谢振华 杨 栋 范冰冰

(1.中国劳动关系学院安全工程系，北京 100048； 2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

分层多次高压注浆预应力锚固试验与数值模拟

谢振华1杨 栋2范冰冰2

(1.中国劳动关系学院安全工程系，北京 100048； 2.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

为了治理露天矿山破碎岩质高陡边坡，增强边坡稳定性，从分析锚杆预应力锚固技术和高压注浆技术机理入手，采用水力劈裂应力场计算得出高压劈裂的浆液走向，提出了结合2种技术优点的分层多次高压注浆预应力锚固技术。然后，通过在实验室中对普通锚固体与分层多次高压注浆劈裂形成的锚固异形体模型分别进行拉拔对比试验，采集锚杆应力分布数据，分析其应力传递规律，得出分层多次高压注浆预应力锚固技术能使锚固段的承载力提高约39.25%，同时可以避免应力集中。最后，利用FLAC3D软件建立模型进行模拟，取4组不同起劈宽度和4组不同的起劈长度，施加相同的拉拔力，分别进行对比研究，分析其内部应力分布及传递规律。研究结果表明：相对于普通锚固异形体，分层多次高压注浆劈裂形成的锚固异形体可以承担更多的剪应力，并且随着劈裂程度的增大，浆脉的长度更长，起劈宽度更大，浆脉应力场的影响力更大，锚固效果更好。

破碎岩质高陡边坡 稳定性 分层多次高压注浆 预应力锚固 拉拔试验 应力分析 FLAC3D楔形模型

随着矿山开采技术的进步和资源的不断利用，我国露天矿山边坡呈现出越来越高、越来越陡的趋势。节理发育，岩体较为破碎且边坡高度在70 m以上、坡脚大于45°[1]的天然或人工边坡称为破碎岩体高陡边坡。边坡的高度和开采深度的增加，使得露天矿山高陡边坡的稳定性问题越来越突出，严重阻碍矿山的安全、高效生产[2]。因此，加强矿山不稳定边坡的治理，对保障矿山的安全生产具有重要的意义。目前，我国工程上应用较多的边坡加固技术主要包括支挡类、锚固类和锚固支挡类3类[3]。锦丰露天矿采取喷锚网+长锚索支护、长锚索+钢带支护、喷锚网支护、抗滑桩支护及 HDPE 防渗膜护坡等方式进行边坡加固[4]。张布荣针对抚顺西露天矿倾倒型岩石边坡破坏的特点，提出了“串层锚杆”加固成层倾倒型岩石边坡的治理措施[5]。这些技术在一定程度上有效地对边坡进行了支护，但是并不能很好地解决破碎岩体高陡边坡的稳定性问题[6-7]。因此，本研究根据露天矿破碎岩体高陡边坡的岩性、结构面的发育程度和组合形态、水文条件等特点，首次提出利用分层多次高压注浆预应力锚固技术，进行边坡加固和治理。

1 分层多次高压注浆预应力锚固机理

1.1 工艺过程

分层多次高压注浆预应力锚固技术的具体工艺过程为：第1次注浆时，采用不加压的方式，使浆液在注浆孔范围内流动，待其凝固后将在孔内形成柱形浆脉，作为其余几次注浆的止浆塞，同时改善注浆孔周围岩体性质；之后采取注浆孔内预留长度不同注浆管的方法，分层次实施多次注浆，根据工程实际情况逐次增加注浆压力，可在最后1次注浆时采用高压注浆，工艺如图1所示(以4次注浆为例)，最终完成预应力锚固，达到稳定边坡的目的。在节理发育、岩体较为破碎的露天矿边坡上实施分层多次高压注浆预应力锚固，效果尤为明显。

