唐崗，蔣劍青，胡小川，丁學(xué)正，廖滿平

(1.廣西壯族自治區(qū)水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530023；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；3.中建二局土木工程集團(tuán)有限公司，北京 101100)

0 引言

天然巖體在形成過程中及自然條件作用下，其表面和內(nèi)部會產(chǎn)生不同程度的節(jié)理、層理、裂隙等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面。現(xiàn)場調(diào)查表明，節(jié)理在巖體工程中普遍存在，是巖體工程失穩(wěn)的重要因素。例如，金沙江下游河段的烏東德、白鶴灘等大型水電站地質(zhì)復(fù)雜，周圍高山峽谷遍布，圍巖中節(jié)理十分發(fā)育[1-3]。一方面，節(jié)理的存在劣化了圍巖自身的力學(xué)特性，降低其承載能力；另一方面，節(jié)理直接影響了巖體受載過程中的應(yīng)力場，對裂紋聯(lián)合、貫穿和宏觀破壞模式有顯著的影響，因此，節(jié)理對巖體工程造成了重大的威脅，有必要制定相應(yīng)的策略來維持節(jié)理巖體工程的穩(wěn)定性。

巖體錨固能夠有效提高巖體自身強(qiáng)度，充分發(fā)揮自承能力，維持巖體工程穩(wěn)定性，因而被廣泛用于節(jié)理巖體的加固。近年來，眾多學(xué)者從不同角度進(jìn)行了錨固巖體技術(shù)理論與試驗(yàn)研究，取得了諸多有意義的成果[4-6]。Haas[7]開展了不同錨桿加固方向下的室內(nèi)剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)傾斜于節(jié)理面安裝錨桿要比垂直節(jié)理面安裝錨桿效果好，加固后試樣抗剪強(qiáng)度更高；Yoshinaka等[8]開展了加錨試樣室內(nèi)剪切試驗(yàn)，提出了一種能夠表征巖體錨桿加固效應(yīng)的力學(xué)模型，探討了巖體力學(xué)性能與錨桿傾角、數(shù)量以及巖體變形參數(shù)等之間的關(guān)系；葛修潤等[9]采用水泥砂漿制作含節(jié)理面的試樣，按照不同的傾角進(jìn)行全長粘結(jié)式錨桿安裝，并通過室內(nèi)剪切試驗(yàn)提出了一種加錨節(jié)理面錨桿抗剪作用機(jī)制模型；鄒志暉等[10]采用MSB材料展開不同布錨參數(shù)下的單軸、雙軸和三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)錨桿在不同彈模巖體中的錨固效應(yīng)存在差異；許明等[11]基于混凝土錨固體開展單軸壓縮試驗(yàn)，并采用聲波來調(diào)查破壞過程中錨桿錨固力變化和錨固體應(yīng)力損失情況，發(fā)現(xiàn)不同荷載情況下錨固體內(nèi)膠結(jié)力的變化規(guī)律?？梢?，學(xué)者們重點(diǎn)研究了錨桿對巖體加固效應(yīng)的影響，并取得諸多成果[12-16]，但加錨節(jié)理巖體力學(xué)特性方面的研究仍鮮有報(bào)道，相關(guān)工作亟待展開。

本文首先研制了可制作非連續(xù)節(jié)理試樣的新型模具，并采用水泥砂漿澆筑了傾角為60°的加錨節(jié)理試樣；然后，基于加錨節(jié)理試樣開展單軸壓縮試驗(yàn)，調(diào)查其力學(xué)特性和破壞特征，并探討錨桿數(shù)量對節(jié)理巖體破壞模式的影響，以期為認(rèn)識加錨非連續(xù)節(jié)理巖體力學(xué)特征提供借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 模具系統(tǒng)研發(fā)

