锚杆支护对层状岩石力学性质的影响研究

2020-03-10万燎榕

水利规划与设计 2020年2期

万燎榕

(江西省水利规划设计研究院，江西南昌 330029)

1 工程背景

某水利工程引水隧洞第二标段全长3710m，最大埋深为450m，该洞段在穿越页岩段施工过程中经常发生顶拱喷射混凝土开裂、顶拱掉块以及蠕变变形等现象，顶拱沉降值最大达到28.5cm，最大底鼓值达到12.6cm，导致已支护的钢拱架不同程度发生扭曲变形等问题，对隧洞施工及今后的长期稳定安全运行带来极大的影响。经现场查勘，该洞段的页岩层具有如下特征：①层理发育、厚度较小且层间含有较多胶结物，层理倾角变化复杂；②页岩与周围灰岩岩体组成层状复合体，岩体力学性质复杂；③节理裂隙水发育；④原设计支护刚度较弱，不满足稳定性要求[1- 4]。

针对上述层状岩体洞段，采取常规支护手段已不能满足工程的长期稳定性需求，鉴于锚杆支护在隧洞开挖支护过程中大量广泛采用，但层状岩体与锚杆之间的相互作用机理目前尚未明确[5- 10]，采用何种锚杆支护效果更佳成为工程迫切需要解决的头等大事，故文章结合前人研究成果和经验，对无锚杆、螺纹锚杆以及碳钢钢管三种加锚层状岩石的力学性质进行了专项研究，以期能为工程实践提供参考[11- 13]。

2 试验概况

2.1 试验材料

由于现场取芯困难，层理角度难以满足试验需求，且取芯后锚杆很难钻入，故在室内进行模型试验，试件主要材料为C15水泥、河砂、速凝剂(熟石灰)以及生石灰，四者的质量比为1∶3∶1∶1.5，在常温下标准养护28d后取芯；按照构筑取芯法钻磨制取0°和90°两种层理倾角的标准圆柱形试件，直径为50cm、高为100cm、层间距为1.5cm，岩体层理构造为一层厚0.2mm的100目细度的云母片。试件钻取示意如图1所示。

图1 层状岩石试件制备过程示意

2.2 锚固方案

系统锚杆选取两种类型：螺纹锚杆以及碳钢钢管(壁厚1mm)，实际过程中，普通支护锚杆的直径为16～25mm，间排距为0.3～1.2m，本文假设实际工程常用锚杆直径为25mm，间排距为0.3m，设置锚杆直径为5mm，间排距为60mm进行试验，即几何相似比为5∶1；安装锚杆时分别钻取6mm和7mm直径的钻孔，注入锚固剂后再将锚杆安装进去，形成支护系统，各系统锚杆的力学参数见表1，锚杆支护方案如图2所示。

表1 锚杆力学参数

图2 锚杆支护方案示意

2.3 加载方案

对不同层理夹角下(0°和90°)岩体在不加锚杆、加系统锚杆(螺纹锚杆)以及碳钢钢管3种加锚情景下的试件进行单轴加载试验，每种试验均进行3次试验(共计18次试验)，取其中具有代表性的试件进行分析。加载过程中，采用位移控制方式进行加载，加载速率为0.1mm/min，直至试件失稳破坏。

3 试验结果分析

3.1 应力-应变曲线分析

各试验组的应力-应变曲线特征如图3所示。从图3中可以看到，应力-应变曲线总体上分为初始压密、弹性变形、裂纹稳定扩展、裂纹非稳定扩展以及峰后变形等阶段。在不进行锚杆支护时，试件在达到峰值应力后，将很快发生失稳破坏，峰后曲线表现为“陡降”，表明试件更趋向于脆性破坏。0°和90°夹角下试件的变形特征相差较大，层理为0°时抵抗变形能力较好，层理夹角为90°时，其抵抗变形的能力较差，达到峰值应力时其变形约为0.00514，较0°情况减小0.00232。进行系统螺纹锚杆支护后，试件受层理角度的影响已较小，两者的变形能力已基本相当，均为0.01左右，且峰后变形呈明显的“缓降”特征，表明试件在经历破损状态后，还有较强的峰后残余强度，不至于发生突然性的断裂破坏，其塑性变形能力在锚杆加固后得到有效加强；碳钢钢管锚固试件后，其峰前和峰后均有一段较长的塑性变形区，表明试件的变形能力得到强化，且0°和90°两种层理夹角下的变形能力基本相当。

