巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)面剪切特性與破壞特征研究

李國(guó)鋒，王九紅，劉建榮，陳建剛，趙 慧，欒恒杰,，董慶寶，張孫豪

(1. 兗礦能源集團(tuán)股份有限公司 興隆莊煤礦，山東 兗州 272102; 2. 兗礦能源(鄂爾多斯)有限公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017004; 3. 內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299; 4. 山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島266590)

煤巖體中廣泛存在著不同規(guī)模、方向和形態(tài)的結(jié)構(gòu)面，如裂隙、節(jié)理、層理等結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致煤巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性顯著降低，極易造成巷道變形甚至失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全[1-3]。錨固支護(hù)可有效增加煤巖體強(qiáng)度，控制煤巖體變形，具有安全可靠、方便快捷、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用到煤礦巷道圍巖穩(wěn)定性控制[4-5]。然而，當(dāng)結(jié)構(gòu)面在外力擾動(dòng)下產(chǎn)生剪切滑移時(shí)，穿過(guò)結(jié)構(gòu)面的錨桿將承受較大的剪切作用[6]。錨桿在拉伸和剪切載荷作用下極易破斷而失去對(duì)圍巖變形的控制能力，甚至導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)體系失效，引發(fā)圍巖大變形災(zāi)害[7]。因此，研究錨固結(jié)構(gòu)面的剪切特性對(duì)于巷道圍巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及控制設(shè)計(jì)至關(guān)重要。錨桿的加固作用機(jī)理十分復(fù)雜，其軸力和剪力受多方面因素的影響。為探究各因素對(duì)錨桿抗拉和抗剪作用的影響和貢獻(xiàn)，國(guó)內(nèi)外諸多專家學(xué)者開(kāi)展了大量有關(guān)錨固結(jié)構(gòu)面剪切特性的理論與試驗(yàn)研究。劉泉聲等[8]進(jìn)行了不同錨桿安裝角和不同法向應(yīng)力的錨固結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)，研究了錨桿安裝角和法向應(yīng)力等因素對(duì)錨固結(jié)構(gòu)面抗剪性能的影響。蔣宇靜等[9]開(kāi)展了恒定法向應(yīng)力和恒定法向剛度邊界條下的錨固結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)，研究了不同邊界條件對(duì)錨固結(jié)構(gòu)面剪切特性的影響。Jalalifar等[10]研究了混凝土強(qiáng)度對(duì)錨桿彎曲性能的影響及錨桿直徑對(duì)錨桿塑性鉸位置的影響。Mirzaghorbanali等[11]進(jìn)行了一系列的雙剪試驗(yàn)，研究了錨桿表面形態(tài)和預(yù)緊力對(duì)錨桿抗剪強(qiáng)度的影響。Srivastava等[12]進(jìn)行了不同錨桿數(shù)量的剪切實(shí)驗(yàn)，研究了錨桿間距、錨桿面積與錨固系統(tǒng)的黏聚力之間的關(guān)系。

