大变形锚杆-围岩耦合模型及其计算方法

在矿山、水利、交通等工程领域中大变形锚杆已经获得了广泛的认可和应用,而相应理论水平落后于工程实践的现状则限制了大变形锚杆支护技术的进一步发展。针对大变形锚杆的力学及变形特性,提出了一种锚杆-围岩耦合作用结构模型,并基于塑性增量理论,从锚杆-围岩相互作用的角度,提出了大变形锚杆加固岩体的求解方法,推导了加锚岩体的平衡方程、位移协调方程和锚杆响应方程。在Visual Basic开发环境中编制有限差分计算程序,利用龙格库塔法求得了大变形锚杆-围岩耦合模型的半解析解,并通过数值模拟验证了理论模型的有效性。基于上述理论模型和计算方法,不仅可以计算得到大变形锚杆轴力和剪应力分布情况,定量分析其支护效应,还可以系统地求得加锚岩体的地层响应曲线及锚杆自身的响应曲线,对于地下工程中大变形锚杆的支护设计有基础性指导意义。     

大跨度地下工程支护结构研究

针对大跨度地下工程结构受力复杂、安全风险高的工程特点,采用理论分析、经验评价、数值模拟的综合评价方法,对某地下实验大厅的支护结构稳定性进行综合评价。通过多种塑性力学计算方法,对比了卡柯（Caquot）公式、芬纳（Fenner）公式、修正的芬纳公式或卡斯特纳（Kastner）公式在具体工程中的应用,优化分析得出适合于硬岩条件下大跨度结构的理论分析方法。采用Q评价系统和工程类比方法,确定了大跨度地下工程锚杆、锚索和喷射混凝土的支护参数,通过相似工程的经验类比,认为锚索长度应不小于跨度的40%。采用三维离散元计算方法对支护结构的稳定性进行数值模拟,数值计算中的岩体采用基于HB强度准则的应变软化模型,结构面采用基于摩尔-库仑强度准则的理想弹塑性模型。通过数值分析,对边墙上部施加3排预应力锚索,边墙变形得到抑制,同时围岩潜在失稳块体数量和范围显著得到有效的控制。通过支护结构的应力分析得出60％的锚杆轴力在2.0～2.25 MN之间,表明地下工程具有良好的安全性。建立了塑性区理论分析、经验类比和数值模拟的综合评价方法,形成三位一体的评价体系,可有效地对大跨度支护结构的合理性进行评价。综合分析可知,支护方案设计合理时,能够有效应对围岩中的块体稳定风险和高应力破坏现象;在局部安全性较差的部位,锚索和锚杆应力水平相对较高,可以考虑对适当降低锚索预张拉力、增加随机锚杆数量。     

我国预应力岩土锚固技术的现状与发展

预应力岩土锚固技术是深基坑、地下工程、隧道、道路边坡、坝基、桥梁等工程中重要的支护手段之一，全面剖析了这项技术在理论研究、应用领域、规模、标准化建设、锚固材料及施工机具等突破性进展，根据我国基础施工现状，对锚杆的设计、锚固参数合理选择、锚杆的腐蚀与防护进行了分析，从8个方面指出了预测应力岩土锚固技术的研究方向。     

地下厂房支护措施经验回归及支护强度判据

恰当的地下厂房支护设计是保证地下工程安全施工和运行的关键工程技术问题。对国内20座跨度在19.2～32.5 m的地下厂房主厂房边墙围岩支护参数展开归纳研究,提出锚杆、预应力锚索的支护强度与围岩强度应力比、厂房跨度的经验公式。研究表明,在强度应力比 <3.0时围岩所需锚杆支护强度将显著提高,支护强度与强度应力比呈现–2次奇异性,当3.0 < < 6.0时围岩所需加固强度呈现非线性递减特征,在 > 6.0时围岩所需锚杆加固强度趋于常值;锚索的支护强度与强度应力比呈负幂指数函数关系,当 < 4.0时锚索支护强度增加显著。研究还提出了支护指数的概念和相应的计算公式,发现这20个厂房的锚杆支护指数和锚索支护指数均分布在1.0左右,因此可将支护指数达到1.0作为实际工程支护设计的参考依据,用以评价围岩支护强度是否合理。     

全预应力锚杆机械锚固装置的设计与应用

针对目前地下工程中广泛使用的螺纹钢锚杆支护存在的预紧力差、预应力长度短的问题，设计制造了全预应力螺纹钢锚杆机械锚固装置，有效加大了锚杆预应力段的长度，提高了锚杆的预紧力，解决了施工锚杆后因爆破震动或矿压显现造成的托盘反复松动问题。现场应用和矿压观测表明，全预应力锚杆支护能适应恶劣条件，有效控制围岩的变形。     