本次試驗(yàn)預(yù)制試件尺寸長度×寬度×高度為300 mm×300 mm×300 mm，體積、重量較大，容重約為22.2 kN·m3。為制作非連續(xù)節(jié)節(jié)理試樣，特研發(fā)了新型模具系統(tǒng)，主要包括金屬模具、薄鋼片和固定用框架3個(gè)部分，具體如圖1所示。其中，金屬模具四周采用鋼肋加固，避免試樣澆筑中發(fā)生變形。非連續(xù)節(jié)理用0.42 mm厚的薄鋼片模擬，薄鋼片垂直于節(jié)理面y方向的間距約30 mm，平行于節(jié)理x方向的間距約60 mm，傾角為60°。固定用框架主要由帶孔鋼條和配套螺母、螺桿組成，可用于固定薄鋼片，保證節(jié)理位置及平面形狀的準(zhǔn)確性，避免薄鋼片在澆筑過程中出現(xiàn)彎曲及偏位。此外，鋼片下端插入模具底板，用鋼條在底板底部固定，頂部框架上的螺桿還可調(diào)節(jié)框架高度，使鋼片繃緊。試驗(yàn)表明，該新型模具系統(tǒng)可快速、高精度完成非連續(xù)節(jié)理試樣的澆筑。

圖1 模具系統(tǒng)和試樣

1.2 試件制備

模型試驗(yàn)材料為一定配合比的水泥砂漿，具體水泥、沙、水的質(zhì)量比為1∶3∶0.42。材料單軸抗壓強(qiáng)度(uniaxial compressive strength, UCS)為32.13 MPa，抗拉強(qiáng)度σt為4.01 MPa，彈性模量E為18.66 GPa，其他強(qiáng)度和變形參數(shù)均通過單軸、常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)、直剪實(shí)驗(yàn)和劈裂實(shí)驗(yàn)等測得，材料的物理學(xué)參數(shù)見表1?；谘邪l(fā)的模具系統(tǒng)，澆筑了尺寸長度×寬度×高度為300 mm×300 mm×300 mm的含非連續(xù)節(jié)理試件，節(jié)理傾角為60°，待其養(yǎng)護(hù)14 d后鉆孔、安裝錨桿，并進(jìn)行錨固灌漿。其中，鉆孔直徑為10 mm，錨桿采用HRB400E鋼筋，公稱直徑8 mm，屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為400、540 MPa；灌漿采用425普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.3，且在水泥砂漿中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的減水劑。圖2所示為加錨非連續(xù)節(jié)理試樣，其中節(jié)理傾角均為60°，錨桿數(shù)量分別為1、3、6和9根。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

圖2 加錨節(jié)理試樣

1.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)試樣尺寸較大，采用10 MN微機(jī)控制電液伺服多功能大型三軸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加載，試驗(yàn)系統(tǒng)有3個(gè)獨(dú)立的油缸，可在3個(gè)軸向方向獨(dú)立加載，每個(gè)方向都可通過高精度位移傳感器控制加載，大型三軸試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。單軸壓縮破壞試驗(yàn)采用位移控制，加載速率為0.5 mm/min，加載軸向位移至試樣破壞。試驗(yàn)加載過程中，試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)、實(shí)時(shí)記錄和顯示每個(gè)加載步對應(yīng)的荷載、位移。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變特征

圖4為不同加錨數(shù)量下非連續(xù)節(jié)理試樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，大致均可分5個(gè)階段：①初始壓密階段。該階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線上凹，主要源于試樣和承壓板之間黃油及試樣內(nèi)部初始裂隙被壓縮。②線彈性階段。該階應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系，加錨非連續(xù)節(jié)理試樣的彈性模量高于無錨節(jié)理試樣的。③非線性彈塑性階段。該階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線下凹，非連續(xù)節(jié)理試樣內(nèi)部微裂紋不斷聯(lián)合、貫通，損傷加劇，錨桿在節(jié)理面間發(fā)生細(xì)微彎曲變形。④應(yīng)變軟化階段。該階段試樣宏觀破壞面基本形成，應(yīng)力從試樣峰值強(qiáng)度逐漸降至殘余強(qiáng)度，錨桿出現(xiàn)較大彎曲變形，部分被剪斷。⑤殘余強(qiáng)度階段。該階段錨桿的錨固作用使破壞的試樣仍具有一定的承載能力，加上節(jié)理面間的摩擦力，試樣仍存在一定的殘余強(qiáng)度。

