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。     

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。     

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。     

基于量测位移的隧洞围岩弹性抗力系数反演方法

在水工隧洞工程中,岩石弹性抗力系数K反映了岩石弹性抗力的大小,是设计环节中需要确定的一个极为重要的基础计算参数。水工隧洞工程中需用水压法试验测定弹性抗力系数,由于水压法测定抗力系数不仅耗时、费工、且试验工艺复杂。本文通过对比分析弹性状态下深埋圆形隧洞开挖支护与水压法试验力学效应关系,提出一种基于量测隧洞位移的围岩抗力系数的反演方法,该法可根据量测隧洞位移直接反演得到弹性抗力系数。结合北京市南水北调配套工程南干渠工程试验段工程实践,对浅埋水工隧洞位移进行监测,利用提出的反演方法,得到了隧洞围岩的弹性抗力系数。提出的反演方法为复杂水工隧洞不同围岩应力状态问题的弹性抗力系数反演提供参考和借鉴。     

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。     

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。     

卸荷条件下锚杆对节理岩体力学参数的影响

岩体在加载和卸荷条件下,其力学性质有本质的区别。采用数值模拟方法,以ADINA软件为计算平台,研究了卸荷条件下,锚固密度、锚杆长度和岩体性质3个因素对节理岩体力学参数的影响。采用等效变形参数的方法计算节理岩体和锚固体的等效变形模量和泊松比。在分析数值计算结果的基础上,分析了加锚后等效变形模量En与锚固密度N和锚杆长度L之间的关系。     

简谐振动荷载下锚杆加固岩质边坡的受力分析

基于块体动力学方法,考虑简谐振动地震波作用,根据Pseudo-static分析原理建立动力荷载下的锚杆支护边坡简化模型,采用解析方法对求得谐振作用下沿滑移面滑移的边坡破坏运动解以及锚杆内力解的表达式,在此基础上,提出可适用于抗震设计的锚杆受力解答。通过锚杆支护边坡的参数影响分析表明,地震波的频率对破坏体的滑动位移幅值有较大影响,在锚杆加固边坡设计中应避免免引起共振现象;锚杆间距对位移振动幅值影响也较大,随着间距的增大,位移幅值也增大;当锚杆间距一定时,随着坡高的增大,边坡滑动位移幅值增大幅度相较其他参数影响较小;随着边坡岩石边坡角度的增大,位移幅值也随之增大,下边坡角度从60°增大到90°时,位移幅值由7 cm增大到25 cm;上边坡坡度超过25°时,位移幅度急剧增大,在设计和施工中应当引起重视。     

砂土中隧洞开挖引起的地面沉降试验研究

利用离心模型试验研究隧洞开挖中支护压力P与地层位移S的关系以及地面沉降槽的形态。得到归一化P-S曲线和沉降槽计算参数。还分析了土类、密度和含水量对地层位移的影响。     

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。     

考虑渗透力和原始Hoek-Brown屈服准则时圆形洞室解析解

采用原始Hoek-Brown非线性屈服准则,推导了渗透力作用下圆形洞室弹塑性解析表达式。根据解析公式,绘制了渗透力作用下基于原始Hoek-Brown屈服准则的围岩特性曲线、塑性区半径与洞壁支护力关系曲线、塑性区半径与围岩自重应力关系曲线,并与基于Mohr-Coulomb屈服准则以及不考虑渗透力的图形进行了对比研究,研究表明：应用原始Hoek-Brown屈服准则求出的洞室径向位移和塑性区半径都大于应用Mohr-Coulomb屈服准则求出的结果;在围岩情况较好的条件下基于原始Hoek-Brown屈服准则计算的塑性区半径远大于基于Mohr-Coulomb屈服准则算出的值;渗流效应对地下洞室的塑性区半径和洞壁径向位移的影响十分显著。     

Analytical model for the design of grouted rock bolts

An analytical model which represents the behaviour of a reinforced rock mass near a circular underground opening in a homogeneous, uniform stress field has been developed. The theory adopts the concepts of elastoplasticity and considers a proper interaction mechanism between the ground and the grouted (or friction) bolts. It highlights the influence of the bolt pattern on the extent of the yield zone and tunnel deformation. A dimensionless parameter is introduced as a design tool which relates the tunnel convergence to the bolt spacing for a given bolt length. This publication contains the derivation of the analytical model and an illustration of the effect of bolts on the stress and displacement field near an opening. Its application to tunnel design is discussed briefly. The verification of the theory by laboratory simulation and field measurements will be presented, in detail, in a future publication.     

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。     

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.     

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。     

强震区软弱破碎千枚岩隧道系统锚杆支护作用效果分析

以在建的穿越5•12强震区发震断裂带的广甘高速公路杜家山隧道为工程依托,选取20 m典型围岩区段为试验段,对有、无系统锚杆时的洞周位移、锚杆轴力、钢拱架内力、围岩与初支接触压力、及其二衬内力进行实测对比分析,探讨锚杆支护作用效果不明显的成因,提出了在强震区软弱破碎千枚岩隧道围岩中采用“钢喷”初期支护的支护方案。研究结果表明：设置锚杆的断面,其锚杆轴力值较小,最终洞周变形值及围岩与初支的接触压力值相对偏大,钢拱架和二衬的安全储备相对不足;锚杆的施工不仅在某种程度上加剧了对深部围岩的扰动,而且还延误了喷射混凝土和钢支撑支护对暴露围岩及时封闭的最佳时机;震后深部围岩的震裂损伤和震裂岩体地下水的渗透性增强,致使围岩松弛区域超过了锚杆设置范围,且锚杆与围岩间的黏结力被削弱。     

基于幂强化本构模型的轴对称圆巷弹塑性解

轴对称圆巷的弹塑性求解的关键是选择合适的屈服准则。已经有诸多学者选择Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则和Hoek-Brown准则等,进行了相应的求解。为了探讨更符合工程实际需要的准则和求解,在考虑岩石材料的应变强化效应的条件下,建立了轴对称圆巷的幂强化本构模型和基于Drucker-Prager屈服准则的幂强化-理想塑性模型,并进行了弹塑性求解。以工程实例为计算条件,将幂强化-理想塑性模型的计算结果与基于Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则的理想塑性模型和幂强化模型的计算结果分别进行了对比,分析幂强化参数对围岩弹塑性解的影响。研究表明,应变强化效应对围岩稳定性有较大影响,对于应变强化效应较强的岩石材料,采用幂强化模型分析更接近工程实际。     

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.