煤矿巷道锚杆支护的参数优化

目前煤矿巷道锚杆支护设计尚存在不足,造成锚杆锚固能力未能充分发挥,支护材料浪费和支护成本偏高。基于围岩与锚杆共同作用原理,通过锚杆受力监测,对锚杆支护参数进行设计,有助于充分发挥锚杆支护的优越性。针对陕西某煤矿巷道条件,通过计算和锚杆受力监测,调整锚杆参数的方法,进行锚杆支护参数设计,实现锚杆支护的参数优化。应用结果表明利用这一方法能够准确、快速地得到锚杆的支护参数,充分发挥了支护锚杆的承载能力,实现了支护优化。本文工作对改进煤矿巷道支护设计具有一定的实际意义和工程价值。     

广州双燕岗住宅区边坡支护预应力锚杆设计与施工技术

笔者根据对广州双燕岗住宅区边坡支护的施工实践,获得了先进的锚杆施工技术。本文详细阐述了边坡支护预应力锚杆的原理、工程作用、锚杆设计及锚杆施工工艺,为承担边坡和基坑支护锚杆工程提供了技术保证。     

深基坑锚杆护坡桩支护结构稳定性评价

锚杆护坡桩是深基坑工程常用的一种支护结构。文中对设计中所涉及到的结构稳定性评价问题进行了探讨,利用Ｋｒａｎｚ理论一些假设和条分法原理,提出了深基坑锚杆抗护坡桩稳定性评价的方法。该方法克服了Ｋｒａｎｚ理论中的一些不足,简化了条分法的计算并通过支护工程验证,具有一定的实用价值。     

浅议地勘坑道锚杆支护的应用

锚杆支护和喷射砼支护已在大量地下工程施工中采用,而在我局地勘坑道施工中则刚刚起步。本文根据我局某矿区应用锚杆支护的情况,对其作用机理、使用条件、设计、施工等问题,作一简要介绍和分析,并提出一些改进工艺和应用设想,以期对地勘坑道推广使用锚杆支护有所帮助 (一)锚杆支护及其作用机理锚杆支护是指用机械的方法,通过一定的工艺流程,将一种杆状结构安设固定在围岩中,形成能承受荷载和阻止围岩变形的结构物,对围岩起到加固支护的作用。     

北京东坝中路红松园基坑支护施工组织方案

北京东坝中路红松园工程由多种建筑形式组成,根据其周边环境及岩土工程条件、地下水情况,基坑支护设计方案分5个区域采用4种不同的支护形式,2个区域采用土钉墙+预应力锚杆护坡桩方案,另外3个区域分别采用预应力锚杆护坡桩方案、挡土墙+预应力锚杆护坡桩方案、锚杆复合土钉墙方案。本文还介绍了基坑降水及抗浮设计情况以及基坑支护施工技术方案。     

岩土混合边坡预应力锚杆支护数值模拟：以深圳金园路边坡为例

预应力锚杆支护是一种较新型的锚固技术,但实际工程设计都偏保守,造成经济浪费,因此实际设计过程中存在诸多预应力锚杆参数优化问题。使用有限元分析软件Abaqus模拟锚杆长度、锚固角度、预应力、直径诸因素的变化对边坡稳定性的影响趋势,通过正交试验优化设计得出最优组合方案,为预应力锚杆的相关设计提供科学参考,避免工程建设的安全隐患或不合理投资。     

某水电站地下厂房洞室群围岩稳定分析

采用有限元方法反演某水电站地下厂房厂区初始地应力场。采用Zienkiewicz-Pande的双曲线屈服准则,对某水电站地下厂房洞室群的开挖过程进行了三维弹塑性有限元模拟。为反映锚固支护对围岩的加固作用和评价地下厂房洞室群支护参数的合理性,提出了可以考虑抗剪作用的隐式锚杆单元和可以考虑预应力效果隐式锚索单元。计算结果表明,该洞室群在洞室布局、开挖顺序和支护参数等方面是合理的,各主要洞室群的稳定性总体较好。     

An empirical method for design of grouted bolts in rock tunnels based on the Geological Strength Index (GSI)

The procedure presented in this paper has been developed for the design of grouted rock bolts in rock tunnels during preliminary design stage. The proposed approach provides a step-by-step procedure to set up a series of practical guidelines for optimum pattern of rock bolting in a variety of rock mass qualities. For this purpose, a new formula for the estimation of the rock load (support pressure) is recommended. Due to its wide-spread acceptance in the field of rock engineering, the Geological Strength Index (GSI) is adopted in support pressure equation. For poor and very poor rock mass where the GSI < 27, the use of Modified-GSI is, instead, recommended. The supporting action is assumed to be provided by rock bolts carrying a total load defined by the rock load height. The mechanism of bolting is assumed to rely on roof arch forming and suspension principle. Integrated with support pressure function, the bolt density parameter is modified in order to provide an optimized bolt pattern for any shape of tunnel. The modified bolt density can also be used in analysis of a reinforced tunnel in terms of Ground Reaction Curve (GRC) in such a way as to evaluate the reinforced rock mass and the tunnel convergence. By doing so, the effectiveness of the bolting pattern is well evaluated. The proposed approach based on GSI is believed to overcome constrains and limitations of existing empirical bolt design methods based on RMR or Q-system, which are doubtful in poor rock mass usage. The applicability of the proposed method is illustrated by the stability analysis and bolt design of a rail-road tunnel in Turkey.     

