不同锚固参数岩体破裂变形特征研究

高 帅，续培东，胡佳琦，张 顺，徐振铭

（河北工程大学 矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038）

0 引 言

煤炭资源开采过程中，矿井巷道受地应力与工程扰动等因素影响，围岩极易发生变形和破坏，通过在巷道围岩中布设锚杆，可以使杆体与围岩形成锚固体，提升围岩的力学性能，提高其稳定性。关于锚杆支护中不同锚固参数对锚固体力学性能的影响，国内学者进行了大量研究。腾俊洋等[1]对无锚、端锚与全锚3 种不同锚固方式的试件进行单轴压缩试验，发现层理方向和锚固方式对锚固体强度的提高幅度有重要影响；王平等[2]对预制锚固单排裂隙试件进行单轴破断试验，提出了主控裂纹的概念；余伟健等[3]对水平方向加锚和未加锚倾斜煤岩组合体进行单轴压缩试验，对煤岩体的拉剪复合破坏规律进行了总结；张波等[4]通过单轴压缩试验，对含交叉裂隙节理岩体的锚固效应及破坏模式进行了研究；孟波等[5]对破裂围岩锚固体以及锚杆的变形破坏特征展开研究，发现随着锚杆预紧力的增加，锚固体发生破坏后滑移块体会出现二次破坏；张宁等[6]通过对不同锚固方式条件下的相似材料进行单轴压缩试验，探究了锚杆对试件强度及裂隙扩展模式的影响。

由以上可知，基于单轴、三轴试验已经对锚固体的力学特性进行了大量研究，但对于准平面应变条件下单侧临空锚固体的拉剪破裂演化及变形特征研究相对较少。本文针对水平锚固条件下不同锚杆间距与倾斜锚固条件下的不同锚固角度展开研究，通过锚固体破裂演化及变形破坏特征对锚固机制进行深入探讨。

1 试验设计

1.1 试件制备

本次研究选用150 mm×150 mm×50 mm 的锚固体模型，其中岩体部分由河沙、石膏和水混合而成，质量比为3∶7∶6，锚杆采用304 号钢，力学参数见表1。

表1 锚杆力学参数[7]Table 1 Mechanical parameters of bolt

其中水平锚固的锚固体采用均匀布设，分为39、31 和25 mm 三类不同间距；倾斜锚固试件在将右侧上端部作为预设锚杆的固定位置进行锚固，锚杆数量固定为2 根，控制断面间距25 mm，分别以10°、20°和30°三种不同锚固角度布置锚杆。布设方式如图1 和图2 所示。

图1 水平锚固下不同间距锚杆布设示意图Fig.1 The schematic diagram of different spacing bolt layout under horizontal anchorage

图2 倾斜锚固下不同锚固角度锚杆布设示意图Fig.2 The schematic diagram of different anchoring angles under inclined anchoring

1.2 试验系统设计

本次试验采用YA-600 电液伺服压力机进行加载，加载模式为位移控制加载，固定加载速度0.01 mm/s，同时为保证加载过程中试件受力均匀平稳，试验初始阶段通过压力机对夹具施加0.2 kN 的预紧力。

模型试件加载装置主要组成部分：上压头配合单轴压缩机实现对试件的加载；试验底部承压板、前后2 块挡板和左侧的槽钢用以控制试件的位移，其中为了锚杆端部伸出时不受限，对左侧槽钢的中间进行开槽。通过此装置实现单侧临空自由面的加载条件。

2 锚固体拉剪破裂演化及变形特征研究

为提高试验结果准确性，每组试件分别进行3次加载试验，加载完成后对试件加载前后的横向尺寸进行测量，计算获得横向位移量并取平均值。对每组试验中破裂特征明显的试件进一步拆解，通过断面产状判断其力学行为。其中，颗粒明显的粗糙断面判断为张拉型，擦痕明显的平整断面判断为剪切型。

