不同錨固參數巖體破裂變形特征研究

高 帥，續培東，胡佳琦，張 順，徐振銘

（河北工程大學 礦業與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

煤炭資源開采過程中，礦井巷道受地應力與工程擾動等因素影響，圍巖極易發生變形和破壞，通過在巷道圍巖中布設錨桿，可以使桿體與圍巖形成錨固體，提升圍巖的力學性能，提高其穩定性。關于錨桿支護中不同錨固參數對錨固體力學性能的影響，國內學者進行了大量研究。騰俊洋等[1]對無錨、端錨與全錨3 種不同錨固方式的試件進行單軸壓縮試驗，發現層理方向和錨固方式對錨固體強度的提高幅度有重要影響；王平等[2]對預制錨固單排裂隙試件進行單軸破斷試驗，提出了主控裂紋的概念；余偉健等[3]對水平方向加錨和未加錨傾斜煤巖組合體進行單軸壓縮試驗，對煤巖體的拉剪復合破壞規律進行了總結；張波等[4]通過單軸壓縮試驗，對含交叉裂隙節理巖體的錨固效應及破壞模式進行了研究；孟波等[5]對破裂圍巖錨固體以及錨桿的變形破壞特征展開研究，發現隨著錨桿預緊力的增加，錨固體發生破壞后滑移塊體會出現二次破壞；張寧等[6]通過對不同錨固方式條件下的相似材料進行單軸壓縮試驗，探究了錨桿對試件強度及裂隙擴展模式的影響。

由以上可知，基于單軸、三軸試驗已經對錨固體的力學特性進行了大量研究，但對于準平面應變條件下單側臨空錨固體的拉剪破裂演化及變形特征研究相對較少。本文針對水平錨固條件下不同錨桿間距與傾斜錨固條件下的不同錨固角度展開研究，通過錨固體破裂演化及變形破壞特征對錨固機制進行深入探討。

1 試驗設計

1.1 試件制備

本次研究選用150 mm×150 mm×50 mm 的錨固體模型，其中巖體部分由河沙、石膏和水混合而成，質量比為3∶7∶6，錨桿采用304 號鋼，力學參數見表1。

表1 錨桿力學參數[7]Table 1 Mechanical parameters of bolt

其中水平錨固的錨固體采用均勻布設，分為39、31 和25 mm 三類不同間距；傾斜錨固試件在將右側上端部作為預設錨桿的固定位置進行錨固，錨桿數量固定為2 根，控制斷面間距25 mm，分別以10°、20°和30°三種不同錨固角度布置錨桿。布設方式如圖1 和圖2 所示。

圖1 水平錨固下不同間距錨桿布設示意圖Fig.1 The schematic diagram of different spacing bolt layout under horizontal anchorage

圖2 傾斜錨固下不同錨固角度錨桿布設示意圖Fig.2 The schematic diagram of different anchoring angles under inclined anchoring

1.2 試驗系統設計

本次試驗采用YA-600 電液伺服壓力機進行加載，加載模式為位移控制加載，固定加載速度0.01 mm/s，同時為保證加載過程中試件受力均勻平穩，試驗初始階段通過壓力機對夾具施加0.2 kN 的預緊力。

模型試件加載裝置主要組成部分：上壓頭配合單軸壓縮機實現對試件的加載；試驗底部承壓板、前后2 塊擋板和左側的槽鋼用以控制試件的位移，其中為了錨桿端部伸出時不受限，對左側槽鋼的中間進行開槽。通過此裝置實現單側臨空自由面的加載條件。

2 錨固體拉剪破裂演化及變形特征研究

為提高試驗結果準確性，每組試件分別進行3次加載試驗，加載完成后對試件加載前后的橫向尺寸進行測量，計算獲得橫向位移量并取平均值。對每組試驗中破裂特征明顯的試件進一步拆解，通過斷面產狀判斷其力學行為。其中，顆粒明顯的粗糙斷面判斷為張拉型，擦痕明顯的平整斷面判斷為剪切型。

