基于3D打印和数字散斑技术的节理岩体锚固效应分析

摘要

为研究锚杆对节理岩体的锚固力学效应,基于3D打印技术制作了以矿用锚杆为原型的缩尺锚杆和含预制节理面的制样模具,进而制备了2组不同角度的节理锚固试样,并采用数字散斑(DIC)方法监测了试样在单轴压缩试验过程中表面位移及应变场的变化,对比分析了不同节理角度锚固岩体的变形与强度特性和锚固力学效应。试验结果表明:节理角度对岩体强度和变形特性具有显著影响,节理的存在会降低岩体的承载能力,节理角度为15°和60°岩体的强度分别为不含节理完整岩体的34%和19%,节理岩体的应力应变曲线表现出显著的多峰性。当节理角度为15°时,试样破坏模式以压缩劈裂为主,试样整体承载力受块体自身强度影响较大,锚杆的加固作用不显著;当节理角度为60°时,试样破坏模式则以剪切破坏为主,锚杆的加固作用明显,此时锚杆除了杆体的黏结及抗剪作用外,还借助装配在锚杆两侧的托盘给锚固试样提供一定的侧向约束,从而维持结构的整体承载性能。DIC方法形象直观地再现了锚固节理岩体加载全过程中裂隙发展和剪切滑移的全过程,当节理角度为15°时,Exx和Eyy应变场呈现与试样表面裂隙高度吻合的应变集中区域,节理面两侧的应变集中则不显著;而当节理角度增大至60°后,Exx和Eyy应变场在节理面两侧区域高度集中,呈现出3色剪切带,验证了节理面角度对试样发生剪切行为起着重要的控制作用,角度越大试块剪切运动越明显,研究结果可为节理岩体锚杆加固机理的相关研究提供参考。