2.1 无锚固试件变形破坏特征分析

通过测量获得3 组无锚固试件的横向位移量见表2，对3 组变形量取平均值为12 mm，以该值为标准对比不同锚固参数下锚固体的横向变形破坏量，对锚固参数的影响进行定量分析。

表2 无锚试件横向变形量Table 2 Lateral deformation of test block without bolt

无锚试件破裂拆解如图3 所示。无锚支护的试件发生破裂时，试件受单向加载影响内部产生裂纹，试件整体出现较为明显地朝右侧自由面方向的剪切滑移，同时由于试件靠近自由面一端拉伸破裂程度较大，试件右侧出现岩块剥离脱落现象。对破裂试件沿着主要裂纹进行拆解可以将试件分为5 部分，其中试块①受多向位移限制和上部压头加载影响，形成“V”形破裂面；在加载过程中，试块②由于加载装置与试件的相互作用被进一步压密，与试块①间出现产生剪切错动，使得试块①表现为整体向自由面一侧滑移的趋势；试块③随着加载进行，在试块①、试块②与底部承压板的作用下，向临空自由面方向被挤出；试块④与试块⑤由于右侧临空自由面的存在，受到试块①向右侧错动影响，上下端部应力逐渐增大，发生张拉破坏从试件中剥离。

图3 无锚试件破裂拆解示意Fig.3 Rupture dismantling of test block without bolt

2.2 水平锚固试件变形破坏特征分析

为探究在水平锚固方式下不同锚固间距对相似模型试件锚固效果的影响，研究制备39、31、25 m 三类不同间距的锚杆布置方式下的9 个试件。通过特制的试验装置对试件进行单轴加载，对锚固试件加载完成后的破裂面形态特征进行分析，探究水平锚固对试件破裂的锚固效果。

水平锚固方式下不同锚固间距试件的横向变形位移量见表3。

表3 水平锚固试件横向变形量Table 3 Lateral deformation of test block with horizontal anchorage

沿水平方向布设锚杆后，试件的横向变形得到了明显的抑制，其中39 mm 锚固间距试件的平均横向位移量为6.17 mm，31 mm 锚固间距试件对应平均横向位移量为2.83 mm，25 mm 锚固间距试件对应横向位移量为1.5 mm，与无锚杆试件相比，横向位移分别降低了48.58%、76.42%和87.5%。在锚固间距为25 mm 时，试件的横向变形位移量降低最多，对于横向变形的抑制作用最明显。

沿水平方向布设锚杆后，试件的横向变形得到了明显的抑制，其中39 mm 锚固间距试件的平均横向位移量为6.17 mm，31 mm 锚固间距试件对应平均横向位移量为2.83 mm，25 mm 锚固间距试件对应横向位移量为1.5 mm，与无锚杆试件相比，横向位移分别降低了48.58%、76.42%和87.5%。在锚固间距为25 mm 时，试件的横向变形位移量降低最多，对于横向变形的抑制作用最明显。

2.2.1 39 mm 锚固间距

水平锚固下39 mm 锚固间距试件破裂拆解如图4 所示。

图4 水平锚固下39 mm锚固间距试件破裂拆解示意Fig.4 Rupture dismantling of test block with bolt 39mm anchor spacing under horizontal anchorage

在对试件沿水平方向加设39 mm 间距的锚杆锚固时，试件破裂受锚杆作用影响，内部拉剪裂纹发育明显受到抑制。对破裂试件沿着主要裂纹进行拆解，其中试块①受端部压头加载影响，与试块②、试块③之间产生剪切滑移；试块⑤在加载过程中与试块②、试块③之间产生剪切滑移，受装置位移限制被进一步压密；试块③随加载进行，在试块①、试块②与底部承压板共同作用下，向临空自由面方向被挤出；试块④由于右侧临空自由面的存在，受内部剪切滑移影响较小，在上下端部应力逐渐增大的过程中，试块④发生张拉破坏从试件中剥离，但受锚杆的作用影响，未发生剥落。