2.1 無錨固試件變形破壞特征分析

通過測量獲得3 組無錨固試件的橫向位移量見表2，對3 組變形量取平均值為12 mm，以該值為標準對比不同錨固參數下錨固體的橫向變形破壞量，對錨固參數的影響進行定量分析。

表2 無錨試件橫向變形量Table 2 Lateral deformation of test block without bolt

無錨試件破裂拆解如圖3 所示。無錨支護的試件發生破裂時，試件受單向加載影響內部產生裂紋，試件整體出現較為明顯地朝右側自由面方向的剪切滑移，同時由于試件靠近自由面一端拉伸破裂程度較大，試件右側出現巖塊剝離脫落現象。對破裂試件沿著主要裂紋進行拆解可以將試件分為5 部分，其中試塊①受多向位移限制和上部壓頭加載影響，形成“V”形破裂面；在加載過程中，試塊②由于加載裝置與試件的相互作用被進一步壓密，與試塊①間出現產生剪切錯動，使得試塊①表現為整體向自由面一側滑移的趨勢；試塊③隨著加載進行，在試塊①、試塊②與底部承壓板的作用下，向臨空自由面方向被擠出；試塊④與試塊⑤由于右側臨空自由面的存在，受到試塊①向右側錯動影響，上下端部應力逐漸增大，發生張拉破壞從試件中剝離。

圖3 無錨試件破裂拆解示意Fig.3 Rupture dismantling of test block without bolt

2.2 水平錨固試件變形破壞特征分析

為探究在水平錨固方式下不同錨固間距對相似模型試件錨固效果的影響，研究制備39、31、25 m 三類不同間距的錨桿布置方式下的9 個試件。通過特制的試驗裝置對試件進行單軸加載，對錨固試件加載完成后的破裂面形態特征進行分析，探究水平錨固對試件破裂的錨固效果。

水平錨固方式下不同錨固間距試件的橫向變形位移量見表3。

表3 水平錨固試件橫向變形量Table 3 Lateral deformation of test block with horizontal anchorage

沿水平方向布設錨桿后，試件的橫向變形得到了明顯的抑制，其中39 mm 錨固間距試件的平均橫向位移量為6.17 mm，31 mm 錨固間距試件對應平均橫向位移量為2.83 mm，25 mm 錨固間距試件對應橫向位移量為1.5 mm，與無錨桿試件相比，橫向位移分別降低了48.58%、76.42%和87.5%。在錨固間距為25 mm 時，試件的橫向變形位移量降低最多，對于橫向變形的抑制作用最明顯。

沿水平方向布設錨桿后，試件的橫向變形得到了明顯的抑制，其中39 mm 錨固間距試件的平均橫向位移量為6.17 mm，31 mm 錨固間距試件對應平均橫向位移量為2.83 mm，25 mm 錨固間距試件對應橫向位移量為1.5 mm，與無錨桿試件相比，橫向位移分別降低了48.58%、76.42%和87.5%。在錨固間距為25 mm 時，試件的橫向變形位移量降低最多，對于橫向變形的抑制作用最明顯。

2.2.1 39 mm 錨固間距

水平錨固下39 mm 錨固間距試件破裂拆解如圖4 所示。

圖4 水平錨固下39 mm錨固間距試件破裂拆解示意Fig.4 Rupture dismantling of test block with bolt 39mm anchor spacing under horizontal anchorage

在對試件沿水平方向加設39 mm 間距的錨桿錨固時，試件破裂受錨桿作用影響，內部拉剪裂紋發育明顯受到抑制。對破裂試件沿著主要裂紋進行拆解，其中試塊①受端部壓頭加載影響，與試塊②、試塊③之間產生剪切滑移；試塊⑤在加載過程中與試塊②、試塊③之間產生剪切滑移，受裝置位移限制被進一步壓密；試塊③隨加載進行，在試塊①、試塊②與底部承壓板共同作用下，向臨空自由面方向被擠出；試塊④由于右側臨空自由面的存在，受內部剪切滑移影響較小，在上下端部應力逐漸增大的過程中，試塊④發生張拉破壞從試件中剝離，但受錨桿的作用影響，未發生剝落。

