压力型与拉力型锚杆工作性状的室内足尺模型对比试验研究

基于室内足尺模型试验对比研究压力型和拉力型锚杆的工作性状,给出锚固体轴向应变的分布特点,验证基于Mindlin问题位移解推导出的压力型锚杆锚固段应力分布理论解的可行性,分析了在试验条件锚杆的极限承载力及破坏形式。试验结果表明,拉力型锚固段处于受拉状态,轴向应变值最大值发生在张拉端附近,距离张拉端越远应变值越小;压力型锚杆的锚固段处于受压状态,轴向应变值最大值发生在承载体附近,距离承载体越远应变值越小;拉力型锚杆破坏形式为锚固段注浆体与岩土层间的粘结滑移破坏,压力型锚杆的破坏形式为承载体附近锚杆周围土体剪胀破坏;压力型锚杆极限承载力较之拉力型锚杆在相同条件下有明显提高;实测值与基于Mindlin问题的位移解推导出的压力型锚杆锚固段应力分布理论解较吻合。     

粘结式锚杆在爆炸动载下轴向应力分布研究

通过物理模型试验,研究在爆炸动载作用下临近工作面支护锚杆的应力状态。根据相似条件和简化假设,采用集中装药进行工程掏槽爆破模拟,利用粘贴在锚杆上的应变片测得近区端锚和全锚锚杆的轴向应变波。测试结果表明,爆破引起锚杆振动时间约为6 ms,经过9 ms的缓降期锚杆变形趋于稳定值;动载期间端锚锚杆在杆体中部锚固段测得峰值应力比杆体尾部自由段的值大,但相差不大,动载过后尾部的残余应力较大;全锚锚杆在杆体尾部测得的峰值应力和残余应力都远大于杆体中部测得值。利用无限体内一点受法向集中力作用的位移势函数,推导锚固体及周围岩体的轴向应力分布,并计算一定预应力在锚固区产生的附加轴向应力,结合动应力的作用分析锚杆的受力状态     

基于剪切试验的预应力锚杆变形性能分析

为了研究锚杆对节理剪切性能的作用机制和模式,开展了锚固节理岩体的实验室剪切试验,模拟了不同强度的岩体在剪力作用下的变形和受力特征,对比了锚杆加固前、后岩体的剪切变形规律,分析了节理岩体强度、预应力及锚固方式对节理的抗剪能力的影响,试验过程中通过应变片测点监测锚杆轴力的变化规律,研究了节理剪切过程中锚杆的轴向受力机制和变形特性。剪切试验完成后,取出剪切变形后的锚杆,统计了变形段长度与各参数之间的关系。通过试验结果分析,剪力-位移曲线存在明显的3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和塑性强化阶段,曲线近似呈现双直线特征,弹性段锚杆主要发挥销钉作用;屈服段锚杆的轴向作用开始调动,锚杆同时存在销钉和约束作用;塑性段锚杆不再发挥销钉作用,只是依靠其轴向约束作用限制岩体的变形;曲线表现出韧性增强的剪切性能,这就使得锚杆锚固节理岩体的破坏特性由脆性转变为塑性,从而提高了岩体的稳定性和安全度。节理面的滑动对锚杆产生剪切作用,由于切向变形而产生了附加的锚杆轴向变形,锚杆的轴向应力随着剪切位移的增大呈增长的趋势,变形剧烈区域集中于节理面附近,且距离节理面越近其轴向应力增大越多。     