數(shù)值模擬是巷道圍巖錨固參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要手段。趙增輝等[7]采用ABAQUS開(kāi)展了錨固結(jié)構(gòu)面直剪模擬試驗(yàn)，研究了錨桿的彎曲變形、應(yīng)力分布以及塑性破壞等特征。何棟梁等[13]使用PFC(particle flow code)開(kāi)展了錨固結(jié)構(gòu)面直剪模擬實(shí)驗(yàn)，從細(xì)觀角度分析了不同錨固角度下的巖石結(jié)構(gòu)面破壞模式與錨桿變形狀態(tài)。宋洋等[1]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與 PFC 數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)錨固結(jié)構(gòu)面進(jìn)行宏觀抗剪性能及剪切特性細(xì)觀機(jī)理分析。王剛等[14]基于顆粒流離散元法利用修正的錨桿雙線性本構(gòu)模型對(duì)錨固結(jié)構(gòu)面試件內(nèi)部顆粒之間接觸力和顆粒旋轉(zhuǎn)弧度等的演化過(guò)程進(jìn)行了細(xì)觀研究。李為騰等[15]分別采用不同的破斷準(zhǔn)則并使用Fish編程語(yǔ)言二次開(kāi)發(fā)，解決了FLAC3D中無(wú)法實(shí)現(xiàn)錨桿剪切破斷失效的問(wèn)題，并進(jìn)行模擬驗(yàn)證。上述研究豐富了對(duì)錨固結(jié)構(gòu)面剪切特性與破壞特征的認(rèn)識(shí)，但大都針對(duì)光滑結(jié)構(gòu)面或二維模型，對(duì)于三維粗糙錨固結(jié)構(gòu)面的研究甚少。然而，受結(jié)構(gòu)面粗糙度的影響，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)面的的剪脹效應(yīng)會(huì)顯著改變錨桿的受力和變形狀態(tài)。

鑒于以上認(rèn)識(shí)，本研究采用FLAC3D軟件建立三維粗糙錨固結(jié)構(gòu)面數(shù)值模型開(kāi)展剪切試驗(yàn)，深入探討錨桿對(duì)錨固系統(tǒng)的剪切特性的影響以期及錨固系統(tǒng)中錨桿、界面和圍巖的受力變形和破壞特征，以期為巷道圍巖結(jié)構(gòu)面錨固支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

1 錨固結(jié)構(gòu)面剪切變形中錨桿受力特征

錨桿在剪切過(guò)程中受到軸向拉力和橫向剪力的綜合作用，其中軸向拉力是由結(jié)構(gòu)面剪脹和錨桿變形而造成，橫向剪力由受壓側(cè)錨固劑與圍巖產(chǎn)生的反力造成。分析[10]可知，巖性不同，錨桿的最終變形特征也不同：當(dāng)巖石強(qiáng)度較高時(shí)，錨桿在結(jié)構(gòu)面附近處的變形很小，不會(huì)產(chǎn)生塑性鉸，如圖1(a)所示；而當(dāng)巖石強(qiáng)度較低時(shí)，錨桿在剪切過(guò)程中會(huì)因圍巖破壞而產(chǎn)生顯著的“S”型彎曲變形，在最大彎矩處產(chǎn)生拉彎屈服并形成塑性鉸，如圖1(b)所示。

為分析錨桿的受力，可將錨桿看做半無(wú)限長(zhǎng)梁，在錨桿與結(jié)構(gòu)面交界處的O點(diǎn)同時(shí)施加軸力N與剪切力Q[16]，如圖1(c)所示。由圖可知，在OA段，由于錨固劑和圍巖產(chǎn)生單位長(zhǎng)度極限反力pu對(duì)錨桿形成一個(gè)剪力。在AB段，由于錨固劑、圍巖和錨桿的變形關(guān)系，錨固劑和圍巖產(chǎn)生的反力qx逐漸變小，并在塑性鉸處(B點(diǎn))減小到0。在BC段，錨桿的剪力方向發(fā)生改變，且在錨桿剪切變形中，當(dāng)塑性鉸形成后，錨桿發(fā)生剪切屈服，在后續(xù)的變形階段，OB段具有類似桁架桿件的力學(xué)性質(zhì)，即錨桿所能承受的剪切載荷不再增加[4]，而軸向拉伸載荷逐漸增加，直至錨桿發(fā)生破壞為止。

圖1 錨桿變形受力示意圖[10]

