研究選用了來自中國四川自貢的紅砂巖，其平均密度約為2.48×10³kg/m³。試樣被加工成80mm寬、160mm高、40mm厚的矩形，并預制了一個半徑為6mm的圓形空穴以及一個半徑為3mm的錨桿鉆孔。錨桿孔中心與空穴中心的距離l是核心變量，設定了七個值：0、6、12、18、24、30、36mm，分別對應1#到7#錨固位置。錨桿選用直徑為6mm的鋼桿，其彈性模量約為196.65GPa，并通過扭矩扳手施加了約350N的恒定預緊力，以模擬現場端部錨固方法。

實驗加載采用MTS816巖石力學試驗系統，在位移控制下以0.2mm/min的速率進行單軸壓縮。同時，結合高速數字圖像相關(DIC)系統和聲發射(AE)監測，以捕捉裂紋擴展過程和聲學信號。

與完整試樣和無錨固含孔試樣對比，預制空穴顯著降低了砂巖的力學性能。無錨固含孔試樣的單軸抗壓強度、彈性模量E和峰值應變分別比完整試樣降低了約46%、15%和16%。

錨桿位置對含孔砂巖的力學響應有決定性影響。錨桿位于孔洞中心(1#)或與頂板相切(2#)時，曲線在峰值前后出現顯著應力波動，強度和剛度降低，破壞呈現脆性。當錨桿距離孔洞中心12mm(3#)和18mm(4#)時，強化效果最顯著，峰值后脆性降低，變形能力增強。

定量分析表明，位置3#(l=12mm)的強化效果最優，其平均峰值強度達到50.78MPa，比無錨固試樣提高了42.72%，并恢復了完整試樣強度的76.78%。其彈性模量E和割線模量分別提高了44.61%和71.93%。

裂紋萌生模式與錨桿位置密切相關。當錨桿孔與空穴相交(1#)或相切(2#)時，試樣在空穴壁發生剝落的同時，還會萌生近似相切的拉伸裂紋。隨著距離增加，應力疊加減弱，裂紋萌生模式趨于均勻，以剝落為主。

裂紋萌生應力的變化趨勢與其他力學指標一致。位置2#的平均萌生應力最低(17.74MPa)，比無錨固試樣降低了46.73%。而位置3#的平均萌生應力最高(47.26MPa)，比無錨固試樣提高了39.53%。

錨桿位置通過改變內部應力分布控制著最終的破壞形態。無錨固試樣的破壞模式相對簡單，主要由空穴兩側萌生的兩條主剪切裂紋控制。當錨桿位于1#和2#位置時，破壞仍以剪切為主，但在2#位置，主剪切裂紋集中于空穴同一側，發生顯著的頂板V形塌落。

在最優錨固區間(3#-5#)，破壞模式發生轉變。位置3#的試樣表現出明顯的空間分區破壞，空穴上、下區域分別過渡為拉伸和剪切主導的裂紋。位置4#和5#的試樣則以拉伸裂紋為主，整體完整性保持較好。當錨桿距離更遠時(6#-7#)，破壞形態更為復雜，塊體更破碎，總體損傷程度增加。

基于經典的滑動裂紋模型，錨桿的止裂作用可通過兩種機制解釋：由錨桿張力引起的軸向壓縮效應和與錨桿剪切相關的切向錨固效應。在軸向壓縮過程中，隨著試樣側向膨脹，錨桿軸力逐漸增加，從而提高了巖石內部的側向(水平)應力σ₂。根據力學模型，σ₂的增加顯著降低了裂紋面上的有效剪應力，從而抑制了進一步的裂紋擴展。

在錨固區內，翼裂紋可等效為一個與最大主應力σ₁方向共線的單一裂紋系統。分析表明，錨桿預應力(即σ₂增加)降低了裂紋尖端的應力強度因子，從而延緩了翼裂紋的擴展。因此，需要更高的軸向應力σ₁才能驅動裂紋進一步延伸。

采用基于離散元法(DEM)的PFC^2D軟件建立了與實驗尺寸一致的數值模型。模型中砂巖和錨桿-孔洞接觸界面均采用平行粘結模型進行表征。通過迭代試錯法，依據實驗室單軸壓縮和錨桿拉拔試驗結果，對砂巖和錨桿系統的細觀參數進行了標定，確保了模擬與實驗宏觀參數和主要破壞模式的良好一致性。