节理岩体锚杆的综合变形分析

在总结国内外对节理岩体中锚杆加固机制的试验研究和理论探讨基础上,综合考虑锚杆的切向和轴向变形能力,建立节理锚固锚杆在剪切荷载作用下的变形模型,将节理锚固锚杆的变形区划分为弹性变形段和挤压破坏段,引入表征挤压破坏段长度的变量,对锚杆与岩体的相互作用机制进行理论分析,推导了剪切荷载与剪切位移和轴向荷载与轴向位移的关系。通过分析锚杆的屈服破坏形式,得到了确定挤压破坏段长度的方法。最后,通过算例分析了挤压破坏段长度与锚杆直径、岩体强度、锚固角度等参数的关系,得到了以下结论：（1）节理锚固锚杆抗剪作用的实质是锚杆调动岩体的抗压强度抵抗节理切向荷载。在抗压强度较高的硬岩中,挤压破坏段局限于节理面附近,锚杆影响范围小;而在抗压强度较低的软岩中,挤压破坏段较大,而且会产生较大的剪切变形,锚杆影响范围较大。（2）锚杆屈服破坏形式与岩质和锚杆直径有关。硬质岩体发生剪切屈服,而较软岩体中容易发生弯曲屈服;小直径锚杆一般直接剪切屈服,而大直径锚杆可能发生弯曲屈服。锚杆屈服破坏后出现塑性铰,挤压破坏段范围在节理一侧约为直径的1～2倍,继续增加剪切荷载,挤压破坏段长度不再增大。（3）随岩质的不同,锚杆锚固节理的最优锚固角变化较大。岩质较硬时,最优锚固角度较小,反之则较大。     

基于Mindlin解的压力型锚杆锚固段的受力分析

假设锚杆为与周围介质相同的材料,视锚杆作用的岩土体为弹性半空间位移体;基于Mindlin位移解,求出集中力作用下周围岩土体沿锚固体的轴向位移;根据压力型锚杆锚固段的受力状态,计算锚固体在轴向荷载作用下压缩变形,利用锚固体与周围岩土体变形协调假定,推导出锚固段轴向应力和剪应力分布的理论解。经过与已有现场试验实测数据对比分析,验证了理论解的可行性,并在此基础上讨论了相关岩土参数对锚固段轴向应力和剪应力的影响。锚杆现场试验和理论分析结果表明:压力型锚杆的锚固段所受轴向应力和剪应力与锚固力成正比;压力型锚杆的锚固段所受剪应力的分布形式受周围岩土体弹模、泊松比以及锚固体与周围岩土体界面的内摩擦角等因素的影响。其中周围岩土体的弹模影响最大。     

锚杆锚固对节理岩体剪切性能影响试验研究及机制分析

为研究锚杆锚固对节理岩体剪切性能的影响规律及锚杆抗剪作用机制,开展不同锚杆倾角及不同法向应力作用下加锚节理岩体室内剪切试验研究,探究加锚节理岩体在法向力及剪切力作用下的变形和受力特征,对比分析节理岩体锚固前与锚固后的剪切变形规律,讨论锚杆倾角、节理面法向应力等因素对节理岩体抗剪性能的影响。试验结果表明,锚杆锚固能够有效地增加节理面的黏聚力和内摩擦角,提高节理岩体的抗剪强度;锚杆倾角对加锚节理岩体的抗剪强度及剪切变形规律有重大影响,较大的锚杆倾角有利于发挥锚杆的"销钉"抗剪作用;节理岩体施加锚杆后其剪力–位移曲线存在弹性阶段、屈服阶段及塑性变形阶段3个区段;在锚杆倾角相同的条件下加锚节理岩体的抗剪强度随节理面法向应力的增加而增大。分析试验后试件破坏形态可知,加锚节理岩体中锚杆的屈服破坏主要发生在节理面附近的区段,岩体材料由于锚杆横向的挤压作用,也会在节理面附近发生局部破坏现象。     

压力型锚杆锚固段的应力分布规律研究

根据Kelvin解,推导了压力型锚杆锚固段的弹性黏结应力和正应力分布方程。在推导过程中,考虑了三向应力状态对锚固段黏结应力的提高作用。经过与现场试验实测数据的对比分析,验证了理论计算公式的可靠性。采用软质岩体条件下的参数,对锚固段应力分布进行了计算,总结了岩石条件下锚固段应力分布特点,并分析了各种岩土参数变化对锚固段应力分布的影响,为压力型锚杆的进一步理论研究和工程实践提供了基础。     

