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。     

锁定方式对锚固节理剪切特性影响的试验研究

锚杆广泛运用于节理岩体的加固,为了探究锚固节理的剪切力学行为,在开展室内直剪试验的基础上研究了两端锁定和无锁定两种锁定方式对锚固节理剪切特性的影响,分析了法向应力、预应力对锚固节理抗剪强度的增强作用。试验过程中通过应变片记录了锚杆各个监测点轴力的变化规律,研究了不同锁定方式下锚杆轴向受力机制。观测剪切试验完成后锚杆的变形特征,分析了法向应力对锚杆弯曲变形的影响。试验结果表明,两端锁定方式的应力-位移曲线呈现弹性阶段、弹塑性阶段、塑性硬化阶段3个阶段,无锁定方式的应力-位移曲线呈现弹性阶段、弹塑性阶段、塑性软化阶段3个阶段;锁定方式对锚固节理的抗剪强度及锚杆轴向变形有重大影响,两端锁定相较于无锁定更有利于发挥锚杆的抗剪作用。分析锚杆剪切试验后塑性铰位置可知,法向应力对锚杆塑性铰位置有重要影响,塑性铰点间的距离随法向应力的增加而减小。根据试验结果,提出了一种预测锚杆塑性铰位置的分析模型,新模型考虑了法向应力的影响,与试验结果吻合较好。     

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。     

锚固方式对节理岩体剪切性能影响试验研究

分别采用预制混凝土块、45号钢螺杆、矿用化学浆液来模拟围岩、锚杆及锚固剂进行节理岩体室内剪切试验,研究在无锚、端锚和全锚3种情况下节理岩体抗剪特性及锚杆受力变形特征。研究结果表明:在不同锚固方式下节理岩体的剪力-位移曲线有显著的差异,无锚试件表现为脆性特征;端锚试件在调动锚杆抗剪强度时会有一剪力小幅下降的转折点,全锚试件与节理匹配性较好,可以承受更大的剪力;对于加锚试件,无论是端锚还是全锚锚杆,根据锚杆变形特点,均可分为拉伸区、剪拉区和压缩区。锚杆在剪力和拉力综合作用下破坏时即发生在剪拉区。锚固方式不同,剪切试验过程中锚杆轴力分布也不同,全锚锚杆主要分布于节理面附近,随着与节理距离增加,轴力迅速衰减。端锚锚杆轴力分布则相对均匀。     

加锚节理面的抗剪试验研究

通过一系列剪切模型试验,研究在不同法向力、预应力和锚固情况下锚索对平滑节理面抗剪性能的影响,利用对比试验将销钉力、预应力和轴力增量3种力的抗剪作用分离出来,着重探讨了在剪切过程中3种力对节理面的抗剪贡献,并分析了锚索模拟体的破坏形式。试验结果表明,预应力锚固明显提高了节理面剪切力-位移曲线初始段的抗剪力和剪切刚度,并使得曲线末段表现出塑性强化的特征;预应力大小对加锚节理面抗剪强度的影响与试验条件、节理面状况和锚固角等有关。试验和理论分析表明,剪切位移开始阶段预应力和销钉作用发挥了主要作用,杆体形成塑性铰后轴力增量则起了重要的作用,锚索的破坏一般发生在节理面附近,属于拉剪复合破坏模式。     

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。     

全长粘结式锚杆加固节理边坡的动静态位移响应

锚杆通常被作为表面粗糙的轴力杆单元进行分析,但在节理边坡加固中,由于节理面的错动,同时考虑锚杆的轴向和横向作用显得更加合理。通过理论分析,建立锚杆三弹簧单元的力学特征模型和变形特征模型,对其受力和变形进行全面分析;运用拉格朗日元数值方法(FLAC3D),建立以理想弹塑性本构Mohr-Coulomb准则为基础的节理边坡模型,应用三弹簧锚杆单元,对其锚固前后的动静态位移响应进行模拟。结果表明：节理面锚固处理后,岩体的刚度得到提高;边坡各部位的位移减小,节理两侧位移的突变值变小;锚杆对节理的上下盘岩体起到有效的拉结作用,抑制了两盘之间的较大变形位移,有利于边坡稳定。     

单/多离层作用下锚杆受力特性分析

巷道围岩由于变形的不协调常常会产生单个或多个离层。根据岩层相对移动时拉拔载荷对锚杆的作用机制,对单个离层产生的锚杆附加应力建立弹塑性力学模型,讨论了弹性状态下离层对锚固体荷载的影响,随着离层进一步扩展,锚固体界面进入弹塑性阶段,基于剪切滑移模型,确定出离层左右两侧的滑移范围。总结出离层作用下锚杆受力全过程分为5个阶段：全弹性、单侧弹塑性、两侧弹塑性、一侧全滑移而另一侧滑移范围增大、全塑性直至锚杆承受极限拉拔荷载而破坏。采用模型试验数据对岩体离层-锚杆轴力曲线特性进行对比验证,结果表明,计算值与实测值吻合较好。根据应力叠加原理,推导出多离层情况下锚杆的应力求解公式,得出应力分布为多峰曲线。通过实例对离层值、离层位置做了参数分析,离层对锚杆的荷载影响应在今后的锚固设计中予以考虑。     

