萬(wàn)燎榕

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)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(biāo)段全長(zhǎng)3710m，最大埋深為450m，該洞段在穿越頁(yè)巖段施工過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生頂拱噴射混凝土開(kāi)裂、頂拱掉塊以及蠕變變形等現(xiàn)象，頂拱沉降值最大達(dá)到28.5cm，最大底鼓值達(dá)到12.6cm，導(dǎo)致已支護(hù)的鋼拱架不同程度發(fā)生扭曲變形等問(wèn)題，對(duì)隧洞施工及今后的長(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行帶來(lái)極大的影響。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，該洞段的頁(yè)巖層具有如下特征：①層理發(fā)育、厚度較小且層間含有較多膠結(jié)物，層理傾角變化復(fù)雜；②頁(yè)巖與周?chē)規(guī)r巖體組成層狀復(fù)合體，巖體力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜；③節(jié)理裂隙水發(fā)育；④原設(shè)計(jì)支護(hù)剛度較弱，不滿足穩(wěn)定性要求[1- 4]。

針對(duì)上述層狀巖體洞段，采取常規(guī)支護(hù)手段已不能滿足工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性需求，鑒于錨桿支護(hù)在隧洞開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中大量廣泛采用，但層狀巖體與錨桿之間的相互作用機(jī)理目前尚未明確[5- 10]，采用何種錨桿支護(hù)效果更佳成為工程迫切需要解決的頭等大事，故文章結(jié)合前人研究成果和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)無(wú)錨桿、螺紋錨桿以及碳鋼鋼管三種加錨層狀巖石的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)研究，以期能為工程實(shí)踐提供參考[11- 13]。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

由于現(xiàn)場(chǎng)取芯困難，層理角度難以滿足試驗(yàn)需求，且取芯后錨桿很難鉆入，故在室內(nèi)進(jìn)行模型試驗(yàn)，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(zhì)量比為1∶3∶1∶1.5，在常溫下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后取芯；按照構(gòu)筑取芯法鉆磨制取0°和90°兩種層理傾角的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件，直徑為50cm、高為100cm、層間距為1.5cm，巖體層理構(gòu)造為一層厚0.2mm的100目細(xì)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(guò)程示意

2.2 錨固方案

系統(tǒng)錨桿選取兩種類(lèi)型：螺紋錨桿以及碳鋼鋼管(壁厚1mm)，實(shí)際過(guò)程中，普通支護(hù)錨桿的直徑為16～25mm，間排距為0.3～1.2m，本文假設(shè)實(shí)際工程常用錨桿直徑為25mm，間排距為0.3m，設(shè)置錨桿直徑為5mm，間排距為60mm進(jìn)行試驗(yàn)，即幾何相似比為5∶1；安裝錨桿時(shí)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(jìn)去，形成支護(hù)系統(tǒng)，各系統(tǒng)錨桿的力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，錨桿支護(hù)方案如圖2所示。

表1 錨桿力學(xué)參數(shù)

圖2 錨桿支護(hù)方案示意

2.3 加載方案

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

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

各試驗(yàn)組的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征如圖3所示。從圖3中可以看到，應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體上分為初始?jí)好?、彈性變形、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展、裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展以及峰后變形等階段。在不進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，試件在達(dá)到峰值應(yīng)力后，將很快發(fā)生失穩(wěn)破壞，峰后曲線表現(xiàn)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(shí)抵抗變形能力較好，層理夾角為90°時(shí)，其抵抗變形的能力較差，達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)其變形約為0.00514，較0°情況減小0.00232。進(jìn)行系統(tǒng)螺紋錨桿支護(hù)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(dāng)，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(jīng)歷破損狀態(tài)后，還有較強(qiáng)的峰后殘余強(qiáng)度，不至于發(fā)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(qiáng)；碳鋼鋼管錨固試件后，其峰前和峰后均有一段較長(zhǎng)的塑性變形區(qū)，表明試件的變形能力得到強(qiáng)化，且0°和90°兩種層理夾角下的變形能力基本相當(dāng)。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