地下隧洞开挖和支护的三维数值分析计算

根据地下工程锚固支护原理,采用隐含锚杆柱单元的三维有限元和混凝土喷锚支护的三维数值计算方法,对复杂的地下泄洪隧洞的开挖和支护进行了分析计算。该方法不仅能够有效地反映锚杆的长度、密度、倾角对洞室开挖的影响,而且能够较好地模拟钢拱架和锚杆的时间施加效应。由于隐含锚杆柱单元和喷层单元是隐含在岩体单元中的,所以锚杆和喷层单元不受岩体单元划分的影响,能够有效地模拟各种支护方案,加快计算速度,合理反映锚固支护所作用的位置和时间影响。通过对构皮滩泄洪洞施工开挖和锚固支护的模拟计算,论证了施工开挖的稳定性和锚杆、喷层、钢拱架的支护作用,提出了洞室结构的加固措施,为工程施工开挖提供了有效的设计依据。     

大倾角煤层回采巷道的锚固分析

结合理论分析及工程实践、提出回采巷道支护的四个基本原则。用离散元法对大倾角煤层回采巷道锚杆的作用原理进行分析，说明综合支护的必要性，建立大倾角煤层回采巷道锚杆支护的倾斜组合梁模型，并进行解算，给出锚杆支护的参数的表达式。     

小净距隧道中夹岩对拉锚杆控制机制与工程应用

小净距隧道中夹岩受到两侧开挖的剧烈扰动,处于单向或双向受力的不利状态,严重影响施工安全,而预应力全长注浆对拉锚杆常用于中夹岩的主动支护。为阐明对拉锚杆的作用模式和控制机制,建立相应的力学模型和解析方法,开展实测验证,并进行参数分析和工程应用。研究表明：对拉锚杆为中夹岩提供强力水平约束,并提高岩体力学性能,发挥挤压加固作用;对拉锚杆利用剪切摩阻改善浅层围岩受力状态,同时锚固深部岩体,具有承载传力效果;对拉锚杆轴力和剪应力均由两侧向中间非线性衰减,作用范围局限于浅层中夹岩,实测结果验证了理论方法的合理性;进行了对拉锚杆的参数分析,提出了对拉锚杆临界长度、合理锚杆直径等工程建议;结合京张高铁长城站小净距隧道实践,主动增强对拉锚杆设计参数,变更后围岩压力、拱顶沉降和水平收敛的实测均值分别降低12.2%、14.1%和10.2%,保障了隧道开挖的安全。     

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。     

Discrete element analysis of the influence of bolt pattern and spacing on the force-displacement response of bolted steel mesh

Steel wire mesh held by a pattern of bolts can be used to stabilize a rock slope. Knowledge of the force-displacement response of steel mesh is essential in the design of this support system. Laboratory tests have been used to test mesh that is held to rigid steel frames. These testing conditions differ from how steel mesh is held in the field by bolts. The existing laboratory test data may underestimate the deformation and overestimate the load-bearing capacity of the steel mesh. This paper focuses on the response of the high tensile strength steel mesh held by commonly used bolt patterns. Discrete element models were used to study the force-displacement response of the steel mesh pinned by bolts. The influences of different bolt patterns and varying ratios of bolt spacing on the effectiveness of steel wire mesh were analyzed. Relationships between the resistance force of steel mesh and bolt density at various mesh deformations were developed. These relationships can help engineers choose the bolt spacing and provide an estimate of the resistance force that a steel mesh can mobilize at a desired deformation limit for a given bolt pattern.     

砂浆锚杆加固效果的等效数值模拟方法研究

针对常规数值模拟计算无法有效地反映锚杆对围岩的加固效果的缺陷,结合岩体变形在锚杆中产生的支护压力计算公式,提出了一种简单、有效的砂浆锚杆加固等效数值模拟方法。该方法首先在有锚杆支护隧道开挖的计算结果中提取每根锚杆的最大轴力;然后根据该轴力值按锚杆支护压力公式计算其所产生的等效均布力;最后将该均布力施加到相同计算工况下无锚杆支护的围岩表面进行模拟计算。将该方法应用于锦屏二级水电站地下厂房枢纽洞室及乌东德水电站4#导流洞0+ 550 m断面的开挖与支护计算,通过与现场实测数据对比,结果表明,该方法能较好地模拟锚杆支护对围岩的加固效果,其模拟结果可为隧洞的施工与支护设计提供可靠的参考依据。