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。     

大松动圈围岩锚网索联合支护参数确定方法探讨

对大松动圈围岩巷道,单一锚杆支护难以实现对整个破裂区围岩的锚固控制,采用锚网索联合支护时,应考虑锚杆支护对联合支护设计的作用。通过分析大松动圈围岩锚杆锚固支护机制,提出量化锚杆支护作用的锚固承载系数,形成锚网索联合支护参数量化计算方法。研究结果表明：锚杆锚固支护后将大松动圈围岩分为浅层锚固区和深层破裂区,浅层锚固区具有一定承载能力,可视作锚索的等效托盘;在锚网索联合支护中,浅层锚固区承载结构稳定的条件是锚固结构承载力大于环向轴力且能够有效控制破裂区围岩;锚固承载系数大小主要取决于浅层锚固区与破裂区和锚杆预紧力与设计锚固力的关系,对于大松动圈围岩其取值范围为0.45～0.75。经现场试验可知,巷道顶底板移近量为273 mm,两帮移近量为393 mm,表面位移曲线趋于平稳,采用该方法得到的锚网索支护参数有效保证了巷道的正常使用。     

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。     

锚杆对围岩的加固效果和动载响应的数值分析

利用数值分析软件LS-DYNA3D程序,对锚杆对围岩的加固效果和动态力学性能进行了显示动力分析,比较了洞室围岩是否用锚杆加固时,爆炸波引起的岩体中垂直应力、拱顶位移以及锚杆本身轴向应变的变化特点。结果发现：同毛洞相比较,加固洞室围岩应力较大,拱顶位移较小;通过分析锚杆轴向应变-时程曲线,发现不同安装角的锚杆其轴向应变对动载的响应不同,拱部锚杆先受压后受拉,直墙部锚杆全受拉,两部位锚杆均产生轴向拉应变;将模拟的锚杆应变-时程曲线同模型试验的相应曲线进行了比较,两者一致性较好,其结果为动载作用下坑道围岩锚杆加固的布置方法提供了参考。     

渗流条件下隧道锚注复合围岩体的解析方法

锚注法是富水隧道工程中常见的地层加固和止水工法,目前仍缺乏可以同时考虑锚杆-围岩力学相互作用和注浆防水抗渗作用的解析理论。以径向锚注复合围岩体为研究对象,基于达西定律和应力均布法将注浆加固后围岩内的孔隙水压力以及锚杆对围岩的相互作用力代入被加固围岩的应力平衡方程,构建出锚注复合围岩体微分方程,求解出复合围岩体及原岩的渗流场、位移场、有效应力场及锚杆轴向应力场的解析解并进行有限元验证和对比。对比结果表明：解析结果与有限解结果一致;与仅注浆的工况相比,锚注加固可改善围岩的应力状态。然后,基于所得解析解,揭示并讨论了锚注加固参数、支护力、二衬抗渗压力等参数和条件对隧道锚注复合围岩体安全系数的影响规律。规律指出：锚注范围、锚杆密度因子及支护力的增加使安全系数分别以先快后慢、准线性及先慢后快的趋势提高;二衬抗渗压力的增加虽然可减小涌水量,但不利于隧道的稳定。最后,基于所提出的解析解给出了锚杆的参数优化设计方法并给出算例。上述研究成果可为渗流隧道的锚注加固设计提供解析理论参考。     

考虑膨胀应力和剪胀的深埋隧道弹塑性解

基于湿度应力场理论,推导了考虑膨胀应力和剪胀特性的圆形隧道开挖后围岩力学响应的弹塑性解。将隧道软弱围岩遇水膨胀现象视为湿度-应力耦合过程,基于Fick第二定律,推导了圆形隧洞围岩内湿度扩散非稳态解。采用非关联流动法则,获得了隧道高膨胀势区的应力和位移解答。以两种不同质量岩体开挖的隧洞为例,分析了膨胀围岩应力和变形的影响因素。结果表明,考虑膨胀应力（取决于围岩含水率变化和湿度膨胀系数）时,塑性区扩大,松动圈厚度增加,应力收敛变慢。当膨胀应力增大到一定程度时,塑性区将出现拉应力区。膨胀岩隧洞开挖遇水作用,膨胀应力增加的围岩变形远大于地应力引起的围岩变形。同时,应力剪胀对膨胀性围岩的变形影响不容忽视,尤其是在支护抗力较小的情况下,洞壁处径向位移增加显著。     

