“S”型裂隙岩体锚固效果及应力场分布规律

康志强 张雪岩 赵景民 张淑卿

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山，063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009；2.唐山马家沟矿业有限责任公司，河北 唐山 063009)

“S”型裂隙岩体锚固效果及应力场分布规律

康志强1,2张雪岩1,2赵景民3张淑卿1,2

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山，063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009；2.唐山马家沟矿业有限责任公司，河北 唐山 063009)

针对裂隙岩体中的“S”型节理裂隙进行机理分析并对该节理的锚注效果进行了数值模拟研究，通过数值模拟软件FLAC3D建立单根、双根2种锚固方式下的裂隙岩体模型，并利用对FLAC3D软件不同加锚方式下裂隙岩体的力学性能进行模拟，对比分析不同锚注方式下的锚固效果和主要破坏方式。研究结果表明：加锚可有效提高裂隙岩体的强度、弹模等力学参数，改善岩体的整体力学性质，不同的锚注方式对裂隙岩体的锚注效果差别明显。对“S”型裂隙岩体加以锚杆锚固，其应力集中现象可以得到缓解，拉应力峰值也有所下降，在裂隙端部加锚杆比在裂隙中部加锚杆的锚固效果要好，特别是在峰值强度和弹模方面有较大差别，且在裂隙端部位置加锚杆在峰值强度后表现较好，对裂隙后期扩展有较好的抑制作用。该研究成果对该类型的裂隙岩体锚固提供了理论依据。

数值模拟 锚杆加固 “S”型裂隙岩体 锚注效果

国内外大量岩体工程实践表明，岩体工程的失稳及破坏大多数是由于岩体内部的节理、裂隙等软弱结构面优先发生破坏导致的。因此，在实际工程中，经常采用锚杆加固来防止裂隙岩体的变形破坏[1-3]。锚杆作为主要的加固措施被大量采用，是因为它对节理岩体有明显的加固作用，不仅能够提高节理结构面的弹性模量、抗压强度等，还能够增强岩体结构的整体稳定性。目前，锚固技术已广泛应用于岩土工程的各个领域，并且取得了显著的经济效益[4-7]。锚固技术作为一种对原岩扰动小、安全可靠、经济有效的加固技术之一，能充分挖掘岩土体的强度潜能，调动岩土自身的强度和自承能力，从而极大地节约工程材料，同时也加快了工程建设的速度。

本研究通过建立不同锚固条件下的“S”型裂隙岩体模型，并利用FLAC3D软件对模型进行数值模拟分析[8-10]，得出不同加锚方式下的锚固效果和主要破坏方式，并对不同加锚方式下“S”型裂隙岩体的垂直和水平应力场分布规律加以分析，为锚杆加固工程的优化设计提供科学的理论依据。

1 “S”型裂隙岩体模型的建立

1.1 几何模型

本次模拟对象是含有“S”型裂隙的正方体试件，试件的尺寸为20 m×20 m×20 m。在模型的上部采用等速位移加载，实现单轴抗压，速率控制在0.3 mm/min。模型划分为1 720个单元，2 449节点，模型如图1、图2所示。

图1 模型Fig.1 Model

图2 含“S”型裂隙的切片图Fig.2 With “S” type fracture section figure

1.2 边界条件

(1)模型前、后和左、右边界采用自由边界条件。

(2)下部边界取固定垂直方向位移。

1.3 模型参数

不同岩性和锚杆的物理力学参数见表1和表2。用结构单元Cable模拟锚杆，锚杆在模拟过程中都看作是非线形材料。

表1 模型岩体力学参数Table 1 Rock mass mechanics parameters of the model

表2 锚杆参数Table 2 Bolt parameters

1.4 屈服准则

模型中均采用Mohr-Coulomb屈服准则来判断岩体的破坏，并且均不考虑塑性流动(不考虑剪胀)。

2 “S”型裂隙岩体垂直应力场分布规律

为了对模型内部的破坏形态详尽描述，模拟过程均对模型做一个切片，其计算步骤为1 000步。模拟结果见图3～图6所示。从图3中看出：在施加等速位移加载时，裂隙内部首先发生拉伸破坏，中间位置最大1.46×105MPa，上下边缘位置次之，从而导致破坏首先围绕裂隙的上下尖端扩展，随后以其中一端为主扩展，最后形成剪切破坏为主，同时伴有拉破坏的混合破坏模式。从图4中可以看出：在施加等速位移加载时，仍是裂隙内部首先发生拉伸破坏，中间位置最大1.0×105MPa。从图5中可以看出：仍是裂隙内部首先发生拉伸破坏，中间位置最大为0.96×105MPa。从图6中可以看出：仍是裂隙内部首先发生拉伸破坏，中间位置最大为1.44×105MPa。通过对比可以发现，试件加锚以后拉应力最大峰值均有所下降，以端部双锚的峰值下降最为明显，强度下降达34.25%；其次为在端部位置加单根锚杆，其峰值下降强度为31.51%；最后为在中部位置加双根锚杆，其峰值有所下降，但下降不明显，仅为0.01%。另外还可以看出，施加锚杆能够使裂隙产生的应力集中现象得到部分缓解，说明施加的锚杆可以对裂纹的萌生起到一定的抑制作用。