加锚贯通节理岩体宏细观剪切破坏特性

为了研究加锚贯通节理岩体的剪切破坏特性,根据室内实验及数值模拟软件PFC2D,分析了不同法向应力及不同锚固角度作用下,加锚贯通节理岩体的抗剪性能及内部细观裂纹的演变过程。研究表明:（1）随着锚固倾角的增加,加锚节理岩体抗剪强度呈现先增大后减小的趋势,且在锚固角度为60°时,其抗剪强度最大,锚固效果最好。随着法向应力越大,加锚节理岩体抗剪强度越高,其抗剪性能越好。（2）随着剪切位移的不断增加,由初期阶段在锚杆和节理附近产生的少量裂纹通过不断的向外扩展,最终在锚杆和节理交界处聚集了大量的裂纹,其中裂纹以张拉裂纹为主。（3）锚固角度及法向应力对裂纹扩展影响显著,随着法向应力的增加,裂纹数也呈现了增加的趋势,且岩体破坏越严重。随着锚固角度的变化,加锚节理岩体破坏时形成的裂纹数量有先减小后增大的趋势,且在锚固角度为60°时,产生的裂纹最少。     

地震作用下含软弱层岩体边坡锚固界面剪切作用分析

基于FLAC3D软件,以含软弱层的锚固岩体边坡为研究对象,通过修正的cable单元建模和改进剪应力提取方法,分别模拟分析了地震作用下含软弱层岩体边坡两锚固界面剪切作用及其演化。研究发现:砂浆-岩体界面上的剪应力远比锚杆-砂浆界面上的小,并均以锚杆上的中性点为界方向相反,分布很不均匀,且均在中性点附近发生突变;随边坡地震响应增强危岩中的锚固界面率先脱黏,基岩中的锚固界面紧随脱黏,且脱黏分别向锚头和锚根发展,直至拉拔段或锚固段全部脱黏锚固破坏。获得了地震波作用下边坡两锚固界面上剪应力及其分布和脱黏破坏过程,揭示了锚固界面上的剪切相互作用和锚固破坏机制,并得到了试验印证,为边坡锚固设计和施工提供了参考。     

用于砂岩加固的锚杆的承载性能试验研究

针对中风化砂岩地质条件,开展了单锚基础和承台式群锚基础的现场足尺试验研究,得到了荷载-位移曲线,分析了基础的破坏模式和承载性能。通过锚筋应变测试,研究了锚杆基础的内力分布规律和有效锚固深度。研究结果表明,岩石锚杆基础应用于中风化砂岩地基分布地区,满足输电线路上部结构对基础承载力的要求,具有良好的经济和社会效益;当锚杆锚固深度小于有效锚固深度时,增加锚固深度和承台嵌岩深度能够有效地提高基础的抗拔承载性能;水平荷载不是基础发生破坏的控制因素,但水平荷载对群锚基础上拔稳定存在不利影响。     

预应力群锚根状效应原位试验研究

根据悬索桥隧道式锚碇系统预应力岩锚原位试验及模拟计算结果,分析了锚索的锚固长度、自由长度、锚固注浆压力以及锚注体与围岩界面结合程度对岩锚极限抗拔力的影响。比较了群锚与单锚作用下的岩锚本身及宿主介质的荷载、位移分布特征。群锚约束岩体向临空面变形,具有增韧止裂的根状效应,受埋深(自由长度)、间距、初始预应力、加载历史等影响。锚索的锚固长度控制着岩锚的极限承载力,而自由段长度控制着其在隧道式复合锚碇系统中参与荷载分担的贡献值和时机,自由段长度对有效传递和分散围岩应力有关键作用。指出群锚整体破坏形态存在传递多米诺效应。     

