爆炸荷载下不同锚固参数围岩的加速度响应分析

地下洞室岩体加速度过大易造成围岩的不稳定,通过由模型试验得到的加速度-时程曲线分析,研究了爆炸荷载作用下不同锚固参数洞室围岩的加速度响应特征。分别阐述了洞室拱顶、底板、两帮加速度时程曲线的形态及其峰值大小,重点比较了洞室围岩因锚杆加固方式的不同对爆炸产生加速度响应的差异,结果表明,拱顶垂直和右帮水平加速度-时程曲线较光滑,而底板和左帮垂直加速度-时程曲线存在较大震动;洞室拱顶加速度峰值最大;4个洞室中锚杆间距最小的洞室,其拱顶、两帮加速度比其他洞室的小,而底板加速度比其他洞室的略大,可见减小锚杆间距可以增加洞室稳定性。     

锚杆长度和间距对洞室抗爆性能影响研究

根据Froude相似理论,通过模型试验,对普通锚杆、中密锚杆、长密锚杆、短密锚杆、长短相间密锚杆加固洞室的抗爆性能进行了研究,分析了不同长度、间距的全长粘结式锚杆加固洞室在围岩应力、洞壁加速度、洞室拱顶底板相对位移、洞壁环向应变、洞室破坏形态等方面的不同特点。采用FLAC3D对模型试验进行了模拟,并利用参数化建模方法分析了洞顶位移随锚杆长度、间距的变化规律。研究结果表明：减小锚杆间距比增加锚杆长度更能有效地提高洞室抗爆能力,且锚杆间距必须达到一定密度时才可以阻止围岩裂缝进入锚固区;在锚杆长度相同的情况下,密锚杆能明显减小洞室拱顶加速度峰值、拱顶底板相对位移峰值、残余值和拱脚部位压应变峰值、残余值;当锚杆长度增加到一定程度后,加固的效果并不明显,而且带来了底板加速度峰值、拱顶拉应变峰值的增加;锚杆的最佳长度可取为1/3洞室跨度,锚杆的最佳间距可取为1/15洞室跨度。     

锚杆垫板形式对洞室抗爆效果的影响试验研究

为了研究爆炸条件下不同垫板形式锚杆对洞室加固效果的影响,现场试验中选择了平板和碗形两种不同的垫板形式。通过抗爆试验,对锚固洞室宏观破坏形态、洞壁位移特征、拱顶位移与比例距离之间的关系以及爆心两侧拱顶各点位移进行了对比,分析了两种垫板形式在爆炸条件下对洞室加固效果的影响。试验结果表明：在爆炸条件下,碗形垫板可以充分发挥锚杆抗拉能力高的特点,拱部围岩经碗形垫板加固后,整体刚度能够得到较大提高,对岩体的加固效果较好。     

全长粘结式锚杆加固洞室抗爆性能试验研究

通过模型试验, 研究了在平面装药爆炸应力波的作用下,全长粘结式锚杆加固洞室抗爆性能。试验结果表明,通过分析自由场压力-时程曲线,证明试验数据可靠;经过加固的洞室拱顶位移峰值减少明显,当比例距离为5.23 cm/g1/2时,洞室发生破坏;在平面波的作用下,两个洞室洞壁各个位置都产生压应变,最大应变出现在拱脚处,随着比例距离减小,拱顶应变峰值先增加后减小,最大应变峰值越来越大;拱顶是加速度振动最激烈的地方,经过加固可以降低拱顶加速度,但效果不明显,在变形不大时底板加速度增加较大,必要时应该采取减震措施,经过加固洞室侧墙加速度普遍有不同程度减小,并且破坏越严重效果越明显,随着比例距离减小,拱顶和侧墙加速度越来越大,尤其当比例距离为5.23 cm/g1/2时,加速度急剧上升。     

岩体隧道锚固作用分析

在工程实例中利用数值模拟方法对考虑和不考虑松动圈的岩体,在不同工况下锚杆加固前后的径向、环向应力,径向、环向位移以及锚杆轴向应力进行全面比较分析。研究锚杆和松动圈对隧洞围岩力学性质的影响,结果表明考虑和不考虑松动圈相比,洞室表面径向位移要明显大一些,而且外界载荷越大,二者的差值越大;在锚杆加固作用下环向应力峰值无论是否考虑松动圈,其出现位置都较加固前向洞壁方向移动,同时围岩径向位移在加固前后变化很大,随着外界载荷的增大,径向位移减小越明显。锚杆支护的主要作用之一是控制围岩的变形和发展,通过锚杆加固改善应力环境来提高围岩的稳定性。     

