分層多次高壓注漿預應力錨固試驗與數值模擬

謝振華 楊 棟 范冰冰

(1.中國勞動關系學院安全工程系，北京 100048； 2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

分層多次高壓注漿預應力錨固試驗與數值模擬

謝振華1楊 棟2范冰冰2

(1.中國勞動關系學院安全工程系，北京 100048； 2.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083)

為了治理露天礦山破碎巖質高陡邊坡，增強邊坡穩定性，從分析錨桿預應力錨固技術和高壓注漿技術機理入手，采用水力劈裂應力場計算得出高壓劈裂的漿液走向，提出了結合2種技術優點的分層多次高壓注漿預應力錨固技術。然后，通過在實驗室中對普通錨固體與分層多次高壓注漿劈裂形成的錨固異形體模型分別進行拉拔對比試驗，采集錨桿應力分布數據，分析其應力傳遞規律，得出分層多次高壓注漿預應力錨固技術能使錨固段的承載力提高約39.25%，同時可以避免應力集中。最后，利用FLAC3D軟件建立模型進行模擬，取4組不同起劈寬度和4組不同的起劈長度，施加相同的拉拔力，分別進行對比研究，分析其內部應力分布及傳遞規律。研究結果表明：相對于普通錨固異形體，分層多次高壓注漿劈裂形成的錨固異形體可以承擔更多的剪應力，并且隨著劈裂程度的增大，漿脈的長度更長，起劈寬度更大，漿脈應力場的影響力更大，錨固效果更好。

破碎巖質高陡邊坡 穩定性 分層多次高壓注漿 預應力錨固 拉拔試驗 應力分析 FLAC3D楔形模型

隨著礦山開采技術的進步和資源的不斷利用，我國露天礦山邊坡呈現出越來越高、越來越陡的趨勢。節理發育，巖體較為破碎且邊坡高度在70 m以上、坡腳大于45°[1]的天然或人工邊坡稱為破碎巖體高陡邊坡。邊坡的高度和開采深度的增加，使得露天礦山高陡邊坡的穩定性問題越來越突出，嚴重阻礙礦山的安全、高效生產[2]。因此，加強礦山不穩定邊坡的治理，對保障礦山的安全生產具有重要的意義。目前，我國工程上應用較多的邊坡加固技術主要包括支擋類、錨固類和錨固支擋類3類[3]。錦豐露天礦采取噴錨網+長錨索支護、長錨索+鋼帶支護、噴錨網支護、抗滑樁支護及 HDPE 防滲膜護坡等方式進行邊坡加固[4]。張布榮針對撫順西露天礦傾倒型巖石邊坡破壞的特點，提出了“串層錨桿”加固成層傾倒型巖石邊坡的治理措施[5]。這些技術在一定程度上有效地對邊坡進行了支護，但是并不能很好地解決破碎巖體高陡邊坡的穩定性問題[6-7]。因此，本研究根據露天礦破碎巖體高陡邊坡的巖性、結構面的發育程度和組合形態、水文條件等特點，首次提出利用分層多次高壓注漿預應力錨固技術，進行邊坡加固和治理。

1 分層多次高壓注漿預應力錨固機理

1.1 工藝過程

分層多次高壓注漿預應力錨固技術的具體工藝過程為：第1次注漿時，采用不加壓的方式，使漿液在注漿孔范圍內流動，待其凝固后將在孔內形成柱形漿脈，作為其余幾次注漿的止漿塞，同時改善注漿孔周圍巖體性質；之后采取注漿孔內預留長度不同注漿管的方法，分層次實施多次注漿，根據工程實際情況逐次增加注漿壓力，可在最后1次注漿時采用高壓注漿，工藝如圖1所示(以4次注漿為例)，最終完成預應力錨固，達到穩定邊坡的目的。在節理發育、巖體較為破碎的露天礦邊坡上實施分層多次高壓注漿預應力錨固，效果尤為明顯。

圖1 分層多次高壓注漿漿液擴散示意

1.2 作用原理

分層多次高壓注漿預應力錨固技術結合了錨桿預應力錨固和高壓劈裂注漿技術。預應力錨固主要是利用錨桿與巖體共同的作用，將滑坡推力傳入錨固段，改善邊坡巖體的穩定性條件[8]；在預應力錨固施工中采用高壓劈裂注漿，利用較高的注漿壓力向錨桿鉆孔中注入漿體，先后克服巖體的初始應力和抗拉應力使漿體得到有效擴散，在地層中產生不規則注漿漿脈，形成錨固異形體[9]，有效避免了因錨固體從巖土體中拔出而導致的錨固失效。