圖4 加錨節(jié)理試樣單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

值得注意的是，錨桿的數(shù)量顯著影響試樣峰后的應(yīng)力-應(yīng)變行為。當(dāng)非連續(xù)節(jié)理試樣無錨桿或僅有1、3根錨桿時(shí)，一旦超過峰值應(yīng)變，應(yīng)力-應(yīng)變曲線會出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)大的“應(yīng)力降”，最高可達(dá)5.6 MPa(1根錨桿)?！皯?yīng)力降”中，試樣宏觀破裂十分迅速，變形監(jiān)測系統(tǒng)來不及響應(yīng)，以至于該階段并不能監(jiān)測到應(yīng)變數(shù)據(jù)。當(dāng)錨桿數(shù)量增加至6或9根時(shí)，應(yīng)力降明顯減小，監(jiān)測得到應(yīng)變數(shù)據(jù)迅速增加。同時(shí)，變形監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測到的殘余強(qiáng)度階段的數(shù)據(jù)量隨錨桿數(shù)量增減顯著增加?！皯?yīng)力降”來源于試樣內(nèi)部裂紋的突然貫穿，進(jìn)而產(chǎn)生宏觀裂紋，反映的是試樣破壞的速度和劇烈程度，因此，錨桿數(shù)量的增加不僅改變了試樣峰后的應(yīng)力-應(yīng)變特征，也明顯抑制了試樣破壞的速度和劇烈程度，可減少工程地質(zhì)災(zāi)害帶來的威脅。

2.2 加錨非連續(xù)節(jié)理巖體力學(xué)性質(zhì)

圖5為加錨非連續(xù)節(jié)理試樣峰值強(qiáng)度與錨桿數(shù)量間的關(guān)系?？梢姡^桿數(shù)量較少(1、3根)時(shí)，錨桿對試樣的峰值強(qiáng)度具有一定提高作用，但其效果仍較小。當(dāng)錨桿增至6根時(shí)，非連續(xù)節(jié)理加錨試樣峰值強(qiáng)度有明顯的提高，說明此時(shí)錨桿對試樣已達(dá)到較好的加固效果。圖6為加錨試樣單軸壓縮條件下彈性模量與錨桿數(shù)量之間關(guān)系?？梢?，彈性模量與加錨數(shù)量間沒有明顯的變化規(guī)律，彈性模量在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，受到錨桿數(shù)量影響較小。圖7為試樣單軸壓縮條件下殘余強(qiáng)度與錨桿數(shù)量的關(guān)系?？梢?，隨錨桿數(shù)量增加，試樣殘余強(qiáng)度均有提高，且錨桿數(shù)量較多時(shí)殘余強(qiáng)度提高的幅度明顯變大。另外，當(dāng)錨桿數(shù)為2時(shí)，彈性模量和殘余強(qiáng)度曲線均有一個(gè)小幅異常波動(dòng)，這是試樣制作和試驗(yàn)的環(huán)境及條件不可能完全相同導(dǎo)致的離散，但并不影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整體分布規(guī)律。

圖5 峰值強(qiáng)度與錨桿數(shù)量的關(guān)系

圖6 彈性模量與錨桿數(shù)量的關(guān)系

圖7 殘余強(qiáng)度與錨桿數(shù)量的關(guān)系

2.3 節(jié)理加錨巖體破壞模式

圖8為不同加錨數(shù)量下節(jié)理試樣的破壞模式。圖8(a)為無錨桿時(shí)試樣的破壞模式，試樣沿節(jié)理面發(fā)生剪切滑移破壞，且有多個(gè)節(jié)理剪切破壞面，節(jié)理面間存在明顯的分離，試樣完整性較差。圖8(b)為1根錨桿加固下試樣的破壞模式，試樣沿節(jié)理面發(fā)生剪切滑移破壞，錨桿在主破壞面位置被剪斷；但由于錨桿的“銷栓”作用，其他節(jié)理面間沒有明顯的分離或剪切滑移，因此試樣完整性較好。圖8(c)為含3根錨桿時(shí)試樣的破壞模式，試樣除沿多個(gè)節(jié)理面發(fā)生剪切滑移破壞外，在錨桿所在平面與節(jié)理面的交線上節(jié)理面存在明顯的劈裂破壞，錨桿沒有發(fā)生剪斷，試樣破壞后保有較好的整體性。圖8(d)為6根錨桿加固試樣的破壞模式，試樣沿多個(gè)節(jié)理面發(fā)生剪切滑移，主破壞面剪切滑移明顯，部分錨桿在該滑移面被剪斷，同時(shí)試樣沿豎向錨桿平面發(fā)生劈裂破壞，右上角和左下角的部分節(jié)理面片狀巖塊被折斷；但是，由于錨桿的錨固效應(yīng)，因此試樣整體較為完整。圖8(e)為9根錨桿加固試樣的破壞模式，試樣沿最上和最下層節(jié)理面存在明顯的剪切滑移，其他節(jié)理面間的剪切滑移并不明顯，試樣沿豎向錨桿面存在劈裂裂紋，節(jié)理面片狀巖塊主要發(fā)生橫向折斷，部分發(fā)生豎向劈裂，部分錨桿被剪斷，試樣完整性較好。綜上，節(jié)理試樣在未加錨和加錨條件下的破壞模式均以沿節(jié)理面的剪切滑移破壞為主，并隨加錨錨桿數(shù)量的變化，沿錨桿豎向平面出現(xiàn)劈裂破壞，節(jié)理面之間片狀巖塊發(fā)生不同程度的折斷和劈裂，且錨桿的數(shù)量越多，劈裂現(xiàn)象越明顯。