2 錨固結(jié)構(gòu)面剪切數(shù)值模型

2.1 數(shù)值模型建立

目前，在FLAC3D中主要采用兩種方式來(lái)模擬錨桿，其一是PILE等結(jié)構(gòu)單元，其二是實(shí)體單元。兩種方式都有其各自的特點(diǎn)：PILE等結(jié)構(gòu)單元能夠省去大量的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格，可大幅減少模型計(jì)算量以及求解時(shí)間，適合工程尺度模擬研究；實(shí)體單元能夠更精細(xì)地反映錨桿的受力和變形過(guò)程，但網(wǎng)格數(shù)量多，運(yùn)算量大，更適合小尺度的機(jī)理模擬研究。為深入研究錨固結(jié)構(gòu)面的剪切特性，采用實(shí)體單元來(lái)模擬錨桿。

采用FLAC3D軟件直接建立錨固結(jié)構(gòu)面試件模型的過(guò)程十分復(fù)雜。因此，參照已開(kāi)展的粗糙錨固結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)[9]，利用輔助軟件建立相應(yīng)的數(shù)值模型，然后導(dǎo)入FLAC3D中進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，具體步驟為：首先，利用三維激光掃描技術(shù)獲取巖石結(jié)構(gòu)面的密集點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)，如圖2(a)所示；然后，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)在建模軟件中建立粗糙錨固結(jié)構(gòu)面數(shù)值模型，如圖2(b)所示；最后，將上述試件模型導(dǎo)入到FLAC3D中進(jìn)行計(jì)算。試件模型尺寸為：長(zhǎng)200 mm、寬100 mm、高100 mm，共劃分四面體單元111 333個(gè)，節(jié)點(diǎn)84 954個(gè)，錨桿直徑6 mm，錨固劑厚度2 mm。

數(shù)值模型的邊界條件和加載方式與室內(nèi)試驗(yàn)一致，如圖2(c)所示。即模型的頂面為恒定法向應(yīng)力邊界條件，底面在法向方向上固定，上部巖塊的右側(cè)在剪切方向上固定。在模型頂部施加恒定的法向應(yīng)力，考慮到常見(jiàn)錨固工程支護(hù)一般位于地下巷道、硐室等圍巖2～3 m以淺的范圍內(nèi)，支護(hù)范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力遠(yuǎn)低于原始地應(yīng)力，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)選取法向應(yīng)力為2 MPa。待模型施加法向載荷計(jì)算達(dá)到平衡后，再通過(guò)給下部巖塊施加0.5 mm/min的恒定水平速度實(shí)現(xiàn)錨固結(jié)構(gòu)面的剪切運(yùn)動(dòng)。剪切模擬過(guò)程中對(duì)相關(guān)變量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以加載面上節(jié)點(diǎn)的水平位移代表結(jié)構(gòu)面的剪切位移，以Interface上的剪切應(yīng)力代表結(jié)構(gòu)面自身所受剪切應(yīng)力，以沿剪切方向限制邊界側(cè)的不平衡力為錨固系統(tǒng)的剪切應(yīng)力。

圖2 數(shù)值模型的建立及模型邊界條件

2.2 模型參數(shù)選取

數(shù)值模型中巖塊和錨固劑都采用常用的莫爾-庫(kù)侖模型，錨桿則參照文獻(xiàn)[17]采用各向同性彈性模型。模型中的錨桿-錨固劑、錨固劑-圍巖以及上下巖塊之間都通過(guò)建立Interface來(lái)實(shí)現(xiàn)各界面間的力學(xué)行為。為選擇合理的參數(shù)，參照文獻(xiàn)[9]試驗(yàn)結(jié)果，采用試錯(cuò)法反復(fù)調(diào)參，直到模擬得到的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線與試驗(yàn)結(jié)果相接近，如圖3所示。最終確定的模型物理力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示。數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)剪切應(yīng)力-剪切位移曲線初始階段有一定差別，這是由于在試驗(yàn)中施加法向應(yīng)力后不完全吻合的試件會(huì)輕微錯(cuò)動(dòng)，造成初始剪切應(yīng)力提高，而在模擬中模型完全吻合，不會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象。

圖3 數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)剪切應(yīng)力-剪切位移曲線對(duì)比

