不同岩土体锚杆支护效果研究

不同岩土体锚杆支护效果研究

韩龙飞 郭耐 朱文伟 孟志远 姚晓聪 王云龙

中建建筑第五工程将有限公司河南公司，河南 商丘 476000

摘 要：为研究不同岩土体在锚杆支护作用下的效果，以对穿锚杆支护体为研究对象，通过试验研究，结果发现，软岩土体在施加对穿锚杆支护后，由于岩体的硬度较低，导致锚杆受到的轴力远小于砌极限破断值，支护体的承载力会不断的增加，但承载力没有明显的大幅提升或大幅降低。硬岩类支护体在施加对穿锚杆支护后，当支护体承受荷载达到一定值后，岩体传递给锚杆的力会超过其破断极限值，锚杆发生破断后，整个支护体的承载力会瞬间下降。

关键词：对穿锚杆；软岩；硬岩；承载力

中图分类号：TU458+.3 文献标识码：A

0 引言

随着国家进一步推动“一带一路”的建设，我国工程建设方面的发展得到了大量的实践支撑，但是理论基础发展的滞后，将势必会影响工程实践的发展。国内针对锚杆支护方面的研究并没有得到重视，相关方面的研究并不够完善，其中吴渤[1]通过室内模型试验以及数值模拟研究了层状岩体的变形破坏形式与倾角有关，进一步研究了层状岩体的支护锚杆受力、变形特征。刘玉栋[2]针对深层隧道开挖时马头门的预应力支护效果进行了探索。肖敏[3]在支护体围岩的力学特性进行了深入研究，发现不同强度的锚杆对岩石破坏前的加固作用是相同的，高强度锚杆没有优势。本文通过实验研究，针对不同岩体在锚杆支护作用下的效果进行了研究。

1、试验设计

此次所采用模具的尺寸为200×150×200mm，锚杆直径3mm，长250mm。垫片为直径10mm、厚1mm，螺母为直径6mm。为了能更真实还原岩土体的实际受力状况，通过材料配比试验选出合适的材料试件，采用的材料有水、建筑石膏粉、高强石膏粉、325水泥、425水泥、细河砂，根据实验条件以及试件的峰后承载力变化趋势，选定高强石膏作为硬质岩的试验材料，选用建筑石膏作为软岩的试验材料，加入水泥材料试件以及建筑石膏试件加载过程如图1，

图1 支护承载过程

数值模拟采用FLAC3D软件进行数值模拟分析，根据无支护试件峰后承载力的变化趋势，数值模拟中本构模型选用的是应变软化模型。建立200×150×200mm的立方体模型。通过室内试验，得出试块的相关参数，在本次数值模拟中，模型的参数如下表1所示：

表1 模拟参数表

2 实验结果

无支护情况下，相似试验得出的试块应力应变曲线中，软岩最大承载力为161KN，此时竖向位移为1.8mm，通过计算应力应变曲线的斜率计算出弹性模量为0.596GPa。在试块承载力达到峰值后，试块快速破裂，承载力成陡崖式下降。硬质岩试块的最大承载力约为490KN，此时竖向位移为3.4mm，根据应力应变曲线的斜率可计算出其弹性模量为0.941GPa。

通过数值模拟对试验细节进行探究，可以从图中看出，相似试验与数值模拟得出的硬质岩试块应力应变曲线拟合度较高，证明数值模拟试验可以作为补充试验。

图2 硬质岩相似试验与数值模拟对比

由FLAC3D数值模拟发现，软岩Y向位移值最大达到23.36mm，硬质岩Y向位移值最大达到13.92mm。软岩在无支护情况下塑性区为14.56×10-3，硬质岩塑性区为12.56×10-3，软岩在无支护情况下Y向位移以及塑性区体积明显要大于硬质岩。

图3 试块Y向位移

石膏试件在侧向均画上边长1cm的方格，然后施加锚杆，锚杆上贴上便签，以便于记录观察。建筑石膏试件强度只有5~6MPa，强度远远小于硬质岩，导致与锚杆强度差距过大，锚杆没发生实际工程中见到的破断情况。如图4是建筑石膏软岩（左）以及高强石膏硬质岩（右）试块在16根锚杆均匀支护情况下的应力应变曲线。

图4 软岩（左）及硬质岩（右）施加锚杆后支护效果

由图可以发现，在锚杆支护后，发现软岩试件的强度在峰值后一直增加，并不会下落。导致这种情况发生的主要原因在于锚杆在该强度下，受力程度并不足以让锚杆断裂，这就使得锚杆对试件的锚固作用一直存在，并且随着竖向荷载的增加，锚固体Y方向的膨胀受限，锚固体的竖向压力导致试件密度增加，承载能力开始提高。

此时，锚固体的弹性模量不变，但由于试块和锚杆已经成为一个整体受力的试件，其峰值强度为8.2MPa，相较于无支护状态下，锚固体峰值强度提升2.86MPa，强度提升约53.56%。其峰后强度在竖向位移达到45mm时，一直处于稳定状态，在此过程中，锚杆一直对石膏施加Y方向的侧向挤压力。在超过45mm时，明显看到锚杆开始嵌入石膏，此时可以看出，石膏体已经失去竖向承载能力，其强度大部分由锚杆侧向束缚所提供。锚固体在竖向位移达到7mm时，锚杆对于破坏的石膏加紧约束，使其侧向膨胀受限，强度不能够快速降落。在竖向位移达到50mm时，锚固体内部已经破碎，锚杆垫片也已经不能阻挡其侧向膨胀，导致石膏开始从锚杆间的缝隙凸出。锚杆的破断呈现出X型规律，证明锚固体的破裂面同样为X型，当锚杆在破裂面处受到的轴力较大，超过锚杆所能承受的极限值后，锚杆发生破断，锚固体的承载力才会大幅下降。不同于软岩，硬质岩会导致锚杆发生破断，在承受载荷后锚固体发生侧向位移值较小时就可能导致锚杆发生破断，其锚固体在达到峰值后，承载力可以稳定一段时间，但随后仍会发生承载力的陡崖式下降。

3 结语

（1）两种岩土体施加锚杆后，其力学性能均得到了提升。软岩类岩土体在施加锚杆后，会出现锚杆的力学性能远超过岩土体对锚杆所施加的力，导致锚杆破断困难，其承载力随着上部荷载的增加不断提升，侧向膨胀位移也随之增加，进而锚杆会嵌入进岩土体。相较于软岩，硬质岩施加锚杆后，其整体的承载力得到了极大的提升，峰后承载力也会出现一段稳定承载区段。但硬质岩会使得锚杆在侧向膨胀后受力达到极限值，从而发生破断，进而锚固体整体的承载力发生陡崖式下降。

（2）在工程实践中，要针对不同的岩土体采用不同的锚固方式，软岩类可以加大垫片，增加锚杆受力程度。硬质岩可以采用让压支护或预留变形量支护方式，提前释放一部分岩土体的压力，保护锚杆不会过早的发生破断现象。

参考文献：

[1]吴渤. 层状岩体隧道围岩扰动区演化与锚固机理研究[D]. 2016.

[2]刘玉栋. 预应力对穿锚在千米深井马头门加固工程中的应用[J]. 河北化工, 2017, 040(008):42-43,46.

[3]肖敏. 锚杆围岩力学作用研究[D]. 2017.