(a)無錨桿

2.4 錨桿變形特性

試樣破壞之后，取出節(jié)理巖體內(nèi)部錨桿，觀察錨桿的變形特征，結(jié)果如圖9所示?？梢姡?dāng)僅有1根錨桿時(shí)，錨桿在主破壞面被剪斷，受載過程中承受了極大的剪應(yīng)力，見圖9(a)；當(dāng)錨桿數(shù)量為3根時(shí)，錨桿均未被剪斷，但錨桿在主要破壞面發(fā)生了不同程度的彎折，試樣在3根錨桿所在平面發(fā)生劈裂破壞，劈裂裂紋基本貫通，見圖9(b)；當(dāng)錨桿數(shù)量為6根時(shí)，有部分錨桿被剪斷，未被剪斷的錨桿在主要破壞面也發(fā)生了不同程度的彎折，但錨桿彎折的程度較3根錨桿加錨試樣的低。同時(shí)，試樣在豎向與錨桿共面的平面上發(fā)生劈裂破壞；當(dāng)含9根錨桿時(shí)，錨桿均未被剪斷，錨桿彎折也不明顯，試樣在與錨桿共面的平面上均存在劈裂裂縫，見圖8(e)。

(a)錨桿剪斷局部

圖10為試驗(yàn)后部分完整錨桿的形狀。可見，沒有被剪斷的完整錨桿均存在一個(gè)彎折段，且錨桿彎折段之外的其他部分均保持較好的直線特征，彎折段在試樣陡傾角節(jié)理面的主要破壞面之間。彎折段偏離錨桿中心軸線約7°～16°，平均為11.5°，錨桿數(shù)量越多，彎折角度越小。同時(shí)，錨桿在折彎處也存在一定的拉伸“頸縮”現(xiàn)象，說明錨桿受到來自剪切和拉伸的共同作用。

圖10 試件破壞后的錨桿變形

3 討論

3.1 錨桿對節(jié)理巖體破壞模式的影響

通過對節(jié)理加錨試樣破壞模式分析可知，試樣主要破壞為剪切滑移破壞，主要破壞面均為傾角為60°的節(jié)理面，且均存在多個(gè)滑移破壞面。此外，隨著錨桿數(shù)量的增加，主要破壞面間的張開度減小。對于節(jié)理試樣而言，其自身相當(dāng)于通過錨桿將多塊“板材”狀巖片疊置錨固而成，且?guī)r片沿節(jié)理面傾斜放置。未加錨桿時(shí)，巖片間發(fā)生剪切破壞，且錯(cuò)動(dòng)較大；當(dāng)加錨桿時(shí)，節(jié)理面間抗剪強(qiáng)度提高，巖片上端和下端在豎向壓力作用下發(fā)生彎折破壞，破壞面不規(guī)則；當(dāng)錨桿較多時(shí)，錨固效果明顯，巖片被折斷現(xiàn)象減少，但豎向劈裂加劇。