表1 模型中各材料的力學(xué)參數(shù)

表2 模型中各接觸面的力學(xué)參數(shù)

值得注意的是，由上述分析可知，錨桿在屈服后抗剪強(qiáng)度不再增加，在彈性階段內(nèi)的抗剪能力才是控制結(jié)構(gòu)面剪切變形的關(guān)鍵。雖然彈性本構(gòu)模型僅能模擬錨桿在彈性階段的力學(xué)特性，考慮到僅對(duì)錨固結(jié)構(gòu)面在小剪切位移內(nèi)的變形和受力特征進(jìn)行研究，因此選用彈性模型模擬錨桿是合理的。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 錨固結(jié)構(gòu)面剪切力學(xué)特性

為分析錨桿對(duì)結(jié)構(gòu)面的加固作用，剪切過(guò)程中分別監(jiān)測(cè)錨固系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)面的剪切應(yīng)力，得到如圖4所示的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線?？梢钥闯觯阱^桿彈性階段內(nèi)，兩條剪切應(yīng)力-剪切位移曲線的發(fā)展趨勢(shì)大都分為4個(gè)階段。第Ⅰ階段：剪切初始階段，結(jié)構(gòu)面上剪切應(yīng)力迅速增加，此階段由于剪切位移很小，錨桿的抗剪能力幾乎未被調(diào)動(dòng)，錨固系統(tǒng)的剪切應(yīng)力幾乎與結(jié)構(gòu)面的剪切應(yīng)力一致。第Ⅱ階段：由于剪切位移進(jìn)一步增大，錨桿的抗剪能力逐漸開(kāi)始發(fā)揮作用，錨固系統(tǒng)的剪切應(yīng)力開(kāi)始大于結(jié)構(gòu)面的剪切應(yīng)力，且兩者差值逐漸增大。第Ⅲ階段：二者的剪切應(yīng)力達(dá)到峰值后，由于結(jié)構(gòu)面粗糙體破壞程度逐漸增加，結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力曲線呈明顯的下降趨勢(shì)，由于錨桿發(fā)揮的抗剪效果逐漸顯著，錨固系統(tǒng)的剪切應(yīng)力曲線下降不明顯。第Ⅳ階段：結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力曲線趨于平穩(wěn)，由于錨桿提供的剪切應(yīng)力仍不斷增大，錨固系統(tǒng)剪切應(yīng)力仍呈上升趨勢(shì)，增幅并不顯著。相對(duì)于結(jié)構(gòu)面自身，錨固系統(tǒng)的剪切應(yīng)力在峰值剪切位移處提升0.33 MPa，在剪切結(jié)束時(shí)提升0.93 MPa。

圖4 錨固結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

3.2 錨桿受力和變形特征

剪切荷載作用下，穿過(guò)結(jié)構(gòu)面的錨桿與圍巖相互作用，此過(guò)程中錨桿的變形和受力不斷演化，整個(gè)錨固體系的內(nèi)在作用機(jī)制十分復(fù)雜。采用實(shí)體單元模擬錨桿監(jiān)測(cè)得到錨桿各部位的受力狀態(tài)，剪切結(jié)束時(shí)錨桿的剪切應(yīng)力和軸向應(yīng)力分布特征如圖5所示?？梢钥闯?，錨桿所受的剪切應(yīng)力主要集中在結(jié)構(gòu)面附近，并且與結(jié)構(gòu)面大致呈45°方向貫穿整個(gè)錨桿(圖中藍(lán)色部分)。而錨桿的軸力則在結(jié)構(gòu)面兩側(cè)呈現(xiàn)出兩組基本對(duì)稱的應(yīng)力分布集中區(qū)，分別為壓應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)。