图3 应力-应变曲线特征

3.2 力学参数分析

试验获得的不同情况下试件的弹性模量、泊松比以及强度等力学参数的对比如图4所示。从图4中可以看到，在不施加锚杆支护时，试件的弹模、泊松比以及强度等受层理角度的影响较大，水平(0°)层理的力学参数明显大于竖向(90°)，这是因为水平夹角下，试件主要发生穿晶破坏，而在竖向夹角时，主要发生沿晶破坏，穿晶破坏需要的加载应力大于沿晶破坏，因此，表现为力学性质强于后者。在施加螺纹锚杆以及碳钢钢管支护后，试件的力学参数均呈不同程度的提高，其中螺纹锚杆系统支护的弹模、泊松比以及强度最大，碳钢钢管支护其次，不施加锚杆最小，施加系统锚杆支护后，试件的强度较不施加锚杆时增加约1倍；同时，施加锚杆或者碳钢钢管支护后，能对层状试件的层理角度的影响进行弱化，特别是泊松比和强度上表现较为明显，在施加相应的支护后，水平和竖向夹角的泊松比和强度相差不大，可见，锚杆支护对层状岩体力学行为具有较好的改善作用；从改善作用来看，沿垂直于层理方向施加系统锚杆的效果要明显好于沿层理水平方向的改善效果，这也是为什么在实际施工时要求施工人员尽量将锚杆沿洞壁进行垂直钻孔的主要原因之一。

需要特别指出的是，锚杆对层状岩体的改善加固作用，主要表现在提高变形能力和抗剪强度，对层理间的错动起到抑制作用。这种加固原理不仅与围岩状态有关，还受钻孔、锚固剂、实际锚杆施工长度、安装位置等多种因素影响。因此，不能单从试验角度断定螺纹锚杆的支护作用就一定强于碳钢钢管的支护作用。由于在钻孔过程中，碳钢钢管直径略大，对试件的二次损伤也越大，也可能造成力学性质的弱化，且螺纹锚杆还具有预应力，因此，对于层状岩体具体采用螺纹锚杆还是碳钢钢管尚需根据现场实际情况确定。一般而言，建议在具有软弱岩层且含裂隙渗水的洞段需要采用碳钢钢管。

图4 不同情况下力学参数对比

3.3 损伤及锚固机理分析

0°层理加锚杆在加载过程中，由于原生裂隙层理与轴向应力方向垂直，因此，在加载初期，原生层理会有一个损伤的修复(裂隙层理闭合)阶段，此时，试件的力学特征处于强化阶段；而当原生裂隙层理与轴向加载应力呈水平方向时，在加载初期，受到应力的张拉作用，会使得试件内部沿竖向层理继续开裂，新的损伤继续产生；随着应力的逐渐增大，试件由弹性向塑性阶段转变，损伤也由稳定向非稳定转变，当到达峰值应力前后，损伤会出现急剧的演化发展阶段，如图5所示。

图5 损伤发展特征

通过对试件进行CT扫描，发现不同部位锚杆的有效锚固区不同。上部锚杆的有效锚固区为13～28cm，下部锚杆的有效锚固区为69～87cm，如图6所示。锚杆对试件的止损止裂作用主要得益于锚杆对有效锚固区裂纹的抑制扩展作用，使有效锚固区不至于过早发生剪端张裂破坏，故而锚杆的施加排距对锚杆的支护作用起到关键作用，这也是实际工程设计时需要重点考虑的因素之一。