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。     

渗透压力作用下加锚裂隙岩体围岩稳定性研究

岩体中裂隙水的存在加剧了岩体结构围岩损伤;锚杆作为岩体工程的重要支护手段,被广泛应用于岩体加固工程中。结合无损伤材料的柔度张量的概念,用裂隙附加柔度张量来表示裂隙对岩体的损伤影响;引入渗透压力附加柔度张量的概念来定义渗透压力对裂隙岩体强度的损伤影响;利用附加刚度来反映锚杆对裂隙岩体的加固作用,附加刚度求逆即得柔度张量。对渗透压力作用下锚固裂隙岩体渗流场与损伤场相互作用及耦合机制进行了深入研究;基于能量互易定理,自洽理论等,分别在压剪和拉剪应力状态下推导了渗透压力作用下加锚裂隙岩体等效损伤模型,建立了相应的计算方法,应用半解耦方法对理论模型进行了有限元程序化。在有限元程序中,将渗透体积力化为等效节点力,参与各单元间应力调整且表现为岩体变形过程中刚度的降低;锚杆锚固力等效为单元节点力,并体现为岩体整体变形刚度的提高。结合工程实际,着重讨论渗透压力作用对隧道围岩稳定性的影响。分析表明,渗透压力对岩体围岩变形破坏及稳定性的影响是不可忽略的。     

分段锚预应力锚杆加固围岩力学分析

基于端锚锚杆支护的优越性和围岩破坏分区及破坏深度逐步向深部发展的规律,针对煤矿深部巷道采用加长或全长锚固锚杆支护时,锚杆的锚固段整体受力不均,抗剪切承载能力低,而端锚锚杆无法适应其大变形缺点的问题,建立了两段锚预应力锚杆支护模型。运用理论计算和数值模拟的手段研究了两段锚预应力锚杆锚固段的受力特征和承载能力,并进行了算例对比分析。结果表明:两段锚分区锚固的支护方式明显改变了加长或全长锚固锚杆锚固段的剪应力曲线变化趋势,使原本呈负指数变化趋势的剪应力曲线变得平缓,提高了锚杆锚固段的剪切承载能力;在相同预紧力作用下,与端锚锚杆相比,明显降低了锚杆锚固段的荷载和剪切应力;在不同预紧力下,两段锚预应力锚杆的两锚固段可分别起到围岩不同变形时期端锚锚杆的支护作用,继续发挥端锚支护的优越性。     

某地下电站厂房围岩稳定性及锚固效应研究

某地下电站厂房围岩属于一种断续节理裂隙切割的节理岩体,其围岩采用了锚杆、锚索加固。作者采用三维断续节理岩体的弹性损伤本构模型、损伤演化方程及损伤岩锚柱单元支护模型分析围岩加固前后的稳定情况,结果表明,能较好地反应围岩的渐近破坏过程和锚杆（索）的加固效果。这些理论成果对设计有参考价值,并对工程实践有指导意义。     

深部软岩巷道锚网索耦合支护非线性设计方法研究

由于深部软岩巷道工程岩体介质已进入到塑性大变形阶段,其破坏主要是由于支护体与围岩之间的不耦合造成的,因此提出了锚网索耦合支护非线性设计方法。与传统的线性参数设计不同,该方法在变形设计的基础上,针对最佳耦合过程进行强度设计,提出锚网索耦合支护参数,并在施工过程中通过反馈设计进行修正。与新奥法不同,采用该设计方法进行锚网索耦合支护既能充分发挥锚网主动支护浅部围岩的能力,又能通过锚索调动深部围岩强度的支护能力,从而可以实现软岩巷道支护体与围岩在强度上、刚度上和结构上的耦合,保证软岩巷道围岩的稳定性。     