图1 分层多次高压注浆浆液扩散示意

1.2 作用原理

分层多次高压注浆预应力锚固技术结合了锚杆预应力锚固和高压劈裂注浆技术。预应力锚固主要是利用锚杆与岩体共同的作用，将滑坡推力传入锚固段，改善边坡岩体的稳定性条件[8]；在预应力锚固施工中采用高压劈裂注浆，利用较高的注浆压力向锚杆钻孔中注入浆体，先后克服岩体的初始应力和抗拉应力使浆体得到有效扩散，在地层中产生不规则注浆浆脉，形成锚固异形体[9]，有效避免了因锚固体从岩土体中拔出而导致的锚固失效。

采用高压注浆能有效地提高锚杆的承载力，主要表现在[10-11]：高压劈裂注浆的挤压作用可以提高岩体原始凝聚力；提高锚固段岩土体的内摩擦角；提高锚固段岩土体剪切面上法向应力值；改善岩体软弱面的力学性质提高了岩体的稳定性和锚固效果；提高岩体自身的抗水性，降低其透水性，使破碎岩体更趋于完整，增强边坡岩体的稳定性。

1.3 水力劈裂机理

水力劈裂是分层多次高压注浆的基本机理，在实施锚注时，必然需要对钻孔进行高压注浆，由此产生的水压致裂现象是形成锚固异形体的基础。理论上，在岩体中打孔后，即破坏了其原来的应力场状态，使得孔壁周围的应力重新分布。根据弹性力学中双向受力的无限大平板中有一孔的模型来分析，可以得到在注入压力时，钻孔起劈前的应力场为[12]。

(1)

式中，σr为钻孔径向主应力，Pa；σθ为钻孔周向切向主应力，Pa；τrθ为钻孔轴向切应力，Pa；σ1、σ2、σ3分别为钻孔附近岩体3个主应力，Pa；p0为钻孔注浆压力，Pa；r0为钻孔半径，m。

根据式(1)，令

有：θ=90°或270°。因此，对于带有钻孔的模型，水力劈裂起劈总是于90°或270°方向上，裂缝分布处于垂直最小主应力轴方向。另外，由于孔壁处最小周向应力为

σθ=3σ3-σ1-p0.

(2)

根据最大拉应力准则[13-14]，若σθ>σt(岩体抗拉强度)时，孔壁随即产生破裂且起劈压力为

p0=3σ3-σ1+σt.

(3)

根据以上分析，劈裂后的钻孔呈如图2的状态。

2 高压注浆锚固技术应力分布试验

2.1 试验的方法与方案

为研究一般锚固体与分层多次(以2次注浆为例)高压注浆形成的锚固异形体在应力分布和锚固效果上的不同，特在实验室进行对比试验，将锚固体部分做成试件，采用将锚固体从基体拔出的试验方案。

图2 劈裂后的钻孔

2.1.1 试验材料

(1)混凝土基体。采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥和平潭标准砂按照灰砂比1∶3的比例制作。基体呈圆柱形，总体高度600 mm，直径400 mm。

(2)锚固体灌浆材料。采用1∶2的水泥砂浆，水泥为强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，砂子采用平潭标准砂。

(3)锚杆。采用φ16 mmⅡ型螺纹钢筋，钢筋屈服强度σe=370 MPa，极限强度560 MPa，弹模E=2×105MPa，L=600 mm，其中外露长度200 mm，锚固长度400 mm。使用时按照要求打磨加工。

(4)应变片。采用5 mm×3 mm箔式胶基应变片，电阻值为(120±0.1)Ω。

(5)模具。基体模具采用内径为400 mm的波纹管；一般锚固体模具采用外径为60 mm的PVC管；锚固异形体模具采用内径为245 和60 mm的PVC管，使用时按照要求将模具截成相应长度。

2.1.2 模型制作

(1)一般锚固体的制作。截取φ16 mmⅡ型螺纹钢600 mm作为锚杆，距锚杆顶端200 mm处取一基点，自上而下依次按照距离基点10、30、60、100、150、200、250、300、350、400 mm处黏贴应变片。将处理完毕的锚固放入长度为400 mm的封底的一般锚固体模具，灌入锚固体灌浆材料，养护成型后取下模具，锚固体制作完成。