采用高壓注漿能有效地提高錨桿的承載力，主要表現在[10-11]：高壓劈裂注漿的擠壓作用可以提高巖體原始凝聚力；提高錨固段巖土體的內摩擦角；提高錨固段巖土體剪切面上法向應力值；改善巖體軟弱面的力學性質提高了巖體的穩定性和錨固效果；提高巖體自身的抗水性，降低其透水性，使破碎巖體更趨于完整，增強邊坡巖體的穩定性。

1.3 水力劈裂機理

水力劈裂是分層多次高壓注漿的基本機理，在實施錨注時，必然需要對鉆孔進行高壓注漿，由此產生的水壓致裂現象是形成錨固異形體的基礎。理論上，在巖體中打孔后，即破壞了其原來的應力場狀態，使得孔壁周圍的應力重新分布。根據彈性力學中雙向受力的無限大平板中有一孔的模型來分析，可以得到在注入壓力時，鉆孔起劈前的應力場為[12]。

(1)

式中，σr為鉆孔徑向主應力，Pa；σθ為鉆孔周向切向主應力，Pa；τrθ為鉆孔軸向切應力，Pa；σ1、σ2、σ3分別為鉆孔附近巖體3個主應力，Pa；p0為鉆孔注漿壓力，Pa；r0為鉆孔半徑，m。

根據式(1)，令

有：θ=90°或270°。因此，對于帶有鉆孔的模型，水力劈裂起劈總是于90°或270°方向上，裂縫分布處于垂直最小主應力軸方向。另外，由于孔壁處最小周向應力為

σθ=3σ3-σ1-p0.

(2)

根據最大拉應力準則[13-14]，若σθ>σt(巖體抗拉強度)時，孔壁隨即產生破裂且起劈壓力為

p0=3σ3-σ1+σt.

(3)

根據以上分析，劈裂后的鉆孔呈如圖2的狀態。

2 高壓注漿錨固技術應力分布試驗

2.1 試驗的方法與方案

為研究一般錨固體與分層多次(以2次注漿為例)高壓注漿形成的錨固異形體在應力分布和錨固效果上的不同，特在實驗室進行對比試驗，將錨固體部分做成試件，采用將錨固體從基體拔出的試驗方案。

圖2 劈裂后的鉆孔

2.1.1 試驗材料

(1)混凝土基體。采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥和平潭標準砂按照灰砂比1∶3的比例制作。基體呈圓柱形，總體高度600 mm，直徑400 mm。

(2)錨固體灌漿材料。采用1∶2的水泥砂漿，水泥為強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，砂子采用平潭標準砂。

(3)錨桿。采用φ16 mmⅡ型螺紋鋼筋，鋼筋屈服強度σe=370 MPa，極限強度560 MPa，彈模E=2×105MPa，L=600 mm，其中外露長度200 mm，錨固長度400 mm。使用時按照要求打磨加工。

(4)應變片。采用5 mm×3 mm箔式膠基應變片，電阻值為(120±0.1)Ω。

(5)模具。基體模具采用內徑為400 mm的波紋管；一般錨固體模具采用外徑為60 mm的PVC管；錨固異形體模具采用內徑為245 和60 mm的PVC管，使用時按照要求將模具截成相應長度。

2.1.2 模型制作

(1)一般錨固體的制作。截取φ16 mmⅡ型螺紋鋼600 mm作為錨桿，距錨桿頂端200 mm處取一基點，自上而下依次按照距離基點10、30、60、100、150、200、250、300、350、400 mm處黏貼應變片。將處理完畢的錨固放入長度為400 mm的封底的一般錨固體模具，灌入錨固體灌漿材料，養護成型后取下模具，錨固體制作完成。

(2)錨固異形體的制作。截取內徑為245 mm的PVC管400 mm，取塑料薄膜包裹著的不同大小巖石沿管內壁碼放一周(模型中心預留直徑約60 mm的空間)，碼放高度為200 mm,巖石與管內壁之間縫隙充滿砂土。將經過同上處理的錨桿放入模型中心，套入200 mm長的φ60 mm PVC管，管下端與石塊緊密相接，不留縫隙，在兩管之間空間加入沙土。隨后向內層管內灌入灌漿材料，漿液侵入石塊之間縫隙，形成模擬高壓注漿漿脈，如圖3。漿液灌滿后養護成型，取出模具、石塊和砂土，錨固異形體制作成功。

