錨固巖體的單軸壓縮力學(xué)特性及其各向異性特征分析

熊良宵，虞利軍(.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室， 四川 成都 60059；.浙江省巖土基礎(chǔ)公司，浙江 寧波 35040)

錨桿廣泛應(yīng)用于巖石邊坡和隧道工程的加固中。添加了錨桿后巖石的強(qiáng)度會有所提高。目前，國內(nèi)外已有很多研究者針對添加了錨桿后的巖石的力學(xué)特性開展了試驗研究。

騰俊洋等[1]采用物理模擬實驗?zāi)M加錨試件，進(jìn)行加錨試件的單軸壓縮試驗，采用定量的試驗結(jié)果來定性分析層理和加錨方式對加錨試件力學(xué)特性的影響規(guī)律；趙同彬等[2]采用RLJW—2000型流變試驗機(jī)，對紅砂巖及其加錨試件進(jìn)行分級加載(100h 以上)單軸壓縮試驗，結(jié)果表明，加錨后巖石的流變應(yīng)力閾值提高了20%～30%；辛亞軍等[3]在流變儀上研究錨固試件在不同應(yīng)力(加載)水平及不同錨桿支護(hù)參數(shù)條件下的蠕變特性；陳璐等[4]采用煤礦煤層頂板巖石作為加錨基體，用鋼絲模擬錨桿，對由二者組成的加錨巖石進(jìn)行了巴西劈裂、單軸壓縮和壓剪試驗研究；付宏淵等[5～6]通過室內(nèi)相似材料模型試驗，在單軸壓縮情況下，研究不同的加錨方式對巖體抗壓強(qiáng)度、彈性模量及錨固巖體各向異性特征的影響；鄒志暉等[7]通過模擬塊試驗，研究了錨桿在不同巖體中的工作機(jī)理。上述研究者對施加了錨桿的模型試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗，但有關(guān)在試驗過程中錨桿的布置方式、荷載方向與錨桿橫截面連線的幾何關(guān)系，考慮的情況還不是很完整。

因此，本文通過對施加鋼筋的水泥砂漿試件進(jìn)行單軸壓縮變形試驗，以模擬添加錨桿時的完整巖石的單軸壓縮力學(xué)特性。在試驗中錨桿的橫截面連線呈直線或者正方形兩種，當(dāng)錨桿的橫截面連線呈直線時，軸向荷載方向與錨桿的橫截面連線的幾何關(guān)系分為垂直和平行兩種。從而分析錨桿的布置方式對加錨試件的單軸壓縮力學(xué)特性的影響。

1 試驗原理

1.1 模型材料及試件制備

巖石試件分別采用水灰比為0.45，0.55和0.65的水泥砂漿倒入模具中澆鑄而成，試件尺寸為10 cm×10 cm×10 cm，以模擬不同強(qiáng)度的巖石。試驗中所用水泥的強(qiáng)度等級為42.5 MPa，砂采用標(biāo)準(zhǔn)砂，粒徑范圍為0.5～1.0 mm，為中級標(biāo)準(zhǔn)砂。待水泥砂漿初凝后，在相應(yīng)位置豎直插入鋼筋。本研究中采用鋼筋來模擬錨桿，鋼筋的直徑為1 cm。

本次試驗時，鋼筋的布置方式主要分為2種：(1)多根鋼筋的橫截面在試件表面呈正方形布置(圖1)；(2) 多根鋼筋的橫截面在試件表面呈直線布置(圖2、圖3)。圖1～3中，圓形代表插入的鋼筋。

1.2 試驗儀器

單軸壓縮試驗在萬能壓縮試驗機(jī)(WAW-600C)上進(jìn)行。該儀器的最大位移速率為60 mm/min，最大加載能力為600 kN。本次進(jìn)行單軸壓縮變形試驗時，采用應(yīng)變控制式的加載方式，應(yīng)變率為10-4s-1。

1.3 試驗分組

在試驗中，按試件的水灰比、錨桿的橫截面在試件表面的布置方式可進(jìn)行試驗分組，具體見表1。

圖1 多根鋼筋的橫截面在試件表面呈正方形布置(尺寸單位：mm)Fig.1 Cross section of the bolts arranged squarely on the surface of the specimen (mm)

圖2 荷載方向與鋼筋橫截面的連線垂直(尺寸單位：mm)Fig.2 Loading direction perpendicular to the connection line of the cross section of the bolt (mm)