模擬的應力-應變曲線顯示，所有錨固試件在峰后都表現出明顯的塑性變形，表明錨固抑制了裂紋的擴展和貫通，使破壞過程從突發脆性破壞轉向漸進式的類延性響應。

峰值強度、峰值應變和裂紋萌生應力隨錨固位置的變化趨勢與實驗結果一致，均呈現先降低、后升高、再降低的非單調性規律。位置3#同時產生了最高的峰值強度和裂紋萌生應力。模擬的最終破壞形態也與實驗觀測結果吻合，表明模型能夠有效復現錨固控制的斷裂演化關鍵特征。

通過跟蹤細觀損傷和錨桿軸力演化，揭示了錨固位置抑制裂紋傳播的機制。在位置2#，微裂紋早期在孔-錨交界面萌生，并優先向錨固區外擴展，導致變形約束有限，錨桿軸力增長平緩。而在位置3#，裂紋被限制在錨桿孔附近，這種裂紋轉移和屏蔽效應將更大比例的變形誘導載荷傳遞給了錨桿，因此錨桿軸力在穩定破壞階段快速增長，并在峰值荷載附近達到所有測試位置中的最高水平。

最大錨桿軸力水平與觀察到的裂紋抑制效果密切相關。軸力水平反映了錨桿的約束程度：距離較遠的位置(6#和7#)軸力最低，約束最小；而最優位置(3#-5#)的軸力達到峰值，表明高錨桿軸力提供了強大的徑向約束，增強了孔洞附近的局部剛度和抗裂性。

從能量轉換的角度看，巖石的變形和破壞是能量交換的過程。在PFC模型中，總輸入能量U等于彈性應變能U^e與耗散能U^d之和。能量演化曲線顯示，錨固位置顯著改變了紅砂巖的能量演化路徑。

在峰值強度時，總輸入能量U和彈性應變能U^e均呈現系統性依賴。位置3#試樣的U和U^e達到最大值，約為無錨固缺陷試樣的1.85倍。相反，位置2#試樣的值最小。研究定義了最大彈性能量轉換率K_max來表征儲能能力。位置3#的K_max最高(0.91)，表明其儲能能力最強，抗破壞能力最大；而位置2#的K_max最低(0.29)，表明其最容易發生失穩。

提取試樣破壞瞬間的顆粒位移矢量場，可以直觀展示不同錨固配置下的破壞特征。在無錨固試樣中，宏觀裂紋兩側顆粒反向運動，呈現拉-剪混合破壞模式。在有效的錨固位置(如3#和4#)，錨桿促進了以錨桿為中心的局部化或同心位移場的形成。這種機制將原本會向自由面局部化的大尺度連續變形，重新引導并限制在錨桿附近，從而有效地抑制了貫穿性宏觀裂紋的發展。

綜合實驗與模擬結果，本研究得出以下核心結論：首先，錨桿位置強烈影響含空穴砂巖的力學性能和破壞模式。當錨桿穿過空穴或緊鄰空穴邊界時，強度和剛度顯著降低，破壞呈脆性；而當錨桿安裝在空穴外適當偏移距離(12-18mm)時，各項力學指標得到最大幅度提升(超過40%)，峰后響應從脆性轉變為更漸進、類延性的行為。其次，PFC^2D數值模擬再現了這一力學響應，并識別出一個最優錨固區間(3#-5#)。在此區間內，峰值強度、彈性模量和抗裂紋萌生能力同時達到最大，裂紋擴展得到有效抑制。最優位置(3#)具有最高的儲能能力(K_max=0.91)和抗失穩性。最后，這些發現為工程中的錨固優化和穩定性評估提供了定量基礎。確定了一個最優錨固區間，應避免錨固距離空穴過近。基于能量的指標，如彈性能量轉換率，可作為巖體穩定性評估和預警的潛在判據。

本研究的局限性在于僅考慮了單軸加載、單一巖性、固定空穴尺寸和錨桿直徑。未來的工作需要考慮更真實的應力環境、更多巖性、多尺度錨固參數和復雜加載路徑，以系統表征代表性地質和力學條件下的錨桿錨固機制。