2.2.2 31 mm 锚固间距

水平锚固下31 mm 锚固间距试件破裂拆解如图5 所示。

观察图5 可知，当对试件水平方向上加设31 mm 间距的锚杆锚固时，试件内部拉剪裂纹明显减少，试件整体以剪切裂纹贯通破坏为主，同时在发生剪切的两侧块体内存在少量张拉裂隙。对破裂试件沿着主要裂纹进行拆解，可以将试件分为4 部分，其中试块①由于端部压头下压，与试块②、试块④之间产生剪切滑移，并向临空自由面方向错动；受锚杆的作用影响，试块②、试块④的剪切滑移受到抑制，试块②被进一步压密的过程中与试块④间出现张拉破坏；试块④随着加载进行，产生向临空自由面一侧的剪切滑移，同时受锚杆的作用影响，呈现出被压实的状态；试块③由于右侧临空自由面的存在，受到深部剪切滑移带来的影响较小，在上下端部应力逐渐增大的过程中，发生张拉破坏从试件中剥离，但由于锚杆的作用，试块③未发生剥落。

2.2.3 25 mm 锚固间距

水平锚固下25 mm 锚固间距试件破裂拆解如图6 所示。

当试件为水平锚固下锚杆25 mm 间距锚固时，试件内部的剪切裂纹与拉伸裂纹发育程度与无锚试件、39 mm 以及31 mm 间距锚固试件相比较少。如图6 所示，由于25 mm 间距下，锚杆数量达到5根，对于试件横向变形抑制的程度更加显著，试块①、试块②、试块③与试块④间均只产生细微的拉伸裂纹，在靠近临空自由面位置，试块③、试块④与试块⑤间出现了轻微的剪切滑移，试件整体破裂程度较弱。

通过对比水平锚固方式下不同锚固间距试件破裂形态可知，沿水平方向进行锚杆锚固，对试件的横向变形抑制作用明显，试件的拉伸破裂得到有效控制，无锚试件中出现的靠近自由面侧的岩块剥落现象得到明显改善，说明水平锚固条件下适当减小锚杆间距可以有效控制试件的变形破坏程度。

2.3 倾斜锚固试件变形破坏特征分析

鉴于试件尺寸的局限性，倾斜锚固试件将右侧上端部作为预设锚杆的固定位置进行锚固，通过特制的试验装置进行单轴加载试验，对试件破裂形态及变形破坏特征进行分析，探究锚杆以不同倾斜角度锚固对试件破裂与变形的控制作用，分析倾斜锚固的作用机理。

表4 倾斜锚固试件横向变形量Table 4 Lateral deformation of test block with inclined anchoring

通过与无锚试件对比可以发现，试件在倾斜锚固后，同样有效降低了试件的横向变形位移量，倾斜10°锚固试件的平均横向位移量为5.17 mm，位移量降低了56.92%；倾斜20°锚固试件的平均横向位移量为3 mm，位移量降低了75%；倾斜30°锚固试件的平均横向位移量为4.33 mm，位移量降低了63.92%。随着锚固角度的提升，试件横向变形受到抑制，但在锚固角度达到30°时，试件的横向变形出现小幅度的增加。

2.3.1 锚杆10°倾斜

图7 为锚杆10°倾斜锚固试件破裂拆解情况。在锚杆锚固角度为10°时，试件内部拉剪裂纹得到了一定程度的抑制。受上端部倾斜锚杆锚固作用影响，试件内部的剪切裂纹并未发育贯通，只在内部产生少量的剪切裂纹，试件下部以张拉破坏为主，产生较多的拉伸裂纹。对破裂试件沿着主要裂纹进行拆解，可以将试件分为5 部分，其中试块①由于压头加载下压作用，与试块②、试块④之间产生剪切滑移；试块②由于被进一步压密，并与试块③间产生拉伸裂纹，使得试块③整体呈现向临空自由面移动的趋势；试块⑤由于右侧临空自由面的存在，受到深部剪切滑移带来的影响较小，在上下端部应力逐渐增大的过程中，与试块④之间产生拉伸裂纹，但受锚杆锚固作用，未发生剥落。