圖5 錨桿剪切應(yīng)力和軸向應(yīng)力分布云圖

為進(jìn)一步量化分析錨桿的受力特征，采用自編FISH函數(shù)在錨桿左側(cè)、中間和右側(cè)分別布置3條測(cè)線將錨桿的剪切應(yīng)力和軸向應(yīng)力導(dǎo)出并繪制成曲線，如圖6所示，其中負(fù)值代表壓應(yīng)力，正值代表拉應(yīng)力。由圖6(a)所示的錨桿剪切應(yīng)力分布圖可以看出，沿錨桿的剪切應(yīng)力主要集中在結(jié)構(gòu)面兩側(cè)15 mm內(nèi)的位置，其他位置的剪切應(yīng)力幾乎為0。錨桿剪切應(yīng)力在結(jié)構(gòu)面附近達(dá)到峰值，向錨桿兩端逐漸降低，甚至在距離結(jié)構(gòu)面5 mm的位置發(fā)生方向改變，逐漸增大到4 MPa左右后又逐漸下降到0。錨桿右、中、左部位所受剪切應(yīng)力大小不同。整體上是錨桿兩側(cè)的受力大于中間，如從右側(cè)到左側(cè)最大剪切應(yīng)力分別為-46.53、-29.46和-39.97 MPa。由圖6(b)所示的錨桿軸向應(yīng)力分布圖可以看出，沿錨桿的軸力分布則大致呈“S”型，并且也主要集中在結(jié)構(gòu)面兩側(cè)15 mm內(nèi)的位置，其他位置的軸力幾乎為0。錨桿右側(cè)的軸向應(yīng)力和左側(cè)的軸向應(yīng)力方向相反，錨桿中間部分軸向應(yīng)力的方向同右側(cè)一致，這種輕度的不對(duì)稱是由結(jié)構(gòu)面粗糙不平導(dǎo)致的。從右側(cè)到左側(cè)最大壓應(yīng)力分別為-29.51、-3.65和-15.84 MPa，從右側(cè)到左側(cè)最大拉應(yīng)力分別為73.04、54.00和66.79 MPa，整體上來(lái)看錨桿所受拉應(yīng)力較大。

圖6 錨桿剪切應(yīng)力和軸向應(yīng)力分布曲線

模擬得到的錨桿剪切應(yīng)變和體積應(yīng)變分布特征如圖7所示，其中負(fù)值代表壓應(yīng)變，正值代表拉應(yīng)變?？梢钥闯?，錨桿變形主要集中在結(jié)構(gòu)面附近，其中，剪切應(yīng)變大致在距結(jié)構(gòu)面30 mm范圍內(nèi)，體積應(yīng)變大致在距結(jié)構(gòu)面15 mm范圍內(nèi)。剪切應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)同沿錨桿剪切應(yīng)力分布曲線相近，最大值為6.7×10-3，體積應(yīng)變曲線變化趨勢(shì)同沿錨桿軸向應(yīng)力分布曲線相近，最大值為4.6×10-3。由圖7還可看出，錨桿右側(cè)、中間和左側(cè)在結(jié)構(gòu)面處的剪切應(yīng)變幾乎相等，分別為6.5×10-3、6.7×10-3和6.7×10-3，并且左右兩側(cè)剪切應(yīng)變較為對(duì)稱。錨桿體積應(yīng)變有正有負(fù)，其中負(fù)值為壓應(yīng)力產(chǎn)生的壓應(yīng)變，正值為由拉應(yīng)力產(chǎn)生的拉應(yīng)變。從錨桿右側(cè)到左側(cè)，錨桿最大壓應(yīng)變分別為-3.8×10-3、-2.3×10-3和-3.5×10-3，最大拉應(yīng)變分別為4.7×10-3、3.3×10-3和4.7×10-3。由此可見(jiàn)，在剪切過(guò)程中，錨桿在結(jié)構(gòu)面處的剪切應(yīng)變較大，其次是在結(jié)構(gòu)面兩側(cè)的拉應(yīng)變。

