ZY-50T型錨桿拉拔計(jì)，拉拔機(jī)置于反力架上，如圖4所示。試驗(yàn)測(cè)試采用YSV型動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀，采樣頻率為40 Hz，應(yīng)變片采用1/4橋的方式連接到儀器上。動(dòng)態(tài)信號(hào)應(yīng)變采集儀從錨桿拉拔計(jì)有示數(shù)起即進(jìn)行采集，每隔1 kN拉拔力即停止加壓，穩(wěn)定10 s并記下采集時(shí)間；如此進(jìn)行下去，直到發(fā)生錨固破壞即停止。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)對(duì)2組模型進(jìn)行了拉拔測(cè)試。2組試驗(yàn)拉拔力按照表1加載。

表1 拉拔載荷加載

Table 1 Pullout load loading kN

錨固一般錨固體7152230374552錨固異形體7152230374552錨固一般錨固體6067758290-錨固異形體606775829097

借助于應(yīng)變片，可以得出錨桿上各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變值，而鋼筋沿桿長(zhǎng)的平均剪應(yīng)力可由相鄰2點(diǎn)的應(yīng)變值獲得：

(4)

式中，τi為第j點(diǎn)和第j+1點(diǎn)之間的平均剪應(yīng)力；d為鋼筋直徑；Δx為應(yīng)變片的間距；εj,εj+1為第j點(diǎn)與第j+1點(diǎn)間的鋼筋應(yīng)變值；A為錨桿橫截面積。

圖4 拉拔試驗(yàn)

結(jié)合式(4)可以獲得在不同級(jí)別拉拔載荷下，沿著錨桿分布的10個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的剪應(yīng)力值。一般錨固體10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的剪應(yīng)力總值為102.51 MPa，分層多次高壓注漿錨固異形體的10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的剪應(yīng)力總值為142.73 MPa?？梢?jiàn)，分層多次高壓注漿錨固異形體承載的剪應(yīng)力更多，相對(duì)于一般錨固體承載力提高約39.25%。

一般錨固體和分層多次高壓注漿錨固異形體拉拔試驗(yàn)在不同級(jí)拉拔載荷下，剪應(yīng)力沿錨桿的分布分別如圖5和圖6所示。

圖5 一般錨固體試驗(yàn)不同級(jí)拉拔載荷下剪應(yīng)力沿錨桿分布匯總

從圖5和圖6中看出，一般錨固體錨桿應(yīng)力分布和較低荷載下錨固異形體錨桿應(yīng)力分布情況，即在在錨桿錨固較淺處，出現(xiàn)相對(duì)較大的應(yīng)力峰值，之后剪應(yīng)力沿錨桿錨固深度快速下降，在錨桿深處接近于0；隨著拉拔力的增加，兩類(lèi)錨固體錨桿上的應(yīng)力峰值均向錨固深部移動(dòng)。

對(duì)比圖5、圖6還發(fā)現(xiàn)，一般錨固體和錨固異形體在不同載荷作用下剪應(yīng)力沿錨桿分布情況有很大不同，主要表現(xiàn)在：

(1)應(yīng)力峰值情況。一般錨固體試驗(yàn)中，隨著拉拔力的增大，錨桿承受的最大剪應(yīng)力也逐漸增大(拉拔力為90 kN時(shí)，錨桿承受最大剪應(yīng)力為6.5 MPa左右)；而在錨固異形體試驗(yàn)中，在初始低荷載階段(小于60 kN)，隨著拉拔力的增大，錨桿承受的最大剪應(yīng)力基本呈逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)拉拔力繼續(xù)增大(大于60 kN)時(shí)，錨桿承受的最大剪應(yīng)力無(wú)明顯增大的趨勢(shì)，基本穩(wěn)定在3～4.5 MPa。

(2)應(yīng)力集中情況。一般錨固體試驗(yàn)中在不同載荷下的最大剪應(yīng)力附近有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，錨桿深處的剪應(yīng)力基本為0；而在錨固異形體試驗(yàn)中，隨著拉拔力的增加(從37 kN起)，剪應(yīng)力曲線(xiàn)比較平穩(wěn)地分布在峰值處，沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。

3 數(shù)值模擬

利用FLAC3D軟件進(jìn)行高壓注漿漿脈錨固體應(yīng)力分布數(shù)值模擬，對(duì)鉆孔起裂后形成漿脈的形態(tài)對(duì)錨固效果的具體影響進(jìn)行研究。

3.1 建立模型

數(shù)值模擬計(jì)算采用三維模型，在坐標(biāo)系內(nèi)建立8 m3的塊體作為錨固基體。塊體中央預(yù)留直徑60 mm的鉆孔，模型上表面中心位置坐標(biāo)為(1.5，1.5，2)。整個(gè)模型采用楔形體網(wǎng)格建立，底面固定x,y,z坐標(biāo)，面x=0.5和x=2.5固定z，x坐標(biāo)，面y=0.5和y=2.5固定z，y坐標(biāo)，錨桿采用FLAC3D軟件中的cable單元。其模型基體如圖7所示，計(jì)算中各種材料的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 模型中的材料參數(shù)

