加锚贯通节理岩体宏细观剪切破坏特性

宋 洋，赵玉兵

（辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁 阜新 123000）

0 引言

岩体经历长时间的地质构造运动和自然界的侵蚀形成了复杂的结构与构造，其中包含着很多断层、剪切带、节理、裂隙等缺陷。岩体的缺陷直接影响岩体力学性能。当工程建设中遇到此类岩体，势必影响工程施工安全以及后期使用寿命。目前由于锚杆锚固技术工艺简单、经济高效、锚固效果，已被广泛应用在隧道巷道、基坑支护、堤坝边坡等岩土加固工程中。同时，国内外学者通过试验研究以及理论探讨，对锚索的加固机理也进行了大量分析工作。但由于岩体本身的复杂性和多样性，其力学性质是与其形成背景、地质构造作用历史、赋存环境以及工程设计等各种条件密切相关的，导致目前的锚固机理及分析方法还不够完善，对工程设计与评价方法指导性不足，成为制约该技术发展的一个重要瓶颈问题。因此，开展加锚节理岩体细观剪切特性的研究，是施工的安全重要保障，具有重要的研究价值。

部分学者已经从室内试验及数值模拟等方法对加锚节理岩体剪切特性有了一定的研究。刘泉声等[1]通过室内试验，分析了不同岩石材料锚固后的力学特性。张伟等[2]研究了节理岩体强度、预应力及锚固方式对节理剪切性能的作用机制和模式。王传兵等[3]通过室内试验，分析了锚固角度和锚固方式对裂隙岩体力学特性影响。刘泉声等[4]通过室内直剪试验，分析了不同法向应力及不同锚固角度对裂隙岩体力学特性的影响规律。而在数值模拟方面，夏才初等[5]采用颗粒流软件PFC2D生成了粗糙节理剖面，研究了粗糙度对节理剪切性能的影响。王刚等[6]利用修正的锚杆双线性本构模型对加锚岩体进行宏观研究，并从细观角度分析了裂纹的演化过程。FERRERO[7]通过数值分析，研究了由于剪力产生的锚杆轴向力对抗剪性能的影响，并提出了锚杆的失效机理。周喻等[8]通过ERM 技术，定量研究节理连通率对岩体强度，破坏机制等力学特征影响。杨庆等[9]利用PFC2D内置程序，在单轴压缩的作用下，研究了细观裂纹的演变及裂纹数的变化。刘宁等[10]通过PFC 程序，把时间效应引入到平行黏结模型中，研究了大理岩破裂扩展的时间效应。

结合以上的文献可知，主要是从加锚节理岩体的宏观变形破坏及强度角度进行分析，而对于加锚节理岩体从细观角度研究其内部裂隙变化还不够深入。所以，本文通过室内试验与PFC 颗粒流软件相结合的方法，设置不同的锚固角度及法向应力，对加锚节理岩体进行宏观抗剪性能及剪切特性细观机理分析，从细观的角度揭示宏观剪切破坏特性。

1 室内试验及细观参数标定

1.1 室内试验及宏观参数确定

本次试验加载系统采用辽宁工程技术大学土木工程试验中心的微机控制电液伺服三轴试验（图1），TAW-2000 试验仪由加载系统、测量系统、控制器等部分组成，三轴试验仪采用微机控制电液伺服阀与手动液压加载两种方式完成试验过程的加卸载控制。试验选取合适的试验材料及合理的各组分配比模拟岩石，本次采用水泥砂浆为试件基体制作节理岩体。根据前人试验经验与结果，选用42.5 普通硅酸盐水泥，河砂进行配比，各组分配比为水泥∶砂=1∶2。锚杆材料选用HRB400型钢材，直径为10 mm，长度为160 mm，螺纹长度15 mm，屈服强度为400 MPa。模型整体为边长150 mm 正方体试件。通过在模具两侧切割倾角30°，45°，60°，90°裂隙，并插入铁片进行节理预制，节理长150 mm，宽50 mm，厚5 mm。在试件初凝后注入石膏进行填充。在浇筑过程中，在模具中心插入一根直径为20 mmPVC 管，在水泥砂浆初凝时将其拔出，将基体中的贯穿空洞当做杆体钻孔，并在后期注入水泥浆液。试件浇筑完成后，室内养护28 d，在锚杆端头安装边长50 mm 正方形垫板，通过拧紧螺母施加锚杆预应力。制作完成的不同倾角部分试件见图2。最终确定宏观参数如表1所示。

图1 试验系统实物图Fig.1 Physical map of the test system

图2 制作完成的部分试件Fig.2 Part of the finished specimens

表1 宏观物理力学参数Table 1 Macrophysical and mechanical parameters

1.2 细观参数标定

本次研究拟采用PFC2D软件内置程序对模型试样进行单轴压缩试验和直剪试验，以室内试验数据结果为基础，通过和室内试验数据结果进行比较，直至模拟试验与室内试验结果曲线较为接近时，得到了最终的细观参数。模拟试验与室内试验结果对比见图3、图4及细观参数见表2。