深埋长隧锚杆对围岩支护效应的模型试验研究

采用新研制的环氧-硅胶系的相似模型材料,在解决一系列制作、安装、测试技术问题基础上,通过在大型真三轴模型试验机上形成相同的边界条件,从而对毛洞和锚杆加固模型、不同锚杆加固深度模型进行对比,得出锚杆加固后对围岩影响的规律,即锚杆加固区的应力较毛洞相应区内的应力均有所提高,而在锚杆加固区外围岩应力渐趋于此处毛洞的应力值;锚杆加固区中的最大应力一般也成了整个隧道围岩应力的最大值或接近最大值;锚杆的锚固作用还使毛洞中出现的拉应力状态转化为加固区内岩体的压应力状态。随着支护深度的加大,洞壁处的径向及切向压应力也在不断提高,从而利于增大岩体稳定性;同时,锚杆支护模型在不同加载级下应力分布趋势相同,也说明一定埋深范围内、不同埋深的软岩洞室中锚杆支护对围岩的影响是相同的;通过支护前后模型的应变差对比看出,在拱顶和拱腰分别形成了曲线和近似直线的径向应变差分布,对比结果为研究锚杆机制中的锚杆剪应力分布提供了试验基础。     

考虑锚杆支护的深部围岩分层破裂数值模拟

通过数值模拟研究了锚杆支护对峰后围岩的支护效应。首先,基于Mohr-Coulomb峰后应变软化的遍布节理模型,建立了临界塑性剪切应变η*与支护阻力的耦合关系;然后,根据锚杆加固机理,将锚固作用后围岩的力学参数嵌入到应变软化模型中;最后,将临界塑性软化系数η*影响下的应变软化模型嵌入有限差分FLAC3D中,并通过对锚杆支护下的围岩震荡应力场等分析,研究了不同锚杆支护长度对深部洞室围岩分层破裂范围及应力、变形的影响。数值研究分析表明:考虑锚杆支护,围岩分层破裂化现象明显减弱;支护条件下的围岩应力场、位移及破裂区范围与未支护时差异明显。在一定范围内增加锚杆长度,可使围岩应力峰值点向洞壁移动,破裂区半径减少,拱顶和拱脚沉降均减少;当其支护长度超过临界长度后,竖直和水平方向破裂区半径以及沉降量均趋于稳定值,且两方向上破裂区半径及沉降的数值接近。     

基于厚壁筒三维解析模型的深部洞室围岩分区破裂化机制研究

为研究深部洞室围岩的分区破裂化机制,建立了厚壁筒三维线弹性解析模型。逐步减小厚壁筒均布内压,模拟洞室静力开挖。逐步增加厚壁筒轴向均布压力,模拟洞室开挖导致洞室轴向应力集中。逐步增加厚壁筒外周非均布压力系数,模拟洞室开挖导致洞室水平应力的重分布和集中效应。根据弹性力学知识和边界条件,确定洞室开挖引起的弹性应力场、应变场及位移场。从拉压域、应变梯度及径向压拉蓄能等3个方面入手,分别研究了内压静力卸荷、水平应力重分布、围压均匀部分及轴压对深部洞室围岩分区破裂的作用机制。结果表明：径向弹性拉伸能和径向弹性压缩能的相对变化反映了围岩能量释放速率和释放量。水平应力重分布和轴压是围岩出现分区破裂现象的主要因素,但两者作用机制不同。该模型可为研究高地应力深部洞室围岩破坏提供一个较统一的理论工具,也为深部工程设计提供了理论依据。     

平面装药条件下洞室受力特征试验研究

通过抗爆结构模型试验,研究了洞室围岩与衬砌结构受力变形特征。介绍了模型试验原理及平面装药爆炸模型试验方法,根据试验实测结果分析了设计爆炸荷载和超载条件下毛洞与衬砌洞室的洞周应力峰值分布特点,给出了两种工况条件下洞室围岩变形特征,从拱顶-底板相对位移、洞壁应变峰值、洞壁应变随时间变化等方面进行了对比分析。试验结果表明,衬砌支护措施可有效提高洞室的抗爆能力,是提高工程抗力等级的重要技术手段     

岩体流变情况下隧道合理支护时机的数值模拟

以广梧高速公路牛车顶隧道为工程背景,探讨岩体流变情况下隧道二衬支护时机确定的理论和数值计算方法。对比理论方法预测拱顶下沉时程曲线与现场实测结果,建立数值计算模型,分析隧道围岩应力释放系数对围岩稳定性的影响表明,理论方法预测拱顶下沉时程曲线与现场实测表现出相同的发展规律,并且二者得到的二衬支护时间基本相同,验证了理论方法的正确性。围岩应力随着掌子面推进而不断释放,III级围岩应力释放比较缓慢,空间效应比较明显;当开挖释放应力系数大于或等于60%时,整个围岩的松动区都大于锚喷加固范围,最终确定出二衬的合理支护时机,为工程实践提供参考。     

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。     

Investigating the effects of lateral stress to vertical stress ratios and caverns shape on the cavern stability and sidewall displacements