锚杆–围岩承载结构支护下隧洞稳定性分析

为避免锚杆支护过剩或支护不足以及快速地、准确地评价被锚隧洞围岩稳定性,首先将岩石和锚杆的复合体考虑成材质均匀的加固体,基于弹性理论推导出加固体的物理力学参数表达式,建立了围岩与加固体协调变形力学模型,并对该模型进行弹塑性力学分析,同时提出了围岩稳定性评价方法,最后将该理论与已有理论和数值模拟进行了对比,研究不同锚杆支护强度对围岩稳定系数的影响。结果表明,通过文中理论得到的隧洞塑性圈半径以及洞壁位移与已有理论的计算结果相比分别相差0.8%和2.1%,并且理论计算值与数值模拟的结果能较好地吻合,从而验证了文中理论的合理性;锚杆长度和锚杆间排距对围岩稳定性影响较大,锚杆支护设计遵循长而疏、短而密的原则;当间排距减小或者预紧力增大时,所需要的最佳锚杆长度有所减小。文中理论可为锚杆支护下的隧洞围岩稳定性研究提供相对简洁快速的定量计算方法。     

弹塑性变形条件下围岩-支护相互作用全过程解析

围岩-支护作用机制是正确认识支护结构对围岩进行有效支护作用的基础理论问题。根据开挖面的空间效应及Hoek拟合方程计算了某工程实例的巷道顶板径向位移沿巷道纵向剖面方向分布的曲线,建立了围岩-支护耦合作用的力学模型,进而建立了描述巷道顶板径向位移与力学模型中的虚拟支护力的关系的数学模型。通过对数学、力学模型的解析与分析,研究了围岩-支护在其相互作用的全过程中的相互作用路径。在此基础上,对弹塑性变形阶段围岩-支护的相互作用原理给出了最新的认识。应用该研究成果,对某工程实例进行了支护作用效果的计算与分析研究。本文的研究成果实现了对围岩-支护耦合作用的全过程解耦,可以对围岩-支护的相互作用进行实时地预测或再现。     

初始地应力场对洞室围岩稳定性的影响

基于施工力学分析方法,考虑岩体的宏观各向同性,建立了从施工开挖到适时支护的有限元列式,给出了模拟锚杆作用的加锚岩体组合单元模型及相关计算公式。针对影响洞室围岩稳定的主要因素,提出了基于实测点地应力的多元回归反演初始地应力场的分析方法。结合工程实例,探讨了不同初始地应力场及支护时机对洞室群围岩稳定的影响。结果表明,洞室变形量值和各洞室顶拱环向压应力均随着侧压系数增大而增大,而洞周的变形随支护时机的提前而减少,尤其是各洞室拱顶沉降位移减少更为明显。     

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。     

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。     

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。     

Development of Rock Bolt Elements in Two-Dimensional Discontinuous Deformation Analysis

Computer modeling can be used to explore and gain new insights into the impacts of rock bolt intersecting joints in rock masses, and to estimate the effectiveness of the rock reinforcement system. In order to achieve this goal, we couple a rock bolt element into the two-dimensional discontinuous deformation analysis (DDA^2D) program. The coupling algorithm is based on the analytically-derived interface behavior between a rock bolt and the rock material for grouted rock bolts. The shear force generated by slippage along the interface is assumed to have a linear relationship with respect to the relative slipping distance between the rock bolt and the rock. The linear elastic criterion is applied to determine the material behavior of rock bolts before the axial stress reaches the yield value. The pullout tests are simulated to verify the coupling algorithm and the effects of the proposed rock bolt elements. Parametrical studies are also carried out to analyze the effectiveness of the rock bolts under various end conditions, joint locations and bond stiffness. In addition, the performance of the rock bolt during the interface debonding is analyzed using two types of constitutive laws, i.e., the friction law and the reduction law. The simulation results show that the proposed rock bolt models can predict the shear forces and axial loading along the rock bolts.     

