锚固岩体的单轴压缩力学特性及其各向异性特征分析

2018-07-26熊良宵虞利军成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都60059浙江省岩土基础公司浙江宁波35040

水文地质工程地质 2018年4期

熊良宵，虞利军(.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 60059；.浙江省岩土基础公司，浙江宁波 35040)

锚杆广泛应用于岩石边坡和隧道工程的加固中。添加了锚杆后岩石的强度会有所提高。目前，国内外已有很多研究者针对添加了锚杆后的岩石的力学特性开展了试验研究。

腾俊洋等[1]采用物理模拟实验模拟加锚试件，进行加锚试件的单轴压缩试验，采用定量的试验结果来定性分析层理和加锚方式对加锚试件力学特性的影响规律；赵同彬等[2]采用RLJW—2000型流变试验机，对红砂岩及其加锚试件进行分级加载(100h 以上)单轴压缩试验，结果表明，加锚后岩石的流变应力阈值提高了20%～30%；辛亚军等[3]在流变仪上研究锚固试件在不同应力(加载)水平及不同锚杆支护参数条件下的蠕变特性；陈璐等[4]采用煤矿煤层顶板岩石作为加锚基体，用钢丝模拟锚杆，对由二者组成的加锚岩石进行了巴西劈裂、单轴压缩和压剪试验研究；付宏渊等[5～6]通过室内相似材料模型试验，在单轴压缩情况下，研究不同的加锚方式对岩体抗压强度、弹性模量及锚固岩体各向异性特征的影响；邹志晖等[7]通过模拟块试验，研究了锚杆在不同岩体中的工作机理。上述研究者对施加了锚杆的模型试件进行了单轴压缩试验，但有关在试验过程中锚杆的布置方式、荷载方向与锚杆横截面连线的几何关系，考虑的情况还不是很完整。

因此，本文通过对施加钢筋的水泥砂浆试件进行单轴压缩变形试验，以模拟添加锚杆时的完整岩石的单轴压缩力学特性。在试验中锚杆的横截面连线呈直线或者正方形两种，当锚杆的横截面连线呈直线时，轴向荷载方向与锚杆的横截面连线的几何关系分为垂直和平行两种。从而分析锚杆的布置方式对加锚试件的单轴压缩力学特性的影响。

1 试验原理

1.1 模型材料及试件制备

岩石试件分别采用水灰比为0.45，0.55和0.65的水泥砂浆倒入模具中浇铸而成，试件尺寸为10 cm×10 cm×10 cm，以模拟不同强度的岩石。试验中所用水泥的强度等级为42.5 MPa，砂采用标准砂，粒径范围为0.5～1.0 mm，为中级标准砂。待水泥砂浆初凝后，在相应位置竖直插入钢筋。本研究中采用钢筋来模拟锚杆，钢筋的直径为1 cm。

本次试验时，钢筋的布置方式主要分为2种：(1)多根钢筋的横截面在试件表面呈正方形布置(图1)；(2) 多根钢筋的横截面在试件表面呈直线布置(图2、图3)。图1～3中，圆形代表插入的钢筋。

1.2 试验仪器

单轴压缩试验在万能压缩试验机(WAW-600C)上进行。该仪器的最大位移速率为60 mm/min，最大加载能力为600 kN。本次进行单轴压缩变形试验时，采用应变控制式的加载方式，应变率为10-4s-1。

1.3 试验分组

在试验中，按试件的水灰比、锚杆的横截面在试件表面的布置方式可进行试验分组，具体见表1。

图1 多根钢筋的横截面在试件表面呈正方形布置(尺寸单位：mm)Fig.1 Cross section of the bolts arranged squarely on the surface of the specimen (mm)

图2 荷载方向与钢筋横截面的连线垂直(尺寸单位：mm)Fig.2 Loading direction perpendicular to the connection line of the cross section of the bolt (mm)

图3 荷载方向与钢筋横截面的连线平行 (尺寸单位：mm)Fig.3 Loading direction parallel to the connection line of the cross section of the bolt (mm)

