預置節(jié)理巖體錨注加固機理研究

鄂鑫雨 賈玉波

摘要：通過應用室內力學實驗，建立實驗模型，模型主要對節(jié)理巖體、錨固節(jié)理巖體以及錨注節(jié)理巖體的抗剪強度和本構關系進行對比分析。試驗結果顯示：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度；從粘聚力和內摩擦角的增幅變化中，發(fā)現(xiàn)粘聚力的增幅大于內摩擦角的增幅。通過室內錨注試件的剪切實驗和錨注節(jié)理邊坡的控制效應，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意義。

關 鍵 詞：節(jié)理裂隙 錨注加固 預置節(jié)理

中圖分類號：TU47 文獻標識碼：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力的作用下或者邊界條件的改變下，導致巖體內局部應力狀態(tài)的劣化，當巖體某些局部區(qū)域的應力達到巖體的強度值時，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)進行加固來提高巖體的整體剛度和強度，從細觀角度對錨注加固節(jié)理的力學特征及變形規(guī)律進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)理面處的力學效應主要集中在節(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]。通過室內剪切實驗，對原節(jié)理、錨注節(jié)理這兩種方式下的抗剪強度進行分析對比，同時對剪切強度準則和本構方程加以驗證，對比分析錨注工藝對節(jié)理巖體的加固效應及其對節(jié)理巖體抗剪強度的貢獻。

1 .節(jié)理裂隙錨注的本構關系

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

（1）

式中：

—節(jié)理面的內聚力；

—節(jié)理面的摩擦角；

—試件的法向應力。

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

（2）

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

（3）

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

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

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

由摩爾強度理論，從圖1（b）可以看出，處于強度包絡 下的應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。如果應力圓不和包絡線相切，而是落于其下，通常這一破壞過程可以應用單節(jié)理弱面理論來闡述。

2. 節(jié)理試件室內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合材料，其配比關系為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。當填料結束時，按試件對角線方向插入2根鋸條作為預制節(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。其試件標準為70 mm×70 mm×70 mm的立方體。試件養(yǎng)護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28天。

3.2 加錨試件的制作

試件在養(yǎng)護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2天。

3.3 錨注試件的制作

試件在養(yǎng)護28天后，按照比例要求對節(jié)理裂隙進行水泥注漿，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28天。養(yǎng)護結束后，對試件實行加錨，方式同加錨試件的制作相同。

試驗采用濟南試金集團生產(chǎn)的微機控制電液飼服萬能試驗機WAW-2000進行剪切實驗。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)碼相機對試件的破壞前后的形態(tài)及整個過程的裂隙擴展趨勢進行即時跟蹤拍照，以綜合評判試件加載全過程的強度變化和試樣變形。

4. 試驗結果及分析

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）

正應力（MPa） 剪應力（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。通過萬能試驗機首先對含節(jié)理的水泥試件在變角板45°、50°、60°方向進行變角板法剪切實驗，每個角度選擇3塊進行實驗。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減小，其剪切變化特征符合摩爾—庫倫準則。

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

（ ）

正應力

（MPa） 剪應力

（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。從摩爾庫侖剪切強度曲線出發(fā)，錨注試件的內摩擦角和粘聚力均增加?？梢?，錨注加固后能夠明顯提高節(jié)理試件的抗剪強度。此時試件的抗剪強度由漿液和錨桿共同承擔，二者組合成了復合加固結構模式，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)，而錨桿在復合結構體中處于拉剪狀態(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

（ ）

正應力

（MPa） 剪應力

（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力的逐漸增加，且錨桿的橫向剪應力也同步增大。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，由摩爾庫侖剪切強度曲線也可得到驗證，試件的抗剪強度得到提高。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

（ ）

正應力

（MPa） 剪應力

（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)，當試件在注漿和60°錨桿雙重加固時，試件的粘聚力和內摩擦角以及試件在不同夾角下的最大破壞載荷都達到最大值。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合結構中，節(jié)理弱面受到剪切應力將由注漿膠結體和錨桿共同承擔，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。注漿后結構體屬于彈性變形，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. 結論

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

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)理面的抗剪強度會出現(xiàn)峰值。夾角繼續(xù)增大，而抗剪強度則會降低。

2）試件注漿后，試件的抗剪強度有明顯的提高，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度和剛度呈拋物線狀出現(xiàn)，在60°處出現(xiàn)峰值。

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