锚固节理直剪力学行为的颗粒流数值分析

为探究锚固节理在直剪加载作用下的细观力学响应,利用颗粒流数值计算方法建立不同锚固角度下的锚固节理数值模型,并进行不同法向荷载下的直剪试验。之后,通过分析和对比剪切-位移曲线和峰值剪切强度来对锚固节理宏观力学性质进行研究。与此同时,基于微裂纹分布规律,从细观角度揭示了剪切荷载下不同锚固角度的岩石节理面的破坏特征;研究结果显示。（1）不同于非锚固节理,锚固节理的剪切-位移曲线在剪切后期呈现出一定的增长趋势,且粗糙度不同曲线变化特征存在一定的差异。（2）不同锚固角度下,锚固节理的破坏模式存在着较为明显的差异。当锚固角为90°时,锚固节理模型的破坏主要集中于锚杆与上下节理面接触位置,且破坏主要为挤压式破坏。随着锚固角度的减小,接触位置的破碎区域不断减小,节理破坏主要表现为沿着锚杆的轴向拉伸变形破坏及内部的拉伸破坏。（3）锚固角度的变化对锚固节理的抗强度的影响程度与节理面的粗糙度存在一定关联。具体而言,较为平直节理抗剪强度随着锚固角度的增大,增长趋势明显,而粗糙节理面随着锚固角度的增大峰值抗剪强度的变化趋势相对较为平缓。     

大型地下洞室全长黏结式岩石锚杆锚固机制研究及锚固效应分析

以大型地下洞室为背景,采用隐式锚杆柱单元模拟黏结式岩石锚杆,推导了杆体对围岩模型的附加刚度贡献模型。根据中性点理论,假定锚固体界面的剪切滑移模型,导出了锚杆与围岩相互作用下的荷载传递基本微分方程。基于三维弹塑性有限元增量法计算的围岩离散位移,采用插值拟合获得造成锚杆变形的围岩连续位移,通过求解微分方程得到锚固体界面剪应力和轴向力分布函数。将获得的锚固体剪应力采用等效附加应力模型作用于岩体,反映了锚杆的支护效应。实例分析表明,锚杆新算法能较好地模拟锚杆支护效果。获得的锚固体受力分布特征符合中性点理论,锚固体界面剪应力分为正、负两段,锚固体轴向力分布为单峰曲线。此外,新方法的计算值与实测值较为接近。     

考虑受压侧岩体反力非线性作用的锚杆抗剪理论

针对锚杆受压侧岩体或砂浆体反力非线性作用及结构面的剪胀效应问题,基于经典梁理论推导锚杆轴力与轴向变形及横向剪切力与横向变形的理论公式,建立了锚杆抗剪力计算公式。通过加锚结构面直剪试验验证理论计算有效性,并分析结构面剪胀系数、围岩强度、锚杆安装角（倾角）对锚杆变形和抗剪力的影响。结果表明：锚杆抗剪理论计算与室内试验结果吻合较好;结构面剪胀系数越大,越能较快调动锚杆抗剪作用,相反锚杆塑性强化特征越不明显,改善加锚结构面的阻滑抗剪作用,主要依靠结构面固有抗剪强度;随着围岩强度降低,锚杆需经一定变形才能发挥较大抗剪作用,而随着围岩强度增大,锚杆将迅速达到屈服状态,并且锚杆由轴向张拉破坏逐渐转为拉剪破坏;锚杆最优安装角随结构面内摩擦角增大而增大,依据实际工程中结构面内摩擦角取值范围,可估算锚杆最优安装角为30°～68°。     

剪切过程中锚杆的轴向和横向作用分析

为了分析锚杆轴向力和横向剪切力分别换算的结构面抗剪强度大小规律,依据最小势能原理的变分法,并考虑结构面剪胀特性,建立加锚结构面抗剪强度计算公式。通过加锚结构面直剪试验验证理论计算的有效性,结合理论计算公式,分析了在不同锚杆倾角下围岩强度、锚杆直径和法向应力对锚杆轴向力和横向剪切力换算的抗剪强度影响规律,以及预应力对抗剪强度的影响。结果表明：加锚结构面抗剪强度计算结果与试验结果吻合较好;当锚杆倾角逐渐增大时,锚杆轴向力发挥的抗剪强度逐渐降低,横向剪切力发挥抗剪效能逐渐增大,当锚杆倾角为120°～150°时,轴向力换算的抗剪强度基本为0,而横向剪切力换算的抗剪强度最大;随着围岩强度或法向应力的增大,锚杆轴向力换算的结构面抗剪强度减小,但随锚杆直径或预应力的增大,锚杆轴向力换算的结构面抗剪强度增大;当围岩强度和锚杆直径增大,锚杆横向剪切力换算的抗剪强度会明显增大,而预应力增大会使锚杆横向剪切力换算的抗剪强度呈现降低趋势。     