圖7 錨桿剪切應(yīng)變和體積應(yīng)變分布曲線

3.3 界面剪切應(yīng)力分布特征

大量研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明：錨固系統(tǒng)中的錨桿-錨固劑界面以及錨固劑-圍巖界面是錨固系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，界面滑移是錨固系統(tǒng)的主要破壞形式之一。因此，錨桿-錨固劑界面和錨固劑-圍巖界面的剪切應(yīng)力分布對(duì)于錨固系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要。圖8所示為剪切結(jié)束時(shí)沿錨桿-錨固劑界面和錨固劑-圍巖界面的剪切應(yīng)力分布圖?？梢钥闯觯瑑蓚€(gè)界面的剪切應(yīng)力主要集中在結(jié)構(gòu)面附近，并且錨桿-錨固劑界面上的最大剪切應(yīng)力大于錨固劑-圍巖界面上的，分別為29.05和25.07 MPa。

圖8 錨固結(jié)構(gòu)面各界面剪切應(yīng)力分布云圖

為更好地分析兩個(gè)界面的受力特征，使用FISH函數(shù)分別監(jiān)測(cè)兩個(gè)界面最左側(cè)和最右側(cè)的剪切應(yīng)力，得到如圖9(a)所示的錨固結(jié)構(gòu)面各界面剪切應(yīng)力分布曲線?？梢钥闯?，錨桿-錨固劑界面兩側(cè)的剪切應(yīng)力大致呈“山”字型分布，在結(jié)構(gòu)面附近位置最大，左右兩側(cè)的剪切應(yīng)力峰值分別為16.77和12.80 MPa，向錨桿兩端逐漸降低至0，之后又逐漸增大到7.62 MPa，最后在距結(jié)構(gòu)面30 mm以外趨于0。錨固劑-圍巖界面兩側(cè)剪切應(yīng)力曲線大致也呈“山”字型，同樣在結(jié)構(gòu)面附近位置最大，左右兩側(cè)的剪切應(yīng)力峰值分別為12.51和12.76 MPa，向錨桿兩端逐漸降低至0，之后有一個(gè)較小的回彈，最大為2.89 MPa，最后在距離結(jié)構(gòu)面20 mm以外趨于0。由此可知，相對(duì)于錨固劑-圍巖界面，錨桿-錨固劑界面所受剪切應(yīng)力更大，且受力范圍也更大。

圖9 錨固結(jié)構(gòu)面各界面剪切應(yīng)力分布曲線

3.4 錨固結(jié)構(gòu)面剪切變形破壞特征

模擬得到的錨固結(jié)構(gòu)面破壞分布如圖10所示。由圖10(a)所示的圍巖和錨固劑塑性區(qū)分布可知，在錨桿與結(jié)構(gòu)面相交部分產(chǎn)生的塑性區(qū)最大，其次是結(jié)構(gòu)面上粗糙體凸起部分。這是由于，在錨固結(jié)構(gòu)面剪切過(guò)程中，錨桿與結(jié)構(gòu)面相交的位置，錨桿與錨固劑和圍巖相互作用，是主要承載部位，而粗糙結(jié)構(gòu)面上的凸起是結(jié)構(gòu)面上發(fā)揮抗剪作用的主要部位[18]。其中，錨固劑在I區(qū)和IV區(qū)主要發(fā)生拉伸破壞，在II區(qū)和III區(qū)主要發(fā)生剪切破壞，并在II區(qū)也存在少量拉伸破壞。這主要是由于錨桿在I區(qū)和IV區(qū)發(fā)生較大的拉伸變形，導(dǎo)致這部分的錨固劑產(chǎn)生較大拉伸變形，進(jìn)而產(chǎn)生拉伸破壞，而其他兩個(gè)區(qū)域主要是受錨桿與圍巖的相互擠壓，發(fā)生剪切破壞。圍巖在結(jié)構(gòu)面附近產(chǎn)生較多剪切破壞，這是由于上下試件相互錯(cuò)動(dòng)，結(jié)構(gòu)面上的凸起受較大的法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力發(fā)生剪切破壞。錨桿與結(jié)構(gòu)面相交處錨桿受力和變形最大，因此這部分圍巖承受較大的力，產(chǎn)生大量塑性破壞。