爆破振动下围岩支护锚杆动力响应解析解

为了研究爆破掘进施工对巷道支护锚杆的影响,采用结构动力学理论,从理论上推导出了锚杆在爆破地震波作用下的振动规律,计算出锚杆上的位移、振速、轴力随时间的变化,研究了黏结式锚杆在爆破动荷载作用下的动力响应特征。结果表明：自由段锚杆的轴力和轴向振速呈现指数型衰减,而锚固段锚杆的轴力和轴向振速以及剪应力呈现正弦变化,整体表现为先增大后减小。锚固长度对锚杆振动效应影响较大,不同锚固长度时锚杆受力状态不同,在锚杆满足抗拉强度的前提下,可以适当减小锚固段长度。剪切刚度对锚杆的振动有一定的影响,剪切刚度越大,锚杆与锚固砂浆之间的剪应力也越大。故为了防止锚杆不发生剪切破坏,尽量选择剪切刚度较小的锚固剂材料。研究成果对掘进爆破安全技术的提高具有一定的指导意义。     

隧道围岩全长黏结式锚杆界面力学模型研究

分析围岩弹塑性介质中全长黏结式锚杆的锚固界面层应力分布和变化特征,对研究隧道工程初期支护系统的力学效应具有重要意义。根据全长锚杆微段的受力平衡以及锚固界面层剪应力的传递机制建立了关于锚杆轴向位移的微分方程,通过求解锚杆轴向位移的微分方程可得到锚杆与围岩相互作用下的轴向载荷和锚固界面剪应力的分布函数。然后将锚杆界面剪应力对围岩的支护反力转化为圆形隧道轴对称径向体积力,进而求解有锚喷支护作用下圆形隧道围岩塑性区半径。在此解析模型基础上,可对隧道围岩-支护系统进行详细的分析和评判。算例分析表明,初期支护时机的选择对锚固效应和围岩稳定性有较大影响;适当增加全长黏结式锚杆的锚固层厚度能明显降低锚杆端部剪应力的应力集中度,能有效改善锚杆的锚固效果。     

锚杆对岩土体作用的力学本质

运用理论分析及数值计算的方法对锚杆作用力的产生机理、分布规律、及其对岩体作用的力学效应进行了探讨,结果表明,锚杆与围岩间的相对位移或相对位移趋势是锚杆作用力产生的条件;若将锚杆及其作用下的围岩看作一个整体即锚固体,则锚杆作用的力学本质可概括为提高锚固体的内聚力、弹性模量、减小锚固体的泊松比以及改善锚固体所处的应力状态,而内摩擦角并无增长的可能。     

锚杆多种失效模式与双滑块边坡锚固系统可靠性分析

考虑锚杆拉杆拉断、拉杆从注浆体中拔出、锚固段注浆体从岩体中拔出、外锚头破坏以及垫墩底岩体的压坏等失效模式,利用系统可靠性原理和极限平衡分析方法,建立了双滑块边坡多锚杆锚固系统可靠性分析模型。基于蒙特卡罗随机抽样原理提出了该类边坡锚固系统破坏概率的直接求解方法。最后结合算例,分别基于中值安全系数和破坏概率指标分析了各计算参数对计算结果的影响,并讨论了锚杆锚固角和被动滑块可能滑裂面倾角对锚固系统稳定性的影响。     

拉力型锚杆锚固界面剪应力分布偶应力理论分析

锚杆锚固段界面剪应力分布规律是锚杆设计研究的重点,直接影响锚固效果。锚固段界面上的剪应力会引起界面附近的岩土体较大的应变梯度,而用经典弹性理论分析锚固段剪应力时没有考虑应变梯度。偶应力理论引进弯曲曲率,考虑弯曲效应对介质变形特性的影响,基于该理论建立平面应变问题的有限元计算模型,研究拉力型锚杆锚固段界面上的剪应力分布、界面附近的边界层效应和偶应力的尺度效应,并将偶应力理论的计算结果和经典弹性理论的计算结果进行比较。结果表明,在偶应力理论下,拉力型锚杆锚固段界面的剪应力和剪应变有所减小,特别是峰值处的剪应力减少明显;界面处的剪应力不再连续;界面附近的剪应变突变有所改善,出现一个过渡区域。特征长度减小,过渡区域变小,应变梯度增大,第二剪切模量对剪应力分布的影响不明显。     