图3 室内单轴压缩试验与数值试验对比图Fig.3 Comparison of indoor uniaxial compression test and numerical test

图4 室内直剪试验与数值试验对比图Fig.4 Comparison of indoor direct shear test and numerical test

表2 加锚岩体数值模型细观参数表Table 2 Mesoscopic parameter table of numerical model of anchored rock mass

2 加锚节理岩体的离散元剪切试验模拟模型确定

根据已有研究结果，假定一组细观参数，利用PFC2D内置程序生成大小为150 mm×150 mm 的加锚节理岩体直剪模型。利用Fish 语言分别实现模型加载与伺服，首先生成6 道墙体围成150 mm×150 mm 的一个正方形，然后在其内部随机生成了4 276 个颗粒，利用假定的细观参数对颗粒及墙体进行标定，最终建立的剪切模型如图5所示。

图5 加锚节理岩体数值模型图Fig.5 Numerical model diagram of anchored jointed rock mass

3 数值模拟结果分析

3.1 锚固节理岩体的宏观剪切特性

本次模拟试验拟采用四种不同锚固角度的加锚节理岩体模型，分别在不同法向应力的作用下进行直剪试验（表3）。得到了不同的加锚节理岩体试件的剪切应力-位移曲线图（图6）。在根据峰值抗剪应力值并利用莫尔-库仑理论求得结构面的抗剪强度参数，其拟合曲线（图7），然后利用曲线求得抗剪强度参数内摩擦角及黏聚力来衡量加锚节理岩体的变形破坏能力。再根据峰值强度值得到不同锚固倾角下峰值强度的变化曲线（图8）。

表3 不同法向应力的作用下及四种不同锚固角度的加锚节理岩体模型进行直剪试验表Table 3 Direct shear test results of anchored rock mass models under different normal stresses and four different anchoring angles

由图6可知，通过改变锚固角度和法向应力的大小，加锚节理岩体的抗剪能力具有较明显的变化。可以看出，当加锚节理岩体达到峰值强度，随着锚固倾角的增大，峰值强度呈先增大后减小的趋势，这是由于当节理岩体用锚杆锚固时，能够有效地增加节理岩体的内摩擦角和黏聚力。由图7可知，在锚固角度为60°，其黏聚力表现为最大，而在锚固角度为90°时，其黏聚力表现为最小，所以，当锚固角度的增加到一定程度后，就会出现峰值强度下降的趋势。而对于不同法向应力的作用下，峰值强度呈上升的趋势，这是因为在剪切过程产生的“颗粒碎渣”对剪切强度影响较大，所以在加锚节理岩体施加法向应力时，其内部存在的裂隙和孔隙就会出现部分闭合，岩体内的细观颗粒接触面积就会变大。

图6 不同法向应力的作用下节理岩体试件的剪力-位移曲线图Fig.6 Shear-displacement curve of jointed rock specimen under different normal stresses

图7 不同锚固倾角的峰值抗剪强度随着不同法向应力的变化曲线Fig.7 Curve of peak shear strength of different anchoring inclination angles with different normal stresses

由图8可以看出，模拟试验为A1、A2、A3、A4，在锚固角度为60°时，其抗剪能力最强，所以最佳锚固角度的范围应该在60°左右，另一方面也说明了倾斜锚固比垂直锚固的效果要好，由于倾斜锚固不仅限制了剪切方向的移动，而且还限制了竖向位移的增加。

图8 峰值强度随着锚固角度的变化图Fig.8 Diagram of the change of peak strength with anchorage angle

3.2 细观裂纹演化分析

细观裂纹持续发展导致了岩体的宏观破坏，所以本次研究利用颗粒流软件PFC2D加锚节理岩体细观裂纹发展的全过程进行分析，以法向应力为1 MPa，锚固角度为90°，锚杆直径为10.0 mm 为例，得到了如图9示的细观裂纹演化图。为了准确地描述出细观裂纹随着剪切位移的演化，在剪切过程中设置了5 个监测点（a，b，c，d，e），如图所示，分别对应的剪切位移为：0.457 mm，1.052 mm，1.657 mm，2.459 mm，3.0 mm。得到了在不同剪切位移处的细观裂纹数（图10）。

图10 剪切应力、裂纹数目、裂纹种类随剪切位移增加的变化图Fig.10 Variation of shear stress,number of cracks and crack type with increasing shear displacement

从图9中可以看出，在剪切位移为0.457 mm，锚杆的两侧出现了少量的裂纹，由于剪切力的作用，锚杆与岩体开始接触并相互挤压。但当剪切位移为1.657 mm，锚杆周围就会出现大量的裂纹并持续向外扩展，而节理处的裂纹增长的速率并没有锚杆处裂纹增长明显。当剪切位移为2.459 mm 时，在岩体内部出现了大量裂纹的集中现象，最后裂纹数趋于稳定发展。裂纹具体数量及种类情况详见表4。