高地应力条件下大型地下厂房松动区变化规律及参数反演

松动区是控制地下洞室围岩变形及失稳的重要因素。以锦屏一级水电站为例,结合声波测试及多点位移计监测成果,对高地应力和低强度应力比条件下大型地下厂房围岩松动区的分布及变化特征进行分析,并采用BP网络和遗传算法对围岩参数进行反演。研究表明,声波测试的围岩松弛深度与多点位移计监测得到的围岩主要变形深度具有一致性,围岩松弛深度变化趋势与岩壁位移变化也存在对应关系,两者结合可以对围岩松动区的变化规律进行连续的分析。高地应力和低强度应力比条件下的松动区深度远大于一般应力条件,由于围岩应力状态调整、岩体破坏所导致的卸荷松弛成为围岩松弛的主要因素。开挖过程中,由于围岩应力状态的逐步调整,导致围岩的破坏和松弛的渐进发展,其中松弛深度在水平向的扩展较为明显。反演得到的松动区岩体变形模量及黏聚力较未松动岩体有明显降低,而摩擦角降低较少。因此,对松动区岩体进行灌浆加固,将有助于提高松动区岩体的变形模量和粘聚力,从而增强围岩的稳定性。     

层状岩体围岩变形破坏特征及稳定性评价

层状岩体是地下工程中经常遇到的一种岩体,具有明显的各向异性力学性质,其变形破坏特征与均值岩体相比表现得更为复杂。根据共和隧道地质调查和地应力量测的资料分析,隧道围岩偏压现象与地应力和岩性有极大的相关性。通过对隧道初期支护开裂段围岩位移收敛、围岩接触压力、锚杆轴向力监测和松动圈探测,其结果表明,围岩变形及应力和松动圈都在右拱肩处最大,即靠河侧大于靠山侧,与初始地应力的最大主应力方向不一致。因此,通过现场监测提前了解围岩-支护结构的变形及受力状况,及时修改了支护参数,避免了隧道垮塌等恶性事件的发生,从而有效指导了隧道施工和设计。     

交错既有隧道次生力学效应三维模型试验

为分析交错新建隧道施工对既有隧道的影响,采用公路隧道结构与围岩综合试验系统对交错隧道进行三维物理模型试验。测试的内容包括新建隧道开挖引起既有隧道围岩内部压应力、围岩内部位移及支护结构内力的变化规律。试验结果表明,既有隧道拱顶径向压应力和拱腰切向压应力具有增加趋势,拱顶切向压应力和拱腰径向压应力具有减小趋势;拱顶围岩内部位移表现为压缩变形,拱腰围岩内部位移为拉伸变形;既有隧道支护结构的轴力和弯矩全为增加,右拱腰的弯矩受到的影响最大;新建隧道施工对既有隧道L8截面的影响较小,对L1和L4截面的影响非常明显,当间距小于L8截面情况时应采取加固措施。     

考虑施工过程的基坑锚杆支护模型试验研究

通过大型室内模型试验,研究了土质基坑在开挖和预应力锚杆施工过程中土中应力、锚固段应力及基坑壁侧向位移的变化规律。结果表明,在基坑开挖过程中,基坑壁附近的土体应力状态变化显著;锚杆锚固段应力呈非线性递减分布;基坑壁侧向位移随施工过程的进行而呈增大的趋势。在模型试验基础上,对土层锚杆的锚固和变形机理进行了探讨,结果表明：必须建立一个包括基坑周围土体以及锚杆等在内的完整力学模型,且考虑施工过程,才能较精确地求解基坑周围应力场和位移场。     

隧道围岩中全长注浆岩石锚杆的应力分布分析

在弹性状态下,根据锚固体的受力情况建立了锚固体的摩阻力分布模型。根据此模型,结合隧道围岩位移变化函数推导了全长注浆岩石锚杆在围岩变形下的全长受力分布函数。并结合工程实例,分析了锚杆的应力分布特征,得出了注浆岩石锚杆在围岩变形中受力的基本特征。     

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。     

应力监测在公路岩质边坡中的应用研究

针对山区高速公路岩质边坡数量大、失稳难以及时预警的问题,提出对边坡支护锚杆进行应力监测的方式以评价其稳定性。以广陕高速改扩建工程沿线的一处典型岩质边坡为例,采用FLAC3D软件对岩质边坡的开挖支护过程进行模拟,利用强度折减法分析随岩体强度降低过程中支护锚杆的轴力变化规律,确定应力监测预警值,并结合现场试验结果对边坡安全状况进行评价。研究结果表明,试验边坡监测位置应以泥岩结构面处为主,应力监测预警是一个整体的预警系统,监测点位任一处达到预警值均应提出预警。监测结果显示,应力监测在120 d时出现明显变化,而位移变化则较为滞后,在167 d后才出现明显变化;综合应力与位移监测的结果可以得出,试验边坡处于安全运营状态,所提出的应力监测评价公路岩质边坡的稳定性具有可行性。     