3.2 力學(xué)參數(shù)分析

試驗(yàn)獲得的不同情況下試件的彈性模量、泊松比以及強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)的對(duì)比如圖4所示。從圖4中可以看到，在不施加錨桿支護(hù)時(shí)，試件的彈模、泊松比以及強(qiáng)度等受層理角度的影響較大，水平(0°)層理的力學(xué)參數(shù)明顯大于豎向(90°)，這是因?yàn)樗綂A角下，試件主要發(fā)生穿晶破壞，而在豎向夾角時(shí)，主要發(fā)生沿晶破壞，穿晶破壞需要的加載應(yīng)力大于沿晶破壞，因此，表現(xiàn)為力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)于后者。在施加螺紋錨桿以及碳鋼鋼管支護(hù)后，試件的力學(xué)參數(shù)均呈不同程度的提高，其中螺紋錨桿系統(tǒng)支護(hù)的彈模、泊松比以及強(qiáng)度最大，碳鋼鋼管支護(hù)其次，不施加錨桿最小，施加系統(tǒng)錨桿支護(hù)后，試件的強(qiáng)度較不施加錨桿時(shí)增加約1倍；同時(shí)，施加錨桿或者碳鋼鋼管支護(hù)后，能對(duì)層狀試件的層理角度的影響進(jìn)行弱化，特別是泊松比和強(qiáng)度上表現(xiàn)較為明顯，在施加相應(yīng)的支護(hù)后，水平和豎向夾角的泊松比和強(qiáng)度相差不大，可見(jiàn)，錨桿支護(hù)對(duì)層狀巖體力學(xué)行為具有較好的改善作用；從改善作用來(lái)看，沿垂直于層理方向施加系統(tǒng)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(shí)際施工時(shí)要求施工人員盡量將錨桿沿洞壁進(jìn)行垂直鉆孔的主要原因之一。

需要特別指出的是，錨桿對(duì)層狀巖體的改善加固作用，主要表現(xiàn)在提高變形能力和抗剪強(qiáng)度，對(duì)層理間的錯(cuò)動(dòng)起到抑制作用。這種加固原理不僅與圍巖狀態(tài)有關(guān)，還受鉆孔、錨固劑、實(shí)際錨桿施工長(zhǎng)度、安裝位置等多種因素影響。因此，不能單從試驗(yàn)角度斷定螺紋錨桿的支護(hù)作用就一定強(qiáng)于碳鋼鋼管的支護(hù)作用。由于在鉆孔過(guò)程中，碳鋼鋼管直徑略大，對(duì)試件的二次損傷也越大，也可能造成力學(xué)性質(zhì)的弱化，且螺紋錨桿還具有預(yù)應(yīng)力，因此，對(duì)于層狀巖體具體采用螺紋錨桿還是碳鋼鋼管尚需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(xué)參數(shù)對(duì)比

3.3 損傷及錨固機(jī)理分析

0°層理加錨桿在加載過(guò)程中，由于原生裂隙層理與軸向應(yīng)力方向垂直，因此，在加載初期，原生層理會(huì)有一個(gè)損傷的修復(fù)(裂隙層理閉合)階段，此時(shí)，試件的力學(xué)特征處于強(qiáng)化階段；而當(dāng)原生裂隙層理與軸向加載應(yīng)力呈水平方向時(shí)，在加載初期，受到應(yīng)力的張拉作用，會(huì)使得試件內(nèi)部沿豎向?qū)永砝^續(xù)開(kāi)裂，新的損傷繼續(xù)產(chǎn)生；隨著應(yīng)力的逐漸增大，試件由彈性向塑性階段轉(zhuǎn)變，損傷也由穩(wěn)定向非穩(wěn)定轉(zhuǎn)變，當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值應(yīng)力前后，損傷會(huì)出現(xiàn)急劇的演化發(fā)展階段，如圖5所示。

圖5 損傷發(fā)展特征

通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行CT掃描，發(fā)現(xiàn)不同部位錨桿的有效錨固區(qū)不同。上部錨桿的有效錨固區(qū)為13～28cm，下部錨桿的有效錨固區(qū)為69～87cm，如圖6所示。錨桿對(duì)試件的止損止裂作用主要得益于錨桿對(duì)有效錨固區(qū)裂紋的抑制擴(kuò)展作用，使有效錨固區(qū)不至于過(guò)早發(fā)生剪端張裂破壞，故而錨桿的施加排距對(duì)錨桿的支護(hù)作用起到關(guān)鍵作用，這也是實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素之一。

圖6 有效錨固區(qū)分析

4 結(jié)論

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

(2)沿垂直于層理方向施加系統(tǒng)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(hù)手段需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)賦予的地質(zhì)環(huán)境條件予以進(jìn)一步確定。

(3)0°層理加錨桿支護(hù)后，在加載初期會(huì)有一段損傷修復(fù)變形階段，而90°層理直接進(jìn)入損傷發(fā)展階段；上部錨桿的有效錨固區(qū)為13～28cm，下部錨桿的有效錨固區(qū)為69～87cm，在實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)圍巖情況重點(diǎn)考慮錨桿的施工排距。