(2)锚固异形体的制作。截取内径为245 mm的PVC管400 mm，取塑料薄膜包裹着的不同大小岩石沿管内壁码放一周(模型中心预留直径约60 mm的空间)，码放高度为200 mm,岩石与管内壁之间缝隙充满砂土。将经过同上处理的锚杆放入模型中心，套入200 mm长的φ60 mm PVC管，管下端与石块紧密相接，不留缝隙，在两管之间空间加入沙土。随后向内层管内灌入灌浆材料，浆液侵入石块之间缝隙，形成模拟高压注浆浆脉，如图3。浆液灌满后养护成型，取出模具、石块和砂土，锚固异形体制作成功。

图3 锚固异形体的制作

2.1.3 试验方法

将2个锚固体放置于高度为400 mm的封底基体模具中心，灌入混凝土，养护成型后去掉模具，进行拉拔应力测试。试验采用ZY-50T型锚杆拉拔计，拉拔机置于反力架上，如图4所示。试验测试采用YSV型动态信号采集仪，采样频率为40 Hz，应变片采用1/4桥的方式连接到仪器上。动态信号应变采集仪从锚杆拉拔计有示数起即进行采集，每隔1 kN拉拔力即停止加压，稳定10 s并记下采集时间；如此进行下去，直到发生锚固破坏即停止。

2.2 试验结果与分析

试验对2组模型进行了拉拔测试。2组试验拉拔力按照表1加载。

表1 拉拔载荷加载

Table 1 Pullout load loading kN

锚固一般锚固体7152230374552锚固异形体7152230374552锚固一般锚固体6067758290-锚固异形体606775829097

借助于应变片，可以得出锚杆上各测试点的应变值，而钢筋沿杆长的平均剪应力可由相邻2点的应变值获得：

(4)

式中，τi为第j点和第j+1点之间的平均剪应力；d为钢筋直径；Δx为应变片的间距；εj,εj+1为第j点与第j+1点间的钢筋应变值；A为锚杆横截面积。

图4 拉拔试验

结合式(4)可以获得在不同级别拉拔载荷下，沿着锚杆分布的10个检测点的剪应力值。一般锚固体10个监测点的剪应力总值为102.51 MPa，分层多次高压注浆锚固异形体的10个监测点的剪应力总值为142.73 MPa。可见，分层多次高压注浆锚固异形体承载的剪应力更多，相对于一般锚固体承载力提高约39.25%。

一般锚固体和分层多次高压注浆锚固异形体拉拔试验在不同级拉拔载荷下，剪应力沿锚杆的分布分别如图5和图6所示。

图5 一般锚固体试验不同级拉拔载荷下剪应力沿锚杆分布汇总

从图5和图6中看出，一般锚固体锚杆应力分布和较低荷载下锚固异形体锚杆应力分布情况，即在在锚杆锚固较浅处，出现相对较大的应力峰值，之后剪应力沿锚杆锚固深度快速下降，在锚杆深处接近于0；随着拉拔力的增加，两类锚固体锚杆上的应力峰值均向锚固深部移动。

对比图5、图6还发现，一般锚固体和锚固异形体在不同载荷作用下剪应力沿锚杆分布情况有很大不同，主要表现在：

(1)应力峰值情况。一般锚固体试验中，随着拉拔力的增大，锚杆承受的最大剪应力也逐渐增大(拉拔力为90 kN时，锚杆承受最大剪应力为6.5 MPa左右)；而在锚固异形体试验中，在初始低荷载阶段(小于60 kN)，随着拉拔力的增大，锚杆承受的最大剪应力基本呈逐渐增大的趋势，当拉拔力继续增大(大于60 kN)时，锚杆承受的最大剪应力无明显增大的趋势，基本稳定在3～4.5 MPa。

(2)应力集中情况。一般锚固体试验中在不同载荷下的最大剪应力附近有明显的应力集中现象，锚杆深处的剪应力基本为0；而在锚固异形体试验中，随着拉拔力的增加(从37 kN起)，剪应力曲线比较平稳地分布在峰值处，没有出现应力集中的情况。

