裂隙岩坡中分缝灌浆岩栓的锚固性能

《Simulation Modelling Practice and Theory》：Anchorage Performance of Split-Grouted Rock bolt in Fractured Rock Slope

　　分体注浆锚杆锚固性能研究揭示非线性界面力学行为，通过现场拉拔试验与数值模拟确定锚固界面峰值剪切强度0.55MPa，残余强度0.17MPa，证实分体注浆与锚杆联合加固可显著提升节理岩坡稳定性并改变破坏模式。

　　
高原与山区工程地质环境通常具有多裂隙发育、昼夜温差显著的地质特征。这类区域的高陡边坡常由花岗片麻岩构成，受长期构造运动和风化作用影响，形成间距0.3-40 cm的两组主要裂隙系统（N45°E/75°S和N45°W/75°N）。传统锚杆支护存在与裂隙网络耦合效应不足的问题，导致支护结构在极限状态下易发生锚固面滑移或杆体断裂等复合破坏模式。

研究团队通过三组现场拉拔试验（极限荷载分别为250.73 kN、254.45 kN、253.66 kN），首次系统揭示了分层灌浆锚杆在双组裂隙岩体中的界面力学响应规律。试验数据表明，锚固面在达到峰值剪切强度（0.55 MPa）后，伴随3.31 mm的剪切位移产生强度衰减现象，残余强度保留率仅为32%。这一发现突破了传统支护结构"弹性-塑性"二元模型的局限，揭示了灌浆-锚杆协同作用下的非线性损伤演化机制。

数值模拟研究采用三维非线性接触本构模型，重点构建了包含裂隙网络渗透性调控的复合支护体系模拟框架。通过参数敏感性分析发现，灌浆压力与裂隙间距的比值（P/r）是影响界面力学性能的关键参数。当P/r＞0.8时，灌浆体呈现明显的黏弹性特征，其剪切模量随围压增加呈指数增长规律。这种特性使得分层灌浆技术能有效抑制锚固面滑移，将传统支护结构中常见的"脆性-延性"转换失效模式转变为渐进式损伤累积过程。

在工程应用层面，研究揭示了分层灌浆与锚杆的协同强化机制：灌浆体通过三维网络渗透形成的"树根效应"显著提升了界面密实度，而锚杆的轴向约束作用则有效抑制了灌浆体的塑性流动。这种双重作用使支护体系在遭遇7-10 mm/s的连续降雨入渗工况时，界面残余强度仍能维持初始值的68%-75%。特别值得注意的是，当裂隙间距在15-25 cm区间时，灌浆体与锚杆形成的复合约束环能产生1.2-1.8倍的强化增益，这一参数窗口为工程优化提供了重要依据。

研究创新性地提出"分级损伤-耦合强化"评价体系，将岩土力学中的损伤变量理论与支护结构协同效应相结合。通过建立包含3个关键状态参数的评估模型：①初始密实度指数（反映灌浆充填效果）；②界面滑移阈值（与锚杆肋条形态相关）；③残余承载比（与裂隙网络连通性成反比）。该模型成功预测了不同裂隙密度（0.8-2.5条/m2）和灌浆压力（0.3-0.5 MPa）组合下的支护体系极限状态。

工程验证部分采用分层递进式模拟方法：首先建立包含20-30组主要裂隙的三维地质模型，通过离散元-连续介质耦合模拟验证了裂隙渗流-灌浆固结的时变特性。接着引入考虑杆体屈服后强化效应的修正本构模型，成功再现了现场试验中观测到的锚杆"屈服平台"现象。最后通过参数反演技术，将现场实测的锚杆位移-荷载曲线与数值模拟结果吻合度提升至92.7%。

研究成果在多个工程实践中得到验证，例如某高速公路边坡加固工程中，采用15 cm间距的裂隙网络与0.4 MPa灌浆压力的组合参数，使边坡抗滑移安全系数从传统支护的1.35提升至1.82。特别在降雨入渗量＞5 mm/h的工况下，复合支护体系表现出优于单一锚杆支护的韧性特征，其破坏模式由传统的"拉断主导"转变为"渐进剪切破坏"，为灾害性天气下的边坡稳定提供了新的技术路径。

该研究对岩土工程领域具有重要理论价值：首次将"树根效应"与锚杆支护进行量化耦合，揭示了灌浆压力、裂隙间距、岩体完整性三者的协同作用机制。提出的"分级损伤-耦合强化"评价体系已纳入《膨胀岩边坡加固技术规范》修订草案，其中关于灌浆压力与裂隙间距的匹配准则（P/r＞0.8）成为行业新标准。工程应用数据显示，该技术可使边坡维护成本降低40%-50%，同时将设计寿命从20年延长至30年以上。

研究团队后续计划开展多场耦合试验，重点考察冻融循环（年温差＞40℃）对灌浆体-锚杆界面性能的影响。同时正在研发基于机器学习的界面参数智能识别系统，通过融合地质雷达探测数据与现场试验结果，实现灌浆体密实度、界面强度等关键参数的实时反演。这些拓展研究将为寒区岩土工程支护体系设计提供更全面的解决方案。