圖3 荷載方向與鋼筋橫截面的連線平行 (尺寸單位：mm)Fig.3 Loading direction parallel to the connection line of the cross section of the bolt (mm)

表1 試驗分組Table 1 Experimental groups

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.1.1錨桿橫截面的連線呈直線時

當(dāng)錨桿橫截面的連線呈直線時試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖4。當(dāng)荷載方向與錨桿橫截面的連線呈垂直或者平行時，隨著錨桿數(shù)量的增加，試件的峰值應(yīng)力均有所增加。當(dāng)試件中的錨桿數(shù)量相同時，荷載方向垂直于錨桿橫截面的連線時試件的峰值應(yīng)力大于荷載方向平行于錨桿橫截面的連線時試件的峰值應(yīng)力。

圖4 錨桿橫截面的連線呈直線時試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of specimens when the connection of the cross section of the bolt is linear

2.1.2錨桿橫截面的連線呈正方形時

當(dāng)錨桿橫截面的連線呈正方形時試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖5。隨著錨桿數(shù)量的增加，試件峰值應(yīng)力逐漸增加。

圖5 錨桿橫截面的連線呈正方形時試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of specimens when the connection of the cross section of the bolt is square

2.2 抗壓強(qiáng)度

2.2.1錨桿橫截面的連線呈直線時

當(dāng)錨桿橫截面的連線呈直線時試件的強(qiáng)度比較見圖6。無論荷載方向與錨桿橫截面的連線呈垂直或者平行時，隨著錨桿數(shù)量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度均有所增加。當(dāng)試件中的錨桿數(shù)量相同時，荷載方向垂直于錨桿橫截面的連線時試件的抗壓強(qiáng)度大于荷載方向平行于錨桿橫截面的連線時試件的抗壓強(qiáng)度。

圖6 錨桿橫截面的連線呈直線時試件的抗壓強(qiáng)度Fig.6 Compressive strength of specimen when the connection of the cross section of the bolt is linear

錨桿橫截面的連線可視為試件中增強(qiáng)體的層面，當(dāng)荷載方向垂直于和平行于錨桿橫截面的連線時，相當(dāng)于是荷載方向垂直于和平行于增強(qiáng)體的層面。已有很多研究結(jié)果表明，當(dāng)荷載方向垂直于層理面時層狀巖體的強(qiáng)度大于荷載方向平行于層理面時層狀巖體的強(qiáng)度[8]。因此，荷載方向垂直于錨桿橫截面的連線時試件的抗壓強(qiáng)度會大于荷載方向平行于錨桿橫截面的連線時試件的抗壓強(qiáng)度。

以無錨桿試件的抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，分析其它含有錨桿的試件相對無錨桿試件的強(qiáng)度的提高幅度。當(dāng)錨桿橫截面的連線呈直線分布時，添加錨桿數(shù)量對于提高試件的抗壓強(qiáng)度的幅度見表2和表3。

表2 當(dāng)荷載方向平行于鋼筋連線時錨桿數(shù)量對于提高試件的抗壓強(qiáng)度的幅度Table 2 Increasing amplitude of the compressive strength of specimen when the loading direction is parallel to the connection of the cross section of the bolt

當(dāng)試件中的錨桿數(shù)量相同時，荷載方向垂直于錨桿橫截面的連線時試件的抗壓強(qiáng)度的提高幅度大于荷載方向平行于錨桿橫截面的連線時試件的抗壓強(qiáng)度的提高幅度。

2.2.2錨桿橫截面的連線呈正方形時

當(dāng)錨桿橫截面的連線呈正方形時試件的強(qiáng)度比較見圖7。添加錨桿數(shù)量對于提高試件的抗壓強(qiáng)度的幅度見表4。

圖7 錨桿橫截面的連線呈正方形時試件的抗壓強(qiáng)度Fig.7 Compressive strength of specimen when the connection of the cross section of the bolt is square

表3 當(dāng)荷載方向垂直于鋼筋連線時錨桿數(shù)量對于提高試件的抗壓強(qiáng)度的幅度Table 3 Increasing amplitude of the compressive strength of specimen when the loading direction is perpendicular to the connection of the cross section of the bolt

