錨桿支護對層狀巖石力學性質的影響研究

萬燎榕

(江西省水利規劃設計研究院，江西 南昌 330029)

1 工程背景

某水利工程引水隧洞第二標段全長3710m，最大埋深為450m，該洞段在穿越頁巖段施工過程中經常發生頂拱噴射混凝土開裂、頂拱掉塊以及蠕變變形等現象，頂拱沉降值最大達到28.5cm，最大底鼓值達到12.6cm，導致已支護的鋼拱架不同程度發生扭曲變形等問題，對隧洞施工及今后的長期穩定安全運行帶來極大的影響。經現場查勘，該洞段的頁巖層具有如下特征：①層理發育、厚度較小且層間含有較多膠結物，層理傾角變化復雜；②頁巖與周圍灰巖巖體組成層狀復合體，巖體力學性質復雜；③節理裂隙水發育；④原設計支護剛度較弱，不滿足穩定性要求[1- 4]。

針對上述層狀巖體洞段，采取常規支護手段已不能滿足工程的長期穩定性需求，鑒于錨桿支護在隧洞開挖支護過程中大量廣泛采用，但層狀巖體與錨桿之間的相互作用機理目前尚未明確[5- 10]，采用何種錨桿支護效果更佳成為工程迫切需要解決的頭等大事，故文章結合前人研究成果和經驗，對無錨桿、螺紋錨桿以及碳鋼鋼管三種加錨層狀巖石的力學性質進行了專項研究，以期能為工程實踐提供參考[11- 13]。

2 試驗概況

2.1 試驗材料

由于現場取芯困難，層理角度難以滿足試驗需求，且取芯后錨桿很難鉆入，故在室內進行模型試驗，試件主要材料為C15水泥、河砂、速凝劑(熟石灰)以及生石灰，四者的質量比為1∶3∶1∶1.5，在常溫下標準養護28d后取芯；按照構筑取芯法鉆磨制取0°和90°兩種層理傾角的標準圓柱形試件，直徑為50cm、高為100cm、層間距為1.5cm，巖體層理構造為一層厚0.2mm的100目細度的云母片。試件鉆取示意如圖1所示。

圖1 層狀巖石試件制備過程示意

2.2 錨固方案

系統錨桿選取兩種類型：螺紋錨桿以及碳鋼鋼管(壁厚1mm)，實際過程中，普通支護錨桿的直徑為16～25mm，間排距為0.3～1.2m，本文假設實際工程常用錨桿直徑為25mm，間排距為0.3m，設置錨桿直徑為5mm，間排距為60mm進行試驗，即幾何相似比為5∶1；安裝錨桿時分別鉆取6mm和7mm直徑的鉆孔，注入錨固劑后再將錨桿安裝進去，形成支護系統，各系統錨桿的力學參數見表1，錨桿支護方案如圖2所示。

表1 錨桿力學參數

圖2 錨桿支護方案示意

2.3 加載方案

對不同層理夾角下(0°和90°)巖體在不加錨桿、加系統錨桿(螺紋錨桿)以及碳鋼鋼管3種加錨情景下的試件進行單軸加載試驗，每種試驗均進行3次試驗(共計18次試驗)，取其中具有代表性的試件進行分析。加載過程中，采用位移控制方式進行加載，加載速率為0.1mm/min，直至試件失穩破壞。

3 試驗結果分析

3.1 應力-應變曲線分析

各試驗組的應力-應變曲線特征如圖3所示。從圖3中可以看到，應力-應變曲線總體上分為初始壓密、彈性變形、裂紋穩定擴展、裂紋非穩定擴展以及峰后變形等階段。在不進行錨桿支護時，試件在達到峰值應力后，將很快發生失穩破壞，峰后曲線表現為“陡降”，表明試件更趨向于脆性破壞。0°和90°夾角下試件的變形特征相差較大，層理為0°時抵抗變形能力較好，層理夾角為90°時，其抵抗變形的能力較差，達到峰值應力時其變形約為0.00514，較0°情況減小0.00232。進行系統螺紋錨桿支護后，試件受層理角度的影響已較小，兩者的變形能力已基本相當，均為0.01左右，且峰后變形呈明顯的“緩降”特征，表明試件在經歷破損狀態后，還有較強的峰后殘余強度，不至于發生突然性的斷裂破壞，其塑性變形能力在錨桿加固后得到有效加強；碳鋼鋼管錨固試件后，其峰前和峰后均有一段較長的塑性變形區，表明試件的變形能力得到強化，且0°和90°兩種層理夾角下的變形能力基本相當。

