Page 92 - 《爆炸与冲击》2026年第6期

第 46 卷 卢毓崟，等： 层理倾角与锚固方式耦合作用下砂岩的动态力学特性 第 6 期

分析产生以上变化规律差异性的原因，岩体整体强度受抗拉及抗剪强度控制，而两者受层理倾角影
响而削弱，此处从抗拉及抗剪强度 2 个方面探究层理倾角对岩体强度的作用机制。
θ =0°）时，层理面上的法向压应力达到最大值，使得层理面
在抗拉方面，当加载方向与层理面垂直（
内的摩擦力也达到峰值，叠加层理弱面的黏聚力作用，此时层理面的削弱效应最弱，试样的抗拉强度达
到最大值；然而，随加载方向与层理方向夹角的逐渐减小，层理面法向的压应力逐渐降低，同时拉伸方向
逐渐与层理弱面垂直，抵消了压应力，这一变化进一步削弱了层理面的内摩擦力。在这 2 种因素共同作
θ =90°时，试样的抗拉约束主要依赖于层理面黏聚力，
用下，内摩擦力对抗拉约束的贡献大幅度减弱，当
此时试样的抗拉强度降至最小值。从抗剪强度的角度分析，试样的抗剪强度由岩石基质和层理弱面共
θ 接近 45°时，层理弱面的倾角接近试样的内摩擦角，导致岩石基质对抗剪强度的贡献显著下
同承担。当
降，此时试样的整体抗剪强度主要由层理弱面提供，因此试样的抗剪强度大幅降低。综上所述，无锚试
样的力学性能曲线呈现 V 形特征，其中 θ =0°时的岩石强度明显高于 θ =90°时的强度。
试样在锚固后，锚杆轴向上通过锚固剂参与试样径向的拉伸变形。直接接触的岩石基质在荷载作用
下产生径向拉伸变形时，锚杆也产生拉应变。但因锚杆材料的抗变形能力高于岩石基质的，在相同荷载作
用下锚杆的拉伸变形要小于岩石基质，使得锚杆与岩石基质之间产生应变差。此时锚杆通过锚固剂对岩
石基质施加被动的轴向抗拉约束力，从而提高试样的抗拉强度。因此，在不同锚固方式下，锚固效应的抗
拉强度提升幅值与锚固长度呈正相关，锚固长度越大，其抗拉强度提升幅值越显著；在抗剪强度方面，不同
于抗拉变形的强化方式，试样的剪切应变在整个层理面结构面上同时出现，表现为不同层理间的相互错动，
锚杆的“销钉”作用能够直接抑制试样层理面上的剪切错动，使得试样的抗剪强度提高。在这种机制影
响下，锚杆对试样切应变约束效果的强弱与发生剪切裂纹时是否与锚杆接触相关。当锚杆与剪切裂纹未
直接接触时，锚杆不能直接抑制试样的剪切应变，使得试样峰值强度的提升幅值减小，锚固长度越大，剪切
裂纹可受锚杆“销钉”作用抑制的范围越大，试样强度的提升幅值越显著。在这 2 种机制的共同作用
下，端锚试样锚固长度最短，仍变形为 V 形特征。随锚固长度逐渐增大，曲线整体特征向倒 V 形转化。
2.1.2 动态弹性模量变化规律
弹性模量作为衡量试样抗变形能力的重要参数之一，在冲击荷载下的计算方法目前并没有一个统
一的标准，将应力-应变曲线上升段 50% 峰值应力点（对应的应力 σ 50% 应变 ε 50% ）和原点连线的斜率作为
E d ，能够较好地表征该应变范围内试样的平均刚度，E 的计算式 [27-28] 为：
d
动弹性模量
σ 50%
E d = (4)
ε 50%
图 8(a) 给出了不同锚固方式下试样的平均弹性模量变化，可以看出，无锚试样的平均弹性模量为
13.17 GPa，而锚杆锚固后试样的弹性模量却有所降低，虽然随锚固长度增大弹性模量呈递增趋势，但全
锚固时为 12.74 GPa，仍小于无锚试样。这一现象主要归因于钻孔中对试样内部结构造成的次生损伤，导
致岩石的完整性下降。从力学响应来看，这种损伤表现为在相同应力条件下应变增大，从而造成弹性模
量降低，虽然增大锚固长度能部分补偿损伤效应，但仍无法完全恢复至无锚试样同水平刚度。
图 8(b) 给出了层理倾角对不同锚固方式下试样弹性模量的影响。结果表明，无锚试样的弹性模量
θ 增大呈典型的 θ
随层理倾角 V 形变化趋势，并在 θ =45°时达到最小值。分析认为：一方面，随层理倾角
增大，平行于加载方向的单层岩石基质厚度增加，导致试样脆性增强，使得无锚层理砂岩的弹性模量提
高；另一方面，在冲击荷载作用下，层理弱面上的应变能积聚速率显著加快，使得层理面对岩体整体强度
θ =45°时剪裂角为 θ
的劣化效应加剧，随层理倾角增大，层理倾角逐渐接近试样的剪裂角，在 55.785°，
=60°时剪裂角为 52.255°，层理面对岩石抗剪强度削弱逐渐增大，弹性模量大幅下降。在这 2 种机制的共
同作用下，弹性模量曲线呈 V 形特征。经锚固处理后，试样弹性模量的变化规律呈现出与无锚试样截然
不同的倒 V 形特征。锚固效应在 θ 处于 30°～45°区间内表现最为显著，且这种特征随锚固长度的增大逐
θ =45°时的弹性模量可达 17.67 GPa，锚杆能够进一步抑制层理面的剪切滑移，使得
渐显著，全锚固试样在
岩石基质的承载性能到达极值。

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