3 数值模拟

利用FLAC3D软件进行高压注浆浆脉锚固体应力分布数值模拟，对钻孔起裂后形成浆脉的形态对锚固效果的具体影响进行研究。

3.1 建立模型

数值模拟计算采用三维模型，在坐标系内建立8 m3的块体作为锚固基体。块体中央预留直径60 mm的钻孔，模型上表面中心位置坐标为(1.5，1.5，2)。整个模型采用楔形体网格建立，底面固定x,y,z坐标，面x=0.5和x=2.5固定z，x坐标，面y=0.5和y=2.5固定z，y坐标，锚杆采用FLAC3D软件中的cable单元。其模型基体如图7所示，计算中各种材料的物理力学指标见表2。

表2 模型中的材料参数

在以上建模的基础上，在锚固深度为250 mm处建立浆脉异形体，并在钻孔中心处加入锚杆，模型如图7。对锚杆端头施加1×105Pa的拉拔应力。根据上述水力劈裂的机理分析，试验假设浆脉空间形状为类四面体的楔形，径向尖灭而纵向长度不变。因此，以浆脉起劈宽度和浆脉长度为主要浆脉形态的变量分别建立模型进行研究。

图7 模型体建模示意

3.2 模拟结果及分析

经过模拟浆脉同为原钻孔直径3倍的系列模型，得到z方向上过(1.5，1.5，0)、以(0，1，0)为法向量的剖面剪应力云图，如图8所示。对于浆脉起劈宽度同为50%的系列浆脉，得到z方向上过(1.5，1.5，0)、以(1，1，0)为法向量的剖面剪应力云图，如图9所示。

根据图8可以看出，随着起劈宽度的增加，锚杆锚固所产生的剪应力逐渐向试验块体的深处传递。在锚固体附近，剪应力渐渐随着浆脉起劈宽度的增加,从主要集中分布在锚固浅端附近向锚固异形体部分转移，锚固长度得到充分的利用，浆脉对应力场的影响力也得到增大。

根据图9可以看出，随着浆脉长度的增加，锚固体的影响范围也在增大，剪应力也渐渐向浆脉上集中，即对于相同的拉拔应力而言，长度增加的浆脉贡献了越来越多的黏结应力；同时由于浆脉的分担，锚杆杆体上的剪应力在末端减小，即相对更加充分地利用了锚固体的锚固能力同时又减小了锚杆与锚固体界面间的剪应力强度。

图8 3倍孔径长浆脉下不同起劈宽度的模型剪应力云图

图9 50%起劈宽度下不同长度浆脉的模型剪应力云图

4 结 论

(1)相对于普通锚固异形体，分层多次高压注浆形成的锚固异形体可以承担更多的剪应力，承载效果可以提升39.25%；随着拉拔力的增加，分层多次高压注浆形成的锚固异形体剪应力分布主要区域缓慢向锚杆内部传递，应力分布的范围逐渐增大，能有效避免应力集中，更充分地利用锚固段的长度，具有良好的锚固效果。

(2)分层多次高压注浆形成的浆脉对锚固效果有直接的影响，浆脉越长，劈裂范围越大，提供的黏结应力越大，对锚固体锚固能力的利用越充分，锚固效果越好。

(3)相对于传统锚固技术，分层多次高压注浆预应力锚固技术在工程中能更好地加固和治理破碎岩质高陡边坡，进一步保障矿山的安全生产，提高矿山的经济效益。

[1] 黄志斌.濒危岩质高陡边坡稳定性及处治技术研究[D].长沙：中南大学,2007. Huang Zhibin.Stability Study and Processing Technical of Imminent Unstable High Steep Rock Slop[D].Changsha:Central South University,2007.

[2] 刁心宏,远 洋,张传信.金属矿山地质灾害及其研究发展趋势[J].金属矿山,2006(6)：1-4. Diao Xinhong，Yuan Yang，Zhang Chuanxin.Geological disasters of metal mines and trend in their research[J].Metal Mine,2006(6)：1-4.