2.2.2 31 mm 錨固間距

水平錨固下31 mm 錨固間距試件破裂拆解如圖5 所示。

觀察圖5 可知，當對試件水平方向上加設31 mm 間距的錨桿錨固時，試件內部拉剪裂紋明顯減少，試件整體以剪切裂紋貫通破壞為主，同時在發生剪切的兩側塊體內存在少量張拉裂隙。對破裂試件沿著主要裂紋進行拆解，可以將試件分為4 部分，其中試塊①由于端部壓頭下壓，與試塊②、試塊④之間產生剪切滑移，并向臨空自由面方向錯動；受錨桿的作用影響，試塊②、試塊④的剪切滑移受到抑制，試塊②被進一步壓密的過程中與試塊④間出現張拉破壞；試塊④隨著加載進行，產生向臨空自由面一側的剪切滑移，同時受錨桿的作用影響，呈現出被壓實的狀態；試塊③由于右側臨空自由面的存在，受到深部剪切滑移帶來的影響較小，在上下端部應力逐漸增大的過程中，發生張拉破壞從試件中剝離，但由于錨桿的作用，試塊③未發生剝落。

2.2.3 25 mm 錨固間距

水平錨固下25 mm 錨固間距試件破裂拆解如圖6 所示。

當試件為水平錨固下錨桿25 mm 間距錨固時，試件內部的剪切裂紋與拉伸裂紋發育程度與無錨試件、39 mm 以及31 mm 間距錨固試件相比較少。如圖6 所示，由于25 mm 間距下，錨桿數量達到5根，對于試件橫向變形抑制的程度更加顯著，試塊①、試塊②、試塊③與試塊④間均只產生細微的拉伸裂紋，在靠近臨空自由面位置，試塊③、試塊④與試塊⑤間出現了輕微的剪切滑移，試件整體破裂程度較弱。

通過對比水平錨固方式下不同錨固間距試件破裂形態可知，沿水平方向進行錨桿錨固，對試件的橫向變形抑制作用明顯，試件的拉伸破裂得到有效控制，無錨試件中出現的靠近自由面側的巖塊剝落現象得到明顯改善，說明水平錨固條件下適當減小錨桿間距可以有效控制試件的變形破壞程度。

2.3 傾斜錨固試件變形破壞特征分析

鑒于試件尺寸的局限性，傾斜錨固試件將右側上端部作為預設錨桿的固定位置進行錨固，通過特制的試驗裝置進行單軸加載試驗，對試件破裂形態及變形破壞特征進行分析，探究錨桿以不同傾斜角度錨固對試件破裂與變形的控制作用，分析傾斜錨固的作用機理。

表4 傾斜錨固試件橫向變形量Table 4 Lateral deformation of test block with inclined anchoring

通過與無錨試件對比可以發現，試件在傾斜錨固后，同樣有效降低了試件的橫向變形位移量，傾斜10°錨固試件的平均橫向位移量為5.17 mm，位移量降低了56.92%；傾斜20°錨固試件的平均橫向位移量為3 mm，位移量降低了75%；傾斜30°錨固試件的平均橫向位移量為4.33 mm，位移量降低了63.92%。隨著錨固角度的提升，試件橫向變形受到抑制，但在錨固角度達到30°時，試件的橫向變形出現小幅度的增加。

2.3.1 錨桿10°傾斜

圖7 為錨桿10°傾斜錨固試件破裂拆解情況。在錨桿錨固角度為10°時，試件內部拉剪裂紋得到了一定程度的抑制。受上端部傾斜錨桿錨固作用影響，試件內部的剪切裂紋并未發育貫通，只在內部產生少量的剪切裂紋，試件下部以張拉破壞為主，產生較多的拉伸裂紋。對破裂試件沿著主要裂紋進行拆解，可以將試件分為5 部分，其中試塊①由于壓頭加載下壓作用，與試塊②、試塊④之間產生剪切滑移；試塊②由于被進一步壓密，并與試塊③間產生拉伸裂紋，使得試塊③整體呈現向臨空自由面移動的趨勢；試塊⑤由于右側臨空自由面的存在，受到深部剪切滑移帶來的影響較小，在上下端部應力逐漸增大的過程中，與試塊④之間產生拉伸裂紋，但受錨桿錨固作用，未發生剝落。