3.2 錨桿數(shù)量的合理選擇

試驗(yàn)表明，非連續(xù)節(jié)理試樣錨桿數(shù)量由3根增加到6根時(shí)，試樣的力學(xué)響應(yīng)、錨桿變形特征變化均較大，而再繼續(xù)增加錨桿數(shù)量時(shí)，其加固效果并不再顯著增加。例如，錨桿數(shù)量由6根增加到9根時(shí)，峰值強(qiáng)度增幅明顯減小，殘余強(qiáng)度增幅也減??；6、9根錨桿加固下節(jié)理試樣峰后應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律較為類似，“應(yīng)力降”均不再明顯，殘余強(qiáng)度階段應(yīng)變數(shù)據(jù)量接近，反映了這2種條件下試樣的力學(xué)響應(yīng)較為接近。因此，綜合評估錨桿數(shù)量對節(jié)理試樣的錨固效果，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，節(jié)理試樣加固存在某一最佳錨桿數(shù)量，該數(shù)量下可達(dá)到較好錨固效果，而不必盲目增加錨桿。本次采用的是砂漿試樣，但可以推測節(jié)理巖體工程的錨桿加固也存在一個(gè)最佳錨桿數(shù)量，對于節(jié)理巖體支護(hù)至關(guān)重要。

3.3 錨桿方向?qū)?jié)理巖體的影響

本文基于60°節(jié)理傾角下的加錨試樣展開試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)錨桿數(shù)量影響非連續(xù)節(jié)理試樣力學(xué)特征和破壞模式。事實(shí)上，不同錨桿安裝方向下錨桿合力在節(jié)理面的法向和切向分量不同。諸學(xué)者針對節(jié)理巖體錨固方展開了諸多研究。例如，Barton等[17]基于剪切試驗(yàn)認(rèn)為錨桿與節(jié)理平面的角度為35°～50°時(shí)，錨桿能提供最大的承載能力；陳文強(qiáng)等[18]通過直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)錨桿與節(jié)理的方向直接影響了錨桿內(nèi)部的剪應(yīng)力；劉泉聲等[19]認(rèn)為一定范圍內(nèi)錨桿傾角越大，加錨節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度越大，較大的錨桿傾角有利于發(fā)揮錨桿的“銷釘”效應(yīng)；韓建新等[20]認(rèn)為當(dāng)穿過節(jié)理的錨桿同節(jié)理角度為θ=π-φω(φω為節(jié)理面內(nèi)摩擦角)時(shí)，錨固節(jié)理巖體抗壓強(qiáng)度最大。不難看出，錨固方向?qū)渝^節(jié)理巖體力學(xué)特性具有顯著影響，然而，以往研究對象以單一、連續(xù)節(jié)理巖體為主，而非連續(xù)、多節(jié)理同樣是巖體工程中的普遍現(xiàn)象[21]，非連續(xù)、多節(jié)理巖體的錨桿錨固方向效應(yīng)有待進(jìn)一步發(fā)展，可為地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)的錨桿錨固方向優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)語

本文通過澆筑的節(jié)理試件，開展了加錨節(jié)理巖體室內(nèi)試驗(yàn)，調(diào)查了單軸壓縮條件下加錨巖體的應(yīng)力-應(yīng)變特征、破壞模式和錨桿承載、變形特性，得到的主要結(jié)論如下：

① 不同加錨數(shù)量下節(jié)理試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致可分為5個(gè)階段，即初始壓密階段、線彈性階段、非線性彈塑性階段、應(yīng)變軟化階段及殘余強(qiáng)度階段，錨桿數(shù)量顯著影響峰后節(jié)理試樣“應(yīng)力降”特征，抑制破壞速度和劇烈程度。

② 隨著錨桿數(shù)量的增加，非連續(xù)節(jié)理試樣峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度均逐漸增大，錨桿數(shù)量為6、9時(shí)增幅較明顯，錨固效果較好，最佳錨桿數(shù)量為6。此外，加錨數(shù)量對非連續(xù)試樣彈性模量無明顯影響。

③ 非連續(xù)節(jié)理試樣在未加錨和加錨條件下的破壞模式均以沿節(jié)理面的剪切滑移破壞為主，并存在多個(gè)節(jié)理破壞面。同時(shí)，隨錨桿數(shù)量的增加，破壞面間的張開度減小，豎向劈裂逐漸增加。

④ 錨桿在節(jié)理試樣破壞過程中，受到來自剪切和拉伸的共同作用，最終出現(xiàn)剪斷和彎折2種不同的破壞結(jié)果。錨桿較多時(shí)，非連續(xù)節(jié)理試樣中錨桿彎折變形量降低，折斷現(xiàn)象減弱。

⑤ 本文僅調(diào)查了60°節(jié)理傾角下加錨試樣的力學(xué)特征和破壞模式，其他非連續(xù)節(jié)理傾角下的巖體承載特性、最佳錨固方向仍不清楚，相關(guān)方面的研究仍有待展開。