皖南山区石灰岩层中岩石锚固基础变形与破坏特性的分析

《Frontiers in Materials》：Analysis of deformation and failure characteristics of rock anchor foundations in limestone strata of southern Anhui mountainous areas

岩石锚固基础在安徽南部石灰岩地区的变形破坏机制研究，通过现场拉拔试验、实验室三轴试验及有限元模拟，揭示单锚系统在3500mm深度出现破坏模式转变（浅层岩土界面剪切破坏转变为钢绞线抽出），群锚系统（2×2布局）极限承载力达3600kN（单锚4倍），并确定最佳嵌入深度400mm及直径比D/d≥3.2优化准则。

　　
该研究针对南方安徽山区石灰岩地层中岩石锚固基础的变形与破坏机制展开系统性探索，通过多尺度研究方法整合现场拉拔试验、实验室三轴试验及精细化数值模拟，揭示了单锚与群锚系统的力学行为规律及关键设计阈值。研究聚焦于以下核心发现：

### 一、单锚系统深度效应与破坏模式演化
通过分层钻探取样（深度1-6米）和实验室三轴压缩试验（围压10-25MPa），确定石灰岩地层内摩擦角47.3°，粘聚力6.58MPa。现场拉拔试验表明，单锚系统存在显著的深度依赖性破坏模式转变：
- **浅层锚固（≤3000mm）**：破坏以整体拉拔为主，剪切滑移面沿岩-砂浆界面形成。该模式下，岩体低围压（约10MPa）导致剪切强度不足，界面滑移应力超过砂浆粘聚力（实测约0.35倍岩体粘聚力）时触发宏观破坏。
- **深层锚固（≥4000mm）**：围压提升促使岩体进入塑性流动阶段，破坏模式转变为钢绞线与砂浆界面渐进剥离。临界深度3500mm对应界面粘聚力失效，此时钢绞线有效锚固长度占比超过80%，界面滑移应力降至安全阈值以下。
- **超深锚固风险（>5000mm）**：钢绞线出现局部应力集中，砂浆-岩体过渡带能量耗散效率降低21%，导致峰值承载力下降19%。该现象归因于锚固段无效长度增加引发的应力重分布失效。

### 二、群锚系统协同机制与优化设计
采用2×2群锚配置（间距600mm，孔径120mm），发现以下协同效应：
1. **应力叠加效应**：群锚系统通过空间应力叠加，使单锚峰值承载力提升4倍（3600kN vs 900kN），其中邻近锚杆产生15%-20%的附加剪应力。
2. **界面滑移协调**：群锚间形成连续滑移阻力带，单根锚杆破坏位移达43mm时，群锚系统整体仍保持结构完整性，最大位移延性系数达1.2。
3. **最优嵌入深度**：400mm嵌入深度使群锚系统在保持3600kN峰值承载力的同时，位移延性提升至1.5（无嵌入时仅为0.8）。深层嵌入（800mm）虽延长位移达50%，但承载效率提升有限（仅3%）。

### 三、关键设计参数敏感性分析
通过正交试验法确定参数敏感性排序：
1. **锚固直径比（D/d）**：当D/d≥3.2时，界面滑移阻力提升37%，临界荷载增加25%。该比值平衡了钢绞线表面积与砂浆包裹效应。
2. **嵌入深度**：每增加100mm深度，界面有效粘聚力提升8%-12%，但超过5000mm后边际效益递减。
3. **围压水平**：围压每增加5MPa，岩体剪切强度提升18%，但需匹配相应的锚固深度以发挥应力缓冲作用。

### 四、数值模型验证与工程应用
基于ABAQUS开发的耦合接触模型包含：
- **钢绞线-砂浆界面**：采用粘性接触模型，模拟滑移过程中的渐进损伤演化。
- **砂浆-岩体界面**：引入损伤塑性模型，考虑围压对界面摩擦系数（0.45→0.62）及粘聚力（6.58MPa→8.92MPa）的强化效应。
- **群锚应力场**：通过Mindlin解修正的叠加模型，预测各锚杆分担荷载的变异系数≤8.3%，与实测数据吻合度达92%。

模型验证显示：
- 单锚系统模拟误差＜5%，能准确复现弹性-塑性-残余变形三阶段（图13）。
- 群锚系统数值解与试验结果最大偏差11%，特别是在水平荷载耦合工况下，应力重分布系数（α=0.3）有效捕捉了近场锚杆的应力集中现象（图16）。

### 五、工程实践启示
1. **临界设计深度**：单锚系统推荐深度3000-4000mm，群锚系统可适当加深至5000mm。
2. **界面强化策略**：
- 优化砂浆配比：将水灰比从0.5降至0.35，使界面粘聚力提升至9.2MPa。
- 增加界面处理：采用机械切割与喷砂处理，可使初始滑移应力降低30%。
3. **群锚布局优化**：
- 排列间距：建议采用0.5-0.7倍锚固直径（D=40mm时间距20-28mm）。
- 锚杆角度：15°-25°仰角可平衡垂直与水平荷载（试验显示水平荷载占比达40%）。

### 六、研究局限性及展望
1. **模型简化**：未考虑微裂缝扩展的随机性，后续研究需引入概率损伤模型。
2. **地层非均质性**：试验未覆盖破碎带与完整岩体交替工况，建议补充离散化岩体模型。
3. **长期效应**：界面蠕变特性缺失，需开展加速老化试验评估长期稳定性。

该成果为《国家电网输电线路典型设计规范（2017版）》提供了关键修正参数，建议在以下场景应用：
- 岩溶发育区（破碎带比例＞15%）优先采用群锚系统
- 岩石单轴抗压强度＞80MPa时，可尝试深达6000mm的锚固设计
- 复杂荷载工况（水平荷载＞50%轴向力）需进行三维非线性分析

研究建立的"深度-围压-界面强度"三元耦合模型，为深埋锚固系统设计提供了理论框架，特别适用于南方喀斯特地貌区（pH值6.8-7.2，SO42-浓度＞200mg/L）的输电工程。后续研究可结合微震监测数据，建立界面损伤实时预警系统。