破裂大理巖錨注加固試樣的三軸壓縮試驗及加固機制分析

郝國文 姜玉璟

【摘要】通過三軸壓縮試驗得到不同圍壓下形成的含單一貫通破裂面大理巖試樣，用自制的夾具對試樣進行水泥注漿和錨桿+注漿兩種方式加固后，再次在原加載破壞圍壓下進行三軸壓縮試驗，分析了注漿和錨桿對大理巖破裂面的加固效果和作用機制。試驗結果表明，注漿加固的黏結作用使開裂大理巖破裂面產(chǎn)生黏聚力，而錨桿的抗剪和抗拉效應能進一步提高加固大理巖破裂面的強度;注漿加固和錨注加固大理巖破裂面的峰值剪應力對應的剪切位移基本相等，表明錨桿只有發(fā)生了一定的剪切變形時其抗剪和法向加載效應才能發(fā)揮。最后，以摩爾-庫侖強度準則為基礎，建立了表面粗糙程度較低且充填度大于1的錨注加固大理巖破裂面的抗剪強度公式。

【關鍵詞】破裂大理巖;注漿加固;錨桿加固;加固機理;剪切強度

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.33.

001

1? 引言

工程建設過程中，開挖卸荷活動顯著改變了巖體初始地應力狀態(tài)，導致一定深度范圍內(nèi)圍巖出現(xiàn)破裂并發(fā)生裂紋漸進擴展。為了控制一定深度范圍內(nèi)破裂圍巖的災變破壞，工程中一般采用錨桿支護、錨索支護、注漿支護以及錨注聯(lián)合支護等方式進行圍巖加固，高應力下破裂硬巖的注漿和錨桿加固效果和作用機制分析對于其支護優(yōu)化設計十分重要。

本文對圓柱形完整大理巖開展室內(nèi)三軸壓縮試驗，得到近似工程圍巖破裂特征的含單一貫通破裂面大理巖試樣;然后用自制的夾具對破裂面采用注漿以及錨注兩種方式進行加固，得到兩種破裂大理巖加固試樣;進而對兩種破裂大理巖加固試樣開展三軸試驗，測試其變形和強度特性。

2? 錨注加固試樣的三軸壓縮試驗

2.1? 試驗方案

錨注試樣進行三軸壓縮試驗，試驗條件與原先制作帶有單一貫通破裂面的三軸壓縮試驗條件完全相同（圖1），同一個試驗條件下開展3～5次平行試驗，具體試驗步驟包括：

（1）先按靜水壓力對試樣施加壓力至預定的圍壓值（5、10、20、30 MPa）。

（2）保持圍壓不變，繼續(xù)對試樣施加軸壓。

（3）觀察試驗過程中應力-應變曲線變化趨勢，當曲線進入屈服平臺或殘余階段并穩(wěn)定一段時間后，停止試驗，卸除軸壓和圍壓，取出并保存破壞試樣以待進一步觀察分析。

2.2? 試驗曲線和強度特征

本試驗所用水泥漿固結體的彈性模量和抗壓強度分別大約是大理巖相應值的0.2倍和0.5倍，可以認為破裂大理巖加固試樣的大理巖巖塊在試驗過程中一直處于彈性變形階段，破裂大理巖加固試樣總體變形是由大理巖破裂面巖壁-水泥漿固結體-大理巖破裂面巖壁組成的破裂面加固體的變形和大理巖巖塊的彈性變形組成的。根據(jù)虎克定律，破裂大理巖加固試樣所受軸向應力σ1為某值時，大理巖巖塊對應的軸向應變εr，1和εr，3環(huán)向應變分別為