抗浮锚杆应力-应变状态的线弹性理论分析

假定抗浮锚杆各部分贡献的位移与锚杆轴力均呈线弹性关系,运用力学原理分析锚杆轴力与锚侧摩阻力、锚-土变形之间的相互关系,推导出锚杆的摩阻力、轴力及各部分变形与锚杆各参数的相互关系。实例验证结果表明：基于线弹性模型基础上建立的摩阻力、轴力和位移公式能够较好地描述垂向抗浮锚杆在弹性变形阶段的内力和变形形态;获得了抗浮锚杆摩阻力和剪切位移沿锚固长度的分布规律;证实了锚土界面处变形为土层抗浮锚杆变形的主要部分。     

加锚岩体流变特性及锚固控制机制分析

通过室内蠕变试验和理论分析,对加锚改善岩石流变力学特性进行了研究,并探讨了锚固控制岩石流变的力学机制。采用RLJW-2000型流变试验机,对红砂岩及其加锚试件进行分级加载（100 h以上）单轴压缩试验,结果表明,加锚后岩石的流变应力阀值提高了20%～30%? c,且不同应力水平流变量均能得到一定控制,加锚使试件的长期强度增加了5%～10%? c。此外,基于整体协调变形原理,建立了加锚体流变本构方程,推导出了一维B-K模型解答,算例分析表明,锚杆密度越大,对岩石流变控制效果越好,得出锚杆等效刚度是约束岩石流变的主导因素,但从技术经济角度考虑,锚杆支护密度与岩石流变参数之间存在一个合理的匹配区间。研究结果对长期使用的岩体工程锚固支护设计提供了理论依据。     

LOAD DISTRIBUTION ALONG FULLY GROUTED BOLTS,WITH EMPHASIS ON CABLE BOLT REINFORCEMENT

Explanation for the widely reported observation that fully grouted reinforcement is more effective in hard rock that behaves as a discontinuum than in soft rock is presented. Analytical solutions are presented for the distribution of displacement and load along an untensioned fully grouted elastic bolt, of specified bond stiffness, which is activated during excavation by either a continuous or discontinuous distribution of rock displacement. The results indicate that significantly higher axial loads are developed for the discontinuous case. Since the mechanics of bond failure depend on the type of bolt and grout used, in the second part of the paper a finite difference formulation is introduced and combined with a non-linear model for the bond behaviour of a cement grouted seven-wire strand cable bolt. The results of a parametric study indicate that, because the bond is frictional and depends on confinement at the borehole wall, for the same profile of rock mass displacement lower loads are developed in soft rock. Furthermore, in soft rock, excavation induced stress changes can cause a dramatic reduction in bond strength, so that, even after significant rock mass displacement, the axial load developed is significantly less than the tensile strength of the cable. A combination of these effects can explain why failures of cable bolted ground involve debonding at the cable–grout interface in soft rock, and why instances of cable rupture are confined to hard, blocky rock masses.     

An Analytical Solution for Mechanical Responses Induced by Temperature and Air Pressure in a Lined Rock Cavern for Underground Compressed Air Energy Storage

Mechanical responses induced by temperature and air pressure significantly affect the stability and durability of underground compressed air energy storage (CAES) in a lined rock cavern. An analytical solution for evaluating such responses is, thus, proposed in this paper. The lined cavern of interest consists of three layers, namely, a sealing layer, a concrete lining and the host rock. Governing equations for cavern temperature and air pressure, which involve heat transfer between the air and surrounding layers, are established first. Then, Laplace transform and superposition principle are applied to obtain the temperature around the lined cavern and the air pressure during the operational period. Afterwards, a thermo-elastic axisymmetrical model is used to analytically determine the stress and displacement variations induced by temperature and air pressure. The developments of temperature, displacement and stress during a typical operational cycle are discussed on the basis of the proposed approach. The approach is subsequently verified with a coupled compressed air and thermo-mechanical numerical simulation and by a previous study on temperature. Finally, the influence of temperature on total stress and displacement and the impact of the heat transfer coefficient are discussed. This paper shows that the temperature sharply fluctuates only on the sealing layer and the concrete lining. The resulting tensile hoop stresses on the sealing layer and concrete lining are considerably large in comparison with the initial air pressure. Moreover, temperature has a non-negligible effect on the lined cavern for underground compressed air storage. Meanwhile, temperature has a greater effect on hoop and longitudinal stress than on radial stress and displacement. In addition, the heat transfer coefficient affects the cavern stress to a higher degree than the displacement.