圖7 錨桿10°傾斜錨固試件破裂拆解示意Fig.7 Rupture dismantling of test block with anchor bolt 10°inclined anchoring

2.3.2 錨桿20°傾斜

圖8 為錨桿20°傾斜錨固試件破裂拆解情況。當以20°傾角為試件安設錨桿錨固時，試件由于多向位移受限，內部產生少量的拉伸裂紋與剪切裂紋，臨空自由面側試件的張拉破壞得到明顯抑制。對破裂試件沿著主要裂紋進行拆解，可以發現試塊①與試塊③、試塊④之間出現剪切滑移，受錨桿錨固的作用，與深部試塊②間產生拉伸裂紋；試塊②受加載裝置與試件內部塊體的相互作用被進一步壓密，同時與試塊③之間產生拉伸裂紋，使得其整體呈現向臨空自由面移動的趨勢；試塊③、試塊④受到試塊①的向下擠壓，向臨空自由面方向移動，但受錨桿作用影響，試塊沿錨桿錨固角度向臨空自由面方向滑移，同時剪切裂紋沿錨桿方向擴展；試塊④受到深部剪切滑移帶來的影響較小，在端部應力逐漸增大的過程中，與試塊③間出現拉伸破裂。

圖8 錨桿20°傾斜錨固試件破裂拆解示意Fig.8 Rupture dismantling of test block with anchor bolt 20°inclined anchoring

2.3.3 錨桿30°傾斜

圖9 為錨桿30°傾斜錨固試件破裂拆解情況。當以30°傾角為試件安設錨桿錨固時，試件內部破裂主要以張拉破裂為主。試塊①、試塊②、試塊③、試塊④之間均為拉伸裂紋，試塊⑤受位移限制影響被進一步壓密，并與試塊④間產生剪切裂紋，使試塊④整體呈現向臨空自由面滑移的趨勢，但在錨桿錨固作用下塊體并未發生剝落；試塊①同樣由于加載裝置與試件內部相互作用被進一步壓密，與試塊②之間產生拉伸裂紋，試塊④整體呈現向臨空自由面移動的趨勢；試塊④由于右側臨空自由面的存在，受到深部張拉破壞帶來的影響較小，在上下端部應力逐漸增大的過程中，與試塊③之間產生拉伸裂紋，但由于錨桿的作用，試塊④未發生剝落。

圖9 錨桿30°傾斜錨固試件破裂拆解示意Fig.9 Rupture dismantling of test block with anchor bolt 30°inclined anchoring

10°傾斜錨固試件相比無錨試件，試件的拉剪破裂得到了明顯的抑制；隨著錨固角度提升到20°，試件的剪切滑移破壞得到了明顯的改善，試件只有少量的拉伸裂紋產生，錨固效果為最優；當錨固角度提升到30°后，錨固效果強于10°傾斜錨固，但與20°傾斜錨固相比，錨固體破裂程度出現升高趨勢。

3 結 論

（1）水平錨固與傾斜錨固兩種錨固方式均可有效降低試件的橫向變形位移量，錨固試件的拉剪破裂程度顯著降低。說明錨桿錨固對試件的變形破壞有明顯抑制作用。

（2）在水平錨固方式下，隨著錨桿間距的減小，試件的拉伸破裂裂紋明顯減少，橫向位移量逐漸降低，試件以剪切滑移破裂為主。說明一定范圍內減小錨桿間距可以有效抑制試件的變形破壞及拉剪破裂的擴展。

（3）在傾斜錨固方式下，錨桿錨固角度為20°時，試件的剪切滑移破壞得到了明顯的改善，試件只有少量的拉伸裂紋產生；錨固角度10°與30°的錨固效果均弱于20°的錨固角度，說明在使用錨桿對巖體進行錨固時，存在最優錨固角度，為進一步展開研究提供了理論參考。