Effects of lateral stress to vertical stress ratio on behavior of a cavern in various geomechanical and geometrical conditions were studied. Results indicated that the range of one to two lateral stress to vertical stress ratios was the best condition for cavern stability. The ranges causing tension and compressive failure were specified as well. Two-dimensional stability analyses were carried out by using Phase². Key point location on the cavern side wall was investigated and determined using an equation based on a large number of numerical analyses. Subsequently, in order to predict the elasto-plastic displacement and elastic displacement on a side wall key point, two equations were fitted based on various cavern cross sections considering four basic factors, i.e., rock deformation modulus, overburden depth of caverns, heights of the caverns, and the lateral stress to vertical stress ratio. The proposed equations were utilized to predict displacement at the key points of 10 projects subsequent to which the computation results were compared to in-site measuring results and back analysis results. Finally, using key point displacement as a stability factor, the effects of three different shapes of caverns including mushroom, horse shoe, and elliptical were investigated on cavern stability. The most optimum shape was elliptical in a vast range of lateral stress to vertical stress ratios; mushroom and horse shoe shapes were preferred in uniaxial stress fields concerning the rock quality.     

光纤Bragg光栅传感技术在隧道模型试验中应用

在模型试验中,锚杆一般尺寸较小,应变监测较为困难,可将光纤Bragg传感技术（FBG）应用于隧道模型试验中解决该问题。基于西安地铁二号线4个典型断面实际工况进行隧道模型试验,将自行设计封装的光纤Bragg光栅传感器粘贴在锚杆模型表面,监测其在不同应力状态下的应变。根据隧道开挖前、隧道开挖后、衬砌支护后、抗裂极限状态和极限破坏状态5个应力状态的实测数据,得到锚杆轴力在隧道受力过程中的变化规律。试验结果表明,锚杆受力大小在隧道开挖前后有一定变化。衬砌支护后,随围岩压力增加,锚杆轴力基本呈增加趋势,拱顶附近锚杆承受压力,支护后压力变化不大;拱肩到墙角的锚杆承受拉力,衬砌支护后受力开始增加;锚杆在含水率大的黄土隧道中受力较大,更能发挥其作用。文中方法在模型试验中的应变监测方面提出新的可靠途径。     

软弱围岩隧道取消系统锚杆的现场试验研究

在软弱围岩隧道中,提出初期支护结构由钢架+喷射混凝土+钢筋网+锁脚锚杆+纵向连接筋组成,即取消系统锚杆用钢架联结处的锁脚锚杆代替。以包家山隧道为依托工程,采用现场试验的方法,选取2个试验段,进行锁脚锚杆取代系统锚杆后,有、无拱部锚杆的对比试验研究。对比试验的内容包括：隧道初期支护的净空收敛、围岩压力、钢架应力、喷射混凝土应力、锚杆轴力和纵向连接筋应力等。研究结果表明：2个试验段初期支护变形趋于稳定,结构受力安全,说明取消系统锚杆不影响初期支护结构的安全与稳定;拱部锚杆有受拉,也有受压,但受力都不大,最大拉应力仅为钢材极限强度的11.8%,其支护作用不明显;锁脚锚杆大部分受拉,最大值达到191 MPa,钢架支护作用明显,在支护体系中发挥着重要作用。取消系统锚杆减少了施工工序,降低了工程造价,缩短了工序循环时间,有利于及早封闭围岩以形成完整的支护结构。经济价值和社会效益显著。     

Experimental and numerical investigations of stresses in a fully grouted rock bolts

Rock bolts are widely used for rock reinforcement in hard-rock mining and civil engineering since a long time. However the use of fully grouted rock bolts and cable bolts is limited in coal mines. In order to improve performance of the rock bolts as a supplementary roof support system for any type of roof condition in coal measured formations, it is necessary to have a good understanding of the behavior of the bolt–grout and grout–rock interactions as well as the mechanism of load transfer in rock bolts.As the performance of grouted bolts depends on bond strength, extensive laboratory pullout as well as pushout tests were conducted in the present investigations with the variations in the bolt diameters, length and cement–water mixing ratios of grout. The load–displacement curves were developed and were verified with the numerical results obtained from finite element analysis using ALGOR software.Numerical models were validated for pushout tests and a detailed analysis was carried out to know the displacement, stress, strain distribution along the bolt.     

围岩弹性抗力对隧道结构受力的影响分析

运用荷载结构模型及有限元分析手段,以新建200km时速城际铁路隧道衬砌为研究对象,分析了围岩弹性抗力对二衬结构受力的影响。随着围岩弹性抗力的增大,拱顶弯矩及拱肩弯矩绝对值、拱顶竖向位移变小,而拱顶轴力及安全系数变大。说明,围岩越坚硬,衬砌结构受力越有利。随着二衬厚度的增大,拱顶弯矩及拱肩弯矩绝对值变大,而拱顶轴力、拱顶竖向位移及安全系数变小。随着混凝土强度等级的提高,拱顶弯矩、拱肩弯矩及安全系数变大,拱顶轴力和拱顶竖向位移变小,但这些量值的变化幅度较小,说明混凝土弹性模量对二衬受力影响很小。