圖3 錨固異形體的制作

2.1.3 試驗方法

將2個錨固體放置于高度為400 mm的封底基體模具中心，灌入混凝土，養護成型后去掉模具，進行拉拔應力測試。試驗采用ZY-50T型錨桿拉拔計，拉拔機置于反力架上，如圖4所示。試驗測試采用YSV型動態信號采集儀，采樣頻率為40 Hz，應變片采用1/4橋的方式連接到儀器上。動態信號應變采集儀從錨桿拉拔計有示數起即進行采集，每隔1 kN拉拔力即停止加壓，穩定10 s并記下采集時間；如此進行下去，直到發生錨固破壞即停止。

2.2 試驗結果與分析

試驗對2組模型進行了拉拔測試。2組試驗拉拔力按照表1加載。

表1 拉拔載荷加載

Table 1 Pullout load loading kN

錨固一般錨固體7152230374552錨固異形體7152230374552錨固一般錨固體6067758290-錨固異形體606775829097

借助于應變片，可以得出錨桿上各測試點的應變值，而鋼筋沿桿長的平均剪應力可由相鄰2點的應變值獲得：

(4)

式中，τi為第j點和第j+1點之間的平均剪應力；d為鋼筋直徑；Δx為應變片的間距；εj,εj+1為第j點與第j+1點間的鋼筋應變值；A為錨桿橫截面積。

圖4 拉拔試驗

結合式(4)可以獲得在不同級別拉拔載荷下，沿著錨桿分布的10個檢測點的剪應力值。一般錨固體10個監測點的剪應力總值為102.51 MPa，分層多次高壓注漿錨固異形體的10個監測點的剪應力總值為142.73 MPa。可見，分層多次高壓注漿錨固異形體承載的剪應力更多，相對于一般錨固體承載力提高約39.25%。

一般錨固體和分層多次高壓注漿錨固異形體拉拔試驗在不同級拉拔載荷下，剪應力沿錨桿的分布分別如圖5和圖6所示。

圖5 一般錨固體試驗不同級拉拔載荷下剪應力沿錨桿分布匯總

從圖5和圖6中看出，一般錨固體錨桿應力分布和較低荷載下錨固異形體錨桿應力分布情況，即在在錨桿錨固較淺處，出現相對較大的應力峰值，之后剪應力沿錨桿錨固深度快速下降，在錨桿深處接近于0；隨著拉拔力的增加，兩類錨固體錨桿上的應力峰值均向錨固深部移動。

對比圖5、圖6還發現，一般錨固體和錨固異形體在不同載荷作用下剪應力沿錨桿分布情況有很大不同，主要表現在：

(1)應力峰值情況。一般錨固體試驗中，隨著拉拔力的增大，錨桿承受的最大剪應力也逐漸增大(拉拔力為90 kN時，錨桿承受最大剪應力為6.5 MPa左右)；而在錨固異形體試驗中，在初始低荷載階段(小于60 kN)，隨著拉拔力的增大，錨桿承受的最大剪應力基本呈逐漸增大的趨勢，當拉拔力繼續增大(大于60 kN)時，錨桿承受的最大剪應力無明顯增大的趨勢，基本穩定在3～4.5 MPa。

(2)應力集中情況。一般錨固體試驗中在不同載荷下的最大剪應力附近有明顯的應力集中現象，錨桿深處的剪應力基本為0；而在錨固異形體試驗中，隨著拉拔力的增加(從37 kN起)，剪應力曲線比較平穩地分布在峰值處，沒有出現應力集中的情況。

3 數值模擬

利用FLAC3D軟件進行高壓注漿漿脈錨固體應力分布數值模擬，對鉆孔起裂后形成漿脈的形態對錨固效果的具體影響進行研究。

3.1 建立模型

數值模擬計算采用三維模型，在坐標系內建立8 m3的塊體作為錨固基體。塊體中央預留直徑60 mm的鉆孔，模型上表面中心位置坐標為(1.5，1.5，2)。整個模型采用楔形體網格建立，底面固定x,y,z坐標，面x=0.5和x=2.5固定z，x坐標，面y=0.5和y=2.5固定z，y坐標，錨桿采用FLAC3D軟件中的cable單元。其模型基體如圖7所示，計算中各種材料的物理力學指標見表2。