由于錨桿、錨固劑以及圍巖的剛度不同，在剪切過(guò)程中錨桿-錨固劑界面和錨固劑-圍巖界面會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，沿界面切向產(chǎn)生滑移，或者沿界面法向相互分離，如圖10(b)所示。為研究錨固系統(tǒng)中兩個(gè)界面的滑移規(guī)律，對(duì)兩個(gè)界面的滑動(dòng)和接觸特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到如圖10(c)所示的界面剪切滑移和分離分布圖。可以看出，錨桿-錨固劑界面與錨固劑-圍巖結(jié)構(gòu)面的滑移區(qū)同樣集中在結(jié)構(gòu)面附近，且兩個(gè)界面的滑移位置與破壞范圍相差較大。錨桿-錨固劑界面的滑移范圍較小，集中于結(jié)構(gòu)面和拉應(yīng)變較大位置，而錨固劑-圍巖界面的滑移范圍較大，主要分布在拉應(yīng)變較大處。這是由于這部分的錨桿和錨固劑變形較大，界面之間的相對(duì)位移較大。還可以看出，兩個(gè)界面的法向分離情況差別更顯著，錨桿-錨固劑界面較大部分發(fā)生分離，而錨固劑-圍巖界面僅在結(jié)構(gòu)面附近發(fā)生小部分分離。綜合來(lái)看，相比于錨固劑-圍巖界面，錨桿-錨固劑界面更容易發(fā)生脫離，導(dǎo)致錨固系統(tǒng)失效，這是由于錨桿-錨固劑界面所受剪切應(yīng)力更大，這與其他學(xué)者的研究結(jié)論一致[19]。

圖10 錨固結(jié)構(gòu)面剪切變形破壞特征

4 結(jié)論

1) 錨桿能夠有效提高巷道圍巖結(jié)構(gòu)面的抗剪能力，且不同剪切階段的提升效果明顯不同。相對(duì)于結(jié)構(gòu)面自身，錨固系統(tǒng)的剪切應(yīng)力在峰值剪切位移處提升了0.33 MPa，在剪切結(jié)束時(shí)提升了0.93 MPa。

2) 錨桿所受的剪切應(yīng)力集中在結(jié)構(gòu)面附近，與結(jié)構(gòu)面大致呈45°方向貫穿整個(gè)錨桿，錨桿所受的軸力則在結(jié)構(gòu)面兩側(cè)呈兩組基本對(duì)稱分布的壓應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)，且錨桿所受拉應(yīng)力較大。錨桿在結(jié)構(gòu)面處的剪切應(yīng)變較大，拉應(yīng)變次之。

3) 錨固劑-圍巖界面和錨桿-錨固劑界面兩側(cè)的剪切應(yīng)力在結(jié)構(gòu)面處最大，向錨桿兩端方向先降低至0且經(jīng)過(guò)一個(gè)小的回彈后繼續(xù)降低，分別在距離結(jié)構(gòu)面30和20 mm后趨于0。相比于錨固劑-圍巖界面，錨桿-錨固劑界面所受剪切應(yīng)力更大，且受力范圍也更大。

4) 錨固結(jié)構(gòu)面中的塑性破壞主要產(chǎn)生在錨桿與結(jié)構(gòu)面相交處和結(jié)構(gòu)面凸起處，其中錨固劑多是發(fā)生拉伸破壞，圍巖則多是發(fā)生剪切破壞。相比于錨固劑-圍巖界面，錨桿-錨固劑界面更容易發(fā)生脫離，導(dǎo)致錨固系統(tǒng)失效。