表1 试验分组Table 1 Experimental groups

2 试验结果分析

2.1 应力应变曲线

2.1.1锚杆横截面的连线呈直线时

当锚杆横截面的连线呈直线时试件的应力应变曲线见图4。当荷载方向与锚杆横截面的连线呈垂直或者平行时，随着锚杆数量的增加，试件的峰值应力均有所增加。当试件中的锚杆数量相同时，荷载方向垂直于锚杆横截面的连线时试件的峰值应力大于荷载方向平行于锚杆横截面的连线时试件的峰值应力。

图4 锚杆横截面的连线呈直线时试件的应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of specimens when the connection of the cross section of the bolt is linear

2.1.2锚杆横截面的连线呈正方形时

当锚杆横截面的连线呈正方形时试件的应力应变曲线见图5。随着锚杆数量的增加，试件峰值应力逐渐增加。

图5 锚杆横截面的连线呈正方形时试件的应力应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of specimens when the connection of the cross section of the bolt is square

2.2 抗压强度

2.2.1锚杆横截面的连线呈直线时

当锚杆横截面的连线呈直线时试件的强度比较见图6。无论荷载方向与锚杆横截面的连线呈垂直或者平行时，随着锚杆数量的增加，试件的抗压强度均有所增加。当试件中的锚杆数量相同时，荷载方向垂直于锚杆横截面的连线时试件的抗压强度大于荷载方向平行于锚杆横截面的连线时试件的抗压强度。

图6 锚杆横截面的连线呈直线时试件的抗压强度Fig.6 Compressive strength of specimen when the connection of the cross section of the bolt is linear

锚杆横截面的连线可视为试件中增强体的层面，当荷载方向垂直于和平行于锚杆横截面的连线时，相当于是荷载方向垂直于和平行于增强体的层面。已有很多研究结果表明，当荷载方向垂直于层理面时层状岩体的强度大于荷载方向平行于层理面时层状岩体的强度[8]。因此，荷载方向垂直于锚杆横截面的连线时试件的抗压强度会大于荷载方向平行于锚杆横截面的连线时试件的抗压强度。

以无锚杆试件的抗压强度为基准，分析其它含有锚杆的试件相对无锚杆试件的强度的提高幅度。当锚杆横截面的连线呈直线分布时，添加锚杆数量对于提高试件的抗压强度的幅度见表2和表3。

表2 当荷载方向平行于钢筋连线时锚杆数量对于提高试件的抗压强度的幅度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

当试件中的锚杆数量相同时，荷载方向垂直于锚杆横截面的连线时试件的抗压强度的提高幅度大于荷载方向平行于锚杆横截面的连线时试件的抗压强度的提高幅度。

2.2.2锚杆横截面的连线呈正方形时

当锚杆横截面的连线呈正方形时试件的强度比较见图7。添加锚杆数量对于提高试件的抗压强度的幅度见表4。

图7 锚杆横截面的连线呈正方形时试件的抗压强度Fig.7 Compressive strength of specimen when the connection of the cross section of the bolt is square

表3 当荷载方向垂直于钢筋连线时锚杆数量对于提高试件的抗压强度的幅度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

当锚杆横截面的连线呈正方形时，随着锚杆数量的增加，试件的抗压强度逐渐增加，当锚杆数量超过4根时，继续增加锚杆数量，试件的抗压强度的提高幅度变化不大。与当锚杆横截面的连线呈直线时相比，锚杆数量均为4根时，试件的抗压强度小于荷载方向与锚杆横截面连线垂直时的抗压强度(锚杆横截面的连线呈直线分布)，试件的抗压强度大于荷载方向与锚杆横截面连线平行时的抗压强度(锚杆横截面的连线呈直线分布)。

2.3 峰值应变

2.3.1锚杆横截面的连线呈直线时

当锚杆横截面的连线呈直线时试件的峰值应变比较见图8。

表4 当钢筋连线呈正方形时锚杆数量对于提高试件的抗压强度的幅度Table 4 Increasing amplitude of the compressive strength of specimen when the connection of the cross section of the bolt is square