双滑块边坡锚固系统时变可靠性分析

考虑锚杆锚固段从岩体中拔出、拉杆拉断、拉杆从注浆体中拔出等失效模式,利用系统可靠性原理和极限平衡分析方法,并基于Monte-Carlo抽样原理提出双滑块岩质边坡锚固系统破坏概率的直接求解方法。同时考虑锚杆钢筋的腐蚀与软弱滑动面抗剪强度c、? 的时变性,建立了考虑锚杆多失效模式双滑块岩质边坡锚固系统的时变可靠性模型。算例计算结果表明：软弱滑动面上的强度参数c、? 的时变性和注浆体与围岩之间的抗力时变性对锚固系统的破坏概率的影响较大,而锚杆的腐蚀对锚固系统破坏概率的影响不明显。     

基于岩体蠕变效应的锚杆应力分布及其变化规律研究

考虑岩体蠕变效应的锚杆应力分布及变化特征对研究工程锚固效应具有非常重要的意义,而目前关于这方面的研究并不多见。首先从锚固微元体受力特点的角度出发,研究微元体在围岩蠕变条件下的受力变化规律,得到如下结论：蠕变岩体下锚杆锚固力的变化趋势和岩体所受应力状态及其变形密切相关。当微元体受拉时,锚杆轴力随时间有不断增长的趋势;而当微元体受压时,锚杆轴力则随时间不断减小。针对锚杆在黏弹塑性围岩体中的受力分布,以解析方法推导了锚杆应力峰值所在位置与围岩体塑性区重合的重要结论,且从工程数值计算角度进一步验证了锚杆应力峰值的位置特点,并分析了地下工程中锚杆应力随围岩体蠕变而逐渐增大的变化特征。     

砂土中扩体锚杆承载特性模型试验研究

在25个室内模型试验基础上,研究了均质砂土中竖向拉拔扩体锚杆的几何尺寸及埋深对其承载特性的影响。试验结果表明,根据深径比的不同,扩体锚杆可以分为浅埋与深埋扩体锚杆2种形式,它们在拉拔过程中均经历了土体弹性变形阶段、非扩体锚固段-土界面剪切破坏阶段、土体弹塑性变形阶段以及剪切破坏阶段,破坏特征分别表现为整体剪切破坏与局部剪切破坏。通过扩体锚杆与普通拉力型锚杆模型试验对比发现：与普通拉力型锚杆相比,扩体锚杆极限承载力、承载比与安全性均有大幅度提高。而通过增大扩体锚固段直径的方式提高扩体锚杆承载力的优势较为明显。此外,根据承载比分析,扩体锚杆存在最优扩体锚固段直径,因此,在实际工程中应寻找一个满足需要的最优扩体锚固段尺寸以取得较好的经济效益。     

锚杆参数对锚固边坡抗震性能影响研究

分析了锚固边坡锚杆与岩土体在动力荷载下的黏结机制,提出了一种简化的锚杆岩土体相互作用的动力学模型,推导了锚杆岩土体系统的动力响应解析解。结合该简化的锚杆岩土体动力学模型,借助ANSYS有限元程序建立锚固边坡数值模型,分析了在地震荷载作用下,锚杆参数（弹性模量、横截面积、长度、间距）变化对锚固边坡抗震性能（位移、加速度、应力）的影响。分析结果表明：锚杆参数对锚固边坡抗震性能影响强弱不一,增大横截面积可以有效提高边坡抗震稳定性,减小间距也可以改善边坡抗震性能;而弹性模量和长度对边坡抗震性能提高不大,甚至还会起反作用。这些结论对于锚固边坡的抗震设计有一定的借鉴作用。