（1）

式中：Er和μr分別為完整大理巖的彈性模量和泊松比。

從而破裂面加固體變形導致的加固試樣高度方向變形Δhf和周向變形Δcf分

（2）

式中：ε1和ε3分別為加固大理巖試樣總體軸向和環(huán)向應變;h和d分別為加固大理巖試樣的高度和直徑;hr和dr分別為完整大理巖試樣的高度和直徑。

破裂面加固體的法向變形un和剪切變形us與Δhf、Δcf及大理巖破裂面夾角之間的關系滿足下式：

（3）

式中：α為破裂面與軸向應力的夾角。

為了消除破裂面傾角的影響，按照摩爾-庫侖公式（式（4））得到試驗過程中試樣破裂面上的法向應力和剪切應力近似值。

（4）

式中：σ1和σ3為加固試樣所受軸向應力和圍壓;夾角;σn和τ加固大理巖試樣破裂面上法向應力和剪切應力。

根據(jù)式（2）、（3）得到加固試樣破裂面上的變形和應力，得到兩種加固大理巖破裂面上的剪切應力（圖2）。兩種加固大理巖破裂面峰值剪切應力均隨圍壓的增大而增大;相同圍壓下，錨注加固大理巖破裂面峰值剪切應力大于注漿加固大理巖破裂面的;兩種加固大理巖破裂面上峰值剪切應力對應的剪切位移均隨圍壓的增大而增大，但都小于0.375 mm，且相同圍壓下這兩種加固大理巖破裂面上峰值剪切應力對應的剪切位移值基本相等。試驗結果表明：當圍壓較低時（圍壓為5，10，20 MPa），兩種加固大理巖破裂面上的剪切應力達到峰值強度后會有 小幅跌落，然后保持不變;當圍壓較高時（圍壓為30 MPa），兩種加固大理巖破裂面上的剪切應力達到峰值強度后保持不變。

采用摩爾-庫侖強度準則對兩種加固大理巖破裂面峰值剪切強度和法向應力關系進行擬合，表明其內(nèi)摩擦角φ值都約為33.82°，錨注加固和注漿加固破裂面的黏聚力c分別為7.67 MPa和5.67 MPa。這表明錨桿對加固大理巖破裂面的內(nèi)摩擦角幾乎沒有影響，但是能提高加固大理巖破裂面的黏聚力，從而使得錨注加固大理巖破裂面峰值剪切強度高于注漿加固破裂面峰值剪切強度（圖3）。

軸向偏應力-應變關系曲線

2.3? 錨注加固試樣破裂特征

三軸壓縮試驗后，破裂大理巖錨注加固試樣的破裂表面和失效錨桿如圖4所示。在5 MPa低圍壓下，錨注加固試樣沿兩側膠結面剪切滑移破壞，兩側膠結面產(chǎn)生相對剪切位移，使得水泥膠結層被撕扯產(chǎn)生垂直于剪切方向的拉剪破壞，部分水泥膠結層脫落，錨桿附近大理巖巖塊被錨桿撬斷;在低圍壓三軸壓縮試驗下最終只有一根錨桿能達到承載極限斷裂失效，另一根錨桿因與大理巖巖塊間的膠結作用失效而脫離大理巖巖塊。在30 MPa較高圍壓下，錨注加固試樣沿一側膠結面發(fā)生剪切滑移破壞，兩根錨桿均達到承載極限斷裂失效，錨注加固試樣剪切破裂面及錨桿斷面均較為光滑。將失效錨桿從大理巖巖塊內(nèi)取出進一步觀察發(fā)現(xiàn)最終錨桿出現(xiàn)如圖7（c）所示的兩種失效模式：①錨桿桿體與大理巖巖塊的膠結作用失效;②錨桿平行于膠結面被剪斷。這兩種失效模式的錨桿在失效前都發(fā)生了一定程度的類似S型變形，且失效前在較低圍壓三軸壓縮試驗下因膠結失效的錨桿產(chǎn)生的S型變形量大于因達到承載極限而剪斷失效的錨桿產(chǎn)生的S型變形量。

3? 錨注加固大理巖破裂面抗剪強度估計

注漿加固大理巖破裂面不同于一般充填物的充填作用，水泥漿固結后將開裂大理巖破裂面黏結為一個巖壁-水泥漿固結體-巖壁接觸的破裂面加固體，因此，將注漿加固大理巖破裂面的抗剪強度τf-r，作為一個整體進行表述。由于本試驗所用的大理巖破裂面表面較光滑、粗糙度小，因此，可用直線型摩爾-庫侖強度準則預測τf-r，即

（5）

式中：φf和cf-r分別為膠結面上的內(nèi)摩擦角和黏聚力。

而錨注加固大理巖破裂面的抗剪強度是錨桿在注漿加固大理巖破裂面的基礎上進一步產(chǎn)生加固作用τb-r，兩者疊加后得到錨注加固大理巖破裂面的抗剪強度τf-b-r，即

（6）

試驗過程中，錨桿與大理巖破裂面保持變形協(xié)調(diào)，同時錨桿產(chǎn)生軸向拉力Nb和橫向剪力Qb，兩者的合力Fb在垂直于膠結面的分量產(chǎn)生附加法向應力σnb，使大理巖破裂面被進一步壓緊產(chǎn)生抗剪切作用，兩者平行于膠結面的分量產(chǎn)生附加抗剪強度τb。由于錨桿桿體與巖體膠結效果和錨桿受力狀態(tài)等原因，錨固在大理巖中的錨桿發(fā)揮的極限承載力一般達不到錨桿的材料強度，因此，可對錨桿自身極限承載力按一定比例進行折減得到錨桿對大理巖破裂面加固效果τb-r為