顺层岩质边坡锚杆拉剪作用力学性能

锚杆能够显著增强顺层岩质边坡的稳定性.基于顺层边坡结构效应,应用锚杆加固顺层边坡的力学模型,根据结构力学理论和变形协调关系,建立拉剪作用下全长粘结型锚杆加固顺层边坡抗剪计算的理论分析方法.与相关试验数据进行了比较验证,结果表明顺层边坡锚固抗力模型计算结果与试验结果比较一致,验证了理论模型的合理性.讨论了锚杆倾角、锚杆直径、灌浆体强度、结构面内摩擦角、剪胀角等对加锚顺层岩体抗剪性能的影响.分析表明:锚杆锚固抗力模型能够较好地反映锚杆轴力及横向剪切力对顺层岩质边坡的抗剪作用.锚杆倾角越大,锚杆总的抗力呈减小趋势,而锚杆抗力随剪胀角增大而增加;当锚杆倾角等于内摩擦角时,锚杆抗力达到最大;锚杆抗力随锚杆直径增加而增大;当锚杆直径不变时,锚杆抗力随灌浆体抗压强度增大而有所减小.      

Analytical model for the mechanical behaviour of bolted rock joints subjected to shearing

Summary This study proposes a new analytical model for the prediction of the contribution of bolts to the shear strength of a rock joint. The main characteristics of this model are the accounts for the interaction of the axial and the shear forces mobilised in the bolt, as well as the large plastic displacements of the bolt occurring during the loading process. The complete curve of the bolt contribution as a function of the displacement along the joint can be computed, and the maximum bolt contribution is obtained by dissociating the bolt cohesion and the confinement effects. The comparison of the performances of this analytical model with test results shows its capacity to describe the observed phenomena. The effects of the most important parameters such as bolt inclination, mechanical properties of bolt material, rock strength and joint friction angle are clearly established and discussed.     

锚固的贯通节理岩体剪切破坏特性分析

为了研究节理对锚固岩体力学特征和失稳损伤演化的影响,采用对锚固贯通节理岩体进行室内剪切试验和PFC2D数值模拟的方法,研究不同节理倾角下锚固贯通节理岩体剪切性能的作用机制和破坏模式,研究结果表明:（1）随着节理倾角变化,贯通节理岩体呈现出不同的破坏形式,锚固贯通节理岩体的抗剪强度与剪切位移曲线并不是呈线性增长,而是呈"双驼峰"趋势。（2）锚固体系在剪切试验的过程中,节理面颗粒的接触方位角会发生一定程度的改变,主要集中在锚杆和节理倾角附近。（3）锚固体系在剪切试验的过程中,会因为颗粒间黏结键的断裂生成裂纹,裂纹数生成的越少,其抗剪强度越高,裂纹分为张拉裂纹和剪切裂纹,并且张拉裂纹的数量要远远大于剪切裂纹的数量。研究结论可用于实际工程破坏模式的预测和岩体工程稳定性评价。     

非连续变形岩石断裂分析中的一种全长剪切锚杆

锚杆从锚固方式上可划分两种：端部锚固方式和全长锚固方式。全长锚固锚杆作为工程支护中的一种重要锚杆类型,具有广泛的应用前景。非连续变形分析（DDA）以及在此基础上发展的非连续变形的岩石断裂分析（DDARF）方法中锚杆为端锚形式,且只考虑了锚杆的轴向作用,而忽略了锚杆作用力对锚固岩体的侧向限制。为了更好地理解锚杆的支护机制,考虑锚杆的剪切作用,提出了DDARF中一种新的锚固形式--全长剪切锚杆支护形式。用改进的全长剪切锚杆支护方法对一公路隧道稳定性进行了分析,并与端锚支护形式进行了对比,结果表明,提出的全长剪切锚杆支护方法是有效的,锚固效果比端锚支护更好。     

节理岩体大型地下洞室群稳定性分析

深入研究了加锚节理面的变形特点和节理面附近锚杆的变形特点;把断裂力学与损伤力学相结合,采用应变能等效的方法,建立了加锚断续节理岩体在压剪应力作用下的本构关系;按自洽理论的方法,得到了加锚断续节理岩体在拉剪应力状态下的本构关系,并将其理论模型应用于某大型地下厂房的三维稳定性分析中。应用加锚断续节理岩体断裂损伤模型模拟锚杆的支护效应,锚杆通过与围岩的联合作用,有效地限制了围岩变形,改善了围岩的应力状态,阻止了围岩破损区的发展演化,从而提高了围岩的稳定性。将断裂损伤计算结果与一般弹塑性（FLAC3D）计算结果进行了对比分析。相比于普通的弹塑性模型,加锚断续节理岩体断裂损伤模型考虑了岩体中节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响,以及锚杆针对节理裂隙的加固作用,能更好地反映裂隙岩体洞室围岩稳定性特征,从而验证了该模型的有效性和优越性。