表2 模型中的材料參數

在以上建模的基礎上，在錨固深度為250 mm處建立漿脈異形體，并在鉆孔中心處加入錨桿，模型如圖7。對錨桿端頭施加1×105Pa的拉拔應力。根據上述水力劈裂的機理分析，試驗假設漿脈空間形狀為類四面體的楔形，徑向尖滅而縱向長度不變。因此，以漿脈起劈寬度和漿脈長度為主要漿脈形態的變量分別建立模型進行研究。

圖7 模型體建模示意

3.2 模擬結果及分析

經過模擬漿脈同為原鉆孔直徑3倍的系列模型，得到z方向上過(1.5，1.5，0)、以(0，1，0)為法向量的剖面剪應力云圖，如圖8所示。對于漿脈起劈寬度同為50%的系列漿脈，得到z方向上過(1.5，1.5，0)、以(1，1，0)為法向量的剖面剪應力云圖，如圖9所示。

根據圖8可以看出，隨著起劈寬度的增加，錨桿錨固所產生的剪應力逐漸向試驗塊體的深處傳遞。在錨固體附近，剪應力漸漸隨著漿脈起劈寬度的增加,從主要集中分布在錨固淺端附近向錨固異形體部分轉移，錨固長度得到充分的利用，漿脈對應力場的影響力也得到增大。

根據圖9可以看出，隨著漿脈長度的增加，錨固體的影響范圍也在增大，剪應力也漸漸向漿脈上集中，即對于相同的拉拔應力而言，長度增加的漿脈貢獻了越來越多的黏結應力；同時由于漿脈的分擔，錨桿桿體上的剪應力在末端減小，即相對更加充分地利用了錨固體的錨固能力同時又減小了錨桿與錨固體界面間的剪應力強度。

圖8 3倍孔徑長漿脈下不同起劈寬度的模型剪應力云圖

圖9 50%起劈寬度下不同長度漿脈的模型剪應力云圖

4 結 論

(1)相對于普通錨固異形體，分層多次高壓注漿形成的錨固異形體可以承擔更多的剪應力，承載效果可以提升39.25%；隨著拉拔力的增加，分層多次高壓注漿形成的錨固異形體剪應力分布主要區域緩慢向錨桿內部傳遞，應力分布的范圍逐漸增大，能有效避免應力集中，更充分地利用錨固段的長度，具有良好的錨固效果。

(2)分層多次高壓注漿形成的漿脈對錨固效果有直接的影響，漿脈越長，劈裂范圍越大，提供的黏結應力越大，對錨固體錨固能力的利用越充分，錨固效果越好。

(3)相對于傳統錨固技術，分層多次高壓注漿預應力錨固技術在工程中能更好地加固和治理破碎巖質高陡邊坡，進一步保障礦山的安全生產，提高礦山的經濟效益。

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(責任編輯 徐志宏)

Experimental Study and Numerical Simulation of Pre-stressed Anchorage Technology with Hierarchical Multi-time High Pressure Grouting

Xie Zhenhua1Yang Dong2Fan Bingbing2

(1.Department of Safety Engineering，China Institute of Industrial Relations，Beijing 100048，China；2.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China)

In order to treat the broken-rock high and steep slope of open-pit mine and improve the slope stability，the slurry flow of high pressure splitting grouting are obtained by calculating the stress field of hydraulic fracture，based on mechanism analysis of pre-stressed anchorage and high-pressure grouting.The pre-stressed anchoring technique of the hierarchical multi-time high pressure grouting combining with advantages of two techniques above is put forward.Then，the contrastive pull-off tests of anchoring shaped models formed by the ordinary anchor solid and multi-time layered high pressure grouting solid are made.The stress distribution data of anchoring bolt are collected and its stress transmission rule is analyzed.It is concluded that the hierarchical multi-time high pressure grouting technique improved the bearing capacity of the anchoring by 39.25%.Meanwhile，it can avoid from the stress concentration.Finally，FLAC3Dis used to build a simulation model.Experiments that the same put-off force bears on four groups of different splitting width and four different heights are respectively made to contrast and analyze the distribution and transmission rule of the internal stress.The results showed that comparing with the ordinary anchorage，the hierarchical multi-time high pressure grouting can bear much more shearing strength.With the increase of splitting，the slurry vein length will be longer，the splitting width will be wider and the stress field of slurry vein will have a more significant effect.These result in better anchoring performance.

Broken-rock high and steep slope，Stability，Multi-time layered high pressure grouting，Pre-stressed anchorage，Pull-off test，Stress analysis，FLAC3D，Wedge model

2014-09-09

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAK09B05)。

謝振華(1968—)，男，副教授，博士。

X936

A

1001-1250(2014)-11-016-06