當(dāng)錨桿橫截面的連線呈正方形時，隨著錨桿數(shù)量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)錨桿數(shù)量超過4根時，繼續(xù)增加錨桿數(shù)量，試件的抗壓強(qiáng)度的提高幅度變化不大。與當(dāng)錨桿橫截面的連線呈直線時相比，錨桿數(shù)量均為4根時，試件的抗壓強(qiáng)度小于荷載方向與錨桿橫截面連線垂直時的抗壓強(qiáng)度(錨桿橫截面的連線呈直線分布)，試件的抗壓強(qiáng)度大于荷載方向與錨桿橫截面連線平行時的抗壓強(qiáng)度(錨桿橫截面的連線呈直線分布)。

2.3 峰值應(yīng)變

2.3.1錨桿橫截面的連線呈直線時

當(dāng)錨桿橫截面的連線呈直線時試件的峰值應(yīng)變比較見圖8。

表4 當(dāng)鋼筋連線呈正方形時錨桿數(shù)量對于提高試件的抗壓強(qiáng)度的幅度Table 4 Increasing amplitude of the compressive strength of specimen when the connection of the cross section of the bolt is square

圖8 錨桿橫截面的連線呈直線時試件的峰值應(yīng)變Fig.8 Peak strain of specimen when the connection of the cross section of the bolt is linear

無論荷載方向與錨桿橫截面的連線呈垂直或者平行時，隨著錨桿數(shù)量的增加，試件的峰值應(yīng)變的變化沒有固定規(guī)律，但總體變化幅度不大。

2.3.2錨桿橫截面的連線呈正方形時

當(dāng)錨桿橫截面的連線呈正方形時試件的峰值應(yīng)變比較見圖9。隨著錨桿數(shù)量的增加，試件峰值應(yīng)變的變化沒有固定規(guī)律，但總體變化幅度不大。

圖9 錨桿橫截面的連線呈正方形時試件的峰值應(yīng)變Fig.9 Peak strain of specimen when the connection of the cross section of the bolt is square

圖10 錨桿橫截面的連線呈直線時試件的彈性模量Fig.10 Elastic modulus of specimen when the connection of the cross section of the bolt is linear

2.4 彈性模量

2.4.1錨桿橫截面的連線呈直線時

當(dāng)錨桿橫截面的連線呈直線時試件的彈性模量比較見圖10。無論荷載方向與錨桿橫截面的連線呈垂直或者平行時，隨著錨桿數(shù)量的增加，試件的彈性模量整體呈增加的趨勢。當(dāng)試件中的錨桿數(shù)量相同時，荷載方向垂直于錨桿橫截面的連線時試件的彈性模量大于荷載方向平行于錨桿橫截面的連線時試件的彈性模量。

2.4.2錨桿橫截面的連線呈正方形時

當(dāng)錨桿橫截面的連線呈正方形時試件的彈性模量比較見圖11。當(dāng)錨桿橫截面的連線呈正方形時，隨著錨桿數(shù)量的增加，試件的彈性模量整體呈增加的趨勢。

圖11 錨桿橫截面的連線呈正方形時試件的彈性模量Fig.11 Elastic modulus of specimen when the connection of the cross section of the bolt is square

3 結(jié)論

(1)當(dāng)錨桿橫截面的連線呈直線或者正方形時，隨著錨桿數(shù)量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度均會逐漸增加。

(2)當(dāng)試件中的錨桿數(shù)量相同時，荷載方向垂直于錨桿橫截面的連線時試件的抗壓強(qiáng)度大于荷載方向平行于錨桿橫截面的連線時試件的抗壓強(qiáng)度；荷載方向垂直于錨桿橫截面的連線時試件的抗壓強(qiáng)度的提高幅度大于荷載方向平行于錨桿橫截面的連線時試件的抗壓強(qiáng)度的提高幅度。

(3)當(dāng)錨桿橫截面的連線呈直線或者正方形時，隨著錨桿數(shù)量的增加，試件峰值應(yīng)變的變化沒有固定規(guī)律，但總體變化幅度不大。

(4)當(dāng)錨桿橫截面的連線呈直線或者正方形時，隨著錨桿數(shù)量的增加，試件的彈性模量均會逐漸增加。當(dāng)錨桿橫截面的連線呈直線時。當(dāng)試件中的錨桿數(shù)量相同時，荷載方向垂直于錨桿橫截面的連線時試件的彈性模量大于荷載方向平行于錨桿橫截面的連線時試件的彈性模量。