在以上建模的基礎(chǔ)上，在錨固深度為250 mm處建立漿脈異形體，并在鉆孔中心處加入錨桿，模型如圖7。對(duì)錨桿端頭施加1×105Pa的拉拔應(yīng)力。根據(jù)上述水力劈裂的機(jī)理分析，試驗(yàn)假設(shè)漿脈空間形狀為類(lèi)四面體的楔形，徑向尖滅而縱向長(zhǎng)度不變。因此，以漿脈起劈寬度和漿脈長(zhǎng)度為主要漿脈形態(tài)的變量分別建立模型進(jìn)行研究。

圖7 模型體建模示意

3.2 模擬結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)模擬漿脈同為原鉆孔直徑3倍的系列模型，得到z方向上過(guò)(1.5，1.5，0)、以(0，1，0)為法向量的剖面剪應(yīng)力云圖，如圖8所示。對(duì)于漿脈起劈寬度同為50%的系列漿脈，得到z方向上過(guò)(1.5，1.5，0)、以(1，1，0)為法向量的剖面剪應(yīng)力云圖，如圖9所示。

根據(jù)圖8可以看出，隨著起劈寬度的增加，錨桿錨固所產(chǎn)生的剪應(yīng)力逐漸向試驗(yàn)塊體的深處傳遞。在錨固體附近，剪應(yīng)力漸漸隨著漿脈起劈寬度的增加,從主要集中分布在錨固淺端附近向錨固異形體部分轉(zhuǎn)移，錨固長(zhǎng)度得到充分的利用，漿脈對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響力也得到增大。

根據(jù)圖9可以看出，隨著漿脈長(zhǎng)度的增加，錨固體的影響范圍也在增大，剪應(yīng)力也漸漸向漿脈上集中，即對(duì)于相同的拉拔應(yīng)力而言，長(zhǎng)度增加的漿脈貢獻(xiàn)了越來(lái)越多的黏結(jié)應(yīng)力；同時(shí)由于漿脈的分擔(dān)，錨桿桿體上的剪應(yīng)力在末端減小，即相對(duì)更加充分地利用了錨固體的錨固能力同時(shí)又減小了錨桿與錨固體界面間的剪應(yīng)力強(qiáng)度。

圖8 3倍孔徑長(zhǎng)漿脈下不同起劈寬度的模型剪應(yīng)力云圖

圖9 50%起劈寬度下不同長(zhǎng)度漿脈的模型剪應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

(1)相對(duì)于普通錨固異形體，分層多次高壓注漿形成的錨固異形體可以承擔(dān)更多的剪應(yīng)力，承載效果可以提升39.25%；隨著拉拔力的增加，分層多次高壓注漿形成的錨固異形體剪應(yīng)力分布主要區(qū)域緩慢向錨桿內(nèi)部傳遞，應(yīng)力分布的范圍逐漸增大，能有效避免應(yīng)力集中，更充分地利用錨固段的長(zhǎng)度，具有良好的錨固效果。

(2)分層多次高壓注漿形成的漿脈對(duì)錨固效果有直接的影響，漿脈越長(zhǎng)，劈裂范圍越大，提供的黏結(jié)應(yīng)力越大，對(duì)錨固體錨固能力的利用越充分，錨固效果越好。

(3)相對(duì)于傳統(tǒng)錨固技術(shù)，分層多次高壓注漿預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)在工程中能更好地加固和治理破碎巖質(zhì)高陡邊坡，進(jìn)一步保障礦山的安全生產(chǎn)，提高礦山的經(jīng)濟(jì)效益。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Experimental Study and Numerical Simulation of Pre-stressed Anchorage Technology with Hierarchical Multi-time High Pressure Grouting

Xie Zhenhua1Yang Dong2Fan Bingbing2

(1.Department of Safety Engineering，China Institute of Industrial Relations，Beijing 100048，China；2.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

In order to treat the broken-rock high and steep slope of open-pit mine and improve the slope stability，the slurry flow of high pressure splitting grouting are obtained by calculating the stress field of hydraulic fracture，based on mechanism analysis of pre-stressed anchorage and high-pressure grouting.The pre-stressed anchoring technique of the hierarchical multi-time high pressure grouting combining with advantages of two techniques above is put forward.Then，the contrastive pull-off tests of anchoring shaped models formed by the ordinary anchor solid and multi-time layered high pressure grouting solid are made.The stress distribution data of anchoring bolt are collected and its stress transmission rule is analyzed.It is concluded that the hierarchical multi-time high pressure grouting technique improved the bearing capacity of the anchoring by 39.25%.Meanwhile，it can avoid from the stress concentration.Finally，F(xiàn)LAC3Dis used to build a simulation model.Experiments that the same put-off force bears on four groups of different splitting width and four different heights are respectively made to contrast and analyze the distribution and transmission rule of the internal stress.The results showed that comparing with the ordinary anchorage，the hierarchical multi-time high pressure grouting can bear much more shearing strength.With the increase of splitting，the slurry vein length will be longer，the splitting width will be wider and the stress field of slurry vein will have a more significant effect.These result in better anchoring performance.

Broken-rock high and steep slope，Stability，Multi-time layered high pressure grouting，Pre-stressed anchorage，Pull-off test，Stress analysis，F(xiàn)LAC3D，Wedge model

2014-09-09

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAK09B05)。

謝振華(1968—)，男，副教授，博士。

X936

A

1001-1250(2014)-11-016-06