图3 无锚杆垂直方向应力分布Fig.3 No bolt stress distribution in vertical direction

3 “S”型裂隙岩体水平应力场分布规律

图7～图10是等速垂直加载时，对水平应力场所作的切片图。图7显示：在垂直应力作用下，“S”型裂隙的中部产生应力集中，最大拉应力达到8.44×104MPa，且出现拉应力覆盖45°角的现象，继而发生单斜面剪切破坏。图8显示：在裂隙的中部产生应力集中现象，最大拉应力为5.4×104MPa。图9显示：拉应力最大峰值为5.0×104MPa。图10所示拉应力最大峰值为7.05×104MPa。通过对比可以发现，试件施加锚杆以后，拉应力的最大峰值均有所下降，其中以试件端部施加双锚杆后，拉应力最大峰值下降最为明显，相比无锚杆的情况下下降40.76%；其次为在试件端部施加单锚杆，拉应力最大峰值下降36.02%；最后为在试件中部施加双锚杆，拉应力峰值下降16.47%。由此可见，对“S”型裂隙岩体加以锚杆锚固，应力集中现象可以得到缓解，拉应力峰值也有所下降，且在端部施加锚杆相比较于在中部施加锚杆效果更为显著。但由于锚杆的密度以及强度等因素的影响，在45°的方向依然存在拉应力，说明裂隙对试件的强度影响较大，单纯施加锚杆存在欠缺。

图4 上端部单根锚杆垂直应力分布Fig.4 The vertical stress distribution of upper single anchor

图5 上端部双根锚杆垂直应力分布Fig.5 The vertical stress distribution of upper double anchor

图6 中部双根锚杆垂直应力分布Fig.6 The vertical stress distribution of central double anchor

4 结 论

(1)裂隙的存在都较大程度地降低了岩石和类岩材料的力学特性，而加锚可有效改善这种削弱，有效提高裂隙岩体的强度、弹模以及改善材料破坏后期的力学表现。

图7 无锚杆水平方向应力分布Fig.7 No anchor horizontal stress distribution

图8 上端部单根锚杆水平应力分布Fig.8 The horizontal stress distribution of upper single anchor

图9 上端部双根锚杆水平应力分布Fig.9 Horizontal stress distribution of upper double anchor

图10 中部双根锚杆水平应力分布Fig.10 Horizontal stress distribution of central double anchor

(2)不同的加锚方式其锚固效果有较明显的差别。首先，在裂隙端部加锚杆比在裂隙中部加锚杆的锚固效果要好，特别是在峰值强度和弹模方面有较大差别，且在裂隙端部位置加锚杆在峰值强度后表现较好，对裂隙后期扩展有较好的抑制作用；其次，在裂隙两端加锚比在一端加锚的效果要好，无论从起裂强度、峰值强度还是弹模及后期表现来看，两端加锚都要强于一端加锚。这说明仅一端加锚容易使裂隙以另一端为起裂突破口，进而影响岩石整体的力学表现。

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(责任编辑 徐志宏)

Effects of “S” type fractured rock anchoring and the distribution rule of stress field

Kang Zhiqiang1，2Zhang Xueyan1，2Zhao Jingmin3Zhang Shuqing1,2

(1.CollegeofMiningEngineering，HebeiUnitedUniversity，Tangshan063009，China;2.HebeiProvinceKeyLaboratoryofMiningDevelopmentandSafetyTechnique，Tangshan063009，China；3.TangshanMajiagouMiningCo.，Ltd.，Tangshan063009，China)

Aimed at the mechanism analysis of the “S” type joints in the fractured rock mass，a numerical simulation of the anchoring effect of joint is made.Through numerical simulation software FLAC3D，a fractured rock mass model under single and double root is built to simulate the mechanical properties of the fractured rock mass under different anchor grouting method and compare their anchoring effect and the main failure mode.The results showed that：anchoring can effectively improve the mechanical parameters of the fractured rock mass，such as its strength and elastic modulus，and increase the overall mechanical properties of rock mass.Different ways of anchor injection has different anchoring effect on fractured rock mass.After “S”-type fractured rock mass is anchored，its stress concentration phenomenon can be alleviated，and the peak of tensile stress also falls.The bolt anchoring effect is better to install the bolt at the end of fracture than in central crack，especially in the peak strength and elastic modulus with bigger difference，and it presents better effect at the end of fracture anchor bolt after peak strength，and has good inhibition on later extension of crack.The study provides a theoretical basis for anchoring this type of fractured rock.

Numerical simulation，Anchor reinforcement，Fractured rock mass with the type of “S”， Anchoring effect

2013-11-22

国家自然科学基金项目(编号：51174071)，河北省自然科学基金项目(编号：E2012209004)，河北联合大学培育基金项目(编号：LDPY007)。

康志强(1974—)，男，博士，教授，硕士研究生导师。

TD353+.6

A

1001-1250(2014)-01-046-04