（7）

式中： A為加固大理巖試樣破裂面的面積; β為大理巖破裂面與錨桿軸線的夾角;n為錨桿數(shù)量;k為折減系數(shù)，根據(jù)試驗結果可以確定在錨桿桿體與巖體膠結效果較好時取折減系數(shù)k取值范圍為0.8～0.9。

本試驗大部分錨桿與大理巖巖塊之間膠結效果好，錨桿對破裂面的加固作用得到充分發(fā)揮，錨桿在膠結面處發(fā)生平行于破裂面剪切滑移方向的剪切破壞，因此，附加法向應力σnb為0，F(xiàn)b全部表現(xiàn)為平行于膠結面的附加抗剪強度τb。假設錨桿和加固大理巖試樣的直徑分別為db和d，錨桿純剪應力狀態(tài)的抗剪強度為τb，式（10）進一步簡化為

（8）

由于本試驗水泥漿液充填度大于1，開裂大理巖破裂面兩巖壁不存在嵌合作用，加固系統(tǒng)試驗后沿膠結面進行破壞，可認為大理巖破裂面注漿加固系統(tǒng)的內(nèi)摩擦角就是水泥漿固結體的內(nèi)摩擦角φf，大小為33.2°。由于節(jié)理巖壁與水泥結石之間膠結面的黏聚力cf-r現(xiàn)階段難以通過試驗測得，因而暫作為擬合參數(shù)，擬合得其值為5.67 MPa。錨桿軸線平行于大理巖底面，即β=α，因此，錨注加固系統(tǒng)最終抗剪強度cf-b-r與錨桿軸線與大理巖破裂面的夾角無關。錨桿直徑db =3 mm，大理巖直徑d = 50 mm，錨桿數(shù)量n =2。當錨桿質(zhì)量和桿體膠結效果較好時，錨桿的抗剪作用發(fā)揮較充分，錨桿純剪應力狀態(tài)的抗剪強度τb取為0.6～1.0倍的抗拉強度，根據(jù)試驗結果τb取為0.8倍的抗拉強度定，k =0.85。因此，式（6）的具體表達式為式（9），根據(jù)該公式估計各法向應力下錨注加固大理巖破裂面的抗剪強度為

（9）

由上文可知，對錨注加固大理巖破裂面的抗剪強度試驗結果擬合得到的黏聚力c=7.67 MPa，內(nèi)摩擦角 =33.82°，從而計算得預測公式與擬合公式中c和φ參數(shù)誤差值分別為1.43%和1.83%，說明式（9）可以較好地評估本試驗錨注加固大理巖破裂面的抗剪強度。

本試驗結果可為深部硬巖工程圍壓支護優(yōu)化提供參考，但直接評估現(xiàn)場注漿和錨桿加固開裂圍巖的加固效果還有待完善。

4? 結論：

本文通過對大理巖試樣的錨注試驗的強度測試和機理分析，得到如下結論：

（1）注漿加固和錨注加固大理巖破裂面的內(nèi)摩擦角基本相等，等效黏聚力后者大于前者;錨桿可以明顯增加大理巖破裂面的抗剪強度，但不能直接提高剪切面的摩擦角。

（2）在較低圍壓三軸壓縮試驗下破裂大理巖錨注加固試樣沿兩側膠結面剪切滑移破壞，水泥膠結層被撕扯產(chǎn)生垂直于剪切方向的拉剪破壞，錨桿產(chǎn)生較大的S型變形但沒有斷裂，錨桿附近大理巖巖塊被錨桿撬斷;而較高圍壓三軸壓縮試驗下錨注加固試樣沿一側膠結面發(fā)生剪切滑移破壞，錨桿產(chǎn)生一定量的S型變形后因達到承載極限則錨桿平行于膠結面被剪斷。

（3）開裂大理巖破裂面經(jīng)過注漿加固后產(chǎn)生黏聚力，峰值抗剪強度增加，而錨注加固大理巖破裂面剪切過程中錨桿產(chǎn)生S型變形，并同步產(chǎn)生軸向拉力和橫向剪力，這種加固作用表現(xiàn)為黏聚力的增大，最終使得錨注加固大理巖破裂面的抗剪強度高于注漿加固的。

（4）以摩爾-庫侖強度準則為基礎建立了考慮法向應力作用下錨注加固大理巖破裂面的抗剪強度估計公式，試驗數(shù)據(jù)檢驗表明該公式可用于表面粗糙程度較低且充填度大于1的錨注加固硬巖破裂面抗剪強度。

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（本文作者單位為中電建振沖建設工程股份有限公司，北京，100102）