表4 不同剪切位移处剪切裂纹数、张拉裂纹数及裂纹总数表Table 4 Number of shear cracks,number of tensile cracks and total number of cracks at different shear displacements

由图10可以看出，在剪切位移的初始阶段，不管是张拉裂纹还是剪切裂纹其数量都是很小，裂纹增长较平缓，且张拉裂纹数与剪切裂纹数相当，没有明显的差距。但当抗剪强度达到峰值强度以后，张拉裂纹一直保持较高速率增长直到加锚岩体破坏为止，在最后阶段保持较平缓的速率增长，而剪切裂纹一直保持着较平缓的速率增长至最后阶段。

3.3 锚固角度及法向应力对细观裂纹发展影响分析

不同锚固角度及不同法向应力作用下的岩体力学响应存在差别，其内部细观裂纹发展规律也必定不同。因此，根据表3直剪模拟试验，基于两组模拟试验分别为，A1、A2、A3、A4 和A4、B4、C4，对不同锚固角度及不同法向应力下岩体裂纹数量变化曲线进行研究。在不同锚固角度作用下，裂纹总数、张拉裂纹、剪切裂纹随剪切位移变化见图11。在不同法向应力作用下，裂纹总数、张拉裂纹、剪切裂纹随剪切位移变化见图12。由图11和图12，可以看出，不同锚固角度及不同法向应力作用下，裂纹增长的趋势保持一致，裂纹的增长主要分为3 个阶段：初始裂纹产生，裂纹快速增长，裂纹平稳发展。由图11可以看出，不同锚固角度下，在初始阶段产生的裂纹数基本相同，这表明锚固角度对初始阶段产生的裂纹数影响很小或几乎没影响。当剪切位移达到一定值时，模型进入裂纹快速增长阶段，裂纹数目曲线斜率突然增大，裂纹数目倍增。当裂纹进入平稳发展阶段时，加锚节理岩体基本已处于破坏状态，所以裂纹数基本不会有太大的变化。可以看出，锚固角度对裂纹增长有比较明显的影响，随着锚固角度的增加，加锚节理岩体破坏时形成的裂纹数量有先减小后增大的趋势，说明在锚固角度增加一定的范围内，对裂纹的扩展有一定的抑制作用，这与最佳锚固角度相对应。由图12可以看出，加锚节理岩体受法向应力的影响显著，随着法向应力的增大，岩体内部颗粒之间的接触更加明显，颗粒之间的接触力就会变得更大，所以加锚节理岩体模型最终产生的张拉裂纹、剪切裂纹、总裂纹数量总体呈现增大趋势，岩体内裂纹数量增多，岩体裂纹扩展贯通更明显，岩体受破坏越严重。此外，由图11和图12还可以看出，张拉裂纹远远多于剪切裂纹，剪切裂纹占裂纹总数的一小部分，并以较平稳的趋势增长。由于张拉裂纹占裂纹总数的主体地位，所以其变化趋势与裂纹总数变化一致。

图11 不同锚固角度下，裂纹总数、张拉裂纹、剪切裂纹随剪切位移变化图Fig.11 Variation of crack total,tensile crack and shear crack with shear displacement under different anchoring angles

图12 不同法向应力下，裂纹总数、张拉裂纹、剪切裂纹随剪切位移变化图Fig.12 Variation of total crack,tensile crack and shear crack with shear displacement under different normal stresses

4 结论

（1）通过比较得到，锚固角度为60°时，剪切强度最大，其锚固效果最好，且锚固角度为90°和30°时，剪切强度相近，剪切强度随着锚固角度的变化规律为：先增大后减小的趋势。当法向应力为2.0 MPa 时，剪切强度最大，剪切强度随着法向应力的变化规律为：不断增大的趋势。

（2）通过细观裂纹演化图得到，裂纹开始在锚杆周围的出现少量裂纹，并不断地向外扩展至大量裂纹集中在锚杆与注浆体及岩体的交界处和节理与锚杆的交界处，直至加锚节理岩体完全破坏。裂纹以张拉裂纹为主，且张拉裂纹以较快的速度增长，剪切裂纹增长较缓慢。

（3）在不同锚固角度作用下，细观裂纹增长趋势保持一致，曲线主要呈现三个阶段，第一阶段裂纹发展较平稳，第二阶段裂纹快速增长阶段，第三阶段裂纹缓慢增长阶段。且在60°时，其裂纹数最小，在锚固角度增加一定的范围内，对裂纹的扩展有一定的抑制作用，这与最佳锚固角度相对应。在不同法向应力的作用下，裂纹数受法向应力的影响较大，细观裂纹发展较剧烈，且裂纹增长经历相同的三个阶段。当法向应力为2.0 MPa时，细观裂纹数最大，随着法向应力的增加，裂纹数呈增大的趋势。