基于小波函数的锚杆拉拔全过程分析

基于小波函数伸缩平移的特性,建立了能反映锚杆界面黏结?软化?滑动力学特性的剪应力?位移非线性本构模型,克服了三折线软化界面模型需要分段分析的复杂性。结合锚固体荷载传递的力学微分方程,推导了锚杆拉拔荷载?位移曲线的解析表达式,并提出了锚固体位移、轴力、周边剪应力的数值计算方法和步骤。通过算例分析,得到不同张拉位移作用下的锚固段位移、轴力和剪应力分布,获得的锚杆拉拔荷载?位移和锚杆轴向力分布计算值与实测值进行了对比分析,验证了该方法的有效性。该方法能准确地反映锚杆在不同荷载下的传力机制,模拟锚杆从弹性工作状态到塑性滑移的全过程。最后,通过参数分析,得到了锚杆锚固长度、轴向刚度以及锚固界面本构参数对锚固效果的影响规律。     

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。     

深部破碎软岩巷道围岩稳定性分析及控制

针对深部破碎软岩巷道围岩稳定性控制难题,以邢东矿-980车场巷道为研究对象,采用现场调研、数值模拟、井下试验及现场观测等方法分析围岩变形破坏特征,揭示其破坏机制,针对性地提出了以高强锚杆密集支护、新型喷层结构护表、滞后注浆加固为主体的多层次锚喷网注联合支护系统,详细阐明了具体支护措施的围岩控制机制,并用数值方法分析了锚杆间距、喷层厚度对于围岩应力场和位移场的影响规律。研究表明：（1）随着锚杆间距减小（0.7 m→0.3 m）,锚杆承压拱和喷层结构的承载能力呈幂函数增长趋势,锚固区围岩压应力呈线性增长趋势,围岩变形量明显降低;（2）随着喷层厚度增大,喷层结构承载能力近似线性增长,锚固区围岩压应力亦呈增长趋势,各部位围岩位移量显著降低;（3）当喷层厚度达到200 mm时,非锚固区内围岩大部分处于压应力状态,拉应力区大幅减少。基于上述研究,结合现场地质、生产条件确定试验巷道围岩支护方案,并进行现场应用。工程实践表明,多层次锚喷网注联合支护技术可有效控制深井破碎软岩巷道围岩大变形,实现深井巷道围岩的稳定性控制。     

On the stress distribution at the bonding interface between rock and bolt

Rock bolt is a major reinforcement technique for roadways in coal mines in China. Generally, separation of the bonding interface between the rock mass and the bolt may lead to collapse of the bolted rock mass due to stress concentration. In order to establish the stress concentration mechanism on the bonding interface, the distribution functions for shear stress and longitudinal force on the interface are derived using Mindlin's model, and a failure criterion for the interface is proposed. In addition, influencing factors for the stress distribution mode are identified. Both analytical study and numerical simulations by ANSYS have shown that, as the elastic modulus of rock increases, both shear stress and the longitudinal force-concentrating zone move towards the outer end of bolt and decrease gradually from the free surface to the rock mass body. Also, there is an optimizing cement thickness which results in relatively uniform distributions of shear stress and longitudinal force on the interface. It is valuable to investigate the bolt invalidity mechanism as well as reinforcement safety estimation in underground rock engineering design.     

高应力破裂岩体条件下锚网支护研究

通过研究传统新奥法充分利用和调动巷道围岩强度及其自身承载能力,依靠围岩支护共同作用原理来维护围岩的稳定性。对锚网支护作用机理进行研究,建立预应力锚杆的力学模型,发现高强预应力锚杆的锚固力与围岩性质、锚固方式、锚杆杆体和围岩应力等因素有关;同时分析了锚网支护与围岩共同作用机理,并应用FLAC对锚网支护机理进行研究,发现锚网支护与围岩形成压缩拱,依靠压缩拱来抵抗围岩应力,进而维护巷道围岩的稳定。通过在小官庄铁矿进行试验,在小官庄铁矿41联巷采用高强预应力锚网支护,取消喷射混凝土,巷道围岩变形量比较小,锚网支护能够维护高应力破裂岩体围岩的稳定,在同类矿山中具有推广应用价值。     

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。