圖3 應力-應變曲線特征

3.2 力學參數分析

試驗獲得的不同情況下試件的彈性模量、泊松比以及強度等力學參數的對比如圖4所示。從圖4中可以看到，在不施加錨桿支護時，試件的彈模、泊松比以及強度等受層理角度的影響較大，水平(0°)層理的力學參數明顯大于豎向(90°)，這是因為水平夾角下，試件主要發生穿晶破壞，而在豎向夾角時，主要發生沿晶破壞，穿晶破壞需要的加載應力大于沿晶破壞，因此，表現為力學性質強于后者。在施加螺紋錨桿以及碳鋼鋼管支護后，試件的力學參數均呈不同程度的提高，其中螺紋錨桿系統支護的彈模、泊松比以及強度最大，碳鋼鋼管支護其次，不施加錨桿最小，施加系統錨桿支護后，試件的強度較不施加錨桿時增加約1倍；同時，施加錨桿或者碳鋼鋼管支護后，能對層狀試件的層理角度的影響進行弱化，特別是泊松比和強度上表現較為明顯，在施加相應的支護后，水平和豎向夾角的泊松比和強度相差不大，可見，錨桿支護對層狀巖體力學行為具有較好的改善作用；從改善作用來看，沿垂直于層理方向施加系統錨桿的效果要明顯好于沿層理水平方向的改善效果，這也是為什么在實際施工時要求施工人員盡量將錨桿沿洞壁進行垂直鉆孔的主要原因之一。

需要特別指出的是，錨桿對層狀巖體的改善加固作用，主要表現在提高變形能力和抗剪強度，對層理間的錯動起到抑制作用。這種加固原理不僅與圍巖狀態有關，還受鉆孔、錨固劑、實際錨桿施工長度、安裝位置等多種因素影響。因此，不能單從試驗角度斷定螺紋錨桿的支護作用就一定強于碳鋼鋼管的支護作用。由于在鉆孔過程中，碳鋼鋼管直徑略大，對試件的二次損傷也越大，也可能造成力學性質的弱化，且螺紋錨桿還具有預應力，因此，對于層狀巖體具體采用螺紋錨桿還是碳鋼鋼管尚需根據現場實際情況確定。一般而言，建議在具有軟弱巖層且含裂隙滲水的洞段需要采用碳鋼鋼管。

圖4 不同情況下力學參數對比

3.3 損傷及錨固機理分析

0°層理加錨桿在加載過程中，由于原生裂隙層理與軸向應力方向垂直，因此，在加載初期，原生層理會有一個損傷的修復(裂隙層理閉合)階段，此時，試件的力學特征處于強化階段；而當原生裂隙層理與軸向加載應力呈水平方向時，在加載初期，受到應力的張拉作用，會使得試件內部沿豎向層理繼續開裂，新的損傷繼續產生；隨著應力的逐漸增大，試件由彈性向塑性階段轉變，損傷也由穩定向非穩定轉變，當到達峰值應力前后，損傷會出現急劇的演化發展階段，如圖5所示。

圖5 損傷發展特征

通過對試件進行CT掃描，發現不同部位錨桿的有效錨固區不同。上部錨桿的有效錨固區為13～28cm，下部錨桿的有效錨固區為69～87cm，如圖6所示。錨桿對試件的止損止裂作用主要得益于錨桿對有效錨固區裂紋的抑制擴展作用，使有效錨固區不至于過早發生剪端張裂破壞，故而錨桿的施加排距對錨桿的支護作用起到關鍵作用，這也是實際工程設計時需要重點考慮的因素之一。

圖6 有效錨固區分析

4 結論

(1)不進行錨桿紙支護時，層狀巖石變形受層理夾角的影響較大，并表現為脆性破壞特征；施加螺紋錨桿或者碳鋼鋼管支護后，試件的塑性變形能力顯著增強，峰值應力前后具有較明顯的塑性變形增強區。

(2)沿垂直于層理方向施加系統錨桿的效果要明顯好于沿層理水平方向的改善效果，采取何種支護手段需要根據現場賦予的地質環境條件予以進一步確定。

(3)0°層理加錨桿支護后，在加載初期會有一段損傷修復變形階段，而90°層理直接進入損傷發展階段；上部錨桿的有效錨固區為13～28cm，下部錨桿的有效錨固區為69～87cm，在實際施工時，應根據圍巖情況重點考慮錨桿的施工排距。