图7 锚杆10°倾斜锚固试件破裂拆解示意Fig.7 Rupture dismantling of test block with anchor bolt 10°inclined anchoring

2.3.2 锚杆20°倾斜

图8 为锚杆20°倾斜锚固试件破裂拆解情况。当以20°倾角为试件安设锚杆锚固时，试件由于多向位移受限，内部产生少量的拉伸裂纹与剪切裂纹，临空自由面侧试件的张拉破坏得到明显抑制。对破裂试件沿着主要裂纹进行拆解，可以发现试块①与试块③、试块④之间出现剪切滑移，受锚杆锚固的作用，与深部试块②间产生拉伸裂纹；试块②受加载装置与试件内部块体的相互作用被进一步压密，同时与试块③之间产生拉伸裂纹，使得其整体呈现向临空自由面移动的趋势；试块③、试块④受到试块①的向下挤压，向临空自由面方向移动，但受锚杆作用影响，试块沿锚杆锚固角度向临空自由面方向滑移，同时剪切裂纹沿锚杆方向扩展；试块④受到深部剪切滑移带来的影响较小，在端部应力逐渐增大的过程中，与试块③间出现拉伸破裂。

图8 锚杆20°倾斜锚固试件破裂拆解示意Fig.8 Rupture dismantling of test block with anchor bolt 20°inclined anchoring

2.3.3 锚杆30°倾斜

图9 为锚杆30°倾斜锚固试件破裂拆解情况。当以30°倾角为试件安设锚杆锚固时，试件内部破裂主要以张拉破裂为主。试块①、试块②、试块③、试块④之间均为拉伸裂纹，试块⑤受位移限制影响被进一步压密，并与试块④间产生剪切裂纹，使试块④整体呈现向临空自由面滑移的趋势，但在锚杆锚固作用下块体并未发生剥落；试块①同样由于加载装置与试件内部相互作用被进一步压密，与试块②之间产生拉伸裂纹，试块④整体呈现向临空自由面移动的趋势；试块④由于右侧临空自由面的存在，受到深部张拉破坏带来的影响较小，在上下端部应力逐渐增大的过程中，与试块③之间产生拉伸裂纹，但由于锚杆的作用，试块④未发生剥落。

图9 锚杆30°倾斜锚固试件破裂拆解示意Fig.9 Rupture dismantling of test block with anchor bolt 30°inclined anchoring

10°倾斜锚固试件相比无锚试件，试件的拉剪破裂得到了明显的抑制；随着锚固角度提升到20°，试件的剪切滑移破坏得到了明显的改善，试件只有少量的拉伸裂纹产生，锚固效果为最优；当锚固角度提升到30°后，锚固效果强于10°倾斜锚固，但与20°倾斜锚固相比，锚固体破裂程度出现升高趋势。

3 结 论

（1）水平锚固与倾斜锚固两种锚固方式均可有效降低试件的横向变形位移量，锚固试件的拉剪破裂程度显著降低。说明锚杆锚固对试件的变形破坏有明显抑制作用。

（2）在水平锚固方式下，随着锚杆间距的减小，试件的拉伸破裂裂纹明显减少，横向位移量逐渐降低，试件以剪切滑移破裂为主。说明一定范围内减小锚杆间距可以有效抑制试件的变形破坏及拉剪破裂的扩展。

（3）在倾斜锚固方式下，锚杆锚固角度为20°时，试件的剪切滑移破坏得到了明显的改善，试件只有少量的拉伸裂纹产生；锚固角度10°与30°的锚固效果均弱于20°的锚固角度，说明在使用锚杆对岩体进行锚固时，存在最优锚固角度，为进一步展开研究提供了理论参考。