[3] 祝介旺，庄华泽，李建伟，等.大型边坡加固技术的研究[J].工程地质报,2008,16(3)：365-370. Zhu Jiewang，Zhuang Huaze，et al.Li Jianwei.Research on reinforcement technique of slop with large dimensions[J].Journal of Engineering Geology,2008,16(3)：365-370.

[4] 韩 斌，郑禄景，王少勇,等.复杂破碎露天边坡的综合加固技术[J].中南大学学报:自然科学版,2013,44(2)：139-141. Han Bin，Zheng Lujing，Wang Shaoyong，et al.Synthetic reinforcement of complicated and broken open pit slope[J].Journal of Central South University:Science and Technology,2013,44(2)：139-141.

[5] 张布荣.倾倒型岩石边坡工程加固的研究[J].土木工程学报，1995,28(5)：165-170. Zhang Burong，The Research of toppling rock slope engineering reinforcement[J].China Civil Engineering Journal,1995,28(5)：165-170.

[6] 郑禄璟,郑禄林,常晓娜,等.露天边坡稳定性影响因素分析及防治措施[J].金属矿山,2014(2)：133-136. Zheng Lujing，Zheng Lulin，Chang Xiaona，et al.Influencing factor analysis and control of open pit slope stability[J].Metal Mine,2014(2):133-136.

[7] 刘 强,胡 斌,蒋海飞,等.基于强度折减法的露采边坡稳定性分析[J].金属矿山,2013(5):49-54. Liu Qiang，Hu Bin，Jiang Haifei，et al.Stability analysis of open pit mining slope based on the shear strength reduction method[J].Metal Mine,2013(5):49-54.

[8] 袁 博,张召千,张百胜,等.破碎围岩注浆加固数值模拟分析与工程应用[J].金属矿山,2013(7):45-48. Yuan Bo，Zhang Zhaoqian，Zhang Baisheng，et al.Numerical simulation of grouting reinforcement of cracked surrounding rocks and its application in engineering[J].Metal Mine,2013(7):45-48.

[9] 金爱兵,吴顺川,高永涛.复合锚固桩的承载特性及工程应用[J].北京科技大学学报,2007,29(5)：462-464. Jin Aibing，Wu Shunchuan，Gao Yongtao.Bearing behavior of a composite bolt pile and its engineering application[J].Journal of University of Science and Technology Beijing，2007,29(5)：462-464.

[10] 郭建新.分层多次高压注浆预应力锚固技术机理和应用[J].路基工程,2008，22(6):44-45. Guo Jianxin.Mechanism and application of pre-stressed anchored technology with high pressure grouting in layers many times[J].Subgrade Engineering，2008，22(6):44-45.

[11] 吴顺川,高永涛，孙金海.高压注浆技术与预应力锚杆的应用[J].黄金,2001,22(6)：14-16. Wu Shunchuan，Gao Yongtao，Sun Jinhai.High pressure grouting and the application of pre-stressed bolt[J].Gold,2001,22(6)：14-16.

[12] 苏培莉.裂隙煤岩体注浆加固渗流机理及其应用研究[D].西安:西安科技大学,2009. Su Peili.Reinforcement and Permeation Mechanism of Grouting and Application Analysis in Jointed Coal-rock Masses[D].Xi'an:Xi'an University of Science and Technology,2009.

[13] 尤春安.全长粘结式锚杆的受力分析[J].岩石力学与工程学报,2000,19(3):339-341. You Chun'an.Analysis on bolt strain with large deformation under shearing-tensile load[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2000,19(3):339-341.

[14] 尤春安,战玉宝.预应力锚索锚固段的应力分布规律及分析[J].岩石力学与工程学报,2005，24(6):925-928. You Chun'an，Zhan Yubao.Distributing characters and analysis of stresses in pre-stressed cables[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(6):925-928.

(责任编辑 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”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAK09B05)。

谢振华(1968—)，男，副教授，博士。

X936

A

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